节能新风系统在5G通信机房的应用潜力与节能策略

摘要：在5G技术的广泛应用背景下，通信机房面临的能源消耗尤其是空调系统的高能耗问题，已经引起了行业的广泛关注。目前，众多节能方案正通过引入新风系统来减少机房内空调系统的依赖，从而达成节能的目标。本研究的关键在于阐明新风系统节能应用的具体条件，强调只有在合适的环境下，新风系统的运用才能达到预期的节能效果。通过精细的数学建模与计算模拟，本文不仅评估了新风系统在节能方面的潜能，而且深入分析了其在不同气候条件下的节能表现及其应用的限制条件。基于这些发现，本研究提出了针对新风系统的控制策略，旨在确定最适合的冷却解决方案。通过参数设定和控制策略，新风系统展现出其作为节能及环境友好冷却方案的潜力，为5G通信机房能效的优化提供了坚实的科学根据与实践指南。

关键词：节能；新风；控制策略；通信机房

一、引言

在5G技术迅速发展的时代背景下，电信行业正经历着一场范式的转变，这场转变不仅体现于连接性的显著增强和数据处理能力的提升，更在于能源需求的急剧增加。这种增加在通信机房内尤为明显，5G基础设施的推广带来了前所未有的能源管理挑战[1]。

面对这些挑战，行业内已开始积极探索和实施各种节能方案，旨在应对5G技术引发的能源消耗上升。特别是在通信机房冷却领域，由于传统空调冷却方法的高能耗问题，寻求替代的节能冷却解决方案成为行业的紧迫任务[2]。在众多方案中，利用新风系统以降低空调能耗的技术受到了广泛的关注和应用。例如，文献[3]探讨了在夏热冬冷地区通过新风节能系统进行节能的可能性及其效果，发现该系统能够降低室内温度，减少对传统空调的依赖。文献[2]提出了利用AI技术对无线机房能耗进行智能控制的新方法，借助AI系统的实时监控和自动调节功能，减少了关键设备的能耗。文献[4]研究了智能新风系统与空调联动的策略，比较了不同控制模式下的节能效果。

尽管在当前的节能措施中，采用新风系统作为降低通信机房内空调能耗的方法已经得到了广泛的讨论和实施，但存在一个不容忽视的问题，即这些方案往往未对新风系统进行深入系统建模和精确计算。换句话说，当前的应用策略主要基于经验和直观判断，而不是基于科学、量化的分析。这种情况导致新风系统的运用效率并非最优，甚至因为条件判断失误而增加能耗。实际上，新风系统的效能受多种因素影响，包括外部环境温度、室内热负荷、风系统设计参数。缺乏量化分析意味着无法制定科学的开启策略，例如何时开启新风系统、以何种速率运行风机，以及如何与现有的空调系统协同工作，以达到最佳的节能效果。

因此，为了发挥新风系统在5G通信机房节能中的潜力，需要通过科学方法对其进行系统建模和计算。这不仅包括对新风系统本身的建模，还包括其与机房内部环境的相互作用，以及与其他冷却设备（如空调系统）的协同效应。通过这种方法，可以更准确地预测新风系统在各种条件下的性能，从而制定更科学、有效的开启策略和运行参数设定。这不仅能够提高新风系统的节能效率，还能够为通信机房的整体能源管理提供理论支持。

二、新风系统节能的潜力

（一）计算方法和模型

为了准确评估自然冷却技术的节能潜力，采用了数学建模和计算模拟的方法。这些方法可以帮助预测在不同气候条件下，自然冷却技术的冷却效果和能耗节约程度。通过这种方式，可以对不同地理位置的通信机房进行能效分析，从而为选择最合适的冷却方案提供科学依据。为了评估新风冷却的节能潜力，可以使用以下公式计算新风系统的制冷量：

Q = ×ρ×cp×（Tout -Tin）" " （1）

其中：

Q 代表制冷量（通常以千瓦为单位）。

为风机的风速（立方米每秒）。

ρ 为空气密度（千克每立方米），这个值依赖于温度和湿度。

cp为空气的比热容（焦耳每千克摄氏度），它表示单位质量的空气在温度变化一摄氏度时吸收或释放的热量。

Tout" 和 Tin 分别是室外和室内的温度（摄氏度） 。

通过这个公式，可以计算在特定环境条件下，新风系统能提供多少制冷量。将该制冷量与传统空调系统的制冷量进行比较，可以直观看出新风冷却在节能方面的潜力。但考虑空气流动的阻力和系统的效率损失，在原有的制冷量计算公式中引入额外的修正因子。修改后的公式如下：

Q modified = Q ×η×λ" " " （2）

修改后的公式中：

Q modified" 代表考虑阻力和效率损失后的实际制冷量。

Q是原始制冷量计算公式，即 ×ρ×cp×（Tout -Tin）。

η 代表系统的效率因子，考虑系统组件 （如风机、滤网等） 的效率损失。

λ 代表空气流动的阻力对制冷效果的影响，该值通常小于 1 ，取决于系统设计和空气流动路径的复杂性。

这样的修正可以帮助更准确地评估在实际应用条件下新风冷却系统的节能效果。在简单计算中，系统效率因子（η）和空气流动阻力的影响（λ）取决于系统设计和操作条件。一般而言，这两个系数均小于1，以反映实际效率低于理想状态。

对于系统效率因子（η），一个常见的起始点在0.6至0.9之间，取决于系统组件的效率和整体设计。高效的系统会接近0.9，而效率较低的系统更接近0.6。

对于空气流动阻力影响（λ），该系数可能会更低，因为空气动力学阻力显著影响空气流动。一个常见的估计值在0.5至0.8之间，取决于管道设计、风机性能和空气过滤系统。

需要强调的是，这些值仅为一般估计，实际应用中应根据具体系统设计和操作条件进行调整。最准确的方法是通过测试或工程分析确定这些系数。对比节能系统性能时，选择保守的参数设定对于获得客观和可靠的结论至关重要。因此，本研究中，新风系统效率因子设定为0.9，同时考虑加装滤网，空气流动阻力影响设定为0.5。这种设定反映了对系统潜在效率损失的预先考虑，从而确保了评估的严谨性。对于立式空调系统，将其性能系数设定为0.8，即实际制冷量为铭牌上的制冷量的0.8倍。并假设空气流动阻力影响为1，即没有额外的阻力损失。这样的参数设定在对比分析中引入了一种保守的假设，有助于避免对新风系统性能的过高估计，从而提供更稳健的节能效果评估。

（二）新风系统的节能潜力

从公式（2）可知，新风系统的制冷效率与室内外温差及风量直接相关，并非在所有情况下均比空调省电，如公式（3）所示，温差必须大于∆T_min新风系统才能起到节能效果：

" " （3）

其中：

Q空调 代表空调的制冷量（通常以千瓦为单位）。

P新风 为新风系统的总功率（通常以千瓦为单位）。

P空调 为新风系统的总功率（通常以千瓦为单位）。

以5匹功率的空调系统为例，其制冷能力达到12000瓦，而输入功率为4500瓦。假定空调效能系数为0.8，则其每千瓦功率的制冷效果为7680瓦。

对于新风系统，从公式（2）可以得到其制冷能力与室内外温差及风量直接相关。以一个12寸、风量为2500立方米每小时的风机为例，其功率为280瓦，效能系数设为0.9。加上滤网后，空气流动的阻力系数设为0.5，空气的比热容为1.005千焦耳每千克·摄氏度，空气密度为1.293千克每立方米。在这种条件下，每千瓦功率的制冷效果为5221w×（Tout -Tin ）。因此，当室外温度比室内温度低1.5摄氏度时，新风系统能耗将低于空调系统。

新风系统在能耗上有优势，然而需要注意的是，它们的制冷效果较低。在不改变风量的情况下，要达到与5匹空调相同的制冷效果，新风系统的室内外温差需要达到23.64摄氏度。如果希望在更小的温差下达到空调的制冷效果，则需要考虑增加更多的系统配置。

总体而言，虽然新风系统在某些条件下能够提供更高的能效，但在实现与传统空调相同的制冷效果方面，它们面临着一定的限制。这意味着在设计机房冷却方案时，需要综合考虑制冷需求、能效以及成本效益，以确定最合适的冷却解决方案。

三、新风节能系统控制策略

（一）新风系统的节能效果

新风系统的最大效能依赖于参数设计和优化。通过计算和模拟，可以确定最佳的空气流量、温度设定和风道配置，使新风系统在不同情况下达到最佳制冷效果，从而优化系统性能。

（二）机房温度的升温过程

可以构建一个基于能量平衡模型。假设机房内的温度变化由新风系统的制冷效果和机房内设备的发热量决定，同时忽略其他热交换途径（如辐射、导热等），可以得到一个关于时间的温度变化方程。考虑机房的温度变化受新风系统制冷效果和设备发热量的影响，假设机房温度随时间的变化率（即温度对时间的导数）与新风系统的制冷能力和设备发热量之差成正比。这个关系可以用下面的微分方程进行描述：

" （4）

其中，

Q新风 =Qmodified=Q×η×λ= ×η×λ×ρ×Cp×（Tin-Tout）

（5）

该微分方程表明，机房温度的变化率取决于设备发热量和新风系统制冷量的差，以及机房空气的总热容。要从这个微分方程得到关于时间的机房温度函数，需要对方程进行积分，并且知道初始条件，即在 t=0 时的机房温度 T机房 （0） 。

为了简化，定义两个常数 A 和 B ：

" （6）

（7）

微分方程可以重写为：

" （8）

解微分方程，方程的解是：

（9）

其中， T机房 （0） 是初始时刻 t=0 时的机房温度。

当t=∞时，机房温度达到平衡，机房的温度为：

" （10）

表达式（10）提供了一个直观的理解，即机房的温度实际上是机房内设备发热量对新风系统制冷效果的调整值加上室外温度。该结果反映了在给定的机房条件和新风系统配置下，室外温度和设备发热量如何共同影响机房的温度平衡。特别是当机房设备总功率较低，或者室外温度较低情况下，新风系统展现显著的节能效果，因为较低的外部温度有助于排除机房内的热量，同时较低的设备功率也意味着产生的热量较少，这两个因素共同作用使新风系统在维持机房温度平衡方面更加能效高效。

以一个总运行功率为7kW无线机房，以及一个总运行功率为2kW的无线机房为例，使用2500风量的风机，前者机房温度将比室外温度高17.24度，后者机房温度将比室外温度高4.93度（效率因子被设定为0.9，空气流动阻力设定为0.5）。80平方米的机房（机房高度3米）的升温曲线如图1所示。

其中，纵坐标（Tin-Tout） 室内外温差 （单位是℃）。横坐标time 为时间 （单位是小时）。

从图中可以看出，通过新风系统降温，机房室内外温差将在1小时左右达到峰值平衡。

（三）新风系统的开启策略及建议

从公式（10）可知，机房最终的温度受室外温度、设备运行总功率的影响，为了进一步精确机房的温度管理策略，并确保其既有效又节能，本文综合考虑了新风系统与辅助空调系统的协同作用，旨在通过精确控制，实现机房内温度的稳定与能源消耗的最优化：

1.定义机房正常运行的最高温度Tmax，最高温度Tmax需要根据实际情况来定。

2.新风系统散热能力评估：首先，使用公式（3）计算要达到节能效果时最低温差∆Tmin，再使用公式（10）结合机房实际功率和室外温度估算，计算仅通过新风系统散热时，机房达到平衡状态的温度T。

3.当室外温度Tout+∆Tmin+Tdelta_新风gt;Tmax时，系统能效将比空调要低，因此就没有开启新风系统节能的必要，完全由空调系统对机房进行降温。其中Tdelta_新风为新风系统关闭的迟滞值，用于避免新风系统频繁开关，通常设为5℃。

4.在满足Tout+∆Tmin+Tdelta新风lt;Tmax条件基础上，对系统的开启策略分两种情况考虑：

（1）当Tlt;Tmax时的策略：如果Tlt;Tmax，表明仅开启新风系统就能维持机房温度在正常运行范围内。在这种情况下，当室内温度Tin≥Tmax时启动新风系统，当 Tinlt;Tmax-Tdelta新风时关闭新风系统，其中Tdelta新风是新风系统关闭的迟滞值，用于避免新风系统频繁开关，通常设为5℃。

（2）T≥Tmax时的策略：如果T≥Tmax，意味着必须依赖空调系统的辅助冷却维持机房的正常运行。此时，新风系统应在室内温度Tin≥Tout+∆Tmin时立即开启（需要确保系统比空调省电的情况下开启），以减少空调系统的运行时间。空调系统的开启条件Tin≥Tmax，而关闭条件为Tinlt;Tmax-Tdelta_空调，其中Tdelta_空调是空调系统关闭的迟滞值，用于避免空调系统频繁开关，通常设为5℃。

四、结束语

在5G技术快速发展和广泛应用背景下，通信机房面临的能源消耗挑战显得尤为迫切。特别是空调系统的能耗，在保持设备运行最佳状态的同时，也成为能源管理的一大负担。针对该问题，本研究探讨了新风系统在通信机房节能中的应用潜力及其效果，通过数学建模和计算模拟的方法，对新风系统的节能性能进行了评估。

本文的主要发现包括：新风系统的节能效果与多种因素有关，如室外温度、机房内设备的热负荷以及新风系统自身的设计参数。通过对这些因素进行综合考量，新风系统能够在特定条件下显著降低空调能耗，从而实现整体能源消耗的降低。基于上述分析，本文提出了新风系统的开启策略和控制方法，以确保其在满足机房冷却需求的同时，达到最佳的节能效果。然而，新风系统应用也面临着一定的限制，包括粉尘积累、维护难度增加，这些问题需要通过进一步的技术改进和维护策略进行克服。另外，在控制策略方面仍需要继续探索，未来研究应进一步完善新风系统建模和计算方法，探索更高效的控制策略，并考虑实际应用中可能遇到的问题，以推动新风节能技术在通信机房中的广泛应用和发展。

作者单位：梁荣锟 中国移动通信集团广东有限公司江门分公司

参考文献

[1]梅辉，李玉昇，唐伟君，等.5G基站智能关断应用方案探讨[J].电信工程技术与标准化，2023，36（S1）：89-95.

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[3]张蕾，雷威，杨彬.通信基站新风节能系统在夏热冬冷地区的节能分析[J].节能与环保，2023，（05）：35-37.

[4]雷威.通信基站智能新风系统运行策略研究[J].节能，2023，42（01）：49-51.