相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析（可编辑）

相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析（可编辑） 相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 学校代号: 学 号: 密 级: 湖南大学工程硕士学位论文 相变蓄冷空调在基站应用中 的经济性分析 ? ? ? ? ? ‘ 。‘ ‘ .., 卜 , 大 湖 南 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名:永蓼 日期:挪年多月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 、保密口,在 年解密后适用本授权书。 、不保密团。 请在以上相应方框内打“?” 作者签名: 日期:帐钿久日 导师签名: 日期:?移,弓年月?日 叫讯相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 摘 要 相变蓄冷空调系统通过“夜制昼用”的运行方式实现了电网的削峰填谷,大 大的缓解了电网用电负荷供求矛盾的事态,且对于能源紧张的今天,尤其是 在这 种基站空调大能耗场合中是一种值得推广应用的新技术方法,也同时是整个 通讯 基站空调行业未来发展的一个新的方向选择。然而在通讯基站中应用相变蓄冷空 调与常规空调相比,技术上可行但是经济上又是否可行呢因此就不得不对这两 种空调系统进行其经济性的对比分析。本论文正是基于此问题进行相关论证与分 ’ 析。 首先,通过对国内外文献研究发现目前就相变蓄冷空调系统基站应用中的经 济性分析文献还比较少,一般都是在某一大型建筑中与常规空调系统相比较,进 行经济性分析,而针对基站这一特殊建筑而言比较缺乏。其次,本文以长沙地区 的某具体基站为例,进行了实测分析,将基站中分别应用相变蓄冷空调与常规空 调两种系统的相关参数进行了实测并数据,分析并得出了相变蓄冷空调在基 站应用中的温湿度及洁净度的效果均优于常规空调系统。再次,以实测的实验数 据为基础,借助于软件对相变蓄冷空调与常规空调系统进行模拟研 究分析,通过软件的模拟研究分析了两种空调系统的制冷循环特性及相关的性能 参数分析,得出了相变蓄冷空调的性系数比常规空调优越。最后,本文介绍了两 种常用经济性分析方法模型,即动态与静态分析方法模型。本文是在静态分析方 法模型的基础上,将年利率及电价上涨率考虑进来,建立一种新的经济性分析方 法模型,并且通过此模型对具体的工程实例进行了经济性分析,得出相变蓄冷空 调的投资回收期均在年以内,是经济可行的蓄冷空调系统。 本论文为移动运营商在基站的空调选择上提供了一种全新的方向选择, 也同时为其选择做出了评价标准。 关键词:相变蓄冷空调:热力学仿真::经济分析工程硕士学位论文 ”” ,. ’ ,, ., , . . , ,, .,, ,. ,., ,. ,., ,., , ,.相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 , . , . :; ;; 工程硕士学位论文 目 录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书? 摘要??.?..第章绪论一 .课题研究背景及其意义.国内外研究现状及发展趋势 ..国内外研究现状. ..发展趋势. .蓄冷系统技术的概述 ..蓄冷技术分类?. ..全部蓄冷与部分蓄冷?一 .本课题研究的主要内容与创新?一 第章相变蓄冷空调系统在基站中的应用测试? .相变蓄冷的原理?. .基站用相变蓄冷空调机组的控制策略?一 ..机组的结构..机组运行的控制策略? .测试的内容及方法. ..室内外环境温湿度测试 ..室内空气洁净度测试? ..墙体传热系数测试..相变蓄冷空调系统的节能测试 .检验测试的数据整理及结果分析一 .本章小结?. 第章基于的模拟分析?. . 简介? .模型的建立. .循环仿真结果分析. .本章小结?. 第章相变蓄冷空调技术的经济性分析一 .相变蓄冷空调的经济效益.. 相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 ..相变蓄冷空调的社会经济效益 ..相变蓄冷空调用户经济效益? .相变蓄冷空调的经济评价方法?一 ..相变蓄冷空调的静态经济评价法..相变蓄冷空调动态的经济评价方法? .相变蓄冷空调的经济分析数学模型??一 .工程实例分析??. .本章小结?.. 结论与展望?一 参考文献?一 致谢一工程硕士学位论文 第章绪论 .课题研究背景及其意义 进入世纪以来,国民生活水平在日新月异提高的同时,也在不断的追求着 高品位的生活质量,这就促使了及宽带网络的飞速发展,以及物联网、云计 算及移动互联网的蓬勃发展。因此通信网络能耗总量将会呈现加速增长的势头, 而能源问题又是制约经济发展的首要因素,我国的能源消耗现已经位居世界第二, 能源紧张不足的问题已经严重影响到我国的经济发展及安全稳定。所以在寻找开 发新能源的同时,也势必将给通信工业的节能减排工带来严峻的挑战。据发改委 统计的最新数据显示,我国的通信网络中仅基站用空调每年的耗电量就达亿 ,通信行业不仅是一个高科技的行业,更是一个高能耗的行业。年月 日,新华社授权发布的《国务院关于加强节能工作的决定》,《决定》指出,能源 问题已经成为严重制约中国经济及社会发展的首要因素,要站在战略及全局的高 度,做好充分认识能源工作重要性、高度重视能源安全的准备,以实现能源的可 持续发展。同时工信部在《通信业“十二五发展规划》中提出了 年单位电 信业务总量综合能耗比年下降%。为此,各企业的产业链将会推出众多 节能创新技术和产品,有效的帮助电信运营商加快网络节后优化升级,部署绿色 、基站机房等网络基础设施,加速建设节能基站、节能空调、节能电源等设 备的应用企业。因此通信行业开展节能减排工作是贯彻落实国家节能政策、利国。 利民的大事,而且能有效降低企业运营成本、提高企业竞争能力【、、】。 现阶段,国家制定了严格的节能减排政策,全国各行业都制定了详细实施方 案。信息产业部也在推进移动通信技术升级换代的同时,着手解决在基站建设的 过程中对资源浪费严重的问题。特别是现在通信移动系统由向阶段跨越后, 各基站只覆盖了以前基站/面积。为确保通信质量,相应基站的数目必 定会成倍的增加。因此,基站建设及改造面临着两个问题:节能及延长的边际站 中蓄电池的寿命。基站中的设备功率如下表.。 表.基站的设备功率单位: 根据资料统计分析,平均每个基站空调的电费支出约占整个基站电费支出的 %,空调成为机房中的主要耗电设备。 以中国移动为例,中国移动网络中已有相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 多万移动基站,网络运行年电费支出约亿元,外围基站能耗占据%,约 亿元,基站的空调设备用电就占据基站用电总量%~%的比例,每年度费 用高达亿~亿元。目前大多数通信机房的温度控制是通过制冷空调来实现的, 这种控制温度方式存在两个很大缺陷:一是必须常年开启空调机使电能消耗 过大, 造成浪费;二是当电力发生故障时机房的制冷空调机无法工作,它要求维护 人员 尽快赶到现场发电,否则温度过高将使设备无法工作甚至损坏。特别是在边 远地 区和电力故障多的地区的无人维护机房【】。 梵它琏啦? /‘ ?,?’ ? ,??’ ‘?? 。 一。‘纂褚圭设备 。。 .,,’’蒸站越赛 蘩邀用痿 管理用踌。 馁屯搬”, 一 图.中国移动通信基站能耗构成 由上述内容可见,机房环境节能主要体现在冷却系统即空调节能上。利用相 变材料在发生相变时吸收潜热的特性,在通信基站中安装相变蓄能式空气处理机 组,并配合进风/排风扇和相应的监控装置。当监测到机房外环境温度较低时低 于相变温度且符合机房温度要求,控制通风系统将室外的冷能量输入机房,一方 面将机房制冷,另一方面将冷量储存在相变材料中;当监测到机房外环境温度较 高时高于相变温度,控制通风系统停止工作,利用室内风扇对流,将相变材料 储存的冷能量释放,达到制冷的目的。在这过程只消耗很少的电能风扇耗电, 因而节省了大量的制冷空调机的耗电。同时由于的蓄冷作用,当电力或空 调发生故障时,储存的冷能量,可使机房有几个小时的恒温时间。这一结果 很好的解决了边远地区和电力故障多的地区无人机房的温度控制的难题。而节能 空调系统节省的电费可在当年抵消投资成本,因此具有很高的应用价值。 ,机房内多采用舒适性空调,且 当前移动通信基站的面积通常都是 对于空调系统的节能主要通过以下几种方法【】: 利用室外自然冷源节能。当机房室外的空气温度低于室内的温度时 如春季、秋季晚间或冬季,将室外的新风作为自然冷源引进来通过新风节能装 置处理到符合机房内的空气质量要求后,与基站内的热空气进行直接的热量交换 来带走通讯设备所散发的热量,或者通过板式换热器进行热交换以降低基站机房 内的环境温度,在满足机房环境标准要求的基础上,来达到减小空调的制冷量以工程硕士学位论文 节省电量的目的。 以当前的节能情况来看,利用自然新风作为冷源节能的方法主要有新风通过 风扇直接引进机房、新风自然的进入机房、新风和室内的空气经过热交换板的热 量交换后在进入机房。以气候环境而言,此新风节能技术系统较适合于大气环境的 温度比机房中环境的标准上限的值有相对比例的时间低区域,像季节性的温差大 或则昼夜性的温差较大地区。如移动通信基站这样的小型机房,使用直接从室外 引入自然新风及通过热交换器的新风节能系统比较适合,但必须的注意防尘及加 装滤网,且对滤网一定要做定期的清洗。 空调变温设定节能。依据室外大气温湿度及室内环境温湿度的变化情况来 设定空调工况的参数,在满足机房环境温度的基础之上,使得空调的运行处于最 佳的优化控制状态,从而实现节能的目的。这种方法对所有的基站均有普遍的适 应性。 空调变频节能。对现有空调的压缩机使用变频压缩改造技术,拟依据环境 的温度来改变压缩机转动的频率,通过输出不同的冷/热量来调整机房内的环境温 度,依然是在在满足了环境温度要求的基础上,来达到节能的目的。 采用相变材料节能。相变材料在发生相变的过程中具有吸收/释放热特性, 因此可以自由的通过通讯基站中的散热情景,在通信基站机房中放置相对应相变 材料,当在较低的室外温度时,充分利用室外自然冷源来储存冷量,当在室内的 温度相对高时,释放出所储存的冷量,且配合进风排风装置及对应的监控装置来 代替空调的制冷,以达到给基站制冷的目的。此技术将只会消耗极其少的电量风 扇耗电,能节省相当的电能。如若出现基站所处环境温度偏高的情况,则可将相变 材料及空调机联合交替制冷,使得整个的工作过程在监控系统控制中完成。由此便 缩短了空调制冷机的工作时间同时也减少了其起停的次数,因此既节省了电能又 达到了机房制冷的效果。采用这种系统可以普遍适用于对现有基站的节能改造, 具有很强的推广价值。 将相变蓄冷材料与制冷系统相结合,利用其储放热能力来调整基站室内的热 波动,由于储放热的作用,热流的波动幅度被削弱,作用的时间被推后。通过恰 当的设计,就可以把温度的波动控制在最节能的范围内,并且其利用的是免费自 然冷源,因此使系统能耗大大的降低。故而通讯基站的应用中具有以下的重要意 义: 降低了移动通讯基站空调能耗,节约通信运营成本,提高通信运行效率; 通过运用相变技术储存自然冷量,大大提高了自然冷源的利用效率;并且 增加了利用时间,一定程度上改变了利用自然冷源只能依赖自然气候的变化情况; 对于平衡电网的用电负荷起到了积极的推动作用。相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 .国内外研究现状及发展趋势 早在远古时代的祖先们就已经学会了自然冷源蓄冷的方法,例如,在寒冷的 冬天,人们从河面、湖面中凿取厚实的冰块,贮存于冰屋中,利用锯末隔热,以 待在炎热的夏天降温用。近现代也常用简便的蓄冷方法,例如,将冰盐水袋放 入 运送的牛奶、蔬菜、肉食中以保证其新鲜。由于在日常生活或工业生产中,能量 的产生和需求在时间上和数量上的不一致,因此为了有效地利用能量,就必须设 置一些蓄能装置。如将谷期的电能储存起来供峰期使用,将大大改善电力供需矛 盾,提高发电设备的利用率,节约投资。 ..国内外研究现状 .国外研究现状 国外首先将相变蓄冷技术应用在建筑供暖空调中。】等提出一种新的夜 间通风的冷却系统,采用相变材料和热管混合的方法,集成相变蓄冷空调既可以 取代传统空调系统,又可以在实现电力的“削峰填谷,蓄冷空调技术已经成为国 际上普遍使用的调峰填谷的技术,美国、日本和欧洲许多国家在上个世纪年代 中期就开始了大规模推广使用蓄冷空调技术。】通过实验研究相变材料应用 于制冷系统的运行性并做了相应的经济性分析。此次实验说明,首先将制冷剂降 低温度,则可以最大节省约%的能量;将相变材料以热交换器的形式作为预冷 凝器应用在制冷系统中,可以使系统的提高%以上。紧接着,利用数 值模拟的方法将相变材料与制冷系统进行耦合,其结果与实验的结果高度的吻合。 等将质量分数%的丁基棕榈酸盐及%的丁基硬脂酸盐混合作为相 变材料,再通过掺混法混合到灰泥砂浆之中,作为相变墙板,而后对此墙板的性 能进行测试及经济分析。结果说明,此墙板比对应的一般墙板的高出 倍的蓄热 能力。】将含有%的硬脂酸丁酯材料作为相变材料密封在墙体内 石膏板的中,通过实验及数值模拟方法对其室外的热动态进行了研究。其结果说 明,相变蓄冷材料石膏板应用于墙体中能够使室内白昼的温度降低。左右,同 时也降低了在夜间的热负荷;相变材料因凝固而放出的热量相当于总供热负荷的 %。】等人采用含有相变材料质量分数为%的石膏板作为建筑墙体材料 建造了一个测试房间。实验测试结果表明,与普通房间相比,含有相变材料的测 试房间可以大大减小系统的能耗,并可以实现电能的移峰填谷。 等通过实验研究建筑围护结构中使用相变材料后对建筑围护结构的性能的影响及 经济分析。实验结果说明,建筑围护结构中使用相变材料后能够使温度的波动变 得平缓,且使得温度的最大值降低?左右。因此,便可以将整个夏季的耗电量 降低%,如此的节能效果也可以使得年减排量达到~./。【 ?的相变材料胶囊化一水的混合液用在被测房间的天 通过实验研究把温度为工程硕士学位论文 花板内传热特性。测试结果说明,在连续运行个月后,%的颗粒浓度的相变 材料微胶囊的混合液可以作为天花板的冷却工质。且只需要极低的流动速度,因 此大大降低了泵的功耗。美国 估计相变 国家实验室的 墙板能够转移居民空调负荷中%的显热负荷到用电低谷期,可降低%的设备 容量。该实验室的 等人通过模拟显示,对类似美国的田纳西州 这类气候地区,相变墙板的使用可让采暖的设备容量降低/。美国的. 国家实验室的 等人通过软件对相变墙板及夜间通风应用于商 业建筑及民用建筑进行了模拟研究。他们发现商业建筑中加入相变墙板及机械通 风后能降低夜间室外温度在?一下气候区的设备容量,更加的经济可行【”】。 等将十八烷作为相变材料,在浸泡后用做相 大学 变墙。建筑两个实验室,一个使用相变墙板而另一个则使用普通墙板,一座对比 分析实验。其结果说明在使用相变墙板的实验室内其温度的波动更加的平稳,也 同时说明了实际建筑物中,相变墙板能够提高舒适性、削减高峰负荷并且转移负 荷,达到了经济运行的效果引。日本大学的 和 大学的 等人对相变墙板的储热性能进行了研究,得出相变 墙板的使用时得热负荷更平缓,辐射域更舒适,是的耗电来量降低,节省了运行 费用,有削减尖峰负荷的可能的结论【引。 .国内研究现状 我国的相变蓄冷技术在空调的发展应用也在蓬勃发展,清华大学张寅平教授 等人提出了一种新型蓄冷空调系统.相变贮能新风机组。对其结构形式运行方式、 性能特点进行了分析和介绍。以平行管簇式相变贮能新风机组为例,分析了其储、 放热性能,并从经济性角度将其与常规新风机组和蓄冰空调作了比较。分析结果 表明,相变贮能新风机组在性能以及经济性方面都是可行的,具有开发潜力【】。 重庆大学教授张洪济曾系统的研究过相变的热传导技术【】,华中理工大学程尚模 教授系统的研究了圆管及椭圆管的接触融化问题【、】。亚达橡胶厂与中国 科技大学的陈则韶教授合作对的潜热测定的研究做出系统化的测试,并且 研制出了冰箱蓄冷器。尽管相变蓄冷技术应用在了某些特殊的冷却及加热设备中, 但是近年来相变蓄冷技术开始向着建筑领域中发展,将相变蓄冷与制冷空调集成 一体式,形成相变蓄冷空调对建筑进行制冷,且这种研究取得了很好的进展。解 放军理工大学杜雁霞等将相变材料与常规空调集合成一体机应用于建筑制冷中, 并对其与常规空调系统、冰蓄冷系统进行了经济性分析,提出虽然相变蓄冷空调 的初投资较高,但是前期节省了运行费用,其投资回收期比较短,且还实现了对 电力系统的移峰填谷作用,平衡了电网负荷【 。重庆大学的刘正清将相变蓄冷空 调应用在了家用户式空调制冷中,并对此空调系统做了经济性分析。以一栋别墅 为例与家用常规空调在初投资与运行费用方便做了比较,通过投资回收期说明了相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 使用相变蓄冷空调的经济优越性,也同时得出其在电力移峰填谷的作用】。华北 电力大学的高宇航与哈尔滨商业大学的李晓燕等通过对天津地区的某一建筑进行 了经济分析,并且指出了初投资及运费用与常规空调之间的关系,得出了相变蓄 冷空调具有系统简单、节能节费的优点,存在着广泛的应用前景【。 然而相变蓄冷空调在基站应用中比较少,主要是移动运营商家对相变蓄冷空 调在基站中的经济性还不是太了解,国内对相变蓄冷空调在基站应用中的经济性 分析的相关资料比较少,导致了其推广应用的力度不够,致使相变蓄冷空调在基 站中应用收到了限制。 ..发展趋势 利用相变材料蓄冷是可以实现能源的高效利用及环境保护的一个重要手段, 可以解决能量供给需求之间不平衡的矛盾,可以在能源、军事、航天、建筑、农 业、化工等领域展现出十分广阔及重要的前景。许多地方实施的利用“削峰填谷” 缓解电网负荷过重、峰谷差过大的电价昼、夜分计制,使相变贮能成为研究和应 用热点。尤其是常低温相变材料是近年来国内外在能源利用和材料科学方面开发 研究十分活跃的领域,得到了人们广泛的重视,故而其今后的发展主要趋势表现 在: .研发新型蓄冷设备 中国科学研究院在广州的能源的研究所研发出的相变储能电饭锅及电火锅; 清华大学教授张寅平在共晶的融点融解热预测方面及在堆积床的相变换热 器的性能等方面做出了不少的研究工成果,并申请了国家多项研究专利。 .研发新型蓄冷技术 对于相变蓄冷新技术的研究方向如下:使相变材料的热导性能及相变速率得 以改善;通过相变原理的研究来提高相变的焓;开发高能量及高密度相变材料; 通过对相变材料复合原则的掌握来提高材料性能便于弥补不足;开发出除具有相 变储能功能外还拥有其它多功能的相变材料,像导电、防水、可杀菌防虫蛀及形 状记忆等相变材料;降低成本,实现工业化。其具有代表性的新型相变材料有: 光蓄热材料;定型相变材料;功能热流体;纳米复合相变蓄热材料。 我国从上世纪年代中期开始利用相变空调技术,普遍使用冰为相变蓄冷材料, 也有使用相变点在?以上的蓄冷材料,以提高制冷机的效率。 .发展和完善相变蓄冷技术理论与工程设计方法 应从发展和优化蓄能系统角度出发,加强对现有蓄能设备性能的试验研究, 建立分析模型,预测蓄能设备的性能,从而对蓄能空调进行优化设计。并且应建 立~个相变材料及其物性的数据库,以方便根据实际选择合适的相变材料。 .建立客观公正的蓄冷系统经济分析及评估方法工程硕士学位论文 由于蓄冷系统繁多的种类,因此有必要进行建立客观综合的评价体系。在进 行蓄冷空调系统的经济性研究时,怎样综合评价相变蓄冷空调系统在转移电网负 荷能力及能耗水平与用户效益,常规空调及蓄冷空调系统如何比较,一直以来是 人们非常关注的问题。蓄能空调系统必须认真的通过分析评估,保证能够节省运 行费用,降低设备的初投资,使得投资回收年限缩短,方可决定其是否使用。在 应用方面,开发更多的应用领域,最大程度地节约能源、保护环境。 虽然如此,但是关于相变蓄冷空调的研究和应用还有很多工作要做。近年来 相变蓄冷空调在通信基站中的应用也越来越多,目前国内外相变空调系统研究侧 重于相变材料的研究,取得了一些进展,但是节能技术只涵盖了低负荷建筑以及 高效空调系统的构建。另外,我国气候条件有较大差异,相变空调由于较高初投 。资,成为其发展中的瓶颈,因此,为研究相变蓄冷系统综合节能的进一步推广使 用创造了条件。 .蓄冷系统技术的概述 ..蓄冷技术分类 根据不同的制冷方式,美国的制冷工业的协会在年期间出版的有关蓄冷 及设备的热性能的指南中,其广义地将蓄冷的设备分作为显热式及潜热式,见表 .。 表.蓄冷的设备中的分类 按照不一样的蓄冷的介质,则可以将蓄冷系统分类如下: .水蓄冷 水蓄冷是以水作蓄冷介质,利用水的显热进行蓄冷,蓄冷的温度往往是在相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 .?间,接近于绝大部分的常规制冷机组出水温度,所以跟常规的空调系统很容 易藕合,在已有常规的空调系统改造及扩容方面应用非常广泛。另,水蓄冷的系统 不但可以使用消防的水池及蓄水设施而且还可以采用建筑物的地下室作蓄冷的容 器。因此便将水蓄冷的系统初投资降低,从而也就提高了经济性。因为水蓄冷利用 的是显热的蓄冷,和潜热的蓄冷系统如冰蓄冷对比,贮存相同的冷量,水的蓄冷 系统所需要的蓄冷容器体积要大很多。 .冰蓄冷 冰蓄冷是通过相变的潜热变化来进行蓄冷,因此其蓄冷的能力相对于水蓄冷 ?相变潜热约为/而言具有相当大的优越性。且其出蓄冰槽的水温度 比常规空调低,因此在空调负荷相同的状况下,就减少了送风量或供水量,也就相 应的缩小了送风管或供水管的尺寸。但是由于其制冷主机的出水温度一般都会低 至.?左右,因此在与空调工况下相比,将会使得其性能系数明显的降低。 .气体水合物蓄冷 气体水合物是在特定的温度及压力下,通过在水合结晶水在外来气体分子 周围形成坚实包络状晶体过程中释放出来的相变潜热,类似于水结冰的相变过 程。因为绝大部分的制冷剂能在~?条件下和水相互作用时形成气体水合物, 并且结晶时的相变潜热相当大与单位容积的冰,相变潜热更大,被公认为是相当 理想的蓄冷介质,所以其能够在常规冷水机组中使用的优越性在于其相变温度高。 但是这种系统存在着一些目前难以攻克的缺陷,比如:为了使水和制冷剂得以 充分的混合,就必然的要装设喷淋装置,但是混合后所生成絮状的水合物极易将喷 淋管堵塞;当前的气体水合物系统是必须的在一定的压力下才能进行正常的 工 作,因此就得让其蓄冷槽的密封性能得到保证,这就使得工质的选择相当的困难。 .共晶盐蓄冷 共晶盐蓄冷也是一种利用相变潜热的蓄冷系统,介质是主要由无机盐、水、稳 定剂及促凝剂所组成的混合物,通常使用的共晶盐的相变温度约为?,而其相变 潜热约为/,与冰蓄冷相比小的多,因此其能够在常规冷水机组中使用的优 越性在于其相变温度高比。 ..全部蓄冷与部分蓄冷 相变蓄冷系统究竟需要转移多少高峰负荷及冷量储存才能确保系统具有的最 大经济效益,关键在于实施何种运行策略。而运行策略是指蓄冷系统在以设计日 周期循环的负荷及特点为基础,根据电价结构等因素对系统的释冷供冷、蓄冷容 量及释冷和制冷机组的耦合供冷所能够做出最佳运行方案。相变蓄冷系统运行的 策略可将其分成全量的蓄冷的策略及部分的蓄冷的策略【? .全量的蓄冷策略工程硕士学位论文 全蓄冷指的是在设计日的低谷电力段状况下,蓄冷装置来承担供应冷负荷的 全部总量。此时将会昼夜颠倒常规系统所运行的时段,开启制冷机的蓄冷时间是 在夜间的非空调期间,而白天则将制冷机组的空调时段停运。全蓄冷的系统优点 是:由于其对低谷电力的彻底利用,使得其移峰能力的效果最佳,因此便将运行 的电费大大的降低;而其缺点在于制冷机组装机容量及蓄冷装置较大,会加大初 投资的投入。根据全蓄冷的系统的冷负荷将其划分为不同的运行方式,其中具有 代表性的运行运行方式见下图.。 冷 供 释冷 供冷 图.全香冷的运了安排 .部分蓄冷的策略 部分蓄冷指的是在设计日的低谷电力段状况下,供应其冷负荷的总量一部分 通过蓄冷装置承担。夜间启动制冷机的运行,将白天所需要的部分蓄冷量储存起 来,然而在白天所需的空调负荷运行时段时,则同时开启蓄冷装置及制冷机组进 行联合制冷。过渡季节的实际运行,由于部分的蓄冷系统冷负荷的减少常常是以 全蓄冷的方式运行。当然部分蓄冷系统的特点在于制冷机组及蓄冷装置的容量较 小,因此其利用率高,同时也大大的降低了初投资的投入;但是也相应的削弱了 其“移峰”能力,导致了运行电费的相对增加。综合以上因素考虑,部分蓄冷在 多数情况下优于全蓄冷。根据部分蓄冷系统的冷负荷将其划分为不同的运行方式, 其中具有代表性的运行方式见下图.所示。相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 墙 ? 按负荷均衡蓄冷 按负荷均衡蓄冷 埔 出 按负荷均衡蓄冷 按由功率需求隈制蓄冷 图.部分蓄冷运行安排 此策略在相变蓄冷系统设计中所涉及的蓄冷模块及制冷机组容量的选择上非 常重要,然而对于已建成基站项目中的相变蓄冷系统进行性优化控制时,已经不 再可能改变其运行策略,因此便不再欲与考虑。现在的绝大多数基站工程项目中 都是采用部分蓄冷,其控制策略比全部蓄冷要复杂很多。 .本课题研究的主要内容与创新 目前相变蓄冷空调系统的经济性研究是移动运营商备受关注的焦点问题,同 时它也关系着蓄冷空调能否在基站应用中被推广;能否解决当今电力不足所带来 的日益加大的用电峰谷负荷差的关键因素。通过分析相变蓄冷系统的初投资及其 运行费用,再与常规空调系统相比,以确定其投资回收期的年限是否具有经济效 益来作为系统推广应用的标准。本文所做的主要研究内容如下: 通过阅读大量的研究文献,了国内外对相变蓄冷空调的研究现状,通 过对国内外现状的总结分析中发现相变蓄冷空调的应用研究主要是在一般性的建 筑领域中,对其经济性进行了分析,说明了其节能节费的特点,对平衡电网电力 负荷起到了积极的推动作用,但是在基站中的应用比较少,缺乏对其经济分析的 相关研究。 通过机组结构图介绍了基站相变蓄冷空调机组的结构尺寸及内部构件,详 细的分析了相变机组与制冷系统在多工况下联合运行的最优化控制策略;对基站 相变蓄冷空调系统进行实测研究,主要的测试内容包括:对机房内外温湿度的工程硕士学位论文 测试,采用室内含尘量前后对比法对室内空气洁净度的测试,墙体传热系数 的测试,采用相似室内外环境下测试方法进行节能率的测试。最后,将所测出 的实验数据进行整理并且绘制出相应数据的曲线分布图,发现空气中的含尘量也 得以明显减少,提高了机房的洁净度;更加的优化了室内空气温度扰动,对室内 设备的维护具有重要意义,大大的促进了国家节能减排政策的实施。 以软件为平台建立两种空调系统的模型并对两种模型进行仿 真模拟分析,通过软件对两种模型的仿真结果曲线图分析其优劣性。根据已经做 的测试数据,结合软件的模拟分析功能,得到了循环中的一些重要参数之间的相 互影响曲线图。通过曲线关系图说明了相变蓄冷空调循环中参数对系统循环特性 的影响,运行效率的影响因素的大小,也同时为系统的经济性分析带来了方便。 提出了使用相变蓄冷空调的社会经济效益与用户经济效益及相变蓄冷空 调的两种经济评价方法一动静态分析法,分别对其做出了详细的分析介绍,并且 在此分析方法的基础上建立了经济分析的数学模型,并对我国五个典型气候区基 站使用相变蓄冷空调系统的初投资、运行费用、投资回收期等进行了经济分析比 较,提出了一个常用、简便且主要的评价指标:用户所增投资的回收年限,为运营 商家的选用做出了方便快捷的投资判据。 本文的主要创新点在于基于软件为平台的基础上,通过软件的 模拟分析了对比相变蓄冷空调系统与常规空调系统的性能系数的影响因素,以具 体的工程项目为例说明了其经济的优越性,在为通讯基站应用相变蓄冷空调的经 济性分析方便做出了一点微薄的努力。工程硕士学位论文 整个空调系统由个部件构成即压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀及相变蓄冷模 块,如图.所示。 .基站用相变蓄冷空调机组的控制策略 ..机组的结构 为了实现相变蓄冷空调机组的优化控制,将相变蓄冷模块与制冷机设计成一 体化形式,其结构形式如下图.。 图.相变蓄冷空调机组结构图 .回风口;.表冷器;.送风口;.相变材料;.进风口;出风口;一冷凝器;新风进风 口;.过滤器; .风阀; .风扇;.水泵; .压缩机;.控制面板; .底托; .离心 风机 ..机组运行的控制策略 机组设计制冷量为,分为五种运行工况,根据室外环境自动调节。即: 新风工况、回风工况、制冷工况、蓄冷工况及新风蓄冷联合运行工况。各运行工 况的具体控制策略如下: .新风工况 当室外有可直接利用的自然冷源时,则相变蓄冷空调机组根据自控装置启动 新风工况,将室外的新风引入室内给机房进行散热。由于为保证机房室内空气品相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 质的要求,必须安装两级空气过滤设备, 以对直接从室外引进的新风进行过滤, 此工况中关闭风机以外的所有运行设备。 其原理如下图.所示。 图.新风工况原理图 .回风工况 当室外的温度升高以至于自然冷源不可再利用时,机组开始自动切换到回风 工况,利用相变材料所蓄的冷量进行降温,此工况下自控感应装置将会自动关闭 压缩机,开启水泵及回风阀。其原理如下图.所示。 图.回风工况原理图 .制冷工况 当在相变材料所蓄的冷量也已经释放完毕的时候,自控感应装置将会自动的 工程硕士学位论文 开启制冷机对基站进行制冷,此工况下系统首先将自动关闭水泵及回风阀门, 紧 接着将会自动的开启压缩机进行制冷。其原理如下图.所示。 图.制冷工况原理图 .蓄冷工况 当室外有可以利用的自然冷源时,系统会立即启动制冷机对相变材料进行蓄 冷,由于此时室外的温度较低,便可以通过降低制冷系统的冷凝温度有效的 提高 系统的值。此工况下系统将会自动开启水泵,关闭压缩机。其原理如下图. 所示。 图.蓄冷工况原理图 .新风蓄冷联合运行工况相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 此工况也即在利用室外的自然冷源为室内进行降温散热,也同时为相变材料 进行蓄冷,此时系统将开启水泵及新风机。其原理如下图.所示。 图.新风蓄冷联合运行工况原理图 .测试的内容及方法 对基站进行测试之前必须的了解通信基站的建设工艺要求,才能做到有的放 矢的测试。根据通信基站建设工艺要求,自建机房建筑面积应在~之间, 层高.;墙体应采用实心墙,墙体垂直、平整,内外墙须进行粉刷;不开设窗 户;且要求三类环境温度 .?,湿度.%引。根据中国电信维护规程,基 站内温、湿度的设计及防尘的要求随着基站的环境及主要功能的不同而不同,下 面表.介绍与有关的环境的基站类型【,而本论文仅仅列出长沙地区的某第三类 环境的基站作为测试研究的对象,便于为测试的数据作判断依据。 表.中国电信通信维护规程要求相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 分布趋势可以看出两种空调的室外的相对湿度基本上保持着一致性,然而图. 中使用常规空调时的室外温度比图.中使用相变蓄冷空调时的要高出几度,图 .中在使用相变蓄冷空调时的最高温度为?比图.中使用常规空调时的最 高温度?要低?且是出现在用电高峰的同一时刻中。也即当室外均达到最高 温度时,在使用常规空调时会增加空调的冷负荷使得耗电量增加,值降低系 统运行的效率降低,这就会加大电网的用电负荷的不平衡性,既浪费了能源,也 使得基站内的空调制冷效率大大的降低。因此,可以得知相变蓄冷空调在既能够 保证要求的前提下,还能够提高系统的值及系统运行的效率,更加的为 国家的节能减排政策起到了很好的推动作用。。温度 一相对湿度 为 ? 知 温 度 柏 一 如 加 相对湿度豢 加 一?? ?“ 一~一一‘: ;?”: : : : : : : : 测试时间时 图.常规空调室内温湿度曲线图 温度??相对湿度 如 加 、 . ,~。、 ...。;.一 ? 奠 ::: 如 一二二二?价删 相 ‰二:.一 . 如 对 。一叩’?州一’。’’一 ” 湿 弛 度 温度.一 ? 如 誊 ;。 尬? 寸 : ? 寸 : :: ‘ , 可 : 铷 一 一 一 々‘ ”. , 寸 一 一 一 ’ 测试时间时 图.相变蓄冷空调室内温湿度曲线图 从图. 及图. 中可以看出,两种空调在室内温湿度曲线的变化非常的 明显,也能够很直观的看出两种空调在基站中的使用效果。且两种空调的温度均 在~。之间波动,相对湿度%~%之间波动,在某一小时间段内相对湿度工程硕士学位论文 会出现%~%的情况,但是究其波动的范围的最大值也在规范所要求的范围以 内。图. 可以看出在使用常规空调的温湿度度曲线图波动很大,几乎呈现出了 脉动现象,虽然其温温湿度控制在了规范所要求的范围以内,但是其波动的频率 比较大,会导致空调的运行效率降低,值减小,空调耗电量猛增,且会影响 基站内移动通信设备的运行质量,导致通信质量差或者甚至会导致信号中断的可 能,这便既影响了人们的日常生活及工作安排,甚至还会影响到某些特殊场合的 正常工作。而图.中在使用相变蓄冷空调时,温湿度的变化肯定也会出现波动 的情况,但是其波动的范围的比较小且在?左右,相对湿度也基本控制在% 左右,因此既提高了系统的值,又降低了耗电量,使得系统的运行费用能够 得以大大的降低,而且同时还缓解了高峰用电负荷的电力紧张问题。 ‘ 温度??相对湿度 温 相 对 度 ,、 湿 度 ? 誉 测试时问时 图.常规空调出风口温湿度曲线图?温度~~?相对湿度 弼 、』 “. .、二。, ~。. 一 .一:。 奠 洲弋胪、、。?。?。枷肌‘’?孟‰峨一卅舢‖删 曲?~’’’舭种~ . ” 温度.一 ? ;. . ? 害 考 孑. : ? ? ? 置 ~ 一 了 : : 二 三 兰 三 乏 二 二 测试时间时 图.相变蓄冷空调空调出风口温湿度曲线图 从图.及图. 中可以很明显的看出两种空调在室内温湿度曲线的变化 的情况,也即可以很直观的看出两种空调在基站中的使用效果。图.中看出在 使用常规空调时,温度数值的波动在~?之间,且其波动的频率非常大,其相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 周期几乎达到了分钟,如此大的波波能够频率可见在使用常规空调的效果是相 当的差的,而其相对湿度的波动也是非常的大,其数值几乎在%~%中频繁 的波动着,这就给空调的运行效率带来了非常大的影响。如此的效果也同时表明 空调的节能技术的研发迫在眉睫,要想能源的到更为充分的利用,积极的响应国 家十二五规划中对节能减排的号召力,就必须的找出新的节能技术。而图. 可 以看出在使用相变蓄冷空调时,其出风口的温度基本稳定在?左右,上下波动 值在?之间,偶尔也会出现。左右的波动值,但是其时间段很短且不在用电的 高峰期间,因此可以对其影响忽略,相对湿度稳定在%~%之间,也是与规范 的要求相当吻合的。因此,从出风口的温湿度曲线也可表明相变蓄冷空调在节能 减排中的作用是非常之大的,在缓解电力的用电紧张方便也是有非常明显的效果 ’ 的。 从图.~图. 中的测试数据的曲线图可以明显的看出基站在使用常规空调 与使用相变蓄冷空调系统以后温湿度的变化波动值虽然都能够很好的控制在规范 所要求的范围以内,但是使用常规空调的在室内外及出风口的温湿度曲线图是明 ,此三 显的不同的。在使用常规空调的温湿度曲线图如图.、图. 、图. 张图显示的温湿度波动的值较大且频率很高,是的空调的运行效果大大的降低, 同时基站内的设备也会由于空调效果而影响其功能。而图.、图.、图. 这三张图显示了在使用相变蓄冷空调时,其温湿度的曲线图波动的范围很小, 且 其值基本稳定在了一个比较确定的值,这就使得基站室内的内环境既能满足各个 部件的正常运行工作,而且也同时给基站的控制人员带来了很大的便利,也使得 空调的运行效率大大的提高,运行费用也会节省很多,为缓解电网用电紧张开辟 了一条新的道路,为节能技术的研究提供了一条全新的方向。 ..室内空气洁净度测试 由于基站内部一些设备的特殊性,根据通信基站的规范要求,基站内的洁净 度要求达到级。当基站内的洁净度过低则会导致一些设备的尘埃堆积,导致设 备出现短路等故障,同时由于堆积太多的尘埃也会使得设备的散热量受到极大的 影响,无法迅速的散出热量,导致设备的某个局部温度过高,进而最终导致设备 无法进行正常工作。 通过采用室内含尘量前后对比法对室内空气洁净度进行测试,其方法为:在 使用基站常规空调和相变蓄冷空调前后分别利用中流量大气总悬浮颗粒物切割器 收集空气中的悬浮颗粒物,测出相同时长、相同空间收集到的悬浮颗粒物的重量 进行对比,数据见表.。 ..墙体传热系数测试 为了更加详细具体的了解相变蓄冷空调系统在基站应用的使用情况,尽可能工程硕士学位论文 的就外在的客观条件所存在的潜在的影响因素降低到最小,为此将尽可能的对所 有的影响因素进行测试。由于外墙的传热系数对空调系统性能系数存在着影响, 其传热系数的大小直接影响着基站内部设备的散热性能,因此必须的对基站的外 墙进行传热系数的测试,其测试的方法及步骤如下: 利用无线电式建筑热工多路温度热流检测仪进行测量,采集一组外墙数据, 各传感器竖直距地.米左右,水平距离如图.所示。最后导出无线电式建筑 热工多路温度热流检测仪中数据,读出各数据,数据见表.。 图.测点立置布置图 ..相变蓄冷空调系统的节.试 通过采用相似室内外环境下的测试方法对相变蓄冷空调系统的进行测试,节 能效率检验测试的步骤如下: 安装电度表,确认电度表与空调均正常工作,记录电度表读数,设定温湿 度自记仪初始参数及开始、结束时间间隔小时。 开启原有空调,当达到设定时间,同时启动各仪器设备,测定空调出风口 风速。并记录相关数据。 原有机组运行小时后,关闭原有空调,读出电度表读数,设定温湿度 自记仪初始参数并记录相关数据。 开启相变蓄冷空气调节机组,当达到设定时间,同时启动各仪器设备,测 定机组出风口风速,记录相关数据。 相变蓄能式空调机组运行小时后,关闭机组,读出电度表读数,记录 相关数据。相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 分析相似环境下,使用相变蓄能式空气处理机组的耗电量,并用下式进行 节能率的计算: 亿, 缈措枷似 式中:妒一相变蓄冷空调节能率; 厶一电度表初始读数,; ‘一使用常规空调运行一昼夜的电度表读数,; 厶一使用相变蓄冷空调继续运行一昼夜的电度表读数,。 .检验测试的数据整理及结果分析 通过对某一具体移动基站项目进行的测数据及计算结果,与常规空调的数据 对比见下表. 表.相变蓄冷空调与常规空调的数据对比表 通过上表.的数数据可以明显的看出,基站机房在使用相变蓄冷空调后的耗 电量有明显的减少,其节能率近乎高达.%。含尘量也有相当程度的减少,降 低了.,这就既增加了基站的室内空气品质及设备的运行效率,也同时降低了 基站内设备的清洗更换等维护费用,提高了设备的使用年限,使得基站在再 投资 及运行费用中太太的降低。室外的平均温度降低使得相变蓄冷空调系统可以更加 充分的利用室外的自然冷源,既降低了制冷机组的冷凝温度使得制冷机组在稳定 且高效的下运行,还可以使相变材料在不同工况下通过不断的重复蓄放冷的过 程来增加相变蓄冷模块的使用效率,既降低了相变蓄冷空调的初投资也同时节省 了运行费用,还提高了机组运行效率。由此可以说明相变蓄冷空调系统既响应了 国家的节能减排工作,又高效的解决了电网电力负荷不平衡的难题,实现了削峰填 谷的电力政策。 .本章小结 首先,本章就基站中相变蓄冷空调系统与传统空调系统的内部系统进行了对工程硕士学位论文 比分析,并且绘制了相变蓄冷空调系统图如图.,描述了新型空调系统的内 部组成构件,并且对新型的相变蓄冷空调系统的传热原理进行了理论分析研究。 其次,本章通过机组结构图介绍了基站相变蓄冷空调机组的结构尺寸及内部 构件,并且详细的分析了相变机组与制冷系统在多工况下联合运行的最优化 控制 策略; 再次,对基站相变蓄冷空调系统进行实测研究,将实测的数据记录并制成表 格,同时绘制相关数据的曲线分布图。主要的测试内容包括:对机房内外温湿 度的测试,采用室内含尘量前后对比法对室内空气洁净度的测试,墙体传热 系数的测试,采用相似室内外环境下测试方法进行节能率的测试。 最后,将所测出的实验数据进行整理并且绘制出相应数据的曲线分布图,以 便直观的分析出基站在安装使用相变蓄冷空调系统后的优越性能。通过测试的温 湿度曲线图发现,在室内外温湿度相似的情况下,使用相变蓄能式空气处理机组 节能效果明显,特别在冬季室外气温不高的状况下,节能率达到了.%;且使 空气中的含尘量也得以明显减少,提高了机房的洁净度;更加的优化了室内空气 温度扰动,对室内设备的维护具有重要意义,大大的促进了国家节能减排政策的 实施。相变蓄冷空调在基站应用中的经济性分析 第章基于的模拟分析 为了更加进一步的论证相变蓄冷空调的节能性,促进其在移动基站中的推广 应用,本章将利用软件对相变蓄冷空调系统建模,通过热力学分析 方法找出影响系统性能的敏感性因素,深入到系统内部的各个部件中,为系统的 节能指出更加明确的方向。 . 简介 是一种非常方便的工程热力学的仿真软件,同时也是一种内部系 统非常清晰的模拟实验室。牛津大学的研发人员最先开发出这种软 件,而后再与西北大学及美国海军大学的研发人员一其通过不断的努力改进软件 的性能,使其终成为一中优秀的科研及教学工具。通过模型循环的构 建来实现实际的虚拟循环,如此便能够帮助设计者对方案的设计进行热力学的分 析,此种软件可已广泛的应用于能源动力、动力机械及低温制冷等领域中的热力 学分析研究。 热力循环指的是工质从某一初态出发,经过一系列的中间状态变化,又回复 到原来状态的全部过程,包含在这种变化的过程中热力装置里流体的状态变化及 此过程中所发生能量的转换及传递过程。像发电站的动力循环,热泵的制热循环 及制冷机的制冷循环等均为热力循环中的典型代表。而热力循环中的实现过程则 表现为当工作介质在系统中的各部件循环流动时,可能从环境中取得热能转变成 机械能,也可能外界对其输入功,使得环境与所研究的系统之间的热能发生 转化 或传递。软件的本身内部就已经建立了多种热力循环的构件模型,通 过将不同的基本部件进行组合建模,便能够构成很多热力循环模型,因此才 使得 该软件能够在热力学的仿真研究发挥出良好的优越性。相变蓄冷空调在基站 应用中的经济性分析 一: ? 《一 纛熏 鬻誊”矗蓄灞涵隧遗羹萝?????一爹 ~ 弦女 ;蓊”,一鬻一?裹 滞 遴?。 ?鋈鋈霎 攀 ? ?蠹羔。 篱 艇 一 量 ?, 二丑。??.;;。。. 。 鬻 。攀??????掣鬻攀一??鬻蓼??警穿???零剡 . . 嚣 图.软件初始对话框 表.常规空调模型制冷循环部件名称 图标名称 循环部件 压缩机 冷凝器 节流阀 蒸发器 、、及是四个状态不同的点,这便形成了蒸汽压缩式制冷循环的 模型尤其指出,每个模型中的部件所代表的的含义不同,不可统一而论。 .分析模型 构建模型结束后,通过单击“”菜单中的“”就能够进行分析模式, 点击之后,软件会依据所选循环模式及循环中出现的各个构件相互关系自动 生成 相应对话框。再单击模型循环中构件及相应状态点,对模型循环进行初始设 置。 对话框的设置界面如图.所示。嘲.?豳懿臁 婪 :妇至暑三戎 , 日翻承?珏譬/?了 。一 :主一;毯葛可譬;三 王?三翻