研究基站节能新方法.docx
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研究基站节能新方法
研究基站节能新方法
中国移动通信集团江苏有限公司常州分公司
节能先锋QC小组
2011年10月
目录
一、QC小组简介1
二、选择课题1
三、设定目标4
四、提出各种方案并确定最佳方案4
五、制定对策表20
六、按对策表实施21
七、确认效果26
八、标准化29
九、总结与下一步打算30
一、QC小组简介
中国移动通信集团江苏有限公司常州分公司节能先锋QC小组是一支有着丰富理论基础和创新光荣传统的小组，小组主要承担分公司大部分的节能改造及科技创新工作，其中2008年小组课题“降低基站夏季话务量的平均能耗”获得移动集团公司QC成果发布一等奖，2009年小组课题“研究综合楼机房节能新方法”获得江苏省质协QC成果发布一等奖，2010年“节能先锋”QC小组被评为国优小组。
本次QC小组以“研究基站节能新方法”为目标，通过自主科技研发，探索低能耗高质量的机房降温系统。
小组名称
“节能先锋”QC小组
本次课题
研究基站节能新方法
所属部门
常州移动分公司工维部
成立时间
2008年3月
活动时间
2011.3－－2011.10
课题类型
创新型
小组人数
5人
注册时间
2011年3月
活动次数
8次
课题登记号
QC2011常032
小组口号
“绿色”标杆从我做起
小组成员姓名
性别
文化程度
职务
组内分工
黄文涛
男
学士
设备综合管理
节能技术分析和对策实施
黄伟东
男
学士
班长
组织协调和技术分析
王锋
男
学士
设备综合管理
对策实施
师丽丽
女
硕士
设备综合管理
数据分析、文档
刘轶
男
硕士
设备综合管理
对策实施
表1－1小组结构表（制表：
黄伟东时间：
2011年3月）
二、选择课题
㈠选题理由
（1）、国务院总理、国家应对气候变化及节能减排工作领导小组组长温家宝主持召开国家应对气候变化及节能减排工作领导小组会议，审议并原则同意“十二五”节能减排综合性工作方案，以及节能目标分解方案、主要污染物排放总量控制计划，研究部署相关工作。
会议要求推进重点领域节能减排，其中工业节能要注重以先进生产能力淘汰落后生产能力。
作为通信大国，我国每年通信行业消耗的能源非常巨大，特别是近几年中国通信事业的飞速发展，使能源消耗增长极为迅速。
为此，省公司积极响应国家关于建设节约型企业的号召，发文组织各分公司不断采用新的节能技术，探索新的节能降耗措施和途径，推进“节约型企业”建设，助力“节约型文化”落地。
图2－1省公司关于“2011年绿色行动”会议纪要（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
表2－12010年各类生产用房用电总量统计表（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
图2－22010年各类生产用房用电总量排列图（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
图2－32010年4－10月试点基站空调用电量统计图（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
（2）、由上图各类生产用房用电总量统计数据可知，我公司总用电量中，基站全年用电量为3604.6万度，用电占比已接近79%；以2010年4－10月份横林、洛阳实验基站用电量测试数据为例，横林基站空调月均用电量为3980度，用电占比54.96%，洛阳基站空调月均用电量为3689度，用电占比46.43%；基站设备的高能耗使公司运行成本显著增加，对公司维护成本的总体规划造成了影响，因此我们确定了本次QC课题：
研究基站节能新方法。
㈡专业术语介绍
★热泵：
通过作功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。
★可再生能源：
从环境（大气、地表水和大地）或各种废热中吸收的低温热源。
★地下水源热泵系统：
热源是从水井中抽取地下水，经过换热的地下水可以排入地表水系统，对于较大的应用项目要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。
★旋转湿膜：
采用高分子复合材料制造，湿膜连续转动,持续受雾状水幕强力冲刷并配合刮尘片,使湿膜表面粘附的灰尘、昆虫等及时被定时换水排出机体，湿膜不仅清洁了流过的室外空气，还因雾气蒸发，该种“闪蒸”现象使湿膜周围空气得到冷却。
★热管：
就是在封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件。
㈢活动计划
为了更好地把握活动进展，小组在4月1日讨论制定了活动计划，如下表所示。
图2-4小组QC活动计划和实施表（制表：
黄伟东时间：
2011年4月）
三、设定目标
工维部根据现有较为先进的空调节能技术15%的节能效益为基础，要求横林、洛阳实施节能新技术的试点基站空调月均用电量必须下降25%，根据公司要求，我们确定本次QC活动的目标为：
实验基站空调月均用电量下降25%！
图3-1活动目标示意图（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
四、提出各种方案并确定最佳方案
1、提出可行性方案
4月3日小组针对“基站节能新方案”这一题案展开讨论，充分调动全体成员的主观意识及想象力，运用“头脑风暴法”提出了12个观点和想法，通过绘制亲和图整理头脑风暴法所产生的各种解决思路，以帮助分析问题。
图4－1基站节能方案亲和图（制图：
师丽丽时间：
2011年4月）
通过亲和图整理得到二个可行的备选方案，分别为：
图4－2基站节能系统备选方案（制图：
师丽丽时间：
2011年4月）
2、各方案评估
QC小组成员在4月4日至4月6日期间，对以上二种方案从经济性、技术可行性、实施效益等方面进行了分析、调查和试验。
图4－3热管节能空调系统运行原理图（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
热管工作时无需外加动力，外部热源使蒸发段受热后毛细吸液芯的工质汽化，由于不断产生蒸汽，因而压力较高，依靠压差使蒸汽经热管中间通道迅速流向冷凝段，冷凝成流体释放出等量的冷凝潜热。
在管芯毛细力作用下流体又回到蒸发段，通过这种反复循环过程，传输比一般方法大得多的热流。
热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。
小组成员黄文涛在4月4日搭建了热管节能空调系统测试环境，对该方案进行了测试。
测试方案
测试地点
方案优点
方案缺点
时间
测试人
研发热管节能空调系统方案
实验场地
1、能效比极高，测试达8；
2、有效利用自然资源冷却；
3、由室外机完成室外排热，无室外灰尘进入基站。
基站内不能加湿
2011年4月4日
黄文涛
表4－1方案一的现场测试结果（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
根据该方案建设及测试情况，小组全体成员在4月6日的分析会上对该解决方案进行了分析评估。
方案选择
评估
分析维度
实施效果评估
综合分析结果
研发热管节能空调系统方案
经济性
1、换热空调设备，约1.6万元/套
2、安装费，约0.03万元/套
1、单个基站建设费用适中，现有费用可满足
2、该技术属高科技并且经济的利用自然资源冷却
3、节能效益在25％至70％之间
4、可广泛应用于各类场所
5、系统安装时对环境无污染。
技术可行性
通过对各类部件进行重新组合、搭配能够实现系统开发
建设时长
15天
试验效果
利用微重力热管，无需压缩机作功，由系统内冷媒通过自适应热力平衡形成回路，能耗小。
夏季节能效益预计为25％；冬季可达到70％以上
可推广性
可安装时内外机的场所均可使用。
对环境的影响
设备安装时产生极少垃圾，对环境无污染
表4－2方案一的综合评估表（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
图4－4旋转湿膜智能新风节能系统运行原理图（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
该方案通过智能控制器、温度湿度传感器和电气控制箱组成的控制系统测量室内外温度湿度，判断、控制通风系统的启停，通风系统引入室外湿冷空气，由机器设备吸入后换热，同时由设在最高位置的排风设备排出室内热空气。
小组成员黄文涛在4月5日搭建了旋转湿膜智能新风节能系统测试环境，对该方案进行了测试。
测试方案
测试地点
方案优点
方案缺点
时间
测试人
研发旋转湿膜智能新风节能系统方案
实验场地
1、能效比高，测试达5.5
2、有效利用自然资源
3、加湿、降温同时完成
需消耗一定数量的水
2011年4月5日
黄文涛
表4－3方案二的现场测试结果（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
根据该方案建设及测试情况，小组全体成员在4月6日的分析会上对该解决方案进行了分析评估。
方案选择
评估
分析维度
实施效果评估
综合分析结果
研发旋转湿膜智能新风节能系统方案
经济性
1、智能新风设备，约1.4万元/套
2、安装费，约0.05万元/套
1、单个基站建设费用适中，现有费用可满足
2、该技术属经济的利用自然资源技术
3、节能效益在15％至50％之间
4、可广泛应用于各类场所
5、系统安装时对环境无污染。
技术可行性
通过对各类部件进行重新组合、搭配能够实现系统开发
建设时长
15天
试验效果
利用“闪蒸”物理特性使吹入空气温度降低6至10度，使夏季节能效益为15％；冬季可达到50％以上
可推广性
机房两面畅通并有水源的场所均可使用。
对环境的影响
设备安装时产生少量垃圾，对环境无污染
表4－4方案二的综合评估表（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，通过对技术方案实验、论证，小组成员一致认为热管节能技术存在着较多的优越性，其主要表现为：
表4－5方案一性能优势分析表（制表：
王锋时间：
2011年4月）
3、选择最优方案
综上备选方案的实验效果，数据分析整理后，4月6日小组采用价值工程法通过对价值、功能、成本的研究，使系统以较低的成本实现产品最优的功能。
由价值工程法，
进行基站节能系统备选方案成本分解和结论分析。
节能方案成本分解、分析统计表
表4-6系统节能方案建设成本分解、分析统计表（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
机房节能方案建设成本分解、分析结论表
表4-7系统节能方案建设成本分解、分析结论表（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
小组对上述节能方案建设成本及测试所得的节能数据进行汇总，以便于价值工程法计算公式的推导。
评估
方案
研发热管空调节能系统方案
研发旋转湿膜智能新风系统方案
建设成本
16380元
13500元
节能效益
25%-70%
15%-50%
表4-8系统节能方案建设成本、节能效益汇总表（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
通过对基站节能备选方案所产生的节能效益及建设成本计算，研发热管空调节能系统方案完全满足价值工程中提高价值的基本途径
即功能大提高，成本略提高。
分析结论：
小组全体成员对价值工程法的评估结果进行了论证，选定最优方案为：
研发热管空调节能系统建设方案
4、确定“热管空调节能系统”最优化配置方案
⑴、最优化配置方案模块分解
4月6日小组成员黄文涛经过相关的技术研究及参照设备安装规范，建立“热管空调节能系统建设方案”基本流程。
室内风机驱动机房内的空气流动，将空气中的热量传递到蒸发器，使蒸发器中的液态工质蒸发成气态，降低室内温度；工质蒸汽从气体总管流到室外侧的冷凝器中，冷凝器被室外空气冷却，工质蒸汽在冷凝器中释放热量，冷凝成液态；工质液体从液体总管流回到蒸发器中，以上过程循环往复，不断将室内的热量传送到外部环境中。
热管空调机是利用室内外温度差和高度差，使封闭管路中工质的蒸发、冷凝循环而形成动态热力平衡，将室内的热量迅速且高密度的传递到室外，降低室内的温度。
以上循环通过工作介质自身的热力平衡完成，并依靠自然力实现循环,由室内外的自然温差驱动，实现以高效节能的方式利用室外冷源对机房进行排热。
下图为研发方案基本原理图：
图4-5研发方案的原理示意图（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
小组成员黄文涛根据设计需求，将该方案进行技术分解，将系统的开发分为硬件平台的建设和软件平台的研发两个组成部分，其中硬件平台的建设划分为热管结构开发、冷凝器结构开发及蒸发器结构开发三个模块；软件平台的研发是用来完成系统控制并同时为用户提供接入界面。
热管空调节能系统设计方案分解为：
图4-6系统设计方案分解图（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
⑵、最优化配置方案分解细化
由于该方案涉及各模块软硬件配置，设备选取和参数配置的不同将直接影响方案实施的结果，因此，根据硬件平台的建设和软件平台的研发两大方面，小组成员4月7日起对系统各单元逐一进行分析、开发。
A、硬件平台的建设
1．【热管结构开发】
热管技术早期在大型计算机CPU散热器制造行业得到了开发，它的出现使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，开辟了散热行业新天地。
图4-7热管技术应用于CPU散热器（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。
图4-8热管结构设计图（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
由上图可知，管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，这种循环是快速进行的，热量在管内能通过介质快速传导。
运用正交试验，研制热管结构组成
该方案重点在于热管的研制，热管技术的二次成功开发是方案实现与否的核心。
由研发方案可知，适用于基站的热交换器必然采用分体式，而分体式热交换器的管壳和工作介质材料的选取才是实现节能效率最大化的关键。
小组成员黄文涛在4月8日根据管壳与介质的组合方式，运用正交试验进行无芯微重力热管结构开发。
确定考察指标：
导热系数、沸点温度
确定水平（位级）：
（1）管壳口径的大小对测试值有较大影响，管径粗则沸点温度低，但建设成本增加；管径细则沸点温度高，会影响散热效果。
小组成员查阅小型冷凝器或蒸发器设计规范，通常管径选择在10－12毫米范围，故按10毫米、12毫米两个位级进行试验。
（2）热管管壳使用的材质必须具备成本低，抗腐蚀能力强，性能稳定等特性，因此材质按铜和铝进行试验。
（3）液体介质必须具备蒸发潜热大、比容小、不爆炸、无毒、不燃烧、无腐蚀、价格低廉等特性，因选取氨和R22进行试验。
水平表
因素
管壳口径设置
管壳材质
液体介质
位级1
10毫米
铜
R22
位级2
12毫米
铝
氨
表4-9水平表（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
选用L4（23）正交法并制定实验方案
L4（23）
试验号
列表
1
2
3
1
1
1
1
2
2
1
2
3
1
2
2
4
2
2
1
表4-10正交表（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
实施试验方法的试验结果数据
试验方法
试验结果
试验号
管壳口径设置（A）
管壳材质（B）
液体介质（C）
导热系数（W/MK）
沸点温度（零下度）
1
1（10毫米）
1（铜）
1（R22）
400
31
2
2（12毫米）
1
2（氨）
400
25
3
1
2（铝）
2
210
14
4
2
2
1
210
19
位级I结果之和
610、45
800、50
610、50
I+II=1220
I+II=89
位级II结果之和
610、44
420、39
610、39
极差R
0、1
380、11
0、11
表4-11试验方法及结果数据表（制表：
黄文涛时间：
2011年4月）
分析试验结果：
由导热系数和介质沸点温度分析。
直接看，试验条件为A1B1C1试验效果最好。
结果：
导热系数为400W/MK，介质沸点温度零下31度。
算一算，按照导热系数位级之和沸点温度位级之和并重的原则，可以看出：
选取的最优组合应为A1B1C1。
试验结果表明，直接看和算一算的结果是一样的，因此，小组得出最优组合号为A1B1C1。
热管结构最优选择：
由正交实验法得出无心微重力热管管壳与工作介质的最优组合方案为管径10毫米的铜管，管内充入R22制冷剂介质。
2．【冷凝器和蒸发器结构开发】
热管换热器属于热流体与冷流体互不接触的表面式换热器，随着热管技术的不断发展和无芯微重力热管的成功开发，使分离式热管换热器技术的实现成为可能。
分离式热管也是利用工质的汽化-凝结来传递热量，只是将受热段与放热段分开安装，用蒸汽上升管与冷凝液下降管相联接，通常应用于冷、热流体相距较远或冷、热流体不允许混合的场合。
蒸发器和冷凝器是用紫铜管穿上铝翅片，排成2至8排制成管束，制冷剂在管内为蛇形往复流动，空气在管外翅片内穿行，同时被加热或冷却。
翅片采用整体式形式，翅片常用片型如下图所示。
图4-9翅片结构的几种形式（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
运用正交试验，研制蒸发器和冷凝器结构组成
不同翅片的换热器，其空气侧换热系数及阻力特性均有所差异。
实验证明在获得好的热交换特性的同时，不可避免地造成了摩阻的增加。
在给定的热交换器尺寸和风机运行曲线下，压力损失的提高必然造成空气流速的降低，并进而使空气翅片壁面之间的传热温差降低。
空调工程中所使用的大部分换热器都是干湿工况交替运行的，不同翅片换热器在湿工况下的换热及阻力特性有很大差异，对热交换器实际工作特性不能忽视。
为探索换热器构成条件，应用正交法安排试验。
确定考察指标：
换热j因子、摩阻f因子
确定水平（位级）：
各种形式的翅片破坏了连续稳定的粘性层流层，所以换热因子将改变，而开缝式翅片不仅破坏了连续稳定的粘性层流层，而且大大增加流道中的紊流度，翅距、翅厚、管间距和排间距均会造成粘性层流层或紊流度的变化，使得换热器的j因子和f因子受到影响。
水平表
因素
翅片形式
翅距（mm）
翅厚（mm）
管间距（mm）
排间距（mm）
位级1
波纹板形
2
0.11
25
21.5
位级2
横向皱纹板形
2.5
0.12
26
22
位级3
平板矩形百叶窗
位级4
波纹板弧形百叶窗
表4-12水平表（制表：
黄伟东时间：
2011年4月）
选用L8（41×24）试验表制定实验方案
L8（41×24）
试验号
列号
试验号
列号
12345
12345
1
11221
5
12112
2
32211
6
31122
3
22222
7
21111
4
41212
8
42121
表4-13正交试验表（制表：
黄伟东时间：
2011年4月）
实施试验方案的结果数据
试验方法
试验结果
试验号
翅片形式（A）
翅距（B）
翅厚（C）
管间距（D）
排间距（E）
换热j因子
摩阻f因子
1
1
1
（2）
2（0.13）
2（26）
1（21.5）
1.12
1.16
2
3
2（2.5）
2
1（25）
1
1.77
1.93
3
2
2
2
2
2（22）
1.23
1.26
4
4
1
2
1
2
2.34
2.67
5
1
2
1（0.11）
1
2
1.14
1.18
6
3
1
1
2
2
1.8
1.9
7
2
1
1
1
1
1.27
1.24
8
4
2
1
2
1
2.36
2.7
表4-14正交试验方法及结果数据表（制表：
黄伟东时间：
2011年4月）
分析试验结果：
由导热系数和介质沸点温度分析。
直接看，试验条件为A4B1C1D1E1试验效果最好。
结果：
换热j因子为2.36,摩阻f因子为2.67。
算一算，按照换热因子位级之和摩阻因子位级之和并重的原则，可以看出：
选取的最优组合应为A4B1C1D1E1。
试验结果表明，直接看和算一算的结果是一样的，因此，小组得出最优组合号为A4B1C1D1E1。
结论：
蒸发器和冷凝器结构需采用波纹板弧形百叶窗，其中翅距为2毫米、翅厚为0.11毫米、管间距为25毫米、排间距为21.5毫米。
B、软件平台的研发
1.【系统控制软件】
控制系统由微处理控制器和电气控制箱组成。
控制器作为整个控制系统的控制核心，控制空调机的运行，并对外输出相关数据，使机组运行达到最高效率。
控制器通常采用液晶按键人机交互方式，具备操作简单，功能齐全等特性，并且控制部分必须配置压缩机保护、风机保护、高压和排温保护及低压保护等多种安全保护措施，以确保机组运行安全。
系统控制软件主要通过进程完成多任务决策，控制热管空调系统自动运行，并能依托计算机网络，使系统具备远程监控功能，用户可通过远程登陆，获得系统运行数据及设置参数。
系统控制软件
备选方案
优点
缺点
时间
负责人
SIS热管系统控制器
实现多重方式控制，智能性极高；人机界面友好，设置操作简单；可提供RS232、RS485接口实现远程控制与操作
结构复杂，价格为1500元
2011年4月8日
黄伟东
ERG热管系统控制器
结构简单，自动控制系统启停及空调联动，价格预计为1000元；菜单式操作，简单易懂
控制原理简单，不能实现多重方式控制，无远程接口
表4-15系统控制软件备选方案比较（制表：
刘轶时间：
2011年4月）
结论：
系统控制是整个设备的大脑和灵魂，考虑到整体节能效果及运行安全性，因此采用SIS控制系统较合适。
2.【系统监控软件】
用户接入界面的作用是通过该软件，方便用户使用，引导用户访问设备控制系统，获得系统运行数据及设置参数，同时将系统中出现的告警数据上报给用户，使设备运行明朗化、清晰化。
用户接入界面的开发和选择，将决定用户的使用感受和监控效果。
系统监控软件
备选方案
优点
缺点
时间
负责人
客户端软件
界面美观，系统独立，安全性高
需单独建立监控系统，前期开发成本和后期维护成本较高，资源与现有监控系统不共享
2011年4月8日
王锋
PSMS嵌入式软件
与现有PSMS监控系统连接，简单易行，只需协议开发费用1000元
基本没有缺点
表4-16系统监控软件备选方案比较（制表：
王锋时间：
2011年4月）
结论：
系统监控考虑建设成本、实现效果、联网情况、易用性，因此选择接入现有监控系统即嵌入式软件的方式。
⑶、确定最优方案的技术实现最优配置方案
图4-10最优设计方案分解细化（制图：
黄文涛时间：
2011年4月）
五、制定对策表
4月12日，小组针对以上研究所得主要参数的最优技术方案配置，按照5W1H原则制定了对策实施表，如下表所示：
序号
对策
目标
措施
责任人
升级会员 