應(yīng)用于通訊基站的重力均熱板節(jié)能屋面研究
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丁志雄，陳友明（湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙410082）
[摘要]提出1種可應(yīng)用于通訊基站的重力均熱板節(jié)能屋面，通過分析該屋面結(jié)構(gòu)的傳熱過程，建立起穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并證明其具有單向?qū)崽匦�。通過與混凝土屋面基站、鋼板屋面基站的能耗模擬對比，得出了重力均熱板節(jié)能屋面的節(jié)能優(yōu)勢。選取5個(gè)典型氣候城市的氣象參數(shù)，對基站空調(diào)全年運(yùn)行能耗情況進(jìn)行模擬分析，對比得出該重力均熱板屋面的節(jié)能效益。結(jié)果表明在這5個(gè)地區(qū)，使用重力均熱板節(jié)能屋面相對于使用混凝土屋面空調(diào)全年運(yùn)行時(shí)間、全年能耗及逐時(shí)冷負(fù)荷最大值均減小，其中嚴(yán)寒地區(qū)的沈陽節(jié)能率超過20%，夏熱冬暖地區(qū)的廣州節(jié)能10 010左右。
[關(guān)鍵詞]通訊基站；蒸發(fā)冷凝；空調(diào)負(fù)荷；散熱量；能耗分析
O 引言
近年來，隨著我國移動(dòng)通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，通信基站的數(shù)量飛速增長，基站內(nèi)設(shè)備24小時(shí)連續(xù)工作產(chǎn)熱量大，為保證設(shè)備正常運(yùn)行，室內(nèi)溫度需維持在一個(gè)較低范圍(10~30℃)。而由于基站需要良好的防塵防水性能，所以基站建設(shè)一般不允許直接引室外風(fēng)降溫，故大部分的設(shè)備產(chǎn)熱量需通過空調(diào)設(shè)備來處理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國移動(dòng)的電能消耗中，基站能耗約占73%．而基站中約46 010的能耗是空調(diào)能耗。基站除部分北方地區(qū)極端氣候條件下需供暖之外，其它情況下只需制冷，故許多學(xué)者從制冷系統(tǒng)、控制方法、能源管理等方面對基站空調(diào)節(jié)能提出積極方案。梁曉東提出對基站空調(diào)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，全面分析了基站專用空調(diào)和普通空調(diào)的不同之處，并提出改進(jìn)意見；Han等提出了使用整體式空調(diào)和熱虹吸管換熱器聯(lián)合運(yùn)行的形式，通過模擬發(fā)現(xiàn)，整體式空調(diào)比傳統(tǒng)空調(diào)全年節(jié)能19. 1%~28. 2%，而整體式空調(diào)聯(lián)合熱虹吸管換熱器運(yùn)行節(jié)能更為可觀；Suri等則采用了相變儲能，新風(fēng)相結(jié)合的空調(diào)方案，利用相變材料儲存室外自然冷源，去除室內(nèi)冷負(fù)荷，在一定條件下直接通新風(fēng)抵消冷負(fù)荷；AntOni0等提出監(jiān)測基站能源消耗的重要性，分別監(jiān)測了6個(gè)不同地區(qū)不同形式的基站能耗情況，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果找出節(jié)能點(diǎn)，提出優(yōu)化方案。
目前對于基站空調(diào)節(jié)能的研究，大多數(shù)學(xué)者是從空調(diào)本身出發(fā)，考慮如何處理冷負(fù)荷，而忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)散熱對降低空調(diào)負(fù)荷的作用。對于通訊基站這類特殊功能建筑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在滿足應(yīng)用強(qiáng)度的條件下，應(yīng)充分考慮其對空調(diào)負(fù)荷的影響。本文提出一種可單向傳熱的重力均熱板節(jié)能屋面（下文簡稱均熱板屋面），通過模擬分析其應(yīng)用于不同地區(qū)基站的節(jié)能效益，結(jié)果表明該屋面能有效降低基站空調(diào)負(fù)荷。
1 屋面結(jié)構(gòu)及其節(jié)能原理
均熱板屋面結(jié)構(gòu)如圖1所示，該屋面上下為兩層鋼板，鋼板內(nèi)表面涂銀粉，中間抽真空后加注工作液（純水），夾層中水的沸點(diǎn)為上層水蒸氣壓力對應(yīng)的沸點(diǎn)，而水的沸點(diǎn)和壓力的關(guān)系見式(1)。
式中：t為水的沸點(diǎn)，℃；P為水表面壓力，kPa。
基站內(nèi)設(shè)備24小時(shí)連續(xù)工作，運(yùn)行中產(chǎn)熱量大，導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高。當(dāng)室內(nèi)溫度高于室外綜合溫度，即屋面下表面溫度比上表面高時(shí)，蒸汽層為飽和水蒸氣狀態(tài)，飽和蒸汽壓力對應(yīng)的水蒸氣溫度等于水的沸點(diǎn)。此狀態(tài)下，水層由于受到下表面鋼板的加熱會快速蒸發(fā)甚至沸騰，產(chǎn)生的水蒸氣在上表面遇冷凝結(jié)，當(dāng)凝結(jié)水達(dá)到一定厚度，又會下落到水層；從而形成水蒸氣帶著熱量不斷的向上運(yùn)動(dòng)，凝結(jié)放熱后變?yōu)槟Y(jié)水回落的熱質(zhì)循環(huán)過程，加強(qiáng)了熱量由下至上的傳熱過程，即有助于室內(nèi)熱量的散發(fā)。當(dāng)室內(nèi)溫度低于室外綜合溫度時(shí)，屋面上表面的溫度比下表面的溫度高，其壓力大于該溫度下的飽和水蒸氣壓力，故下層水溫未達(dá)到沸點(diǎn)，氣液界面水分子進(jìn)出處于平衡狀態(tài)。此時(shí)蒸汽層的傳熱過程相當(dāng)于導(dǎo)熱，加之屋面內(nèi)部表面都涂有銀粉，削弱了輻射換熱，此時(shí)屋面能起到有效的隔熱作用，降低由室外通過屋面?zhèn)鬟f進(jìn)入室內(nèi)的熱量。
2 均熱板屋面?zhèn)鳠釘?shù)學(xué)模型
2.1假設(shè)條件
均熱板屋面內(nèi)部的傳熱過程屬于窄空間內(nèi)蒸發(fā)（沸騰）一冷凝過程，為簡化模型方便計(jì)算，做以下假設(shè)：
1)均熱板屋面制作時(shí)要先抽真空，再灌注水，水自行調(diào)整達(dá)到平衡狀態(tài)，所以假定水蒸氣和液態(tài)水都處于某一溫度下的飽和狀態(tài)；
2)忽略上表面凝結(jié)水下落對內(nèi)部傳熱的影響；
3)假設(shè)散熱過程夾層中水層和水蒸氣層內(nèi)部溫度均勻；
4)假設(shè)水和水蒸氣的熱物性參數(shù)不隨溫度而變；
5)由于均熱板屋面長寬尺寸遠(yuǎn)大于其高度尺寸，故忽略水層高度變化及水蒸氣層傳輸壓差。
2.2 屋面?zhèn)鳠徇^程分析
均熱板屋面的傳熱可分為內(nèi)外表面換熱、上下鋼板導(dǎo)熱及屋面內(nèi)部換熱，其中內(nèi)外表面的換熱系數(shù)、鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)及厚度已知，需分析的主要是屋面內(nèi)部換熱情況，而由于該屋面內(nèi)部換熱在散熱和隔熱兩種情況下為兩個(gè)完全不同的傳熱過程，所以將其分成2種情況討論。
2.2.1 散熱過程分析
屋面散熱過程如圖2所示。
散熱過程中，屋面內(nèi)部下表面溫度高于上表面，所以水層會快速蒸發(fā)甚至沸騰，水層傳熱包括自然對流換熱、沸騰對流換熱、液體表面的蒸發(fā)換熱及相變換熱。
對其傳熱過程分2種情況討論：
1)當(dāng)壁面過熱度較小(At<=4 aC)時(shí)，水層的換熱可視為水平熱面向上的自然對流換熱現(xiàn)象，氣泡和相變的影響忽略不計(jì)，對流換熱系數(shù)h。由下面的關(guān)系式確定：
水層處于核態(tài)沸騰狀態(tài)，換熱過程可由Rohsenow關(guān)系式去確定，見式(5):
化簡為熱流量形式，見式(6)：
式中：C。，為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取決于加熱面一液體組合情況，該屋面為機(jī)械拋光的不銹鋼和水的組合，C。．取值0. 013；r為水的汽化潛熱，J/kg；p。、p。分別為水和水蒸氣的密度，kg/m3；盯為水一水蒸氣界面的表面張力，N/m；s為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對于水s=l。
水層與蒸汽層交界處，水蒸氣脫離水表面攜帶著熱量進(jìn)入蒸汽層，其攜帶的熱量與蒸發(fā)量直接相關(guān)，所以本文用分子運(yùn)動(dòng)論分析該熱質(zhì)交換過程。當(dāng)一種物質(zhì)的汽一液兩相共存并處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，離開液體的分子流等于進(jìn)入液體的分子流；當(dāng)這種平衡被打破時(shí)，即發(fā)生宏觀的蒸發(fā)或冷凝過程。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論，考慮一平行并接近液體表面的單位面積平面，在此平面以下的水蒸氣壓力為液體的飽和蒸汽壓力P；，每秒中從單位液體面積到達(dá)上面蒸汽空間的分子數(shù)見式(7)：
反方向運(yùn)動(dòng)的分子數(shù)見式(8)：
式中：m為水蒸氣分子的質(zhì)量；P。為上層蒸汽壓力，p。；v。，為均方根速度，它被定義為每個(gè)分子的平均運(yùn)動(dòng)能量，見式(9):
式中：R。為氣體常數(shù)；T為水溫度，K。
于是單位面積蒸發(fā)量：N=N1．，一N，．，
液面總的蒸發(fā)散熱量見式(10)：
由克勞修斯一克拉貝隆方程和理想氣體狀態(tài)方程可得式(11)：
將式(11)帶人式(10)得式(12)：
式中：AT．=T；-T，，（r。為蒸汽層溫度），K。S
凝結(jié)過程為蒸發(fā)過程的逆過程，同理，上表面凝結(jié)放熱量見式(13)：
式中：△T2=Tv-T2（T2為上鋼板下表面溫度），K。
蒸汽層中水蒸氣攜帶熱量向上傳輸?shù)倪^程在夾層中進(jìn)行，由于夾層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼板長度或?qū)挾�，所以該傳輸過程產(chǎn)生的壓降可以忽略不計(jì)，即認(rèn)為此過程中無熱損失。
屋面內(nèi)部上下表面由于涂有銀粉，在散熱過程中，輻射對傳熱的貢獻(xiàn)相對較小，故忽略不計(jì)。
根據(jù)熱量守恒，聯(lián)立式(1)、式(4)、式(12)、式(13)或式(1)、式(6)、式(12)、式(13)，在給定r．、T2的情況下，即可解得熱流量q、水層溫度T及蒸汽層溫度T，進(jìn)而也可推導(dǎo)出屋面的蒸發(fā)水量和凝結(jié)水量。
2.2.2 隔熱過程分析
當(dāng)上表面溫度大于下表面溫度時(shí)，處于由上向下傳熱狀態(tài)。蒸汽層為飽和蒸汽，其壓力大于同溫度下的飽和壓力，所以水層沸點(diǎn)高于其本身溫度，水一水蒸氣界面水分子進(jìn)出處于平衡狀態(tài)，水層和蒸汽層都相當(dāng)于導(dǎo)熱，熱阻大，有利于隔熱。其傳熱過程如圖3所示。
其中飽和蒸汽層熱流量可表示為式(14)：
式中：△t，為飽和蒸汽層兩端溫差，℃；6。為蒸汽層厚度，m;A。為水蒸氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m-℃)。
水層熱流量可表示為式(15)：
式中：At。為水層兩端溫差，cC。
隔熱時(shí)，屋面內(nèi)部的輻射換熱需要盡量消除，于是在鋼板內(nèi)表面涂上銀粉，減小了表面發(fā)射系數(shù)，削弱輻射換熱。h，為輻射換熱系數(shù)，公式見式(16)：
式中：8為內(nèi)表面發(fā)射系數(shù)，取0.02。
則屋面內(nèi)部的輻射換熱量見式(17)：
在給定T1、T2的情況下由式(14)、(15)、(17)
可求隔熱時(shí)通過屋面的熱流量。
2.3 屋面?zhèn)鳠崮Ｐ颓蠼?/p>
利用以上數(shù)學(xué)模型，假設(shè)室內(nèi)溫度為28 aC，室外綜合溫度從-5—60℃每隔1aC取1個(gè)點(diǎn)，計(jì)算屋面各層溫度分布及通過屋面的熱流量，結(jié)果示于圖4。
從圖4中可以看出，室外綜合溫度為28 ℃時(shí)，通過屋面的熱流量為0。當(dāng)室外綜合溫度低于28℃時(shí)，熱流量（散熱量）隨著溫度的降低幾乎成線性增大，這是因?yàn)槲菝鎯?nèi)部熱阻相對于屋面外上下表面換熱熱阻及鋼板導(dǎo)熱熱阻之和是個(gè)較小值。此時(shí)，水層和蒸汽層的內(nèi)部溫差可忽略不計(jì)，蒸汽層的溫度隨著室外綜合溫度的升高線性增大，整個(gè)屋面熱阻受內(nèi)部熱阻變化影響很小。當(dāng)室外溫度高于28℃，熱流量的大�。ㄐ∮诹阏f明熱流量方向?yàn)槭彝鈧飨蚴覂?nèi)）隨溫度升高成線性緩慢增加，其增長趨勢比散熱情況小得多。這是因?yàn)槟嫦騻鳠釙r(shí)，屋面內(nèi)部的水層及蒸汽層以導(dǎo)熱為主。此時(shí)，水層和蒸汽層承擔(dān)室外到室內(nèi)的主要溫降，內(nèi)部溫度成線性分布。如圖4，蒸汽層平均溫度在此時(shí)隨室外綜合溫度的上升增長緩慢，其導(dǎo)熱熱阻比內(nèi)外表面換熱熱阻、鋼板導(dǎo)熱熱阻及水層熱阻之和大得多，隔熱效果明顯。由以上分析可知屋面散熱熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隔熱熱阻，故該屋面具有單向?qū)嵝阅堋?/p>
3模擬分析
3.1 基站模型介紹
根據(jù)上文所述數(shù)學(xué)模型求解屋面?zhèn)鳠徇^程，將其應(yīng)用于一個(gè)尺寸（長×寬×高）為4 m x4 mx3 m的基站，基站內(nèi)發(fā)熱設(shè)備主要為5臺通信機(jī)柜( 684W/臺)、其他散熱設(shè)備包括傳輸設(shè)備(10 W)、開關(guān)電源設(shè)備(50 W)等，設(shè)備總散熱量為3 480 W，而基站室內(nèi)溫度需保持在28℃以下。以長沙地區(qū)氣象參數(shù)為具體算例，分別對該基站在使用混凝土屋面、鋼板屋面和均熱板屋面3種不同條件下做空調(diào)負(fù)荷對比及全年能耗分析（能耗分析中空調(diào)能效比EER取全年平均值，本文取3.2），3種屋面結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。選取我國不同氣候區(qū)內(nèi)的5個(gè)典型城市進(jìn)行對比（不考慮極端氣象條件下需供熱的情況），分析均熱板屋面在不同地區(qū)的適用性。
3.2 3種不同屋面的對比分析
圖5為不同室外綜合溫度條件下使用3種屋面對應(yīng)的空調(diào)負(fù)荷，從圖中可以看出，當(dāng)室外綜合溫度低于28℃時(shí)，均熱板屋面和鋼板屋面的負(fù)荷情況非常接近，都是在室外綜合溫度低于1℃時(shí)負(fù)荷降為0。以長沙地區(qū)為例，全年室外綜合溫度低于1℃的小時(shí)數(shù)有500個(gè)左右，即在這500 h內(nèi)該基站都可以通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱抵消設(shè)備的產(chǎn)熱，無需開空調(diào)。而混凝土屋面需要室外綜合溫度降到- 11℃左右才能通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱抵消室內(nèi)冷負(fù)荷，就長沙地區(qū)而言，全年室外綜合溫度均無低于- 11℃，即全年都需要開啟空調(diào)制冷。當(dāng)室外綜合溫度高于28 ℃時(shí)，在長沙地區(qū)，夏季太陽輻射強(qiáng)，室外綜合溫度可高達(dá)60℃以上。此時(shí)鋼板屋面由于隔熱性能差致使室內(nèi)冷負(fù)荷較其它兩者要高出許多，為保證在這種最不利條件下基站設(shè)備仍能正常運(yùn)行，空調(diào)制冷容量必須滿足此時(shí)的冷負(fù)荷處理要求，這會增大空調(diào)選型，增加初投資，并會降低空調(diào)平時(shí)的運(yùn)行效率，所以鋼板屋面應(yīng)用于基站并不合理。而此時(shí)均熱板屋面卻表現(xiàn)出了其逆向隔熱的特性，使得室內(nèi)冷負(fù)荷比混凝土屋面還要低。
圖6為長沙地區(qū)混凝土屋面、鋼板屋面及均熱板屋面逐日散熱量的對比，散熱量曲線位于Y=O直線以上與Y，=O圍成的面積即屋面年散熱量，位于Y=O直線以下則表示散熱量為負(fù)，即室外向基站內(nèi)部傳熱。從圖中可以看出，在冬季和過渡季節(jié)，各屋面的散熱量明顯高于夏季，其中混凝土屋面的散熱量最小。鋼板屋面在夏季時(shí)由室外向室內(nèi)傳熱較大，即其隔熱性能差，會導(dǎo)致室內(nèi)冷負(fù)荷增大，進(jìn)一步說明其不適用于基站，故本文不再對鋼板屋面進(jìn)行討論。均熱板屋面則表現(xiàn)出了其正向散熱和逆向隔熱的特點(diǎn)，都有利于空調(diào)負(fù)荷的減小。
3.3 不同地區(qū)節(jié)能情況對比
根據(jù)建筑氣候區(qū)在嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)分別選取1個(gè)代表城市沈陽、鄭州、長沙、昆明、廣州，進(jìn)行基站能耗對比，分析氣候?qū)ξ菝婀?jié)能效益的影響。
表2為各個(gè)城市的計(jì)算結(jié)果對比，第一欄為低于1℃和- 11℃小時(shí)數(shù)，即使用均熱板屋面和混凝土屋面時(shí)不需要開空調(diào)的小時(shí)數(shù)，由表中可以看出除了嚴(yán)寒地區(qū)的沈陽和寒冷地區(qū)的鄭州，其它地區(qū)均無低于- 11℃，說明使用混凝土屋面時(shí)其它地區(qū)需全年開啟空調(diào)制冷；而使用均熱板屋面后，無需開啟空調(diào)的小時(shí)數(shù)得到明顯增加，有利于空調(diào)能耗的降低。第二欄為逐時(shí)冷負(fù)荷最大值，對于基站建筑，為保證基站內(nèi)設(shè)備的安全運(yùn)行，空調(diào)選型需滿足最不利要求，所以逐時(shí)冷負(fù)荷最大值直接影響空調(diào)的選型。從表中可以看出使用均熱板屋面的基站逐時(shí)冷負(fù)荷最大值均小于混凝土屋面，也就是說使用均熱板屋面有利于降低空調(diào)制冷容量。第三欄為全年空調(diào)能耗，使用均熱板屋面的全年空調(diào)能耗都小于使用混凝土屋面，在嚴(yán)寒地區(qū)的沈陽節(jié)能率可達(dá)20.8 %，在夏熱冬暖地區(qū)的廣州也可節(jié)能10%左右，說明均熱板屋面在各種氣候條件下均適用。由表第四欄可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)能率與年平均室外綜合溫度成一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在年平均室外綜合溫度越低的地區(qū)使用均熱板屋面可得到越高的節(jié)能收益。
4結(jié)論
本文提出1種具有單向?qū)崽匦缘闹亓鶡岚逦菝娼Y(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用于通訊基站，分別與普通混凝土屋面、鋼板屋面進(jìn)行對比。首先對基站進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)使用均熱板屋面的基站在室外綜合溫度降到1℃以下時(shí)就無需開空調(diào)，而混凝土屋面則需要降到- 11℃以下；鋼板屋面由于隔熱性差，當(dāng)室外綜合溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，逐時(shí)冷負(fù)荷最大值增加，導(dǎo)致空調(diào)選型增大，初投資增加，空調(diào)的效率降低，說明鋼板屋面不適用于基站建筑。
選取我國不同氣候區(qū)內(nèi)的5個(gè)典型城市氣象參數(shù)，對使用均熱板屋面和混凝土屋面進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：
1)使用均熱板節(jié)能屋面時(shí)，除夏熱冬暖地區(qū)外，其它地區(qū)空調(diào)運(yùn)行的小時(shí)數(shù)都有一定減少，其中嚴(yán)寒地區(qū)減少最大；
2)由于均熱板屋面的逆向隔熱性能，有利于降低逐時(shí)冷負(fù)荷最大值，降低空調(diào)制冷容量，減小初投資；
3)使用均熱板節(jié)能屋面相比混凝土屋面，5個(gè)地區(qū)的全年空調(diào)能耗均有所降低；且節(jié)能率隨全年平均室外綜合溫度的上升成下降趨勢，嚴(yán)寒地區(qū)沈陽節(jié)能率最大，可達(dá)20%以上，寒冷地區(qū)的鄭州為19%、夏熱冬冷地區(qū)的長沙為17. 9%、溫和地區(qū)的昆明為18. 5%，夏熱冬暖地區(qū)的廣州節(jié)能率最小，為9.9%。
