Холодоснабжение, кондиционирование воздуха
Coolling and air conditioning
  Энергосберегающее климатическое оборудование для объектов связи
Telecom free cooling air conditioning
 
Статьи

Климат-контроль базовых станций (БС) сотовой связи. Проблемы и энергосберегающие решения

 

В. Суханкин ( гл. энергетик "ОАО МегаФон" )

Б. Финкельштейн ( руководитель направления ООО "ВЕНТСПЕЦСТРОЙ" )

 

Введение

Система климат-контроля БС непрерывно обеспечивает температуру внутри БС в допустимом диапазоне значений (обычно это 10 – 28°С) и осуществляет контроль относительной влажности (15 – 85 %).

Поскольку основное технологическое оборудование БС теплоизбыточно
(средняя тепловая нагрузка большинства БС составляет около 3 кВт), главная задача системы климат-контроля БС – охлаждение или поддержание верхнего значения температурного интервала. Даже незначительное превышение этой температуры приводит к серьёзной потере ресурса аккумуляторных батарей, а при выходе из строя охлаждающего оборудования или перебоях с его питанием уже через 15-20 мин. температура внутри БС становится выше 50°С.

Подогрев воздуха внутри БС или поддержание температурного интервала снизу особенно актуально для северных районов нашей страны.

Контроль относительной влажности в основном необходим БС, расположенным в регионах с морским или субтропическим климатом.

 

1. Охлаждение БС или поддержание верхнего значения температурного интервала

1.1. Цена вопроса

В настоящее время несколько десятков тысяч БС в нашей стране круглый год охлаждаются с помощью кондиционеров типа «сплит». Их энергоэффективность, практически неизменная в течение всего года в связи с независимостью от температуры наружного воздуха, в лучшем случае равна 3, т.е. для ассимиляции 3 кВт тепла кондиционеру необходимо затратить 1 кВт электроэнергии.

Таким образом, примерно 25% всей затраченной оборудованием БС электроэнергии уходит на функционирование кондиционеров типа «сплит», являющихся в этом случае основным звеном системы климат-контроля БС. «Примерно» – потому что некоторое количество тепла в холодное время года ассимилируется через внешние поверхности БС из-за неидеальной теплоизоляции. Однако, в тёплое время года такая теплоизоляция, пусть и в меньшей степени, увеличивает тепловую нагрузку на кондиционеры.

В результате тестовых испытаний на БС 8156 Столичного МегаФона, проводимых совместно со специалистами ООО «ВЕНТСПЕЦСТРОЙ» (см.  Сборник трудов.СПРЭС 2013, стр. 95), в течение первого года было получено реальное значение затрачиваемой кондиционерами типа «сплит» электроэнергии в данном климатическом регионе – 22% от всего расхода БС 8156 или 0,85 кВт на каждые 3 кВт тепла, произведённого технологическим оборудованием БС. В следующем году эти показатели составили 24% и 0,95 кВт соответственно.

            За год расход электроэнергии такой системой климат-контроля на одной БС составит:

0,9 кВт(среднее значение за два года)*8760 час(количество в году)=7884 кВт*час,

а на 40000 БС, хотя на самом деле аналогичных БС значительно больше:

            7884*40000=315 млн. кВт*час.

При действующих тарифах (около 3,5 руб. за кВт*час) стоимость такого количества электроэнергии уже превышает 1 миллиард рублей.

1.2. Перспектива

Ежегодный рост тарифов как минимум на 10% уже в ближайшие годы неминуемо удвоит полученную в конце предыдущего пункта величину.

Следует иметь в виду, что в среднесрочной перспективе (около 10 лет) сетям 2G и тем более 3G в России не грозит отключение, а вынос теплоизлучающего оборудования за пределы БС не везде возможен из-за отсутствия соответствующих модификаций и проблем с обслуживанием оборудования в холодное время года.

1.3. Решение и климатический ресурс

Альтернативы применению промышленного оборудования с функцией фрикулинга (см.  Сборник трудов.СПРЭС 2013, стр. 95 и  Сборник трудов.СПРЭС 2012, стр. 148) в качестве главного элемента системы климат-контроля БС практически не существует.

Огромный климатический ресурс России для естественного охлаждения (фрикулинга) объектов с теплоизбытками наглядно иллюстрирует гистограмма 1, на которой показано количество часов в году (ось У) той или иной температуры воздуха (ось X) в 2012 г. (светлые столбцы) и 2013 г. (тёмные столбцы).

 

Гистограмма 1. Распределение температур воздуха в Столичном регионе
по часам в течение 2012 и 2013 года.

часы

°С

Для рассмотрения отдельных температурных интервалов с точки зрения эффективности фрикулинга на примере УВ ЕНИСЕЙ 2000 воспользуемся данными не только автоматической системы сбора, передачи и хранения информации Столичного МегаФона - АИИСКУЭ БС, но и собственной системы мониторинга УВ ЕНИСЕЙ 2000. Поскольку в АИИСКУЭ БС пока нет информации о положении клапана фрикулинга (КФ) УВ ЕНИСЕЙ 2000, скорости приточного вентилятора (ВП), наружной температуре, включении/выключении кондиционеров и т.п., УВ ЕНИСЕЙ 2000 через RS 485 передаёт с задаваемой периодичностью параметры своей работы на устройство сбора и передачи данных (УСПД) с SIM-картой. УСПД по сети GSM транслирует информацию на сервер для обработки, записи в базу данных и хранения.

1.4. Экономия в результате эксплуатации УВ ЕНИСЕЙ 2000

В таблице 1 будут приведены параметры работы УВ ЕНИСЕЙ 2000 (строки 4-6) в различных интервалах температур наружного воздуха (строки 1,3), однако не следует забывать, что  УВ ЕНИСЕЙ 2000 работает по многоуровневому алгоритму, исходными данными для которого являются температура воздуха внутри БС и более десяти температурных уставок.

            Значения строки 7 таблицы 1 получены по статистической методике, изложенной в совместном докладе "ОАО МегаФон" и ООО "ВЕНТСПЕЦСТРОЙ" (см.  Сборник трудов.СПРЭС 2013, стр. 95), а итоги за год представляют собой средневзвешенное значение интервальных данных, например, за 2012 г.:

0*0,01+9*0,2+18*0,4+21*0,34+6*0,04=16,4   ( 1 )

Таблица 1

 

Характер фрикулинга

Отсутст-вует

Редкий

Частый

Интен-сивный

Смешан-ный с кондиц.

Отсутст-вует

ИТОГО

 

1

2

3

4

5

6

7

8

1

Температ. интервал, °С

[-28,-22]

[-21,-4]

[-3,+11]

[+12,+23]

[+24,+27]

[+28,+32]

[-28,+32]

2

Год

2012

2013

2012

2013

2012

2013

2012

2013

2012

2013

2012

2013

2012

2013

3

Относит. продолж. интервала,%

1

0

20

20

40

43

34

31

4

5

1

1

100

100

 

УВ ЕНИСЕЙ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

% откр. КФ

0

0

0-40

0-50

40-100

50-100

100

100

100

100

0

0

 

 

5

% скор. ВП

30

15

30

15

30

15-25

30-100

25-100

100

100

30

15

 

 

6

мощность, кВт

0,015

0,005

0,015

0,005

0,015

0,005-0,01

0,015-0,25

0,01-0,25

0,25

0,25

0,015

0,005

 

 

7

Относит. экономия эл.энергии от общего расх. БС, %

0

0

9

13

18

22

21

23

6

6

0

0

16,4

19,5

 

 

В 2013 г. была проведена оптимизация некоторых параметров УВ ЕНИСЕЙ 2000: например, минимальная скорость ВП (строка 5) с 30% изменена на 15%, что и привело к значительному росту относительной экономии: с 16,4% до 19,5%.

Одно из практических применений таблицы 1 – прогноз экономии электроэнергии от эксплуатации УВ ЕНИСЕЙ 2000 при любых изменениях климата или в другом, отличном от Столичного, регионе. Для этого необходимо построить соответствующее данной климатической зоне распределение температур воздуха по часам (как для гистограммы 1), определить по нему относительную продолжительность температурных интервалов (строка 3). Если таблица 1 создана в EXEL, значение в столбце «ИТОГО» строки 7 будет вычислено автоматически, в противном случае необходимо воспользоваться формулой (1).

1.5. Оценка ожидаемой экономии от эксплуатации  оборудования с

 функцией фрикулинга

Для анализа работы любого другого оборудования с функцией фрикулинга
(назовём его «ПВВ-Х»), если не представляется возможным использовать методику, предложенную на СПРЭС 2013, можно так же воспользоваться таблицей 1 для оценки ожидаемой экономии.

Например, если производительность по воздуху ПВВ-Х 800 м3/ч, охлаждающей способности для ассимиляции 3 кВт будет достаточно только до температуры +15°С наружного воздуха (соответствующие вычисления см. Сборник трудов.СПРЭС 2012, стр. 148), поэтому экономия в температурном интервале  [+12,+23] (столбец 5) будет близка к 2, и 0 в интервале [+24,+27] (столбец 6), поскольку смешанный режим у ПВВ-Х отсутствует.

Режим работы вентилятора ПВВ-Х (например, on/off) и потребляемая мощность (0,15 кВт), позволяют определить значение экономии в остальных температурных интервалах (столбец 3,4) из соотношений с мощностью вентилятора УВ ЕНИСЕЙ 2000 и динамики изменения экономии при изменении его мощности. Таким образом, получим не более 4 и 8 соответственно. Подставляем в формулу (1):

0*0,01+4*0,2+8*0,4+2*0,34+0*0,04=4,7 % для 2012 г. и

0*0,00+4*0,2+8*0,43+2*0,31+0*0,05=4,9 % для 2013 г.

В случае, если воздушный фильтр ПВВ-Х по пылеёмкости уступает фильтру УВ ЕНИСЕЙ 2000, выбранные значения экономии в строке 7 необходимо умножить на понижающий коэффициент.

1.6. Фрикулинг фрикулингу рознь

Полученное значение ожидаемой экономии (4,7% и даже 4,9%) не позволяет отнести ПВВ-Х к промышленному оборудованию с функцией фрикулинга даже при возможно небольшом сроке окупаемости. Нельзя рассматривать срок окупаемости в качестве единственного критерия выбора оборудования без учёта экономии. В этом случае ежегодные потери от избыточного расхода электроэнергии на климат-контроль могут в несколько раз превысить полученную экономию.

Таблица 2

Оборудование

Относит. экономия эл.энергии от общего расх. БС, %

Относит. экономия эл.энергии от расх. на климат-контр, %

Экономия стоим. эл.энергии расх. за год на климат-контр, млн. руб.

Ежегодные потери от избыточн. расх. эл.энергии на климат-конр, млн. руб.

Отношение потерь к экономии, %

0

1

2

3

4

5

 

 

[1]/24*100%

1 млрд.*[2]

813-[3]

[4]/[3]

УВ ЕНИСЕЙ 2000

19,5

81,3

813

0

0

ПВВ-Х

4,9

20,4

204

609

299

 

            Во втором столбце для расчёта относительной экономии в качестве доли электроэнергии, расходуемой на БС на климат-контроль, используется 24% - значение, полученное в п.1.1.

 

2. Подогрев воздуха внутри БС или поддержание температурного

 интервала снизу

            Как уже отмечалось в таблице 1, даже при температуре наружного воздуха -21°С БС с потребляемой мощностью технологического оборудования около 3 кВт необходимо охлаждение. Только при более низких температурах или меньшей потребляемой мощности температура внутри БС грозит опуститься за нижний предел температурного интервала (в нашем случае – +10°С).

2.1. Клапан фрикулинга и камера смешения

Как было показано выше, применение оборудования с функцией фрикулинга неизбежно, а это – дополнительные отверстия в контейнере БС для входа и выхода воздуха. В случае промышленного варианта этого оборудования в соответствии с предъявляемыми к нему техническими требованиями входное и выходное отверстия будут снабжены утеплёнными клапанами с приводом. Также оборудованию с функцией фрикулинга необходима камера смешения для подмеса теплого воздуха к холодному входному и получения приточного воздуха с гарантированной температурой не ниже +5°С.

Только такие решения надежно обеспечат теплоизоляцию БС и предотвратят дополнительный расход электроэнергии на подогрев воздуха внутри БС.

2.2. Решения

Встроенный в оборудование с функцией фрикулинга электронагреватель по сути своей является тепловентилятором с расходом воздуха около 500 м3/ч., поэтому он более эффективен, чем автономный масляный электронагреватель.

3. Контроль относительной влажности

Промышленное оборудование с функцией фрикулинга должно обеспечивать не только заданный температурный интервал, но заданный интервал относительной влажности. Если поддержание нижнего значения этого интервала происходит естественным образом – за счёт поступления на БС наружного воздуха, поддержание верхней границы интервала осуществляется в результате работы кондиционера. Как только относительная влажность оказывается в заданном интервале, кондиционер выключается. Оптимизировать этот энергоёмкий алгоритм практически невозможно, в то же время следует признать, что и работает он очень редко, исключая регионы с морским и субтропическим климатом.

 

Выводы

 

Стоимость расходуемой электроэнергии на климат-контроль БС уже превышает 1 миллиард рублей.

В среднесрочной перспективе ( около 10 лет ) сетям 2G и тем более 3G в России не грозит отключение, а неуклонный рост тарифов в ближайшие годы удвоят приведённую выше сумму.

Альтернативы применению промышленного оборудования с функцией фрикулинга  в качестве главного элемента системы климат-контроля БС практически не существует.

Россия обладает огромным климатическим ресурсом для естественного охлаждения объектов с теплоизбытками.

УВ ЕНИСЕЙ 2000 – промышленное оборудование с функцией фрикулинга, обеспечивает в средней полосе России экономию электроэнергии в размере 19,5% от всего расхода БС и 81,3% от расхода электроэнергии на климат-контроль.

В то же время повсеместно за счёт более низкой цены закупается и вводится в эксплуатацию на БС бытовое и полупромышленное оборудование с функцией фрикулинга, обеспечивающее экономию всего от 5 до 10%, не реализуя даже половины возможностей естественного охлаждения в России.

 

Текст