一种基于相变材料和泵循环的基站机房智能温控系统及其控制方法与流程

本发明涉及电子或通信领域的能源管理、系统及方法，特别涉及一种基于相变材料并且通过泵循环降低机房能耗的通信基站机房的温控系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着我国信息通信业的快速发展，基站机房、数据中心、汇聚机房等场景的能耗愈发引起人们关注。据统计，基站功耗包含主设备能耗(bbu和aau)占46％，空调能耗占46％，配电和其他能耗占8％。对于数据中心、5g基站等新型基础设施，创新节能技术是未来的发展趋势，尤其是充分利用自然冷源、降低空调能耗，是需要长期开展的重要举措。同时，ict行业对全球温室气体排放的直接影响占比高达4％，其中移动通信网络的影响占比在10％以上。因此对于通信网络中空调温控设备的节能，对降低温室气体排放具有重要意义。

2、为了降低空调的能耗，已有智能控制系统对空调的运行状态进行精细化管理，亦有精密机房空调通过改善制冷剂、压缩机等方法提高能效比，还有空调采用氟泵模式，在室外温度较低的情况下，仅利用工质泵传输制冷剂，节省了压缩机功耗。改善制冷剂、压缩机等设备或采用氟泵模式都能够一定程度上降低空调能耗。然而，这类方案主要是针对空调设备和系统的优化，其经济性、灵活性都受到一定限制，未能更好地挖掘节能潜力。

3、目前大多数机房温控技术的节能改造是针对空调的优化，系统中仍然包含压缩机、节流阀等设备，导致设备成本偏高。而传统利用相变材料进行温控的技术方案中，通常需要积蓄空调的余冷或者采用谷电进行大规模的充冷，造成系统复杂、设备投入较多的问题。

4、因此，如何通过简单的设备改造和控制方法解决基站机房空调能耗较高的问题，是人们所希望的。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于相变材料并且通过泵循环降低机房能耗的通信基站机房的温控系统及其控制方法，用于解决基站机房空调能耗较高的问题。本发明首先使用相变材料吸收所述蒸发器、所述第一双相变蒸发板和所述第二双相变蒸发板的热量，从而对室内、机柜通信设备和蓄电池进行均温，进一步使用氟泵单元移除相变材料吸收的热量，从而达到利用自然冷源冷却室内及机柜通信设备和蓄电池的效果，充分利用外界热交换制冷，从而降低室内空调替机房室内、机架通信设备和蓄电池进行降温的负担，减少室内空调的开启时间，优化站点能源结构，节省空调用电量。

2、本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于相变材料和泵循环的基站机房智能温控系统，其包括：室内机单元、室外机单元、氟泵单元和控制单元；

3、室内机单元，包括蒸发器支路和多个散热支路，多个散热支路中至少包括与机柜通信设备对应的第一双相变蒸发板支路以及与蓄电池对应的第二双相变蒸发板支路；所述蒸发器支路、所述第一双相变蒸发板支路以及所述第二双相变蒸发板支路上分别具有蒸发器、第一双相变蒸发板以及第二双相变蒸发板；每条支路上具有控制该支路开启和闭合的电磁阀，所有支路的上游汇总管路上具有分流器，所有支路的下游汇总管路上具有汇流器；

4、室外机单元，与室内机通过管路连接，包括冷凝器；

5、氟泵单元，连接于室内机和室外机之间，包括储液器、氟泵，所述储液器一端与所述冷凝器连接，所述储液器另一端与所述氟泵一端连接，所述氟泵另一端与所述分流器连接，所述汇流器与所述冷凝器连接；

6、控制单元，所述控制单元控制每条支路上的所述电磁阀的开启和闭合；

7、所述蒸发器、所述第一双相变蒸发板和所述第二双相变蒸发板处装填有相变材料。

8、优选地，所述第一双相变蒸发板替机柜通信设备降温，所述第二双相变蒸发板替蓄电池降温，所述蒸发器替室内降温。具体的，所述蒸发器支路与室内对应，在于降低室内的温度。第一双相变蒸发板支路与机柜通信设备对应，在于降低机柜通信设备的温度。第二双相变蒸发板支路与蓄电池对应，在于降低蓄电池的温度。此处仅是例举了两个核心的高温设备(机柜通信设备和蓄电池)，实际安装中可以根据实际情况，在任意高温区域设置对应的带有相变材料的蒸发设备，相应的可以扩展到多个散热支路，每个蒸发设备搭配适合的相变材料导热即可。实际安装过程中根据使用场景的不同，也可扩展到不同的多个散热支路，比如家用空调场景下，由于核心的高温设备也就是机柜通信设备和蓄电池，所以针对机柜通信设备和蓄电池设置散热支路即可。但是比如厂房网吧等内部具有多高温设备(比如电脑、厂房机器)的场景，或者大型室内具有局部高温死角(气流交换不到的位置)时，此时可以根据高温设备和局部高温死角单独设置蒸发降温设备，从而替这些局部热点降温。

9、优选地，所述相变材料用于吸收所述蒸发器、所述第一双相变蒸发板和所述第二双相变蒸发板的热量，从而对室内、机柜通信设备和蓄电池进行均温；

10、所述氟泵单元用于移除相变材料吸收的热量，从而达到利用自然冷源冷却室内及机柜通信设备和蓄电池的效果。

11、优选地，对所述第一双相变蒸发板处，装填的所述相变材料的相变温度为30～40℃，所用相变材料包括石蜡、无机盐、共晶盐、多孔碳及其混合物。优选地，可选用石蜡与多孔碳的复合相变材料，相变点为35℃，相变焓值不低于220j/cm2，导热系数不低于0.6w/(m·k)。

12、优选地，对所述第二双相变蒸发板处，装填的所述相变材料的相变温度为25～35℃，所用相变材料包括石蜡、无机盐、共晶盐、多孔碳及其混合物。优选地，可选用石蜡与多孔碳的复合相变材料，相变点为30℃，相变焓值不低于230j/cm2，导热系数不低于0.6w/(m·k)。

13、优选地，对所述蒸发器处，装填的所述相变材料的相变温度为20～28℃，所用相变材料包括石蜡、无机盐、共晶盐、多孔碳及其混合物。优选地，可选用共晶盐与多孔碳的复合相变材料，相变点为24℃，相变焓值不低于200j/cm2，导热系数不低于0.6w/(m·k)。

14、优选地，所述第一双相变蒸发板、所述第二双相变蒸发板、所述蒸发器的相变材料的相变温度逐级递减。这主要是取决于三者降温对象的温度高低而言，其中第一双相变蒸发板替机柜通信设备降温，而第二双相变蒸发板替蓄电池降温，蒸发器替室内降温，实际情况中机柜通信设备和蓄电池温度是大于室内温度的，且大部分情况下机柜通信设备温度要高于蓄电池温度，所以第一双相变蒸发板、所述第二双相变蒸发板、所述蒸发器的相变材料的相变温度逐级递减。若机柜通信设备温度低于蓄电池温度，则所述第二双相变蒸发板相变材料的相变温度也可以高于所述第一双相变蒸发板的相变材料的相变温度，但是更优选地是所述第一双相变蒸发板、所述第二双相变蒸发板、所述蒸发器的相变材料的相变温度逐级递减，这样可以适用于大部分情况，从而利用相变温度的差异带来不同程度的降温效果，从而对机房室内、机架通信设备和蓄电池进行均温，保证三者温度基本一致，快速消除局部高温点。进一步的，在对机房室内、机架通信设备和蓄电池进行均温之前，由于机房室内、机架通信设备和蓄电池温度不同，所以其会形成三种内外温度差，而所述第一双相变蒸发板、所述第二双相变蒸发板、所述蒸发器的相变材料的相变温度逐级递减，就是为了充分利用不同热区的温度场差异，以适应更多的内外温度差。此外，对机房室内、机架通信设备和蓄电池进行均温，此处均温也是一个相对状态，因为在运行过程中温度是一直变化的，机架通信设备和蓄电池也是一直产生热量的，所以蒸发设备的相变材料只能是相对的实现均温，并不是达到静止的完全均温。

15、更优选地，所述第一双相变蒸发板处装填的所述相变材料选用石蜡与多孔碳的复合相变材料，相变点为35℃，相变焓值不低于220j/cm2，导热系数不低于0.6w/(m·k)。

16、所述第二双相变蒸发板处装填的所述相变材料选用石蜡与多孔碳的复合相变材料，相变点为30℃，相变焓值不低于230j/cm2，导热系数不低于0.6w/(m·k)。

17、所述蒸发器处装填的所述相变材料选用共晶盐与多孔碳的复合相变材料，相变点为24℃，相变焓值不低于200j/cm2，导热系数不低于0.6w/(m·k)。

18、本发明第二方面提供一种基于相变材料和泵循环的基站机房智能温控系统的控制方法，使用本发明第一方面所述的温控系统，并确定室外温度to、室内温度ta、机柜通信设备温度ts、蓄电池温度tb，其包括以下控制逻辑：

19、逻辑一：当室外温度to<室内温度ta，则所有支路上的电磁阀均打开，外界低温工质经过所述分流器分成多路，分别流经蒸发器、第一双相变蒸发板和所述第二双相变蒸发板后经所述汇流器流出，以便给室内、机柜通信设备和电池降温；

20、逻辑二：当室外温度to>室内温度ta，但低于蓄电池温度tb或机柜通信设备温度ts，则进一步比较蓄电池温度tb和机柜通信设备温度ts，若蓄电池温度tb低于机柜通信设备温度ts，则与蓄电池对应的第二双相变蒸发板支路上的所述电磁阀打开，其余支路上的所述电磁阀关闭，外界工质流经分流器、第二双相变蒸发板支路后经所述汇流器流出；若机柜通信设备温度ts低于蓄电池温度tb，则与机柜通信设备对应的第一双相变蒸发板支路上的所述电磁阀打开，其余支路上的所述电磁阀关闭，外界工质流经分流器、第一双相变蒸发板支路后经所述汇流器流出；

21、逻辑二中，当系统包括多个散热支路时，逻辑二为当室外温度to>室内温度ta，但低于某个散热支路上的设备温度，则进一步比较所有散热支路上的设备温度，其中那条散热支路上的设备温度最低，则该散热支路上的电磁阀打开，其余支路上的所述电磁阀关闭，外界工质流经分流器、该散热支路后经所述汇流器流出。

22、逻辑三：当室外温度to大于室内温度ta、蓄电池温度tb和机柜通信设备温度ts中的任何一个，则所有支路上的电磁阀均关闭。

23、逻辑三中，当系统包括多个散热支路时，逻辑三为当室外温度to大于室内温度ta、以及所有散热支路上的设备温度，则所有支路上的电磁阀均关闭。

24、本发明的控制方法中，能够在室内外有温差的情况下充分采用氟泵循环利用外界自然冷源对相变材料进行充冷，当室外温度to<室内温度ta时，比如晚上室外温度较低，此时外界冷源温度低，所以所有支路上的电磁阀均打开，外界冷源利用其低温充分吸收相变材料的热量。相对于的当室外温度to大于室内温度ta、蓄电池温度tb和机柜通信设备温度ts中的任何一个，也就是室外温度大于室内所有温度时，比如正中午的高温时间，此时外界冷源温度高，所以所有支路上的电磁阀均关闭，不进行热交换。当室外温度to>室内温度ta，但低于蓄电池温度tb或机柜通信设备温度ts，也就是说室外温度虽然大于室内温度，但是低于室内局部热点的温度，此时要对室内局部热点温度进行对比，温度最低的局部热点说明其所对应的相变材料已经对其进行充分的降温(因为温度不同的高温设备所对应的相变材料相变点不同，相变吸热能力不同，从而达到均温的效果，所以当某一局部热点温度最低，则表明其所对应的相变材料吸热充分，可以利用外界冷源吸收该相变材料的热量)，所以此时只有温度最低的支路上的电磁阀打开，外界冷源利用其低温充分吸收该支路上相变材料的热量。这样布置控制逻辑可以充分利用工质制冷，转移相变材料吸收的热量，从而节省室内原有空调用电量。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、1.本发明首先使用相变材料，按照温度梯度，梯级布置相变材料，充分利用相变潜热的高焓值优势，吸收蒸发设备的热量，从而对机房室内、机架通信设备和蓄电池进行均温，快速消除局部高温点。进一步的，本发明利用氟泵循环，移除相变材料吸收的热量，达到利用自然冷源氟泵冷却室内及核心高温设备(机架通信设备和蓄电池)的效果，充分利用外界热交换制冷，从而降低室内空调替机房室内、机架通信设备和蓄电池进行降温的负担，减少室内空调的开启时间，优化站点能源结构，节省空调用电量。

27、2.本发明所述系统不含压缩机和节流阀，而是作为既有空调的辅助设备，被动地降低空调运行时间，达到减少能耗的目的。

28、3.在机房这类封闭空间内，温差波动较小，因此本发明采用氟泵循环利用外界自然冷源对相变材料进行充冷，再配合本发明的控制方法，能够在室内外有温差的情况下及时对相变材料进行充冷，并且配合已有空调释放冷。不需要同现有技术一样采用积蓄空调的余冷或者采用谷电进行大规模的对相变材料进行充冷。

29、4.由于本发明室内组件的灵活性，因此可以精准地安放在机柜热流密度较高的区域，并且由于局部高温点的移除，保障通信设备可靠性的同时能够进一步节约能量。具体的，本发明中双相变蒸发板安装位置灵活，可以放置于局部热点等死角，可有效消除机房气流交换不到的位置，另外本发明不仅仅局限于基站通讯设置，可以在根据不同场景适配相应的相变材料，以此优化冷却方案。

30、5.本发明结构布局简单，成本较市场上制冷设备低。

31、6.本发明的控制方法中，能够在室内外有温差的情况下充分采用氟泵循环利用外界自然冷源对相变材料进行充冷，当室外温度to<室内温度ta时，比如晚上室外温度较低，此时外界冷源温度低，所以所有支路上的电磁阀均打开，外界冷源利用其低温充分吸收相变材料的热量。相对于的当室外温度to大于室内温度ta、蓄电池温度tb和机柜通信设备温度ts中的任何一个，也就是室外温度大于室内所有温度时，比如正中午的高温时间，此时外界冷源温度高，所以所有支路上的电磁阀均关闭，不进行热交换。当室外温度to>室内温度ta，但低于蓄电池温度tb或机柜通信设备温度ts，也就是说室外温度虽然大于室内温度，但是低于室内局部热点的温度，此时要对室内局部热点温度进行对比，温度最低的局部热点说明其所对应的相变材料已经对其进行降温，(因为温度不同的高温设备所对应的相变材料相变点不同，相变吸热能力不同，从而达到均温的效果，所以当某一局部热点温度最低，则表明其所对应的相变材料吸热充分，可以利用外界冷源吸收该相变材料的热量)，所以此时只有温度最低的支路上的电磁阀打开，外界冷源利用其低温充分吸收该支路上相变材料的热量。这样布置控制逻辑可以充分利用工质制冷，转移相变材料吸收的热量，从而节省室内原有空调用电量。