謝 昆，王智慧，朱 林

（中國移動通信集團內(nèi)蒙古有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

0 引 言

目前，蓄電池使用非常廣泛，應(yīng)用于各行業(yè)的數(shù)據(jù)中心機房，是機房設(shè)備在市電故障情況下提供不間斷供電的重要保障，是維護工作的重中之重。蓄電池最佳運行溫度是25 ℃。環(huán)境溫度過高，會使電池過充電產(chǎn)生氣體；環(huán)境溫度過低，會使電池充電不足。目前，蓄電池多數(shù)獨立存放于電池室。由于電池室內(nèi)嚴禁設(shè)置暖氣等加熱裝置，冬季電池室溫度最低可達-15 ℃，嚴重影響電池的容量和使用壽命。所以，如何控制機房環(huán)境溫度保證電池穩(wěn)定工作至關(guān)重要。

1 傳統(tǒng)技術(shù)的缺點及存在的問題

目前，大多數(shù)蓄電池單獨存放且存放區(qū)域內(nèi)嚴禁配備采暖設(shè)備，導(dǎo)致冬季電池環(huán)境溫度長期處于0 ℃以下。蓄電池長期處于低溫下工作，電解液粘度和極板活性降低，嚴重影響電池的容量、壽命以及放電性能，最終導(dǎo)致市電故障時電池不能持久放電，存在服務(wù)器宕機的風(fēng)險。通常采用以下幾種方式進行補償。

1.1 增加建筑物保溫，風(fēng)險高投資巨大

通過在電池室墻體夾層中增加保溫，保證電池室內(nèi)溫度不易散失，減小室外溫度對室內(nèi)溫度影響。該方案符合常規(guī)做法，但施工過程中嚴重影響機房潔凈度，可能引起設(shè)備短路，影響現(xiàn)有設(shè)備運行，風(fēng)險高，投資巨大。

1.2 電暖氣溫度補償，效果差效率低下

為了彌補蓄電池環(huán)境的低溫保障電池能夠持久放電，很多數(shù)據(jù)中心機房采用加裝電暖氣的方式對電池進行溫度補償。電暖氣對局部加熱效果明顯，但是運用于空間大的電池室效果極其不明顯，未帶來明顯的溫度補償且不節(jié)能，同時存在安全隱患。

1.3 加裝多聯(lián)機空調(diào)，極端環(huán)境效果差

通過在電池室增加多聯(lián)機空調(diào)提升制熱量。該方案不涉及對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的改動，只需新增設(shè)備，但所需設(shè)備數(shù)量較多，增加了維護成本，且多聯(lián)機空調(diào)室外機在低于-15 ℃下無法起到制熱效果[1]。而其電池室內(nèi)加裝空調(diào)，漏水隱患較大。

2 總體解決方案

現(xiàn)數(shù)據(jù)中心電池室需要補償熱量，而UPS間由于UPS逆變過程產(chǎn)生大量熱量，需要配置空調(diào)降溫。本文提出基于余熱回收的電池室溫度補償方案，運用空氣對流原理，利用相鄰UPS間余熱來補償電池環(huán)境溫度，同時采用BA控制系統(tǒng)智能化控制環(huán)境溫度和設(shè)備運行狀態(tài)，不僅提高了電池室的環(huán)境溫度，而且降低了UPS間的溫度。

采用空氣對流原理，將UPS間熱空氣通過送、排風(fēng)機導(dǎo)入蓄電池室，提高電池室的溫度，同時降低了UPS間的溫度。為了防止導(dǎo)入后的熱空氣熱量仍不滿足電池室溫度需求，送風(fēng)機可以加裝電加熱器作為輔助加熱裝置?，F(xiàn)場部署合理的溫度采集點，建立智能監(jiān)控管理平臺對現(xiàn)場的溫度測點、送、排風(fēng)機以及電加熱器等設(shè)備進行聯(lián)動，根據(jù)采集的環(huán)境溫度變化自動實現(xiàn)蓄電池室風(fēng)機、電加熱器的啟停，無需人員值守，達到節(jié)能降耗、延長電池壽命的目的。整體系統(tǒng)改造方案如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)改造方案示意圖

3 具體方案實施

基于余熱回收的電池室溫度補償方案包括3個方面：理論計算、設(shè)備選型和現(xiàn)場實施。

3.1 理論計算

3.1.1 蓄電池室熱功率計算

以中國移動（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心為例，根據(jù)《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（JGJ26—2010）規(guī)范，結(jié)合數(shù)據(jù)中心的建筑結(jié)構(gòu)形式，計算得出電池室電池室維持25 ℃時需要的總功率為45 kW[2]。

3.1.2 UPS間熱功率計算

以中國移動（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心B01機房1號UPS間為例，單臺UPS容量400 kVA，3N系統(tǒng)架構(gòu)，UPS負載率約60%，功率因數(shù)0.9，逆變器損耗約5%。單臺UPS損耗功率為9.72 kW，故UPS間12臺UPS損耗功率共計116.6 kW，其中包括維持UPS間環(huán)境25℃所消耗的功率20 kW（利用電池室計算標準結(jié)合數(shù)據(jù)中心的建筑結(jié)構(gòu)形式，計算得出保持UPS間環(huán)境25℃所消耗的功率20 kW左右）以及UPS間導(dǎo)流至電池室的余熱96 kW，完全滿足電池室45 kW熱負荷的需求。根據(jù)理論計算，當UPS負載率達到28%及以上時，完全可以通過余熱滿足電池室的環(huán)境溫度補償；當負載率低于28%時，需借用電加熱器進行輔助加熱。

3.1.3 風(fēng)量計算

為了熱量實時傳導(dǎo)，需要配置送、排風(fēng)機，選用常規(guī)風(fēng)管尺寸為800 mm×600 mm，設(shè)計送風(fēng)風(fēng)速4 m/s，根據(jù)Q=VF（其中Q為風(fēng)量，V為風(fēng)速，F(xiàn)為風(fēng)管橫截面積），可算出每秒風(fēng)量為1.98 m3，從而得出每小時風(fēng)量約為7 000 m3。為了保證室內(nèi)正壓，回風(fēng)管應(yīng)選用小于送風(fēng)風(fēng)管尺寸的600 mm×600 mm風(fēng)管，設(shè)計回風(fēng)風(fēng)速4.5 m/s，根據(jù)Q=VF算出每秒風(fēng)量為1.62 m3，每小時風(fēng)量約為6 000 m3。

3.2 設(shè)備選型

現(xiàn)場選用2臺轉(zhuǎn)數(shù)1 250 r/min、風(fēng)量7 000 m3/h、功率3 kW的防爆型變頻送風(fēng)機，2臺轉(zhuǎn)數(shù)1 000 r/min、風(fēng)量6 000 m3/h、功率1.1 kW的防爆型變頻排風(fēng)機，以及2臺功率為45 kW的電加熱器，進出風(fēng)溫度為28 ℃/45 ℃，可根據(jù)外界溫度自動啟停的管道式電加熱器，外加5個溫度采集器。

3.3 現(xiàn)場硬件部署

電池室與UPS之間墻體每間隔5 m、標高4 m依次安裝送回風(fēng)風(fēng)機，同時2臺送風(fēng)加裝電加熱器，電池室周圍每隔10 m加裝一個溫度傳感器?，F(xiàn)場實施如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場實施平面圖

3.4 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

本文利用不同位置的溫度傳感器對蓄電池室的溫度進行監(jiān)控采集，當采集到同時多個點溫度低于一定溫度閾值時，啟動送、排風(fēng)機進行電池室與UPS間的氣流循環(huán)；當溫度低于下限閾值時，啟動送風(fēng)風(fēng)機里的電加熱器輔助供熱補償?，F(xiàn)場控制器（DDC）將電池室溫度傳感器采集到的環(huán)境溫度數(shù)值上傳至綜合監(jiān)控平臺，通過對平臺邏輯編程，判讀現(xiàn)有系統(tǒng)遠程監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)，調(diào)用遠程控制功能實現(xiàn)現(xiàn)場風(fēng)機自動運行，降低維護工作量，減少電能消耗，延長電池壽命，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)圖

主要控制系統(tǒng)包括智能系統(tǒng)硬件架構(gòu)和智能控制策略。其中，智能系統(tǒng)硬件架構(gòu)包含現(xiàn)場溫度采集測點、風(fēng)機控制測點、DDC控制單元以及NAE網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備。風(fēng)機具備遠程快速啟動、關(guān)停功能，可在智能控制平臺自動或者手動隨時切換模式。智能控制策略主要包含3個方面——智能切換、智能調(diào)節(jié)和智能選擇[3]。對于智能切換，根據(jù)蓄電池室溫度，對余熱回收系統(tǒng)的運行模式進行切換，包括自然冷卻模式、余熱冷卻模式與電加熱冷卻模式3種運行模式；對于智能調(diào)節(jié)，根據(jù)電池室溫度情況，對啟動風(fēng)機、電加熱器數(shù)量進行加減智能調(diào)節(jié)操作；對于智能選擇，根據(jù)各風(fēng)機和電加熱器的運行時間、告警信息等參數(shù)（如表1所示），智能選擇需要啟動的風(fēng)機組。

表1 智能調(diào)節(jié)變量表

當溫度采集器采集到電池室溫度低于25 ℃高于20 ℃時，綜合監(jiān)控平臺聯(lián)動離心式風(fēng)機啟動將UPS間余熱送至蓄電池室；當溫度采集器采集到電池室溫度低于20 ℃時，綜合監(jiān)控平臺聯(lián)動離心式風(fēng)機啟動將UPS間余熱送至蓄電池室的同時啟動電加熱器，一同為蓄電池室進行送風(fēng)。啟停邏輯表[4]，如表2所示。

表2 啟停邏輯表

最終現(xiàn)場安裝完畢后試運行啟動風(fēng)機，UPS間內(nèi)的溫度下降明顯，電池室溫度也得到了改善，如圖4所示。

3.5 系統(tǒng)調(diào)試

為了使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，該方案進行了現(xiàn)場風(fēng)機、電加熱器等設(shè)備的硬件調(diào)試，以及BA系統(tǒng)的單機調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)試以及模擬調(diào)試。

對于設(shè)備的單機調(diào)試，DDC現(xiàn)場控制器驗證，傳感器校驗；風(fēng)機控制器驗證；風(fēng)機閥門驗證；電加熱器通電測試、DDC通電測試、風(fēng)機通電測試以及設(shè)備快速啟動功能測試等。

對于系統(tǒng)級聯(lián)調(diào)，預(yù)設(shè)系統(tǒng)冬、夏、過渡季節(jié)溫度參數(shù)，并在相應(yīng)工況下進行實時跟蹤調(diào)整，保證系統(tǒng)達到最佳運行狀態(tài)；對所有遙測、遙控功能進行測試，確保功能正常。

圖4 控制界面

對于模擬調(diào)試，模擬冬季來臨電池室溫度過低，監(jiān)控平臺報環(huán)境低溫告警，驗證采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)是否正常，聯(lián)動風(fēng)機電加熱器是否正常啟動，現(xiàn)場溫度回升后系統(tǒng)告警是否清除，現(xiàn)場風(fēng)機、電加熱器是否停止運轉(zhuǎn)。

4 效能分析

余熱回收補償電池室溫度技術(shù)系統(tǒng)方案帶來的預(yù)期收益可從改善設(shè)備環(huán)境、節(jié)約能耗資源、延長設(shè)備壽命以及降低人工成本4個方面進行評估。自2018年11月開始在中國移動（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心測試部署，一個冬季的測試運行中，為數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)運營帶來了巨大的經(jīng)濟效益，相關(guān)數(shù)據(jù)計算如下。

4.1 改善環(huán)境溫度

通過加裝離心式風(fēng)機及風(fēng)管，充分利用UPS設(shè)備運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的余熱導(dǎo)入電池室，為蓄電池環(huán)境做溫度補償，大大提升了蓄電池室的環(huán)境溫度，直接提高了蓄電池運行能力及壽命。采用余熱回收技術(shù)補償電池室溫度后，UPS間與電池環(huán)境溫度較改造前得到明顯改善，現(xiàn)場電池環(huán)境溫度與標準溫度的溫差保持在2 ℃之內(nèi)。以中國移動（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心B01機房為例，2019年1月某天電池室平均溫度保持在24.5 ℃（如圖5所示），完全滿足電池最佳工作環(huán)境的溫度需求。

4.2 節(jié)約能耗資源

采用余熱回收補償電池室溫度技術(shù)系統(tǒng)后，利用UPS間及蓄電池室環(huán)境的溫度差，將空氣通過主動送風(fēng)的方式進行對流交換，減少了UPS間空調(diào)以及蓄電池室電暖氣的使用，降低了運行成本，實現(xiàn)了節(jié)能降耗。以2019年中國移動（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心三棟機房樓為例，一個采暖季3個機樓可以節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)能耗2.9×104kW·h，能耗降低47%，如圖6所示。

圖5 電池室環(huán)境溫度統(tǒng)計

圖6 節(jié)能降耗統(tǒng)計

4.3 延長設(shè)備壽命

運用余熱回收技術(shù)補償電池室溫度后，提升了電池室的溫度，可有效延長設(shè)備使用壽命。以呼和浩特數(shù)據(jù)中心為例，一個電池室有4 608塊電池，每塊電池延長壽命2年，可節(jié)省更換電池費用約185萬元。

4.4 降低人工成本

現(xiàn)場通過部署合理的溫度采集點，建立智能監(jiān)控管理平臺對現(xiàn)場的溫度測點、送、排風(fēng)機以及電加熱器等設(shè)備進行聯(lián)動，通過智能化平臺遠程操作自動控制調(diào)節(jié)，能夠根據(jù)采集的環(huán)境溫度變化自動實現(xiàn)蓄電池室風(fēng)機、電加熱器的啟停，無需人員值守，減少了運維巡檢人員數(shù)量，從而有效降低了人工成本。該技術(shù)實施后，電池室巡檢工作量減少到原采用電暖氣所需人數(shù)的25%，可節(jié)約人工成本約10萬元。

5 結(jié) 論

本文利用UPS間與蓄電池室環(huán)境溫差，將熱量進行回收利用，減少了UPS間空調(diào)以及蓄電池室電暖氣的使用，充分利用設(shè)備余熱，提高了能量利用率，大大降低了輔助設(shè)備能耗，同時智能采集聯(lián)動控制的邏輯，通過溫度傳感器與綜合監(jiān)控平臺采集控制，實現(xiàn)了現(xiàn)場無人值守即可調(diào)節(jié)蓄電池室環(huán)境溫度的功能，大大降低了人工成本，節(jié)能降耗，降本增效。目前，該成果的核心控制部分已通過國家專利初審，成果具有普適性，行業(yè)內(nèi)具有類似問題和場景的數(shù)據(jù)中心、核心機房均可以引入，具有一定的實踐指導(dǎo)意義。