基于余熱回收的電池室溫度補(bǔ)償研究與應(yīng)用

謝 昆，王智慧，朱 林

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)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(jī)房，是機(jī)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(hù)工作的重中之重。蓄電池最佳運(yùn)行溫度是25 ℃。環(huán)境溫度過高，會(huì)使電池過充電產(chǎn)生氣體；環(huán)境溫度過低，會(huì)使電池充電不足。目前，蓄電池多數(shù)獨(dú)立存放于電池室。由于電池室內(nèi)嚴(yán)禁設(shè)置暖氣等加熱裝置，冬季電池室溫度最低可達(dá)-15 ℃，嚴(yán)重影響電池的容量和使用壽命。所以，如何控制機(jī)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(diǎn)及存在的問題

目前，大多數(shù)蓄電池單獨(dú)存放且存放區(qū)域內(nèi)嚴(yán)禁配備采暖設(shè)備，導(dǎo)致冬季電池環(huán)境溫度長(zhǎng)期處于0 ℃以下。蓄電池長(zhǎng)期處于低溫下工作，電解液粘度和極板活性降低，嚴(yán)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(shí)電池不能持久放電，存在服務(wù)器宕機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。通常采用以下幾種方式進(jìn)行補(bǔ)償。

1.1 增加建筑物保溫，風(fēng)險(xiǎn)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(duì)室內(nèi)溫度影響。該方案符合常規(guī)做法，但施工過程中嚴(yán)重影響機(jī)房潔凈度，可能引起設(shè)備短路，影響現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)行，風(fēng)險(xiǎn)高，投資巨大。

1.2 電暖氣溫度補(bǔ)償，效果差效率低下

為了彌補(bǔ)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(jī)房采用加裝電暖氣的方式對(duì)電池進(jìn)行溫度補(bǔ)償。電暖氣對(duì)局部加熱效果明顯，但是運(yùn)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(bǔ)償且不節(jié)能，同時(shí)存在安全隱患。

1.3 加裝多聯(lián)機(jī)空調(diào)，極端環(huán)境效果差

通過在電池室增加多聯(lián)機(jī)空調(diào)提升制熱量。該方案不涉及對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，只需新增設(shè)備，但所需設(shè)備數(shù)量較多，增加了維護(hù)成本，且多聯(lián)機(jī)空調(diào)室外機(jī)在低于-15 ℃下無(wú)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(bǔ)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(bǔ)償方案，運(yùn)用空氣對(duì)流原理，利用相鄰UPS間余熱來補(bǔ)償電池環(huán)境溫度，同時(shí)采用BA控制系統(tǒng)智能化控制環(huán)境溫度和設(shè)備運(yùn)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(duì)流原理，將UPS間熱空氣通過送、排風(fēng)機(jī)導(dǎo)入蓄電池室，提高電池室的溫度，同時(shí)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(jī)可以加裝電加熱器作為輔助加熱裝置。現(xiàn)場(chǎng)部署合理的溫度采集點(diǎn)，建立智能監(jiān)控管理平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度測(cè)點(diǎn)、送、排風(fēng)機(jī)以及電加熱器等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，根據(jù)采集的環(huán)境溫度變化自動(dòng)實(shí)現(xiàn)蓄電池室風(fēng)機(jī)、電加熱器的啟停，無(wú)需人員值守，達(dá)到節(jié)能降耗、延長(zhǎng)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(shí)施

基于余熱回收的電池室溫度補(bǔ)償方案包括3個(gè)方面：理論計(jì)算、設(shè)備選型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

3.1 理論計(jì)算

3.1.1 蓄電池室熱功率計(jì)算

以中國(guó)移動(dòng)（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心為例，根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ26—2010）規(guī)范，結(jié)合數(shù)據(jù)中心的建筑結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算得出電池室電池室維持25 ℃時(shí)需要的總功率為45 kW[2]。

3.1.2 UPS間熱功率計(jì)算

以中國(guó)移動(dòng)（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心B01機(jī)房1號(hào)UPS間為例，單臺(tái)UPS容量400 kVA，3N系統(tǒng)架構(gòu)，UPS負(fù)載率約60%，功率因數(shù)0.9，逆變器損耗約5%。單臺(tái)UPS損耗功率為9.72 kW，故UPS間12臺(tái)UPS損耗功率共計(jì)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合數(shù)據(jù)中心的建筑結(jié)構(gòu)形式，計(jì)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(fù)荷的需求。根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)UPS負(fù)載率達(dá)到28%及以上時(shí)，完全可以通過余熱滿足電池室的環(huán)境溫度補(bǔ)償；當(dāng)負(fù)載率低于28%時(shí)，需借用電加熱器進(jìn)行輔助加熱。

3.1.3 風(fēng)量計(jì)算

為了熱量實(shí)時(shí)傳導(dǎo)，需要配置送、排風(fēng)機(jī)，選用常規(guī)風(fēng)管尺寸為800 mm×600 mm，設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)風(fēng)量約為6 000 m3。

3.2 設(shè)備選型

現(xiàn)場(chǎng)選用2臺(tái)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(jī)，2臺(tái)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(jī)，以及2臺(tái)功率為45 kW的電加熱器，進(jìn)出風(fēng)溫度為28 ℃/45 ℃，可根據(jù)外界溫度自動(dòng)啟停的管道式電加熱器，外加5個(gè)溫度采集器。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)硬件部署

電池室與UPS之間墻體每間隔5 m、標(biāo)高4 m依次安裝送回風(fēng)風(fēng)機(jī)，同時(shí)2臺(tái)送風(fēng)加裝電加熱器，電池室周圍每隔10 m加裝一個(gè)溫度傳感器?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施平面圖

3.4 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文利用不同位置的溫度傳感器對(duì)蓄電池室的溫度進(jìn)行監(jiān)控采集，當(dāng)采集到同時(shí)多個(gè)點(diǎn)溫度低于一定溫度閾值時(shí)，啟動(dòng)送、排風(fēng)機(jī)進(jìn)行電池室與UPS間的氣流循環(huán)；當(dāng)溫度低于下限閾值時(shí)，啟動(dòng)送風(fēng)風(fēng)機(jī)里的電加熱器輔助供熱補(bǔ)償。現(xiàn)場(chǎng)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(tái)，通過對(duì)平臺(tái)邏輯編程，判讀現(xiàn)有系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)，調(diào)用遠(yuǎn)程控制功能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，降低維護(hù)工作量，減少電能消耗，延長(zhǎng)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(chǎng)溫度采集測(cè)點(diǎn)、風(fēng)機(jī)控制測(cè)點(diǎn)、DDC控制單元以及NAE網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備。風(fēng)機(jī)具備遠(yuǎn)程快速啟動(dòng)、關(guān)停功能，可在智能控制平臺(tái)自動(dòng)或者手動(dòng)隨時(shí)切換模式。智能控制策略主要包含3個(gè)方面——智能切換、智能調(diào)節(jié)和智能選擇[3]。對(duì)于智能切換，根據(jù)蓄電池室溫度，對(duì)余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)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(yùn)行模式；對(duì)于智能調(diào)節(jié)，根據(jù)電池室溫度情況，對(duì)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、電加熱器數(shù)量進(jìn)行加減智能調(diào)節(jié)操作；對(duì)于智能選擇，根據(jù)各風(fēng)機(jī)和電加熱器的運(yùn)行時(shí)間、告警信息等參數(shù)（如表1所示），智能選擇需要啟動(dòng)的風(fēng)機(jī)組。

表1 智能調(diào)節(jié)變量表

當(dāng)溫度采集器采集到電池室溫度低于25 ℃高于20 ℃時(shí)，綜合監(jiān)控平臺(tái)聯(lián)動(dòng)離心式風(fēng)機(jī)啟動(dòng)將UPS間余熱送至蓄電池室；當(dāng)溫度采集器采集到電池室溫度低于20 ℃時(shí)，綜合監(jiān)控平臺(tái)聯(lián)動(dòng)離心式風(fēng)機(jī)啟動(dòng)將UPS間余熱送至蓄電池室的同時(shí)啟動(dòng)電加熱器，一同為蓄電池室進(jìn)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(chǎng)安裝完畢后試運(yùn)行啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，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(yùn)行更加穩(wěn)定，該方案進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)、電加熱器等設(shè)備的硬件調(diào)試，以及BA系統(tǒng)的單機(jī)調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)調(diào)試以及模擬調(diào)試。

對(duì)于設(shè)備的單機(jī)調(diào)試，DDC現(xiàn)場(chǎng)控制器驗(yàn)證，傳感器校驗(yàn)；風(fēng)機(jī)控制器驗(yàn)證；風(fēng)機(jī)閥門驗(yàn)證；電加熱器通電測(cè)試、DDC通電測(cè)試、風(fēng)機(jī)通電測(cè)試以及設(shè)備快速啟動(dòng)功能測(cè)試等。

對(duì)于系統(tǒng)級(jí)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(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)整，保證系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)；對(duì)所有遙測(cè)、遙控功能進(jìn)行測(cè)試，確保功能正常。

圖4 控制界面

對(duì)于模擬調(diào)試，模擬冬季來臨電池室溫度過低，監(jiān)控平臺(tái)報(bào)環(huán)境低溫告警，驗(yàn)證采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)是否正常，聯(lián)動(dòng)風(fēng)機(jī)電加熱器是否正常啟動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)溫度回升后系統(tǒng)告警是否清除，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)、電加熱器是否停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 效能分析

余熱回收補(bǔ)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(zhǎng)設(shè)備壽命以及降低人工成本4個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。自2018年11月開始在中國(guó)移動(dòng)（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心測(cè)試部署，一個(gè)冬季的測(cè)試運(yùn)行中，為數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算如下。

4.1 改善環(huán)境溫度

通過加裝離心式風(fēng)機(jī)及風(fēng)管，充分利用UPS設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的余熱導(dǎo)入電池室，為蓄電池環(huán)境做溫度補(bǔ)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(yùn)行能力及壽命。采用余熱回收技術(shù)補(bǔ)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(chǎng)電池環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的溫差保持在2 ℃之內(nèi)。以中國(guó)移動(dòng)（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心B01機(jī)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(bǔ)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(dòng)送風(fēng)的方式進(jìn)行對(duì)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(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。以2019年中國(guó)移動(dòng)（呼和浩特）數(shù)據(jù)中心三棟?rùn)C(jī)房樓為例，一個(gè)采暖季3個(gè)機(jī)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(jì)

圖6 節(jié)能降耗統(tǒng)計(jì)

4.3 延長(zhǎng)設(shè)備壽命

運(yùn)用余熱回收技術(shù)補(bǔ)償電池室溫度后，提升了電池室的溫度，可有效延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。以呼和浩特?cái)?shù)據(jù)中心為例，一個(gè)電池室有4 608塊電池，每塊電池延長(zhǎng)壽命2年，可節(jié)省更換電池費(fèi)用約185萬(wàn)元。

4.4 降低人工成本

現(xiàn)場(chǎng)通過部署合理的溫度采集點(diǎn)，建立智能監(jiān)控管理平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度測(cè)點(diǎn)、送、排風(fēng)機(jī)以及電加熱器等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，通過智能化平臺(tái)遠(yuǎn)程操作自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，能夠根據(jù)采集的環(huán)境溫度變化自動(dòng)實(shí)現(xiàn)蓄電池室風(fēng)機(jī)、電加熱器的啟停，無(wú)需人員值守，減少了運(yùn)維巡檢人員數(shù)量，從而有效降低了人工成本。該技術(shù)實(shí)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(wàn)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(jìn)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(shí)智能采集聯(lián)動(dòng)控制的邏輯，通過溫度傳感器與綜合監(jiān)控平臺(tái)采集控制，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(guó)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(chǎng)景的數(shù)據(jù)中心、核心機(jī)房均可以引入，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。