宋建中,魯祥友,景艷陽
(1南京華東建筑工程設(shè)計有限公司,江蘇 南京 210000;2安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)
位于夏熱冬冷地區(qū)的通信基站,由于夏季極端高溫天數(shù)多,濕熱的環(huán)境導(dǎo)致基站的空調(diào)持續(xù)運轉(zhuǎn)時間加長。另外,現(xiàn)在基站都承擔(dān)4G通訊業(yè)務(wù),5G基站也在加快建設(shè),而通訊工程發(fā)展速度與基站設(shè)備運行速度能力相關(guān),空調(diào)的制冷能力影響通訊設(shè)備正常運轉(zhuǎn)及運行速度。周余俊檢測了揚州239個戶外基站,當(dāng)室外環(huán)境溫度上升至39℃,地表溫度會達(dá)到60℃左右,機柜內(nèi)設(shè)備表層溫度受到環(huán)境和設(shè)備自散熱影響,表面溫度可達(dá)90℃左右。李建冰等對基站機柜出風(fēng)口進(jìn)行改造,通過“煙囪效應(yīng)”增加自然通風(fēng)能力,減少高溫報警次數(shù)。呂鵬程基于呼和浩特當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c,采取了安裝定時器,不同溫度時段設(shè)定啟停次數(shù),并且加大出風(fēng)口風(fēng)機功率,增加機柜內(nèi)通風(fēng)口等措施,降低了夏季機柜維修率。本文根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驍?shù)據(jù),從室外環(huán)境和設(shè)備內(nèi)部兩個影響因素模擬分析了機柜內(nèi)溫度分布情況。
以江蘇日高溫控公司型號:DKC20機柜為模擬機柜,機柜材料為鋼材,傳熱系數(shù) k=5.5W/m·K,可用制冷功率2000W,內(nèi)循環(huán)風(fēng)量520m/h,外循環(huán)風(fēng)量580m/h,空調(diào)安裝尺寸為350×280×950(mm),其中進(jìn)風(fēng)口尺寸為262×250(mm),出風(fēng)口尺寸為φ184(mm),機柜尺寸為 0.75×0.75×2(m)。三維模型圖見圖1(a),經(jīng)過三種不同網(wǎng)格尺寸驗證無關(guān)性后,網(wǎng)格分布如圖1(b)。接觸外界空氣機柜表面積 A=0.75×0.75+0.75×2×4=6.5625m。承擔(dān)移動通訊4G業(yè)務(wù)的機柜配置設(shè)定為1個環(huán)動監(jiān)控(50W),DRFU(230W)5個(1150W),其他開關(guān)(50W)和設(shè)備自發(fā)熱250W,所以機柜內(nèi)設(shè)備產(chǎn)熱量Q為1500W(電子元件材料設(shè)定為鋼材,比熱502.48J/kg·K,密度 8030kg/m)。
圖1 機柜三維模型及其網(wǎng)格劃分圖
機柜空調(diào)選型計算公式:
式中:
t:機柜外最高溫度,℃
t:機柜內(nèi)控制溫度,℃
K:機柜壁面材料傳熱系數(shù),W/m.K
A:機柜表面積,m
Q:機柜承擔(dān)的總熱量,W
Q:機柜內(nèi)散熱設(shè)備產(chǎn)生的總熱量,W
Q:由機柜外環(huán)境傳至機柜內(nèi)的熱量,W
本文運用ANSYS FLUENT傳熱模型對機柜不同狀態(tài)的模擬求解,fluent求解能量方程如下。
①模型中流體域能量傳輸方程:
公式(3)前三項分別表示傳導(dǎo)、物種擴(kuò)散和粘性耗散引起的能量轉(zhuǎn)移;
S:能量源項(包括化學(xué)反應(yīng)熱、輻射、連續(xù)相和離散相間傳熱以及定義的其他體積熱源等),W;
單位質(zhì)量的能量E:
不可壓縮流體顯熱焓h:
Y是物種j和公式(6)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
②固體域的能量方程:
顯焓h:
方程中:
ρ:流體密度,kg/m
P:壓力,Pa
k:有效電導(dǎo)率(k+k,k湍流熱導(dǎo)率)
C:比熱,J/(kg·K)
T:流體溫度,K
機柜內(nèi)控制溫度為29℃,機柜外最高溫度設(shè)定為37℃及連續(xù)極端高溫導(dǎo)致機柜周圍溫度上升至47℃。機柜外溫度37℃時機柜外傳至機柜內(nèi)的熱量為288.75W,樓頂機柜周圍溫度達(dá)到47℃時機柜接收外界熱量為649.6475W,按機柜選型計算外界溫度47℃時機柜內(nèi)總熱量已超DCK20機柜所能承擔(dān)的制冷量。
①傳熱模型完全接觸空氣的壁面邊界條件設(shè)為混合傳熱,即對流和輻射同時作用于壁面,底部邊界設(shè)定為定溫35℃,壁面厚度0.005m。機柜內(nèi)部不放置通信電子設(shè)備,模擬空氣在機柜內(nèi)空間全循環(huán)的溫度分布,如圖2(a)(b)(c)。
圖2 機柜空腔典型截面x=0.375m溫度云圖
②壁面邊界條件設(shè)定同①,機柜內(nèi)放置尺寸為0.4×0.2×0.25(m)5個散熱電子設(shè)備,每個間隔0.1m,散熱設(shè)備距底0.4m。在不散熱不影響周圍溫度場的狀態(tài)下,模擬氣流繞過電子設(shè)備外壁的溫度分布。如圖 3(a)(b)(c)。
圖3 進(jìn)口風(fēng)速不同時典型截面溫度云圖
③共軛傳熱建立模型時分別設(shè)定固體域和流體域兩個計算區(qū)域,固體域為五個散熱電子設(shè)備,每個散熱量300W,外界溫度37℃時每個電子散熱量17887.5W/m,外界環(huán)境47℃時每個電子設(shè)備熱量為21497W/m。模擬電子設(shè)備與空氣的對流換熱耦合,流固接觸面使用耦合邊界條件。如圖 4(a)(b)。
圖4 典型截面溫度云圖
由圖 2(a)在進(jìn)口風(fēng)速 0.01m/s,機柜體積為1.125m,循環(huán)風(fēng)量為2.34m/h,相當(dāng)于機柜換氣次數(shù)為每小時兩次。從x=0.375溫度分布截面圖很明顯機柜底部高度0.11m溫度還是35℃左右,降溫效果無。機柜高度進(jìn)風(fēng)口法相方向即高度在0.7m~1.1m溫度穩(wěn)定降至31.7℃~32℃,機柜0.7m 以下及1.1m以上溫度都在33℃以上。說明室外空氣溫度達(dá)到37℃時對機柜內(nèi)80%空間都將受到影響。圖2(b)改變邊界條件為進(jìn)口風(fēng)速0.1m/s,壁面受外界溫度47℃影響,循環(huán)風(fēng)量23.4m/h,模擬結(jié)果顯示0.1m/s風(fēng)速對機柜內(nèi)部降溫效果良好,高度在0.4m~1.4m溫度保持在33℃,除前壁面、頂和底壁面,機柜其他空間及壁面溫度保持36℃以下。對比圖2(c)增加循環(huán)風(fēng)量至 520m/h,風(fēng)速達(dá)到2.2m/s時機柜空間內(nèi)x=0.04m至x=1.80m溫度保持在33℃以下,降溫效果明顯有效,另外結(jié)果表明機柜壁面溫度還是在36℃以上。
機柜內(nèi)放置通信電子元件總體積為0.1m,使機柜內(nèi)空氣循環(huán)空間減小至1.025m,電子元件的設(shè)置使得氣體在機柜內(nèi)循環(huán)與圖2不同,氣流遇到電子元件壁面需要繞流。由圖3(a)機柜內(nèi)高0.3m~1.95m 空間溫度在33℃以下,除底壁面其他壁面溫度在33℃~34℃,同樣高度0.3m以下溫度無明顯下降維持34℃以上。改變邊界溫度至47℃后溫度33℃以下只存在高度為 0.5~1.4m 之間,機柜壁面溫度都在35℃以上,相對圖3(a)機柜溫度超過35℃空間增加54.55%。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2.2m/s時,模擬結(jié)果顯示機柜內(nèi)87.36%空間保持在33℃以下,機柜壁面溫度在34.7℃~38.7℃。
圖4采用機柜內(nèi)空氣與散熱電子元件二者接觸面耦合條件模擬計算。由圖4(a)邊界條件模擬結(jié)果顯示,電子元件1、2壁面周圍0.2m 以內(nèi)溫度都在42℃以上,電子元件3、4處于進(jìn)風(fēng)口法相兩側(cè),而且電子元件5相對1離進(jìn)風(fēng)口近,所以電子元件3、4、5壁面周圍0.12m以外溫度基本保持42℃以下。由圖4(b)當(dāng)外界溫度上升至47℃時,機柜內(nèi)溫度梯度高度上升,相同截面溫度相對37℃模擬結(jié)果提高6℃達(dá)到48℃~50℃,所以室外環(huán)境對機柜壁面每增加10℃熱量會使機柜控制溫度提高6℃左右。當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速增加至3.2m/s,圖4(c)模擬結(jié)果顯示除y=0.9m截面溫度分布70%達(dá)到54℃,但其他截面溫度相對風(fēng)速2.2m/s降低至41.89℃,所以當(dāng)風(fēng)速增加1m/s,機柜內(nèi)溫度會降低6℃。
通過以上對不同邊界條件機柜內(nèi)傳熱模擬,分析得出以下結(jié)論:
①機柜空腔狀態(tài)柜內(nèi)溫度受環(huán)境溫度影響明顯,當(dāng)外界持續(xù)高溫狀態(tài),空調(diào)風(fēng)速提高100%可以使柜內(nèi)33℃空間提升2.74%;
②當(dāng)機柜放置電子設(shè)備,空氣循環(huán)空間減小8.89%,僅受外界溫度影響且風(fēng)速0.1m/s時,溫度每增加10℃機柜內(nèi)33℃以上空間增加54.55%;風(fēng)速增加100%時機柜內(nèi)33℃以下空間增加1.56%。電子元件附加散熱量1500W后,傳熱耦合后,外界溫度上升10℃機柜內(nèi)均溫會提升6℃,風(fēng)速增加45.45%可以使機柜溫度降低6℃。