通訊基站柜內(nèi)空調(diào)的傳熱傳質(zhì)模擬分析

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。

1 機柜幾何模型

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

2 傳熱模型能量求解方程

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

3 機柜模型不同邊界條件模擬

3.1 模擬邊界條件設(shè)定及結(jié)果

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

3.2 模擬結(jié)果分析

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℃。

4 結(jié)論

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℃。