相变材料在通信领域的应用研究

林 庚（西安科技大学，陕西西安710054）

0 前言

电能是保障通信设备正常运行不能缺少的能源，而通信运营企业已经成为当地的用电大户。目前用电形势日益严峻，用电价格逐步上调，高昂的电费支出已成为通信运营企业不容忽视的成本，节能降耗已经成为通信企业的一项重要工作。随着通信网络的不断扩容，通信机房内的装机密度越来越高、发热量也越来越大，为保证通信设备的正常安全运行，空调设备也越装越多，耗电量逐年增长，通信行业的运营成本不断增加。据统计，在电耗成本中，空调设备的电耗几乎占据了通信机房总电耗的一半。随着3G/4G基站的迅速建设，室外型通信机柜也越来越多，这些机柜采用了大量的机柜空调产品，也存在着温度控制和节能问题。目前通信行业常用的温度控制和空调节能方法主要有采用高效空调设备、利用室外冷源的新风和换热设备等。本文重点探讨利用相变材料储能特性实现室外型蓄电池柜、基站机房内部温度控制和节能措施，以及大型数据中心高功率密度机房停电时的应急制冷方案。

1 相变材料简介

自然界的物质通常有固、液、气三态，也即气相状态、液相状态、固相状态，从一种状态变为另一种状态叫相变。要完成材料的等温相变过程，就需要吸收或释放大量的冷量，利用材料的这种等温相变特性就可以实现冷量的存储和进行温度控制。这种类型的材料通常被称之为相变材料（PCM）。

以固-液相变为例，在加热到熔化温度时，就会产生从固态到液态的相变，熔化过程中，PCM 吸收并储存大量的潜热；当PCM 冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这2 种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。

最常见的PCM就是水，当温度低至0℃时，水由液态变为固态（凝固），当温度高于0℃时水由固态变为液态（溶解）。凝固过程中吸入并储存了大量的冷能量，而在溶解过程中吸收大量的热能量。冰的数量越多（体积越大），溶解过程需要的时间越长，吸收的热量也越多。利用相变材料这个特性，将相变材料作为一种能量存储器，在温度控制和节能领域有着极大的应用价值。

目前全世界范围内使用的相变材料可分为有机和无机相变材料。亦可分为水合相变材料和蜡质相变材料。由于蜡质类相变材料成本较高，因此水合无机类相变材料成为相变材料产业的发展方向。

考虑到通信机房对安全、安装空间、温度控制、投资等要求，无机相变材料比较适合通信行业使用。无机相变材料是无机物和增稠剂的混合物，无毒无害，不可燃，安装使用方便。实验室测试和实际应用结果表明，无机相变材料具备较好的稳定性，使用寿命不低于10年，而且该类型相变材料可以根据应用场景需要封装成各种几何形状，充分满足产品使用的便利性、长期性和安全性等要求。

表1列出了适合通信机房（机柜）温度控制的几种典型无机相变材料的技术参数。

表1 几种典型无机相变材料的技术参数

2 应用场景及方案

2.1 室外型相变材料蓄电池柜

随着移动通信的快速发展，户外型一体化基站的数量越来越多，该类型基站通常将无线、传输及电源等设备放置在一个或多个机柜里面，机柜放置于露天环境下。户外型一体化基站具有选址容易、建站快速、节约投资等优点，但机柜内部的温度控制是个难题，尤其是安装蓄电池组的机柜，必须配置空调设备以实现柜内温度控制。由于机柜通常处于较恶劣环境下，空调设备可靠性较低，耗电量大。

相变材料蓄电池柜是在蓄电池柜中安装一定数量的相变材料模块，并配备机柜通风设备以及相应的监控装置，当监测到柜外环境温度较低时（低于相变温度且符合机柜内部温度要求），控制通风设备将室外的冷能量输入机柜，一方面将机柜制冷，另一方面将冷能量储存在相变材料中；当监测到机柜外环境温度较高时（高于相变温度），控制通风设备停止工作，将相变材料储存的冷能量释放，达到制冷的目的，实现柜内温度控制，满足柜内蓄电池运行环境温度要求。

蓄电池柜中安装使用的相变材料类型和数量应根据机柜安装地的气候条件、柜内发热量、柜内温度范围要求、节能要求等确定。一般来说，考虑到更多地利用自然冷源，选用PC29 相变材料比较合适，但柜内温度变化范围较宽，对蓄电池寿命会有一定的影响。如果对柜内温度控制要求较高，可选用PC24 相变材料，但室外冷源利用率下降。当室外型蓄电池柜采用简单温控系统（通风设备+相变材料）不能满足温度控制要求时，应采用综合温控系统（通风设备+相变材料+空调设备），在保证柜内温度的前提下少用或不用空调设备，延长空调设备寿命，有效节约电能。

一般来说，采用综合温控系统（通风设备+相变材料+空调设备）的室外型蓄电池柜，和只安装空调设备的室外型蓄电池柜相比，每年节电20%左右。如果蓄电池柜只采用简单温控系统（通风设备+相变材料），和只安装空调设备的室外型蓄电池柜相比，每年节电80%左右。

蓄电池柜温度控制如图1所示。

2.2 相变材料蓄能空调

图1 蓄电池柜温度控制示意图

目前，移动通信基站和接入网机房在用的空调设备基本上都是单冷源空调（只有压缩机制冷一种模式）。单冷源空调的特点是：温度控制较精确，系统结构及控制简单，压缩机启停频繁、累计工作时间长、寿命较短，耗电量较大，室外自然冷源利用率低。相变材料蓄能空调属于双冷源系统（压缩机制冷和自然冷源制冷2种模式），即在传统空调系统中加入相变材料蓄能单元（装有相变材料的水蓄冷箱）及相应的换热装置，使空调系统具备2种工作模式，即压缩制冷机模式和水蓄冷系统换热制冷模式（利用相变材料储存的自然冷能通过水循环换热给机房制冷）。双冷源空调的特点是：温度控制较精确，系统结构及控制较复杂，压缩机启停次数减少、累计工作时间缩短、寿命长，系统耗电量降低，室外自然冷源利用率高。

相变材料蓄能空调系统如图2 所示，其工作原理为：

a）低温季节（冬季）：使用相变材料蓄能空调的换热功能，把自然环境低温冷量置换到机房内，达到设备运行要求的温度环境。

b）中温季节（春秋季）：低温时，给通信机房内部设备降温的同时，利用相变材料的蓄能特性储存冷能；高温时，释放冷能，实现室内温度控制。

c）高温季节（夏季）：利用相变材料的蓄能特性，低温时启动制冷，给通信机房内部设备降温的同时储存冷源；高温时，释放冷源，实现室内的温度控制要求。当室外环境温度超过机房允许温度时，启动压缩机制冷。

图2 相变材料蓄能空调原理

2.3 相变材料蓄冷箱

随着互联网业务的快速发展和新技术的不断应用，尤其是高功率密度IT 设备的大量应用，数据中心用电量不断增加，机房内的发热量随之增大，一旦电力发生故障间歇，虽然IT设备依靠后备电源（蓄电池）能够继续运行，但由于制冷设备停止运行，会导致机房温度快速上升，造成IT设备过热而停止运行。

目前，对于高功率密度数据机房，在电力故障发生的间歇，主要采用水蓄冷箱进行应急制冷，以满足发电机组15 min启动和带载时间要求。但水蓄冷箱体积较大，安装和保温处理复杂，而且占据了大量的机房空间。

相变材料蓄冷箱仍然采用水作为冷媒，在蓄水箱中放置一定数量的相变材料，充分利用相变材料的相变潜热，既满足机房应急制冷要求，又能有效解决水蓄冷箱体积大的问题。

相变材料蓄冷箱的几个主要工作过程为：

a）蓄冷过程：进入低于相变点的低温水，使相变材料从液态逐步变成固态，低温进水变成高温出水，随着进出水温差的缩小，相变材料完全变成固态，冷量也蓄积完成。

b）释冷过程：进入高于相变点的高温水，使相变材料从固态逐步变成液态，高温进水变成低温出水，随着进出水温差的缩小，相变材料完全变成液态，冷量也释放完毕。

c）正常过程：进入低于相变点的低温水，相变材料为固态，进出水温差几乎为零。

相变材料蓄冷箱的工作过程如图3和表2所示。

图3 相变材料蓄冷箱的工作过程

表2 相变材料蓄冷箱的工作过程

相变材料蓄冷箱实际工作过程：市电正常时，机房空调设备在给IT 设备制冷的同时，使相变材料蓄冷，当相变材料蓄冷箱蓄满冷能后（相变材料完全变成固态），不再吸收冷量。在市电停电发电机组正常供电前，相变材料通过循环水和机房进行换热，吸收IT 设备产生的热量，逐步释放储存的冷量，使数据机房内的温度保持在设备允许范围内，相变材料从固态逐步变为液态，完成释冷过程。当发电机组供电或市电恢复供电后，机房空调设备正常工作，水温逐步降低，在给IT 设备制冷的同时，初步完成相变材料蓄冷过程，直至相变材料重新变为固态。

相变材料蓄冷箱工作原理如图4所示。

图4 相变材料蓄冷箱工作原理示意图

相变材料蓄冷箱具有以下优点：

a）体积小：安装相变材料的蓄冷箱，其体积约为水蓄冷箱体积的20%。因为体积小，便于灵活安装，且有效节约了机房空间。

b）释冷快：测试结果表明，当市电停电时，相变材料蓄冷箱可以快速释放冷量，减缓机房内部温度上升速度，保障IT 设备继续运行。对于水蓄冷箱系统，当恢复供电时，必须先逐步冷却蓄冷箱的热水，待水温缓慢下降后，才能给数据机房的IT 设备进行有效制冷，空调系统的制冷量要同时供给IT设备和水蓄冷箱，因为水蓄冷系统水量多，水温下降缓慢，有一个明显的迟滞期；而相变材料蓄冷箱因为使用水量少，空调系统可以很快使水冷却，快速给数据机房的IT设备进行有效制冷，等水下降到相变材料相变点时，缓慢给相变材料蓄冷，空调系统的制冷量先分配给IT 设备，使其冷却到合适温度后，才把多余的冷量储存到相变材料。

c）节能：水蓄冷箱的体积庞大，由于内部是低温水，虽然做了隔热处理，每天仍然会损失大量冷源，消耗较多的制冷电力，长期运行，电能浪费较多。相变材料蓄冷箱体积较小，容易做到高标准的隔热，还可以安置在遮荫的小空间，冷量损失小，电能浪费较少。

d）安装简单：相变材料蓄冷箱的安装十分简单，蓄冷箱直接串接在水冷系统的低温出水侧，仅仅需要2 个管道连接（一个进水，一个出水），设备到达现场后，直接连接即可，设备改造和控制要求简单，且易于维护，运行成本和维护成本低。而水蓄冷箱一般是并联在系统中，管路施工和控制切换较为复杂。