基于余热回收的电池室温度补偿研究与应用

谢 昆，王智慧，朱 林

（中国移动通信集团内蒙古有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000）

0 引 言

目前，蓄电池使用非常广泛，应用于各行业的数据中心机房，是机房设备在市电故障情况下提供不间断供电的重要保障，是维护工作的重中之重。蓄电池最佳运行温度是25 ℃。环境温度过高，会使电池过充电产生气体；环境温度过低，会使电池充电不足。目前，蓄电池多数独立存放于电池室。由于电池室内严禁设置暖气等加热装置，冬季电池室温度最低可达-15 ℃，严重影响电池的容量和使用寿命。所以，如何控制机房环境温度保证电池稳定工作至关重要。

1 传统技术的缺点及存在的问题

目前，大多数蓄电池单独存放且存放区域内严禁配备采暖设备，导致冬季电池环境温度长期处于0 ℃以下。蓄电池长期处于低温下工作，电解液粘度和极板活性降低，严重影响电池的容量、寿命以及放电性能，最终导致市电故障时电池不能持久放电，存在服务器宕机的风险。通常采用以下几种方式进行补偿。

1.1 增加建筑物保温，风险高投资巨大

通过在电池室墙体夹层中增加保温，保证电池室内温度不易散失，减小室外温度对室内温度影响。该方案符合常规做法，但施工过程中严重影响机房洁净度，可能引起设备短路，影响现有设备运行，风险高，投资巨大。

1.2 电暖气温度补偿，效果差效率低下

为了弥补蓄电池环境的低温保障电池能够持久放电，很多数据中心机房采用加装电暖气的方式对电池进行温度补偿。电暖气对局部加热效果明显，但是运用于空间大的电池室效果极其不明显，未带来明显的温度补偿且不节能，同时存在安全隐患。

1.3 加装多联机空调，极端环境效果差

通过在电池室增加多联机空调提升制热量。该方案不涉及对现有结构的改动，只需新增设备，但所需设备数量较多，增加了维护成本，且多联机空调室外机在低于-15 ℃下无法起到制热效果[1]。而其电池室内加装空调，漏水隐患较大。

2 总体解决方案

现数据中心电池室需要补偿热量，而UPS间由于UPS逆变过程产生大量热量，需要配置空调降温。本文提出基于余热回收的电池室温度补偿方案，运用空气对流原理，利用相邻UPS间余热来补偿电池环境温度，同时采用BA控制系统智能化控制环境温度和设备运行状态，不仅提高了电池室的环境温度，而且降低了UPS间的温度。

采用空气对流原理，将UPS间热空气通过送、排风机导入蓄电池室，提高电池室的温度，同时降低了UPS间的温度。为了防止导入后的热空气热量仍不满足电池室温度需求，送风机可以加装电加热器作为辅助加热装置。现场部署合理的温度采集点，建立智能监控管理平台对现场的温度测点、送、排风机以及电加热器等设备进行联动，根据采集的环境温度变化自动实现蓄电池室风机、电加热器的启停，无需人员值守，达到节能降耗、延长电池寿命的目的。整体系统改造方案如图1所示。

图1 整体系统改造方案示意图

3 具体方案实施

基于余热回收的电池室温度补偿方案包括3个方面：理论计算、设备选型和现场实施。

3.1 理论计算

3.1.1 蓄电池室热功率计算

以中国移动（呼和浩特）数据中心为例，根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26—2010）规范，结合数据中心的建筑结构形式，计算得出电池室电池室维持25 ℃时需要的总功率为45 kW[2]。

3.1.2 UPS间热功率计算

以中国移动（呼和浩特）数据中心B01机房1号UPS间为例，单台UPS容量400 kVA，3N系统架构，UPS负载率约60%，功率因数0.9，逆变器损耗约5%。单台UPS损耗功率为9.72 kW，故UPS间12台UPS损耗功率共计116.6 kW，其中包括维持UPS间环境25℃所消耗的功率20 kW（利用电池室计算标准结合数据中心的建筑结构形式，计算得出保持UPS间环境25℃所消耗的功率20 kW左右）以及UPS间导流至电池室的余热96 kW，完全满足电池室45 kW热负荷的需求。根据理论计算，当UPS负载率达到28%及以上时，完全可以通过余热满足电池室的环境温度补偿；当负载率低于28%时，需借用电加热器进行辅助加热。

3.1.3 风量计算

为了热量实时传导，需要配置送、排风机，选用常规风管尺寸为800 mm×600 mm，设计送风风速4 m/s，根据Q=VF（其中Q为风量，V为风速，F为风管横截面积），可算出每秒风量为1.98 m3，从而得出每小时风量约为7 000 m3。为了保证室内正压，回风管应选用小于送风风管尺寸的600 mm×600 mm风管，设计回风风速4.5 m/s，根据Q=VF算出每秒风量为1.62 m3，每小时风量约为6 000 m3。

3.2 设备选型

现场选用2台转数1 250 r/min、风量7 000 m3/h、功率3 kW的防爆型变频送风机，2台转数1 000 r/min、风量6 000 m3/h、功率1.1 kW的防爆型变频排风机，以及2台功率为45 kW的电加热器，进出风温度为28 ℃/45 ℃，可根据外界温度自动启停的管道式电加热器，外加5个温度采集器。

3.3 现场硬件部署

电池室与UPS之间墙体每间隔5 m、标高4 m依次安装送回风风机，同时2台送风加装电加热器，电池室周围每隔10 m加装一个温度传感器。现场实施如图2所示。

图2 现场实施平面图

3.4 控制系统实现

本文利用不同位置的温度传感器对蓄电池室的温度进行监控采集，当采集到同时多个点温度低于一定温度阈值时，启动送、排风机进行电池室与UPS间的气流循环；当温度低于下限阈值时，启动送风风机里的电加热器辅助供热补偿。现场控制器（DDC）将电池室温度传感器采集到的环境温度数值上传至综合监控平台，通过对平台逻辑编程，判读现有系统远程监测的温度数据，调用远程控制功能实现现场风机自动运行，降低维护工作量，减少电能消耗，延长电池寿命，如图3所示。

图3 控制系统图

主要控制系统包括智能系统硬件架构和智能控制策略。其中，智能系统硬件架构包含现场温度采集测点、风机控制测点、DDC控制单元以及NAE网络接入设备。风机具备远程快速启动、关停功能，可在智能控制平台自动或者手动随时切换模式。智能控制策略主要包含3个方面——智能切换、智能调节和智能选择[3]。对于智能切换，根据蓄电池室温度，对余热回收系统的运行模式进行切换，包括自然冷却模式、余热冷却模式与电加热冷却模式3种运行模式；对于智能调节，根据电池室温度情况，对启动风机、电加热器数量进行加减智能调节操作；对于智能选择，根据各风机和电加热器的运行时间、告警信息等参数（如表1所示），智能选择需要启动的风机组。

表1 智能调节变量表

当温度采集器采集到电池室温度低于25 ℃高于20 ℃时，综合监控平台联动离心式风机启动将UPS间余热送至蓄电池室；当温度采集器采集到电池室温度低于20 ℃时，综合监控平台联动离心式风机启动将UPS间余热送至蓄电池室的同时启动电加热器，一同为蓄电池室进行送风。启停逻辑表[4]，如表2所示。

表2 启停逻辑表

最终现场安装完毕后试运行启动风机，UPS间内的温度下降明显，电池室温度也得到了改善，如图4所示。

3.5 系统调试

为了使系统运行更加稳定，该方案进行了现场风机、电加热器等设备的硬件调试，以及BA系统的单机调试、系统联动调试以及模拟调试。

对于设备的单机调试，DDC现场控制器验证，传感器校验；风机控制器验证；风机阀门验证；电加热器通电测试、DDC通电测试、风机通电测试以及设备快速启动功能测试等。

对于系统级联调，预设系统冬、夏、过渡季节温度参数，并在相应工况下进行实时跟踪调整，保证系统达到最佳运行状态；对所有遥测、遥控功能进行测试，确保功能正常。

图4 控制界面

对于模拟调试，模拟冬季来临电池室温度过低，监控平台报环境低温告警，验证采集系统、监控系统是否正常，联动风机电加热器是否正常启动，现场温度回升后系统告警是否清除，现场风机、电加热器是否停止运转。

4 效能分析

余热回收补偿电池室温度技术系统方案带来的预期收益可从改善设备环境、节约能耗资源、延长设备寿命以及降低人工成本4个方面进行评估。自2018年11月开始在中国移动（呼和浩特）数据中心测试部署，一个冬季的测试运行中，为数据中心生产运营带来了巨大的经济效益，相关数据计算如下。

4.1 改善环境温度

通过加装离心式风机及风管，充分利用UPS设备运转时产生的余热导入电池室，为蓄电池环境做温度补偿，大大提升了蓄电池室的环境温度，直接提高了蓄电池运行能力及寿命。采用余热回收技术补偿电池室温度后，UPS间与电池环境温度较改造前得到明显改善，现场电池环境温度与标准温度的温差保持在2 ℃之内。以中国移动（呼和浩特）数据中心B01机房为例，2019年1月某天电池室平均温度保持在24.5 ℃（如图5所示），完全满足电池最佳工作环境的温度需求。

4.2 节约能耗资源

采用余热回收补偿电池室温度技术系统后，利用UPS间及蓄电池室环境的温度差，将空气通过主动送风的方式进行对流交换，减少了UPS间空调以及蓄电池室电暖气的使用，降低了运行成本，实现了节能降耗。以2019年中国移动（呼和浩特）数据中心三栋机房楼为例，一个采暖季3个机楼可以节省空调系统能耗2.9×104kW·h，能耗降低47%，如图6所示。

图5 电池室环境温度统计

图6 节能降耗统计

4.3 延长设备寿命

运用余热回收技术补偿电池室温度后，提升了电池室的温度，可有效延长设备使用寿命。以呼和浩特数据中心为例，一个电池室有4 608块电池，每块电池延长寿命2年，可节省更换电池费用约185万元。

4.4 降低人工成本

现场通过部署合理的温度采集点，建立智能监控管理平台对现场的温度测点、送、排风机以及电加热器等设备进行联动，通过智能化平台远程操作自动控制调节，能够根据采集的环境温度变化自动实现蓄电池室风机、电加热器的启停，无需人员值守，减少了运维巡检人员数量，从而有效降低了人工成本。该技术实施后，电池室巡检工作量减少到原采用电暖气所需人数的25%，可节约人工成本约10万元。

5 结 论

本文利用UPS间与蓄电池室环境温差，将热量进行回收利用，减少了UPS间空调以及蓄电池室电暖气的使用，充分利用设备余热，提高了能量利用率，大大降低了辅助设备能耗，同时智能采集联动控制的逻辑，通过温度传感器与综合监控平台采集控制，实现了现场无人值守即可调节蓄电池室环境温度的功能，大大降低了人工成本，节能降耗，降本增效。目前，该成果的核心控制部分已通过国家专利初审，成果具有普适性，行业内具有类似问题和场景的数据中心、核心机房均可以引入，具有一定的实践指导意义。