Dựa trên kết quả thực nghiệm cho các trạm viễn thông ở trên, có thế thấy đƣợc những ƣu khuyết điểm của giải pháp làm mát bằng vật liệu biến đổi pha PCM nhƣ sau :
Ưu điểm :
-Hấp thụ nhiệt khá tốt, phù hợp với hệ thống làm mát thụ động cho viễn thông. Nếu phòng máy bị ngắt máy lạnh thì nhiệt độ phòng máy thì khoảng 10 phút lên 1OC, trong khi có PCM thì 30 phút lên 1OC.
-Tiết giảm điện năng máy lạnh rất hữu hiệu cho những khoảng thời gian nhất định trong ngày, có thể lên đến 500-600 Kwh điện 01 tháng mà không làm thiết bị viễn thông chạy sai lạc do quá nóng, nhất là vào những giờ thấp điểm của lƣu lƣợng mạng.
-Tiết kiệm đƣợc nhiên liệu chạy máy phát điện từ 2-4 tiếng đồng hồ, tƣơng đƣơng cả chục lít nhiên liệu nếu hệ thống ắc-quy nhà trạm đạt tiêu chuẩn Ngành theo quy định cho khoảng thời gian trên. Đối với những nhà trạm ít mất điện hoặc mất điện trong khoảng thời gian ngắn 1-2 tiếng, có thể không cần trang bị máy phát điện.
-Với những nhà trạm có hệ thống ắc-quy yếu phải chạy máy lạnh khi mất điện lƣới, thì vẫn tiết kiệm nhiên liệu bằng cách ngắt máy lạnh và làm mát bằng PCM, khoảng 1-2 lít nhiên liệu mỗi giờ.
-Mức độ bảo vệ cho thiết bị bên trong phòng máy (IP) cao hơn hẳn so với giải pháp quạt hút thông gió, tƣơng đƣơng so với dùng máy lạnh, không bị bụi bặm và côn trùng xâm nhập phòng máy. Đồng thời PCM dùng muối khan có độ an toàn không gây ô nhiễm, không hủy hoại thiết bị phòng máy, chống cháy tốt.
-Không có các bộ phận truyền động nhƣ máy lạnh nên nhu cầu bảo dƣỡng sửa chữa rất ít. Vòng đời của vật liệu PCM khá cao lên trên 10 năm sử dụng.
-Chi phí mua sắm tƣơng đƣơng với máy phát điện, nhƣng chi phí lắp đặt sử dụng và bảo dƣỡng đơn giản, thấp hơn nhiều so với bảo dƣỡng vận hành máy phát điện.
Khuyết điểm :
-Hiệu suất làm mát kém hơn so với máy lạnh do tính dẫn nhiệt kém của PCM trong không khí. Nhiệt độ phòng máy chênh lệch so với nhiệt độ nóng chảy PCM khoảng 5OC, trong khi với máy lạnh chỉ khoảng 1-3 OC.
-Phải bù lạnh cho PCM thì mới có thể hấp thụ nhiệt cho chu kỳ hoạt động tiếp theo của PCM. Hiện nay các sản phẩm PCM có độ bù lạnh khá lớn 4-5OC so với nhiệt điểm nóng chảy, nhƣ với PCM 25-26OC phải bù lạnh ở nhiệt độ là 20-21OC, nhiệt độ phòng máy hiện thời khó có thể đạt đƣợc. Điều này là cản trở chính cho việc áp dụng PCM vào làm mát nhà trạm, mà muốn khắc phục cần có những nghiên cứu thiết kế hệ thống làm mát PCM phù hợp hơn trong tƣơng lai.
-Có thể không hoạt động đúng chức năng nếu lắp đặt không đúng với thiết kế phù hợp cho từng nhà trạm khác nhau.
73
CHƢƠNG 5
KẾT LUẬN, KHUYẾN NGHỊ VỀ KHẢ NĂNG
ỨNG DỤNG PCM TRÊN MẠNG LƢỚI VNPT
Qua kết quả thực nghiệm sử dụng vật liệu PCM 29PH để làm mát thiết bị viễn thông cho các nhà trạm viễn thông địa bàn Viễn thông Đồng Nai, ta nhận thấy rằng vật liệu PCM hiện nay cần thiết có sự nghiên cứu thêm của các nhà sản xuất, nhằm tạo ra đƣợc sản phẩm có điểm đông đặc và điểm tan chảy là giống nhau (tức giảm bù lạnh chỉ còn 1-2OC), loại bỏ đƣợc sự phân tầng bên trong vật liệu PCM mỗi khi nóng chảy, hai nguyên nhân bất lợi cho việc ứng dụng vật liệu PCM vào làm mát thiết bị viễn thông :
1. Các điểm tan chảy và điểm đông đặc của PCM nên giống nhau
Lý tƣởng nhất là các điểm tan chảy và điểm đông đặc phải giống nhau. Do hiện nay các công ty sản xuất PCM vẫn chƣa tạo ra đƣợc thành phẩm đạt đƣợc điều này, nên buộc phải sử dụng làm mát bù lạnh cỡ 2OC thấp hơn so với điểm đông đặc của vật liệu PCM, mỗi khi vật liệu nạp lạnh- hóa rắn.
Hiện nay, hầu hết các sản phẩm PCM đều có giá trị bù lạnh ít nhất 4OC thấp hơn so với điểm đông đặc của vật liệu PCM, nên sau đó nhiều vật liệu sẽ không kết tinh (đông đặc) đƣợc khi máy điều hòa không khí bật chạy và do đó, nhiệt tiềm ẩn sẽ không đƣợc PCM hấp thụ khi mất điện lƣới, gây bất lợi cho ứng dụng làm mát thiết bị viễn thông.
2.Vật liệu PCM bị lỗi suy giảm do phân tầng
Suy giảm trong vật liệu PCM là do sự hình thành của muối hydrat không mong muốn. Các tinh thể muối hydrat không mong muốn có điểm tan chảy cao hơn và chúng sẽ không tan chảy trong dải nhiệt độ mà ứng dụng đƣợc sử dụng.
Nếu vật liệu PCM sử dụng bị lỗi này, thì khả năng hấp thụ nhiệt của PCM sẽ tiếp tục giảm dần theo chu kỳ. Nếu PCM bị lỗi trầm trọng, thì sự suy giảm của PCM sẽ thấy đƣợc trong vòng 30 ngày. Nếu hàng giá rẻ đƣợc sử dụng, sự suy giảm nằm trong khoảng 100- 300 ngày. Các dấu hiệu để thấy đƣợc sự suy giảm là:
-Có sự phân tầng trong vật liệu PCM.
-PCM không hóa rắn ở nhiệt độ hoạt động bình thƣờng của phòng máy.
Khắc phục đƣợc 02 nguyên nhân chủ yếu trên bằng sự chọn lọc kỹ lƣỡng vật liệu PCM của nhà sản xuất uy tín và chất lƣợng là hoàn toàn có thể ứng dụng PCM vào làm mát dự phòng cho mục đích tiết kiệm chi phí nhiên liệu chạy máy phát điện, tiết giảm điện năng máy lạnh cho phòng máy nhà trạm viễn thông thuộc mạng VNPT.
74
Do thời gian hạn hẹp trong thực nghiệm, chỉ vài tháng không tính hết đƣợc các thông số cần thiết tác động đến nhà trạm và thiết bị viễn thông; đồng thời chỉ mới là sử dụng vật liệu PCM thí nghiệm làm mát tại nhiệt độ 29OC, nên không thể xác định đƣợc rõ ràng các tiêu chí kỹ thuật đối với từng chủng loại thiết bị viễn thông trên mạng lƣới đối với những sản phẩm vật liệu PCM làm mát tại các nhiệt độ khác. Nhƣng với các nghiên cứu đăng trên tạp chí khoa học và các sản phẩm của các nhà sản xuất và ứng dụng trên thế giới cho lĩnh vực viễn thông là hoàn toàn khả thi cho mạng lƣới viễn thông VNPT.
Vì vậy, khuyến nghị về khả năng ứng dụng vật liệu PCM trên mạng lƣới hiện nay còn phải tiếp tục trên 01 bình diện rộng hơn cả về nghiên cứu thiết kế mô hình phù hợp với mạng lƣới thực tế và thực nghiệm ứng dụng với nhiều chủng loại vật liệu PCM của nhiều Hãng sản xuất hơn, nhằm xác định rõ hơn các đáp ứng của vật liệu PCM liệu có phù hợp theo tiêu chuẩn hiện hành hay không.
Dƣới đây nhóm thực hiện đề tài chỉ đề xuất theo những kiến thức thu thập đƣợc qua thời gian thực nghiệm đề tài và các ý kiến đóng góp của các đơn vị bạn trên bình diện khái quát chung, với mong muốn có sự nghiên cứu sâu sắc và tập trung hơn nữa trong nghiên cứu vật liệu PCM do Tập đoàn chủ trì ở cấp độ quốc gia, với những mô hình thiết kế cụ thể trên một bình diện rộng, cần một lƣợng nhân lực và tài chính lớn mới xác định chính xác khả năng áp dụng vào thực tế mạng lƣới.
Khuyến nghị làm mát bằng vật liệu PCM cho các nhà trạm viễn thông hiện nay của VNPT bao gồm mạng cố định và di động đƣợc tạm đề xuất nhƣ dƣới đây:
5.1.Đối với trạm di động BTS. 5.1.1.Trạm BTS indoor
Tại Ấn Độ, vật liệu PCM đã đƣợc sử dụng cho trạm BTS với điểm tan chảy 29O
C, duy trì nhiệt độ phòng máy dƣới 35OC trong 4-6 giờ tùy thuộc vào dung lƣợng ắc-quy còn có thể chịu đựng đƣợc.
Ở nƣớc ta có thể sử dụng PCM có điểm tan chảy tại 27OC hoặc 29OC. Thông thƣờng, vật liệu PCM với nhiệt năng hấp thụ khoảng 12KWh làm lạnh back-up, có thể làm mát do tăng nhiệt trong trạm BTS lên đến 4 giờ đồng hồ mất điện lƣới, mà không cần chạy máy phát điện.
Khi có điện lƣới trở lại, vật liệu PCM nạp lạnh bằng máy điều hòa không khí phòng máy ở nhiệt độ 25OC và 27OC tƣơng ứng nếu là PCM chất lƣợng tốt hoặc 22OC và 24OC tƣơng ứng nếu là PCM thông dụng hiện nay. Điều này đặt ra một yêu cầu bức thiết trong việc lựa chọn sản phẩm PCM đúng cách, có độ bù lạnh thấp và nhiệt năng tiềm ẩn lớn hơn 175 KJ / kg PCM.
Hình ảnh dƣới đây là bên trong 01 trạm viễn thông tại Nam Phi sử dụng làm mát bằng vật liệu PCM do Công ty Alltec Corporation USA cung cấp, qua ngƣời liên hệ Neville Urwin, Urwees Tel 011 894-3451, nevilleu@urwees.com.
75
5.1.2.Trạm BTS outdoor
Với trạm BTS ngoài trời, đƣợc làm mát bằng không khí, nên sử dụng PCM có điểm tan chảy tại 34OC hoặc 36O
C. Vật liệu PCM nhƣ vậy là ƣu tiên cho cả shelter viễn thông ngoài trời làm mát bằng không khí. Nhiệt độ không khí bên trong shelter có thể đƣợc duy trì ở khoảng 35-38OC tối đa, ngay cả khi nhiệt độ môi trƣờng xung quanh vƣợt 40OC nhƣ hình dƣới :
76
Một trạm shelter ngoài trời do Anh quốc sản xuất dùng PCM làm mát
Riêng với hệ thống ắc-quy cho thiết bị viễn thông nên đặt riêng ra và tách biệt với thiết bị, làm mát bằng PCM mà không cần chạy máy lạnh trong nhiều giờ đồng hồ, bởi nhiệt tỏa ra của hệ thống ắc-quy nhỏ hơn nhiều so với thiết bị viễn thông và hoàn toàn đƣợc hấp thụ dễ dàng bởi vật liệu PCM trong thời gian dài (tính toán khối lƣợng PCM phù hợp).
Với thiết kế nhƣ vậy, có thể nạp lạnh cho PCM vào những thời gian cần thiết bằng máy lạnh nên tiết giảm đƣợc nhiều điện năng máy lạnh; ngoài ra còn tạo ra đƣợc sự bảo vệ an toàn thiết bị viễn thông cao hơn so với dùng quạt làm mát vào ban đêm, nhƣ Công ty Mobifone 6 đang thực hiện cho các trạm BTS outdoor hiện nay tại Đà Lạt-tỉnh Lâm Đồng, nhƣ tránh đƣợc bụi bặm, côn trùng theo đƣờng quạt hút vào phòng máy.
77
Một shelter chứa ăc-quy nằm riêng biệt làm mát bằng PCM tại Trung quốc 5.2.Đối với trạm viễn thông cố định.
Muốn áp dụng giải pháp làm mát này, cần thiết kiểm tra kỹ lƣỡng các chủng loại thiết bị viễn thông trên mạng thuộc chủng loại nào phù hợp theo tiêu chuẩn do các hiệp hội thế giới nhƣ ASHRAE hoặc Telcordia công bố cho các sản phẩm viễn thông hiện hành trên thế giới.
5.2.1.Trạm cố định indoor
Các trạm viễn thông cố định hiện tại thƣờng có dung lƣợng lớn nhƣ các tổng đài Host, các trung tâm chuyển mạch truyền dẫn lớn, các vệ tinh TDM có dung lƣợng số cao hơn 5.000 lines.v.v… nên công suất tải lạnh rất lớn. Sử dụng vật liệu PCM có điểm tan chảy 25OC hoặc 26OC, nhiệt năng tiềm ẩn lớn hơn 185 KJ / kg. Cần thiết chọn sản phẩm PCM có độ bù lạnh thấp, dễ dàng kết tinh đƣợc vào thời gian lƣu lƣợng thông tin thấp, ví dụ vào ban đêm (khi đó thiết bị sản sinh ít nhiệt hơn, phòng máy dễ dàng lạnh hơn). Tính toán khối lƣợng PCM cần trang bị có thể hấp thụ nhiệt năng phòng máy trong khoảng thời gian cần thiết mà không phải chạy máy lạnh, máy phát điện. Ví dụ cho 01 trạm tổng đài Host, kết hợp hệ thống lƣu trữ PCM 25OC -26OC có thể ngắt máy lạnh vào ban ngày và chỉ chạy vào ban đêm nhƣ hình dƣới :
78
Thùng chứa PCM (TES tank- Thermal Energy Storage tank) chứa một khối lƣợng các tấm PCM ( có tên hiệu là Flat ICE do Anh quốc sản xuất) đủ lƣu trữ lạnh vào ban đêm nhờ máy lạnh cỡ lớn (gọi là Chiller- hình khối chữ nhật bên trái) và làm mát cho nhà trạm tổng đài Host vào ban ngày, ban ngày có thể ngắt máy lạnh để giảm điện năng tiêu thụ rất lớn. Sơ đồ làm mát vào ban ngày và ban đêm nhƣ dƣới đây :
Làm mát vào ban ngày bằng PCM (đƣờng xanh bên phải) không dùng máy làm lạnh chiller ( đƣờng đỏ bên trái).
79
Làm mát vào ban đêm bằng máy làm lạnh chiller và nạp lạnh cho cả PCM (toàn bộ đƣờng xanh).
Hoặc với những vệ tinh TDM có thể thiết kế quạt hút đẩy kết hợp với PCM thổi hơi lạnh vào phòng máy. Sử dụng máy lạnh để nạp lạnh cho PCM vào ban đêm. Tại những vùng có khí hậu thời tiết lạnh vào ban đêm có thể sử dụng ngay không khí lạnh này nạp lạnh cho PCM, mà không phải chạy máy lạnh, nhƣ hình minh họa dƣới đây :
Không khí ban đêm (night air flow) 18OC đƣợc quạt hút vào thùng chứa PCM Flat ICE 21OC, nạp lạnh cho PCM và cấp ra luồng gió bằng quạt đẩy nhiệt độ 23OC thổi vào phòng máy trạm vệ tinh.
Ban ngày không khí nóng 32OC đi vào thùng chứa PCM Flat ICE 21OC và đƣợc PCM hấp thụ nhiệt năng, làm giảm nhiệt độ xuống còn 23OC và thổi vào phòng máy.
Nhiệt độ nóng chảy của PCM ở hình ảnh minh họa là 21OC, có thể điều chỉnh sang chủng loại PCM 25-26OC cho phù hợp với tiêu chuẩn vận hành thiết bị hiện nay của ta.
81
5.2.2.Trạm cố định outdoor
Tƣơng tự trạm BTS outdoor, các truy nhập outdoor hiện nay trên mạng VNPT có thể hoạt động dƣới 40OC, làm mát bằng không khí chung quanh. Nhƣng trong những vùng khí hậu nắng nóng gay gắt hoặc vào mùa khô nóng, nhiệt độ môi trƣờng có thể làm cho các truy nhập outdoor vọt lên 45OC do các bức xạ nhiệt, gây dừng thiết bị, gián đoạn liên lạc.
Để tránh bị gián đoạn vận hành thiết bị do nhiệt độ môi trƣờng, có thể dùng vật liệu PCM có điểm tan chảy tại 34OC hoặc 36OC, để làm mát thiết bị truy nhập dƣới ngƣỡng 36-40OC, tăng độ tin cậy của thiết bị truy nhập và dàn ắc-quy bên trong shelter.
82
Lời kết : Đối với nhà cung cấp dịch vụ viễn thông thì sự lựa chọn thiết bị viễn thông đóng vai trò quyết định sự thành bại trong kinh doanh. Thiết bị không những phải đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với mục đích kinh doanh, mà còn phải tiêu thụ đạt mức năng lƣợng ít nhất có thể, kể cả sự tiêu thụ của bản thân thiết bị và sự tiêu thụ của hệ thống làm mát cho thiết bị. Mức tiêu thụ năng lƣợng thấp của thiết bị là định hƣớng cho một ngành viễn thông thân thiện với môi trƣờng thiên nhiên, khi mà thiết bị vẫn hoạt động tin cậy trong môi trƣờng làm mát tự nhiên, một yếu tố nhân văn quyết định sự thành công của nhà cung cấp dịch vụ trong tƣơng lai, vì nó đóng góp vào chƣơng trình bảo vệ một thế giới xanh, một hành tinh xanh.
Để kết thúc, xin giới thiệu sơ lƣợc về các tiêu chuẩn xác lập môi trƣờng hoạt động cho thiết bị viễn thông-công nghệ thông tin, ASHRAE, mà các nhà sản xuất thiết bị và cung cấp dịch vụ viễn thông trên thế giới đang hợp tác và tuân thủ theo các tiêu chuẩn này. Các tiêu chuẩn này không những nhằm tiết giảm chi phí đầu tƣ-vận hành cho bản thân họ, mà còn là những nỗ lực đóng góp vào tiêu chí xây dựng một môi trƣờng kinh doanh thân thiện với thiên nhiên, một thế giới xanh đang cần mọi ngƣời chung tay xây dựng.
Hiệp hội kỹ sƣ nhiệt, lạnh và điều hòa không khí Hoa Kỳ (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers), tên viết tắt là ASHRAE. Hiệp hội này thông qua việc tổ chức theo các vùng miền, đề tài nghiên cứu, các nhánh học thuật đã tạo nên đƣợc môi trƣờng trao đổi và chia sẻ kiến thức lẫn kinh nghiệm giữa các kỹ sƣ và kỹ thuật viên trong chuyên ngành. Các ấn phẩm và tài liệu do ASHRAE xuất bản thƣờng đƣợc sử dụng để tham khảo nhƣ nguồn chính liên quan đến lãnh vực này.
ASHRAE tạo ra phiên bản đầu tiên của ấn phẩm "Hƣớng dẫn nhiệt để xử lý dữ liệu môi trƣờng” trong năm 2004. Trƣớc đó, các thông số môi trƣờng cần thiết cho hoạt động của các trung tâm dữ liệu do từng nhà sản xuất thiết bị ấn định cụ thể. Trong ấn bản thứ