5G基站室外機(jī)柜制冷量計(jì)算及裝載能力評(píng)估

羅金花 中國(guó)鐵塔股份有限公司江西分公司 通信發(fā)展部 南昌市 330038

0 引言

2020年是我國(guó)5G商用規(guī)模建設(shè)年，各大電信運(yùn)營(yíng)商正在加速5G基站建設(shè)。由于5G采用3.5GHz及更高的頻率，其傳播損耗和穿透損耗更大，單站覆蓋范圍更小，使得5G基站密度更大、數(shù)量更多。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)5G“高速率、低時(shí)延、大容量”網(wǎng)絡(luò)能力、滿足未來業(yè)務(wù)發(fā)展需要，超密集組網(wǎng)、宏微立體架構(gòu)也將成為未來5G基站建設(shè)新模式。站點(diǎn)激增將導(dǎo)致在一些站址機(jī)房獲取困難區(qū)域需要室外機(jī)柜，5G“小微站+桿塔”新模式也需要室外機(jī)柜，低成本農(nóng)村廣覆蓋也將引入室外機(jī)柜。然而，5G BBU設(shè)備最大功耗（發(fā)熱量）約有1500W，典型功耗約500W，是4G設(shè)備的3倍多，5G設(shè)備散熱成為新的問題，如何確保BBU、承載網(wǎng)設(shè)備有保障工作環(huán)境溫度，是確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)。在實(shí)際工作中往往缺乏有效的計(jì)算與評(píng)估，隨意加載設(shè)備數(shù)量，易出現(xiàn)室外機(jī)柜溫度過高、設(shè)備宕機(jī)問題，因此有必要總結(jié)研究室外機(jī)柜制冷量計(jì)算方法及評(píng)估設(shè)備裝載能力。

2 室外機(jī)柜制冷量計(jì)算

2.1 制冷量計(jì)算公式

江西省屬于亞熱帶，對(duì)于通信設(shè)備而言主要考慮機(jī)房/室外機(jī)柜的制冷量?？照{(diào)冷負(fù)荷主要包括設(shè)備冷負(fù)荷和建筑冷負(fù)荷（包括外墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、照明負(fù)荷、人員負(fù)荷等）兩部分。按功率面積法，計(jì)算公式如下：

其中，Qt：總制冷量（Kw）

Q1：設(shè)備冷負(fù)荷

Q2：建筑/室外機(jī)柜冷負(fù)荷（包括外墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、照明負(fù)荷、人員負(fù)荷等）

2.2 通信設(shè)備冷負(fù)荷計(jì)算

設(shè)備冷負(fù)荷按照通信設(shè)備功耗進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

設(shè)備冷負(fù)荷Q1＝設(shè)備耗電功率×發(fā)熱系數(shù)

發(fā)熱系數(shù)指通信設(shè)備功耗轉(zhuǎn)化為熱量系數(shù)，即有多少電能轉(zhuǎn)換為熱能，一般為70-95%，對(duì)于通信設(shè)備可取為100%。

根據(jù)設(shè)備廠家相關(guān)技術(shù)參數(shù)，當(dāng)前4/5G BBU設(shè)備的典型功耗如下：

◎5G BBU設(shè)備功耗：?jiǎn)螜C(jī)功耗通常在500W左右。

◎4G BBU設(shè)備功耗：?jiǎn)螜C(jī)功耗通常在100～200W，甚至更低，發(fā)熱量不大。

◎傳輸設(shè)備的功耗：一般為150～200W。

2.3 室外機(jī)柜冷負(fù)荷計(jì)算

室外機(jī)柜類似于建筑物，也是一個(gè)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相對(duì)封閉空間，但由于其圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般為PU或EPS保溫板材料而非磚墻，保溫隔熱效果不同。下面以典型的通信設(shè)備用室外機(jī)柜為例，運(yùn)用傳導(dǎo)熱量的計(jì)算方法來分析室外機(jī)柜冷負(fù)荷。

圖1 室外機(jī)柜的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖

（1）傳導(dǎo)熱量的計(jì)算公式：

式中：λ：導(dǎo)熱系數(shù), W/(m·K)

A：導(dǎo)熱面積，m2

t1、t2：為室內(nèi)、外溫度

Δt：室內(nèi)、外溫差，即導(dǎo)熱推動(dòng)力K

b：面壁厚度，m

（2）相關(guān)技術(shù)參數(shù)取定：

◎假定室外機(jī)柜柜體為單層平面壁導(dǎo)熱。壁厚為30mm。機(jī)柜柜體的夾層保溫材料采用XPS，查下表可知：其導(dǎo)熱系數(shù)為0.030W/(m·K)。

表1 常用的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)表

◎ 室外機(jī)柜尺寸為：800mm×600mm×1800mm（長(zhǎng)×寬×高），室外機(jī)柜的面積為0.8×0.6≈0.5m2，統(tǒng)一取定為1m2。

◎ 室內(nèi)機(jī)柜內(nèi)的環(huán)境溫度為30℃，以滿足BBU設(shè)備保障工作需要。

◎ 夏天中午室外機(jī)柜外的環(huán)境溫度為50℃。

（3）傳導(dǎo)熱量的計(jì)算結(jié)果：

◎ 導(dǎo)熱系數(shù)λ＝0.030W/(m·K)

◎ 導(dǎo)熱面積A＝(0.6+0.8)×2×1.8+0.6×0.8=5.52 m2

◎ 導(dǎo)熱推動(dòng)力K＝Δt= t1 - t2 =50–30 =20

◎ 平面壁厚度b＝0.03 m

◎ 傳導(dǎo)熱量＝0.030×5.52×20/0.03＝110.4W

工程上通常簡(jiǎn)化為下式計(jì)算室外機(jī)柜冷負(fù)荷：

建筑/室外機(jī)柜冷負(fù)荷Q2＝典型的環(huán)境熱負(fù)荷×機(jī)房面積（m2）

建筑/室外機(jī)柜的環(huán)境熱負(fù)荷根據(jù)機(jī)房/室外機(jī)柜的隔熱程度、現(xiàn)場(chǎng)情況等來取定，通?？扇≈禐?0～150W/m2。

2.4 空調(diào)容量計(jì)算

室外機(jī)柜全天候暴露在室外，為實(shí)現(xiàn)5G BBU有保障溫度的工作環(huán)境，一般任何時(shí)間內(nèi)室外機(jī)柜的空調(diào)制冷量應(yīng)不小于其冷負(fù)荷（設(shè)備發(fā)熱量以及室外機(jī)柜冷負(fù)荷）。即：

空調(diào)制冷量 ≥ 建筑冷負(fù)荷 + 設(shè)備發(fā)熱量

式中，空調(diào)制冷量為“空調(diào)能耗×空調(diào)能效比”。

基站機(jī)房一般是根據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)通信設(shè)備規(guī)劃數(shù)量及功耗、建筑傳導(dǎo)的冷負(fù)荷計(jì)算的制冷量需求來配置具體空調(diào)規(guī)格及數(shù)量；但對(duì)于室外機(jī)柜，由于空調(diào)安裝空間有限，通常是在出產(chǎn)時(shí)就已經(jīng)預(yù)制好相應(yīng)的工業(yè)空調(diào)，室外機(jī)柜總的空調(diào)制冷量也就固定了，因此需要根據(jù)空調(diào)制冷量來評(píng)估室外機(jī)柜的BBU設(shè)備裝載能力。

3 BBU裝載能力評(píng)估

3.1 BBU裝載能力計(jì)算

鑒于上述分析，室外機(jī)柜需要通過已配置的工業(yè)空調(diào)制冷量來評(píng)估BBU設(shè)備裝載能力，評(píng)估的方法如下：

式中，允許的最大設(shè)備發(fā)熱量＝空調(diào)制冷量-室外機(jī)柜冷負(fù)荷。

（1）相關(guān)技術(shù)參數(shù)取定：

◎ 室外機(jī)柜空調(diào)制冷量：根據(jù)主流廠家的常用產(chǎn)品型號(hào)，設(shè)備用室外柜體采用1500W或2000W空調(diào)散熱方式。

◎ 室外機(jī)柜冷負(fù)荷：根據(jù)2.3節(jié)計(jì)算結(jié)果，取為150W。

◎ 5G BBU典型功耗：取為500W。

（2）BBU裝載能力的計(jì)算結(jié)果：

表2 室外機(jī)柜BBU安裝數(shù)量的計(jì)算結(jié)果表

3.2 工程應(yīng)用建議

室外機(jī)柜BBU裝載能力需要考慮預(yù)留一定的空調(diào)制冷量，以確保在最壞情況下BBU設(shè)備仍能正常工作。5G用室外機(jī)柜建議預(yù)制的空調(diào)制冷量為2000W，以滿足至少3臺(tái)BBU安裝需求。對(duì)于4G用室外機(jī)柜，由于其BBU功耗更小，可以靈活選擇空調(diào)制冷量。

同時(shí)，重視室外機(jī)柜合理選址，以減少環(huán)境輻射熱影響。設(shè)計(jì)時(shí)要求把室外機(jī)柜設(shè)置在自然通風(fēng)順暢的背陽面，可利用建筑物、高大樹林進(jìn)行遮擋，盡管避免太陽西曬。另外，也可采用BBU豎裝子框等創(chuàng)新手段，改善室外機(jī)柜內(nèi)氣流組織，減少冷熱風(fēng)混流，提高散熱效果。

4 結(jié)束語

BBU設(shè)備對(duì)確保5G無線網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)有重要影響。隨著5G基站增多、BBU下沉、低成本建網(wǎng)等不斷發(fā)展，室外機(jī)柜將成為5G BBU安裝環(huán)境的重要選項(xiàng)。本文另辟巧徑從控制工作環(huán)境溫度角度運(yùn)用制冷量計(jì)算方法評(píng)估了室外機(jī)柜的BBU裝載能力，可為工程建設(shè)提供一定參考。