通信系統(tǒng)用戶外機柜保溫隔熱性能探討

1 引言

通信系統(tǒng)用戶外機柜一般安裝在戶外無遮擋的環(huán)境，陽光輻射以及設(shè)備本身耗散的熱量作用使得密封機柜內(nèi)部溫度有可能超出設(shè)備允許的范圍，機柜內(nèi)部電源、通信系統(tǒng)設(shè)備長時間超負荷高溫下運行，會引起元器件性能的降低，進而導(dǎo)致裝置故障，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此在設(shè)計中，機柜的溫控能力也是需要著重考慮的方面。

近年來，隨著通信的發(fā)展，通信基站系統(tǒng)設(shè)備功率越來越高，對于戶外機柜的溫控能力要求也越來越高。采用風(fēng)扇空氣對流進行換熱的普通型機柜逐步淘汰，而機柜空調(diào)和熱交換器的使用，在機柜柜體中加入了保溫隔熱材料，可制作成無通風(fēng)式機柜，整個機柜內(nèi)部處于密閉狀態(tài)，不再使用空氣對流的散熱方式，極大地提升機柜的保溫隔熱性能，這就是保溫隔熱型機柜。在YD/T 1537-2015《通信系統(tǒng)用戶外機柜》中加入了新的檢測指標(biāo)-保溫隔熱性能試驗（綜合傳熱系數(shù)），以評判戶外機柜的保溫隔熱能力。提升機柜的保溫隔熱能力既能提高機柜的溫控能力，又能改善機柜內(nèi)設(shè)備運行環(huán)境，有效保護機柜內(nèi)的設(shè)備，提高其穩(wěn)定性和使用壽命，同時能降低溫控系統(tǒng)耗能，也符合國家節(jié)能減排的要求。

2 機柜的保溫隔熱能力

2.1 機柜的綜合傳熱系數(shù)

綜合傳熱系數(shù)是評判戶外機柜保溫隔熱能力的重要指標(biāo)，其含義為機柜內(nèi)外溫差固定（標(biāo)準(zhǔn)要求為55℃，實際檢測允許存在一定偏差）的情況下，單位時間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量，其公式為：

對于一個戶外機柜，綜合傳熱系數(shù)K數(shù)值越低則表示機柜保溫隔熱性能越好。內(nèi)表面名義總面積A固定，機柜內(nèi)外溫差T2-T1固定，若想提高機柜的保溫能力，只能想辦法降低機柜內(nèi)外的熱量傳遞速度，從而降低單位時間機柜內(nèi)電能的消耗P。對于如何降低機柜的熱量傳遞速度主要有以下兩個方面：（1）使用導(dǎo)熱性能低的機柜材料；（2）提高機柜密封性能。

2.2 使用低導(dǎo)熱性能的機柜材料

保溫隔熱型戶外機柜柜體材料，一般采用三文治式型式材料，內(nèi)外層為提供機械強度的面板材料，中間夾一層保溫隔熱材料。面板材料一般為彩鋼板、玻璃鋼和冷軋鋼板，玻璃鋼與保溫隔熱材料粘接性能很好，導(dǎo)熱性能低，所以保溫隔熱性能很好，一般中間會加一層鋼板以提高機械強度，但是由于價格昂貴，一般很少采用。使用冷軋鋼板為面板材料的保溫隔熱型機柜，中間夾一層保溫隔熱材料，無粘接，即使粘接，粘接性能也比較差，鋼板導(dǎo)熱性能良好，所有保溫隔熱性能較差，雖然機柜的機械強度耐受撞擊方面很好，作為保溫隔熱型機柜卻不是好的選擇，已很少使用。彩鋼板相對于前兩種材料機械強度較差，不耐受撞擊，但是與保溫隔熱材料粘接性能良好，導(dǎo)熱性比冷軋鋼板低些，保溫性能良好，同時價格適中，是現(xiàn)在保溫隔熱型機柜主要使用面板材料。

保溫隔熱型機柜的保溫能力基本上由機柜使用的保溫隔熱材料決定，現(xiàn)在市面上的保溫隔熱材料有幾十種，用于戶外機柜的保溫隔熱材料一般有聚氨酯（PU）材料、聚苯乙烯（EPS）材料、酚醛樹脂材料、巖棉材料、聚乙烯高發(fā)泡（PEF）材料等。聚氨酯（PU）材料導(dǎo)熱性能較低，吸水率低，有不錯的強度，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與彩鋼板、玻璃鋼板面板有非常好的粘接性，具備非常好的整體性，是綜合性能最好的機柜保溫隔熱材料。但是，PU材料阻燃性能較差，需要在材料加入一定的阻燃劑以提升其阻燃性能。酚醛樹脂材料導(dǎo)熱性能較PU材料稍微高些，保溫性能也比較好，粘接性能、機械強度、阻燃性能都比較好，也是一種很好的保溫隔熱材料。但是國內(nèi)目前推廣力度小，生產(chǎn)技術(shù)也較為落后，其保溫性能略差于國外產(chǎn)品。聚苯乙烯（EPS）材料導(dǎo)熱性能稍高，雖然與面板材料也屬粘接良好，但是會有不少縫隙，機械強度、阻燃性能尚可，作為機柜保溫隔熱材料勉強可以。因為造價低廉，也有一些要求不高的機柜采用。巖棉材料、聚乙烯高發(fā)泡（PEF）材料由于材料軟綿，缺乏硬度，與面板材料粘接度較差，無法預(yù)制成保溫隔熱板，一般只作為填充材料，填入兩面板間，因此要求面板強度非常高，一般只能用冷軋板作為面板材料。雖然阻燃性能很好，但是保溫能力較低，在保溫隔熱機柜中比較少使用，如表1所示。

表1 幾種保溫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)

對于機柜整體的保溫隔熱性能，機柜面板材料非決定因素，保溫隔熱材料才是決定性的，所以需選擇與保溫隔熱材料粘接良好的面板材料。只有面板材料與保溫隔熱材料良好粘接，材料之間才可以融為一體，提升機柜的整體密封性、穩(wěn)定性和強度。至于機柜的阻燃性能要求不高，僅為B級要求，非主要考慮因素。密封性能良好的聚氨酯彩鋼板機柜綜合傳熱系數(shù)在1.4 W/（m2·℃）左右，而聚苯乙烯彩鋼板機柜綜合傳熱系數(shù)在2.5 W/（m2·℃）左右，以內(nèi)尺寸為800 mm×800 mm×1 800 mm（內(nèi)壁面積約為7 m2）的鐵塔機柜做保溫隔熱試驗，則聚氨酯彩鋼板機柜1小時耗能：

P1=KA（T2-T1）=1.4×7×55=539 W·h=0.539 kW·h

即每小時大約耗電量為半度多；聚苯乙烯彩鋼板機柜1小時耗能：

P1=KA（T2-T1）=2.5×7×55=962 W·h=0.962 kW·h

則聚苯乙烯彩鋼板機柜每小時耗電接近1度，可見聚氨酯材料的機柜在節(jié)能上比聚苯乙烯有很大的優(yōu)勢。

2.3 提高機柜密封性能

密封性能對于戶外機柜也是一個非常重要的性能，如果機柜密封性能不好，長期滲水或積累灰塵會機柜內(nèi)部部件生銹、卡殼等，降低系統(tǒng)運行效率，縮短其使用壽命，嚴(yán)重的會甚至造成系統(tǒng)癱瘓。機柜的密封性能也會影響機柜的保溫隔熱能力，機柜密封良好，減少機柜內(nèi)部與機柜外部的空氣對流，使得機柜內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定，能有效降低機柜溫控系統(tǒng)的能耗。提升機柜的密封性能我們應(yīng)從以下幾個方面考慮：

（1）機柜需采用空調(diào)、熱交換器換熱方式的無通風(fēng)式機柜，無通風(fēng)式機柜可完全密封與外界無直接對流，且不影響機柜內(nèi)的溫度控制。機柜內(nèi)部設(shè)計，各空間安排合理，由于蓄電池艙需有排氣孔排出廢氣，設(shè)備艙和蓄電池艙需用保溫隔熱板材嚴(yán)格分開，機柜門、底板、頂板也應(yīng)使用保溫隔熱材料，預(yù)留的進線孔分列排布合理易于布線，布線后易于密封。

（2）機柜材料的選擇，我們需選擇面板材料與保溫隔熱材料粘接良好的材料，機柜材料粘接良好，機柜具有整體性，中間縫隙少，密封性能就越高。用于安裝的結(jié)構(gòu)件、連接件尺寸需材料良好，尺寸標(biāo)準(zhǔn)，同時密封材料如機柜門的密封劑、密封條、進線孔密封材料也需選擇密封良好的材料。

（3）機柜的安裝，在安裝機柜中應(yīng)注意連接件、結(jié)構(gòu)件與機柜板材是否安裝的結(jié)實、牢固，空調(diào)安裝時用密封膠密封好，機柜門在關(guān)閉時密封條與機柜需能壓實。

開有通風(fēng)孔未完全密封但通風(fēng)孔有防塵棉（防塵等級為IP4X）的聚氨酯彩鋼板機柜的綜合傳熱系數(shù)約為1.75 W/（m2·℃），同以內(nèi)尺寸為800 mm×800 mm×1 800 mm（內(nèi)壁面積約為7 m2）的鐵塔機柜做保溫隔熱試驗，則1小時耗能：

P1=KA（T2-T1）=1.75×7×55=674 W·h=0.674 kW·h

每小時耗電比完全密封的機柜耗電量多了大概0.13度電。

3 結(jié)語

對比傳統(tǒng)4G基站，5G設(shè)備功耗進一步加大，單站功耗預(yù)計達到4G的3～4倍，而在一個密閉狹小的空間內(nèi)容納電源系統(tǒng)、BBU等設(shè)備，這就需要戶外機柜有非常好的溫控能力，為基站系統(tǒng)提供良好的運行環(huán)境，保持通信設(shè)備的平穩(wěn)運行，提升通信質(zhì)量，同時能減少溫控設(shè)備的能耗，起到節(jié)能減排的作用。尋找更合適的機柜保溫隔熱材料以及提升機柜密封性能以提高機柜的保溫隔熱性能是戶外機柜發(fā)展的一個方向。