利用隔熱節(jié)能軟木板實(shí)現(xiàn)無(wú)線基站節(jié)能減排的試驗(yàn)研究

(1.江蘇森之虎建設(shè)工程有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

隨著近些年信息技術(shù)的發(fā)展與壯大，人們對(duì)在線通信的需求日益增多，通信設(shè)備的建設(shè)與利用尤為重要。而通信基站的建立又是通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，因此對(duì)基站的合理建設(shè)成了迫在眉睫的問(wèn)題。根據(jù)中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司2016年和2017年可持續(xù)發(fā)展報(bào)告顯示，4G基站建設(shè)總數(shù)由2014年72萬(wàn)個(gè)上升到2015年110萬(wàn)個(gè)，再上升到2016年的151萬(wàn)個(gè)。截止2017年底，4G基站總數(shù)已達(dá)到187萬(wàn)個(gè)，覆蓋99%的中國(guó)人口。近四年，集團(tuán)公司耗電總量由2014年176.8億度上升到2015年206.3億度，再到2016年200.1億度和2017年225.7億度，其中2016年能源消耗中不包含已移交中國(guó)鐵塔股份有限公司的空調(diào)、電源等配套設(shè)備的電力等能耗。目前，公司的電費(fèi)成本中，基站電費(fèi)占約70%，基站主要耗電設(shè)備中傳輸與無(wú)線主設(shè)備和基站空調(diào)設(shè)備耗電占基站總耗電的近90%[1]。因此，隨著無(wú)線業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，控制基站電費(fèi)是控制公司用電成本的重要途徑。

移動(dòng)基站以戶外基站為主，基站設(shè)備全天候不停運(yùn)轉(zhuǎn)，因此熱量也是源源不斷產(chǎn)生。在高溫天氣或者太陽(yáng)暴曬時(shí)，基站設(shè)備自身發(fā)熱以及太陽(yáng)輻射傳遞到基站內(nèi)部的熱量使基站的溫度飆升，如無(wú)內(nèi)置空調(diào)，溫度可升高到60 ℃以上，容易引發(fā)高溫警報(bào)，導(dǎo)致基站退服，從而嚴(yán)重影響基站的工作效果及效率。而基站常年適宜溫度應(yīng)為18～28 ℃，空調(diào)是實(shí)現(xiàn)此工作溫度標(biāo)準(zhǔn)的主要途徑。在保證通信正常的前提下，為降低基站內(nèi)設(shè)備因在高溫負(fù)荷下繼續(xù)工作的故障率和損耗率及實(shí)現(xiàn)基站節(jié)省電能減排的目標(biāo)，應(yīng)考慮戶外基站的結(jié)構(gòu)材料是否滿足隔熱的要求。

多孔材料因其內(nèi)部大量氣孔的存在，使得傳熱能通過(guò)氣相實(shí)現(xiàn)，從而降低整體的熱導(dǎo)率，達(dá)到保溫隔熱的效果[2]。軟木的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)便可以作為多孔材料的典型[3]。其結(jié)構(gòu)是由許多呈十四面體的死細(xì)胞組成，細(xì)胞內(nèi)充滿空氣，細(xì)胞壁外面包圍著很多木栓素[4]。細(xì)胞的尺寸構(gòu)造因素和細(xì)胞內(nèi)充滿的氣體是造成軟木導(dǎo)熱系數(shù)較低的主要原因[5]。以歐洲栓皮櫧軟木為例，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.045 W/(m·K)，熱擴(kuò)散率為1×10-6m2/s，是一種優(yōu)良的保溫隔熱材料[6]。對(duì)于軟木來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素很多，除軟木本身的性質(zhì)外，還有傳熱方式和工作環(huán)境等的影響[7]。軟木的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，水、油脂、汽油、有機(jī)溶劑、有機(jī)酸、鹽類酯類等對(duì)它都不起化學(xué)作用[8]。此外，軟木在密封性、耐壓縮性、耐摩擦性、抗靜電性等方面均表現(xiàn)出了良好的性能，加上軟木無(wú)毒、比重小、不易燃和經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種綜合性能良好的材料[9-10]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，軟木制品等效導(dǎo)熱系數(shù)與軟木顆粒的粒度、軟木制品容重以及熱處理時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，因此在生產(chǎn)軟木制品時(shí)要控制相關(guān)影響因素[11]。來(lái)自葡萄牙的隔熱節(jié)能軟木板(ICB)便是由軟木經(jīng)研磨、高溫熏蒸、降溫定型、室外風(fēng)干、打磨切割后制成的天然無(wú)添加產(chǎn)品?；静捎密浤景逋飧哺脑旌罂梢越档突緝?nèi)置空調(diào)的工作負(fù)荷，從而減少其耗電量，保障其運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)能和環(huán)保。

1 測(cè)試對(duì)象與儀器

1.1 測(cè)試對(duì)象

本研究對(duì)象為汕頭市龍湖區(qū)珠池七天基站兩個(gè)完全相同的一體化機(jī)柜和龍湖區(qū)光和街基站及龍湖完美公寓基站的兩個(gè)規(guī)模及內(nèi)置設(shè)備功耗基本相同的簡(jiǎn)易集裝箱式機(jī)房。一體化機(jī)柜無(wú)內(nèi)置空調(diào)，將其中一個(gè)機(jī)柜采用40 mm厚的軟木板進(jìn)行外部包覆改造。改造前機(jī)體厚度為26 mm，改造后機(jī)體厚度為66 mm。其改造前后機(jī)體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一體化機(jī)柜用軟木板改造前后機(jī)體結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)易集裝箱式機(jī)房?jī)?nèi)配置有同品牌同數(shù)量同功率的空調(diào)，將光和街基站處的簡(jiǎn)易集裝箱式機(jī)房采用40 mm厚的軟木板進(jìn)行外部包覆改造，其中房頂在包覆軟木板前鋪設(shè)30 mm×50 mm的木龍骨進(jìn)行找平。改造前墻體厚度為89 mm，改造后墻體厚度為129 mm；改造前房頂厚度為89 mm，改造后房頂厚度為179 mm。其改造前后墻體結(jié)構(gòu)如圖2所示，改造前后房頂結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 簡(jiǎn)易集裝箱式機(jī)房用軟木板改造前后墻體結(jié)構(gòu)

圖3 簡(jiǎn)易集裝箱式機(jī)房用軟木板改造前后房頂結(jié)構(gòu)

1.2 測(cè)試儀器與材料

測(cè)試儀器為無(wú)線GPRS溫濕度變送記錄儀，產(chǎn)地為山東。測(cè)試所用葡萄牙軟木板由AMRIM ICB公司生產(chǎn)，厚度為40 mm，密度為0.118 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.04 W/(m·K)，比熱≥2.0 J/(g·℃)，其使用溫度范圍為-80～140 ℃，在高溫或冷凍條件下性能保持穩(wěn)定，耐候性在60年以上。

2 測(cè)試方法

2.1 測(cè)試原理

本GPRS溫濕度變送記錄儀的測(cè)試原理如圖4所示。位于機(jī)體或墻體上的溫度探頭將溫度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并按照預(yù)定的時(shí)間間隔將其儲(chǔ)存在記錄儀的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，在完成記錄功能后將其聯(lián)接到計(jì)算機(jī)，利用適配軟件將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)提出并按其數(shù)值、時(shí)間進(jìn)行分析。

圖4 GPRS溫濕度變送記錄器的測(cè)試原理框圖

2.2 測(cè)試步驟

(1)將無(wú)線GPRS溫濕度變送記錄儀分別布置在一體化機(jī)柜的柜體和簡(jiǎn)易集裝箱式機(jī)房的墻體上。

(2)測(cè)試期間，設(shè)備通過(guò)GPRS方式定時(shí)報(bào)送溫度測(cè)量結(jié)果，可通過(guò)同步云控通APP遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察，實(shí)現(xiàn)基站內(nèi)部溫度的監(jiān)控。

(3)測(cè)試結(jié)束后，連接記錄儀與計(jì)算機(jī)，利用適配軟件將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)提出并按其數(shù)值、時(shí)間進(jìn)行分析。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 一體化機(jī)柜測(cè)試結(jié)果與分析

以珠池七天基站的兩個(gè)一體化機(jī)柜為試驗(yàn)對(duì)象。一個(gè)一體化機(jī)柜采用天然隔熱節(jié)能軟木板包裹外覆面，另一個(gè)一體化機(jī)柜不采用任何材料包裹外覆面作參考對(duì)象，監(jiān)測(cè)兩基站的智能溫度計(jì)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和對(duì)比分析。

2018年6月至11月間，兩基站內(nèi)溫度變化幅度對(duì)比如圖5所示。

圖5 兩一體化機(jī)柜內(nèi)溫度變化幅度對(duì)比

因一體化機(jī)柜內(nèi)無(wú)內(nèi)置空調(diào)，無(wú)法調(diào)節(jié)內(nèi)部溫度，為判定使用期間其最高溫度是否會(huì)超出相關(guān)限值，引起內(nèi)部設(shè)備的損壞，對(duì)其最高溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。兩基站最高溫度對(duì)比如圖6所示。

圖6 兩一體化機(jī)柜最高溫度對(duì)比

綜合圖5和圖6可知，采用ICB包裹外覆面的基站比不采用任何材料包裹外覆面的基站內(nèi)溫度變化幅度小，平均溫度降低8 ℃左右且總體溫度偏低并控制在40 ℃以下。尤其在6至9月高溫天效果對(duì)比最明顯，無(wú)改造的一體化機(jī)柜最高溫度達(dá)到64.6 ℃，已超出基站設(shè)備承受范圍，導(dǎo)致基站高溫退服，經(jīng)常性發(fā)出高溫預(yù)警，需派駐維護(hù)人員高頻率定期檢查和更換故障設(shè)備。而改造后的一體化機(jī)柜最高溫度只有42.8 ℃，改造后基站不再發(fā)出高溫預(yù)警，無(wú)需人工撐傘或者通過(guò)外部連接風(fēng)扇降溫。這說(shuō)明軟木板具備良好的隔熱性能，能讓基站穩(wěn)定運(yùn)行，減少相關(guān)運(yùn)行成本。

3.2 簡(jiǎn)易集裝箱式機(jī)房測(cè)試結(jié)果與分析

以光和街基站和完美公寓基站的簡(jiǎn)易集裝箱式機(jī)房為試驗(yàn)對(duì)象。對(duì)光和街基站采用天然隔熱節(jié)能軟木板包裹外覆面，直線距離相距350 m的完美公寓基站不采用任何材料包裹外覆面作為參考對(duì)象，監(jiān)測(cè)兩基站的智能溫度計(jì)并進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和對(duì)比分析。

2018年6月至11月間，兩基站內(nèi)溫度變化幅度對(duì)比如圖7所示。由圖7可知，采用軟木板包裹外覆面的光和街基站比不采用任何材料包裹外覆面的完美公寓基站內(nèi)溫度變化幅度小，且總體溫度穩(wěn)定維持在26℃左右。說(shuō)明軟木板的隔熱性能穩(wěn)定，確實(shí)有助于減緩?fù)獠繙囟茸兓瘜?duì)基站空調(diào)運(yùn)行所帶來(lái)的影響，減低空調(diào)的工作負(fù)荷，提高機(jī)房?jī)?nèi)部空調(diào)、電池、基站主設(shè)備的使用壽命。

圖7 兩簡(jiǎn)易集裝箱式機(jī)房?jī)?nèi)溫度變化幅度對(duì)比

4 基站改造前后耗電量對(duì)比分析

以光和街基站的簡(jiǎn)易集裝箱式機(jī)房為試驗(yàn)對(duì)象。采集2017年1月份至2018年12月份間每個(gè)月份基站的用電度數(shù)，其中該站于2018年6月3日完成采用軟木板包裹外覆面的改造。該基站2017年和2018年用電量對(duì)比圖如圖8所示。

該基站在兩年間1～5月平均月度用電量和6-12月平均月度用電量如表1所示。

由圖8可知，光和街在2018年整體的月度用電量比2017年同期下降，這是由于2018年網(wǎng)絡(luò)載波容量?jī)?yōu)化的關(guān)系。由表1可知，2018年網(wǎng)絡(luò)載波容量?jī)?yōu)化使得基站在1～5月度用電量比2017年同期下降了9.45%，而基站在6～12月度用電量比2017年同期下降了23.05%，即光和街基站在使用軟木板改造后月度用電量有13.6%的降幅。這說(shuō)明軟木板可有效降低基站空調(diào)的工作負(fù)荷，尤其在6～10月高溫天，可較大幅度減少基站用電量，降低基站運(yùn)行成本。

圖8 光和街基站2017年和2018年用電量對(duì)比圖

表1 光和街基站2017年和2018年平均月度耗電量

5 結(jié)論

對(duì)于無(wú)內(nèi)置空調(diào)的一體化機(jī)柜基站，采用軟木板改造后，可降低一體化機(jī)柜內(nèi)溫度8 ℃，有效保障基站無(wú)線設(shè)備和傳送網(wǎng)設(shè)備正常運(yùn)行。不因外部溫度過(guò)高而出現(xiàn)高溫告警，增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行可靠性，從而降低基站設(shè)備維修成本，增加設(shè)備使用壽命。

對(duì)于內(nèi)置空調(diào)的簡(jiǎn)易集裝箱式基站，采用軟木板改造的基站比無(wú)軟木板改造的基站的室內(nèi)溫度變化幅度小，溫度穩(wěn)定維持在26 ℃左右，有助于減緩?fù)獠繙囟茸兓瘜?duì)基站空調(diào)運(yùn)行所帶來(lái)的影響，減低基站空調(diào)的工作負(fù)荷，增加機(jī)房?jī)?nèi)部空調(diào)、電池、基站主設(shè)備的使用壽命。

對(duì)于內(nèi)置空調(diào)的簡(jiǎn)易集裝箱式基站，使用軟木板改造后的基站月度耗電量有13.6%的降幅，說(shuō)明軟木板可有效降低基站空調(diào)的工作負(fù)荷，尤其在高溫天氣，可大幅減少空調(diào)耗電量，降低基站運(yùn)行成本。