基于噴淋式液冷技術(shù)的5G BBU節(jié)能研究

蔡貴立，肖 瑋，盧乙彬

（廣東合一新材料研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

為了應(yīng)對5G未來業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)流量的迅猛增長，5G基站建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，而海量數(shù)據(jù)引發(fā)的能耗也必將成倍增長，5G基站將成為一個(gè)高能耗行業(yè)。

作為5G基站重要設(shè)備之一的BBU，BBU設(shè)備功耗大幅增加，由4G時(shí)代的150～300 W增長到5G的 500 ～ 1 200 W[1]。

常規(guī)BBU設(shè)備散熱是利用傳統(tǒng)的空調(diào)制冷送風(fēng)形式，該散熱方式十分成熟，但具有能耗高、出現(xiàn)局部熱點(diǎn)、散熱能力不足等特點(diǎn)。BBU風(fēng)冷機(jī)柜的最佳散熱功率為單柜6 kW，因?yàn)楫?dāng)單柜功率超過6 kW時(shí)，風(fēng)冷散熱能力不足[2]。由于傳統(tǒng)風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)在散熱能力、能量利用效率上面臨瓶頸，近年逐漸興起的液冷系統(tǒng)可有效應(yīng)對此類問題，節(jié)省大量用電。

1 液冷系統(tǒng)的選擇

國際上主推的液冷技術(shù)有3種，分別為噴淋式液冷、浸沒式液冷和冷板式液冷3種，其中噴淋式液冷和浸沒式液冷屬于直接接觸式，冷板式液冷屬于間接接觸式。3種液冷方式中直接接觸式液冷的噴淋式和浸沒式散熱效率優(yōu)于冷板式。目前應(yīng)用于5G BBU產(chǎn)品的液冷方式有噴淋式液冷和浸沒式液冷?；谝韵?個(gè)考慮，5G BBU不適合采用冷板式液冷散熱模式：

（1）5G BBU屬于板卡類設(shè)備，板卡經(jīng)常要在線插拔維護(hù)；

（2）5G BBU設(shè)備高度密集，每塊板卡僅2 cm寬，液冷管道無法安裝固定；

（3）5G BBU的板卡發(fā)熱點(diǎn)分散，不利于冷熱交換冷板的位置選擇。

本文介紹的5G BBU液冷方式采用噴淋式。

2 噴淋式液冷技術(shù)

噴淋式液冷技術(shù)是繼浸沒式、冷板式液冷系統(tǒng)之后的新型液冷系統(tǒng)，借助特制的噴淋板將冷卻液精準(zhǔn)噴灑至發(fā)熱器件，噴淋液冷技術(shù)具有用液量較少、流量控制精確和噴淋結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在大量的實(shí)測、試運(yùn)營中顯示出良好的應(yīng)用潛力[3]。采用噴淋式液冷技術(shù)的BBU系統(tǒng)，PUE值低于1.1，大大降低了用電能耗。

2.1 噴淋式液冷系統(tǒng)

常見BBU噴淋式液冷系統(tǒng)如圖1所示, BBU設(shè)備采用液體冷卻，室外冷卻單元采用空氣冷卻。

圖1 5G BBU噴淋式液冷系統(tǒng)

噴淋式液冷系統(tǒng)主要包括BBU室內(nèi)機(jī)柜和冷卻的配電裝置（Cooling Distribution Unit，CDU）,其中BBU室內(nèi)機(jī)柜主要包括BBU設(shè)備、監(jiān)控單元和儲(chǔ)液箱等，CDU主要包括循環(huán)泵、過濾器、換熱器、電氣控制單元、傳感器等，如圖2，圖3所示。常用單臺(tái)BBU機(jī)柜共有10臺(tái)BBU設(shè)備，IT總功率為6～12 kW。

圖2 5G BBU室內(nèi)機(jī)柜外形圖

圖3 CDU外形圖

接通電源，系統(tǒng)開始工作，儲(chǔ)液箱的冷卻液被循環(huán)泵送入過濾器進(jìn)行過濾，被過濾后的冷卻液進(jìn)入風(fēng)冷散熱器進(jìn)行冷卻，之后進(jìn)入BBU機(jī)柜內(nèi)的主進(jìn)液管路，之后通過分液管路分配到上下兩層BBU機(jī)框的噴淋板。液體通過噴淋板上的小孔噴出，通過豎直擺放的BBU上側(cè)蜂窩孔，進(jìn)入BBU 機(jī)箱內(nèi)；BBU機(jī)箱內(nèi)置一塊分液板，按配置和負(fù)載二次分配冷卻液，使適量冷卻液從板卡表面流過，帶走熱量。加熱之后的冷卻液匯集于機(jī)框底部，并通過重力作用匯聚至機(jī)柜下部的儲(chǔ)液箱。儲(chǔ)液箱中的冷卻液再次通過循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)[4]。

2.2 BBU設(shè)備液冷結(jié)構(gòu)

BBU設(shè)備液冷結(jié)構(gòu)為噴淋式液冷技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，BBU設(shè)備由橫裝改成豎裝，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備同時(shí)噴淋，冷卻液覆蓋全部發(fā)熱器件，換熱效果顯著。

圖4 豎裝液冷BBU圖

BBU機(jī)柜設(shè)置上下兩個(gè)噴淋插框，每個(gè)噴淋插框都含有一套豎裝的19inch支架，BBU設(shè)備豎裝在噴淋插框內(nèi)。每個(gè)插框可以安裝5臺(tái)BBU設(shè)備。

BBU設(shè)備內(nèi)的風(fēng)扇模塊被拆除，替換為相應(yīng)的布液盒，每臺(tái)BBU上面都設(shè)有噴淋板，冷卻液從噴淋板內(nèi)流出，到布液盒內(nèi)，在通過布液盒內(nèi)對應(yīng)板卡的開孔通過重力流出，精準(zhǔn)帶走板卡內(nèi)的熱量[5]。

2.3 冷卻液

噴淋式液冷技術(shù)的冷卻液直接與電子設(shè)備接觸并進(jìn)行熱交換，冷卻液的性質(zhì)直接影響系統(tǒng)的傳熱效率及運(yùn)行可靠性。噴淋式液冷系統(tǒng)的冷卻液一般具備以下特性。

（1）安全性：冷卻液安全、無腐蝕、微毒或無毒、不易燃、不易揮發(fā)的特性。

（2）熱力學(xué)性能：冷卻液作為傳熱介質(zhì)具備良好的熱力學(xué)性能（如高導(dǎo)熱率、大比熱容、低黏度等）、

（3）穩(wěn)定性：冷卻液在設(shè)定的運(yùn)行環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性，正常使用壽命不小于10年。

（4）絕緣性：冷卻液應(yīng)具有一定的絕緣性且不易溶解其他導(dǎo)電物質(zhì)，通常冷卻液在實(shí)際使用的工況下?lián)舸╇妷翰坏陀?5 kV/2.5 mm。

（5）材料兼容性：冷卻液不應(yīng)對電子信息設(shè)備上所使用的主要材料造成不良影響。使用過程中，盡量避免選擇可能因皮膚接觸而產(chǎn)生毒理學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)，同時(shí)需考慮到冷卻液的環(huán)保特性能夠符合當(dāng)?shù)氐姆煞ㄒ?guī)。

2.4 工作環(huán)境

設(shè)備工作環(huán)境參數(shù)要求如表1所示。

表1 設(shè)備工作環(huán)境參數(shù)要求

3 節(jié)能對比

噴淋式液冷技術(shù)充分利用自然冷源進(jìn)行冷卻，不使用常規(guī)空調(diào)的壓縮制冷，大大降低用電能耗?，F(xiàn)以風(fēng)冷式BBU和噴淋液冷BBU兩種方式進(jìn)行對比如表2所示。

表2 風(fēng)冷式BBU和噴淋液冷BBU兩種方式對比

由表2看出，相對于常規(guī)風(fēng)冷技術(shù)，采用噴淋式液冷技術(shù)的BBU機(jī)柜節(jié)電明顯，全年節(jié)電量75 774 kW·h，節(jié)電率達(dá)到48.05%，主要原因是兩方面：一方面利用自然冷源，大大降低PUE；另一方面，拆除BBU設(shè)備原有風(fēng)扇，降低用電量。

4 結(jié) 論

5G技術(shù)發(fā)展迅猛，5G基站的處理能力要求越來越高，設(shè)備發(fā)熱量和熱流密度大為提升，導(dǎo)致電力消耗成倍增長。面對越來越高的BBU散熱要求，傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)瓶頸凸顯，而噴淋式液冷技術(shù)在BBU設(shè)備的應(yīng)用，一方面大幅度降低設(shè)備用電，另一方面能解決熱流密度大和局部熱點(diǎn)的問題，助力5G業(yè)務(wù)的發(fā)展。