雙碳目標達成與移動通信基站節(jié)能減排技術(shù)的探索

安濤，何明憲

（摩比天線技術(shù)（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

據(jù)工信部相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2021 年11 月底，我國基站數(shù)量超過1 000 萬座（其中5G 基站已經(jīng)建成139萬座），到2025 年5G 基站數(shù)量預計會達到800 萬座（圖1 為我國新建5G 基站數(shù)量預測，引自觀研天下網(wǎng)站數(shù)據(jù)）。

圖1 我國新建5G基站數(shù)量預測（單位：萬站）

據(jù)中國能源報預測，5G 基站的用電量將由2020 年的不足200 億千瓦時迅速攀升至2025 年的3 500 億千瓦時左右，基站高能耗已經(jīng)引起廣泛關(guān)注。

一般基站設(shè)備放置在機房或者機柜中，主要采用空調(diào)進行降溫，確保設(shè)備運行環(huán)境能夠保持在25℃范圍的理想環(huán)境中，根據(jù)相關(guān)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，來自于空調(diào)部分的能耗約占基站整體能耗的40% 以上（其余部分為戶外放置射頻單元產(chǎn)生功耗）。在實際環(huán)境中，機房或機柜本身暴漏在戶外，頂部、側(cè)面均會吸收較多熱量，在遇到高溫天氣時內(nèi)部溫度波動變化，加上基站設(shè)備自身功耗導致的散熱產(chǎn)生能耗（基帶單元能耗），使得空調(diào)壓縮機連續(xù)高功率運轉(zhuǎn)，從而導致空調(diào)能耗居高不下，進而影響到基站整體處于高功耗運行。

1 移動通信基站節(jié)能減排技術(shù)對比

目前基站節(jié)能減排技術(shù)主要有針對基站設(shè)備能耗的主動節(jié)能和涉及空調(diào)能耗的被動節(jié)能兩種。

在主動節(jié)能方面，主要是“基站智能關(guān)斷”，例如通過為基站設(shè)備加入高效率高集成度器件、采用通道關(guān)斷及深度休眠等節(jié)能技術(shù)方案，達到節(jié)能減排目的，這種方式需要主設(shè)備廠家在生產(chǎn)設(shè)備前增加相關(guān)生產(chǎn)成本，最終也會大幅增加5G 基站建設(shè)投資成本。

在被動節(jié)能方面，一般有“地埋降溫”，例如新建設(shè)鐵塔鋼樁地下通信機房，或采用為戶外移動通信基站增加遮陽棚、做表面處理反射太陽熱能的方式，降低熱能影響導致空調(diào)能耗問題，達到節(jié)能減排目的，從表1中的移動通信基站節(jié)能減排技術(shù)對比情況，可以看出目前主動節(jié)能成本偏高、節(jié)電效果一般。

表1 移動通信基站節(jié)能減排技術(shù)對比表

2 零能耗“新材料”被動式節(jié)能方案

業(yè)界現(xiàn)有移動通信基站節(jié)能減排技術(shù)大部分還都是基于解決熱源、降低溫度的考慮。對于主動式方案，雖效果明顯，但需要付出高昂成本，還要附加能耗代價；對于被動式方案，部分技術(shù)方案成本高，效果雖明顯，但也需付出能耗代價。還會有部分技術(shù)方案雖然可以實現(xiàn)零能耗，但對于存量站的應(yīng)用受限。因此引入一種零能耗的、能夠達到更佳節(jié)能效果的被動節(jié)能技術(shù)方案有著更深的意義。

2.1 散熱降溫節(jié)能的方式

熱力學中典型的散熱方式（如圖2、表2）有“熱傳導”、“熱對流”、“熱輻射”3 種，這些方式都可以將熱能在物體間進行交換，從而達到降溫目的，但這些方式有著各自特點、適用場景有也所區(qū)別。

表2 主要散熱方式對比表

圖2 熱力學中3種典型的散熱方式

2.2 零能耗“新材料”特性

從3 種典型的散熱方式特性來看，采用“熱輻射”特性可在不額外加入或改變介質(zhì)特性的條件下，利用溫度差產(chǎn)生的輻射來實現(xiàn)熱交換，從而降低實施成本，可控性更高。

相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，8～13 μm 波長的紅外線通過大氣窗口時能量譜最高達到150 W/m2，如圖3 所示，可根據(jù)這種特性應(yīng)用在被動式降溫材料上，例如利用硅體微元素特性+超薄金屬膜的柔性高分子架構(gòu)，分別從增加紅外光譜發(fā)射率、降低太陽光譜吸收率的角度出發(fā)，做成零能耗“新材料”，增加節(jié)能效果。

圖3 太陽輻射能量與理想紅外發(fā)射體輻射能量對比圖

2.3 零能耗“新材料”應(yīng)用探索

（1）理論仿真情況

根據(jù)移動通信基站常用戶外機房類型，采用自身材料結(jié)構(gòu)為彩鋼板的模型進行建模仿真，研究零能耗“新材料”的效果。模型邊界條件中，尺寸選取6 m（長）×4 m（寬）×3 m（高），內(nèi)熱源采用300 W 能耗，此處重點仿真模型溫度的變化（不考慮空調(diào)控溫因素），太陽輻照溫度數(shù)據(jù)采用西安地區(qū)一年數(shù)據(jù)，使用EnergyPlus 軟件建模。為增加可對比性，將業(yè)界已經(jīng)采用過的被動式節(jié)能降溫材料技術(shù)方案同時進行仿真對比，如圖4、表3 及圖5 所示。

圖4 西安地區(qū)太陽輻照及環(huán)境溫度統(tǒng)計

圖5 不同被動式節(jié)能降溫材料理論仿真溫度變化圖

表3 不同被動式節(jié)能降溫材料理論測算對熱能影響數(shù)據(jù)表

從仿真結(jié)果來看，零能耗“新材料”應(yīng)用后對“太陽能反射率”、“紅外發(fā)射率”最高，在溫度變化上比不做任何處理情況下的外頂溫度平均下降30℃、內(nèi)部溫度平均下降12℃，整體效果也是現(xiàn)有技術(shù)方案中最佳的。

（2）實際應(yīng)用情況

根據(jù)仿真，選擇西安地區(qū)為代表的兩個移動通信機房（工況參數(shù)接近的彩鋼板機房），應(yīng)用零能耗“新材料”進行實際實施驗證，相關(guān)參數(shù)如表4 所示：

表4 試點站點工況表

1）選用測試設(shè)備，如表5 所示。

表5 測試設(shè)備表

2）設(shè)備安裝位置，如圖6 所示：

圖6 測試設(shè)備位置示意圖

①外頂溫度測點

位于屋頂外表面中心位置，用于監(jiān)測屋面材料的表面溫度。

②室內(nèi)空氣溫度測點

位于機房內(nèi)中心位置距離地面2 m 高度處，用于監(jiān)測室內(nèi)空氣溫度及波動。

③環(huán)境溫度測點

位于機房附近陰涼通風處，用于監(jiān)測機房所在位置的室外空氣溫度。

④太陽總輻射傳感器

位于屋頂并保持水平放置，同時應(yīng)避免受到周圍環(huán)境的遮擋，其主要用于監(jiān)測當?shù)氐膶崟r太陽輻照數(shù)據(jù)，結(jié)合測得的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，可判斷試驗期間的天氣情況（如陰、晴、雨等）。

⑤三相功率計霍爾傳感器

分別接在空調(diào)和直流電源柜的供電線路上，用于監(jiān)測空調(diào)和直流電源柜的電功率及累計耗電量。功率計采樣間隔為1 分鐘，根據(jù)功率計記錄的空調(diào)瞬時電功率來判斷空調(diào)啟停狀態(tài)，進而用于統(tǒng)計空調(diào)運行時間，應(yīng)用前后情況如圖7 所示：

圖7 試驗期間的太陽輻照強度和環(huán)境溫度

3）實施效果

①外頂降溫效果

試驗機房應(yīng)用前后外頂降溫幅度可達26.2℃，降溫效果顯著，如圖8 所示：

圖8 對比機房（左）和試驗機房（右）外頂溫度

②室內(nèi)空氣降溫效果

試驗機房在應(yīng)用零能耗“新材料”方案后，溫度波動由2.5℃降至0.5℃～1.2℃，改善了空調(diào)的控溫效果，從而可改善基站設(shè)備熱工環(huán)境，提高基站工作可靠性、降低基站故障率和退服率，如圖9 所示。

圖9 對比機房（左）和試驗機房（右）室內(nèi)空氣溫度

③空調(diào)運行時間及耗電量變化

由于天氣變化原因，對比機房的空調(diào)運行時間從空白試驗的5 352 分鐘降至第二階段試驗的4 693 分鐘，故可得天氣因素對空調(diào)運行時間的校正因子k1為：

其中TB,before和TB,after分別為對比機房前后兩個試驗階段的空調(diào)運行時間。故試驗機房應(yīng)用零能耗“新材料”方案后，空調(diào)運行時間減少的百分比可計算為：

其中TA,before和TA,after分別為試驗機房前后兩個試驗階段的空調(diào)運行時間。故由計算可得，在相同天氣條件下，試驗機房空調(diào)運行時間（表6 所示）在應(yīng)用零能耗“新材料”方案后可減少21.3%，從而可延長空調(diào)使用壽命，降低空調(diào)故障率。

表6 對比機房及試驗機房的空調(diào)運行時間

④空調(diào)耗電量

各階段起始時刻空調(diào)耗電量均初始化為0，試驗8 天內(nèi)空調(diào)的累計耗電量，曲線的斜率代表空調(diào)耗電功率的大小。從圖中可以看出在空白試驗階段，試驗機房的耗電量曲線的斜率明顯比對比機房大，兩機房的累計耗電量差值隨時間推移不斷擴大，8 天累計相差152 kWh；而試驗機房應(yīng)用零能耗“新材料”方案后，兩機房的累計耗電量曲線基本比較接近，8 天累計相差僅18 kWh，由圖10 及表7 統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見零能耗“新材料”方案大幅降低了機房制冷負荷。

圖10 試驗機房和對比機房空調(diào)累計耗電量曲線

表7 試驗機房和對比機房空調(diào)累計耗電量數(shù)據(jù)

由于天氣變化原因，對比機房的空調(diào)累計耗電量從空白試驗的235.6 kWh 降至第二階段試驗的188.9 kWh，故可得天氣因素對空調(diào)累計耗電量的校正因子k2為：

其中QB,before和QB,after分別為對比機房前后兩個試驗階段的空調(diào)累計耗電量。故試驗機房應(yīng)用零能耗“新材料”方案后，空調(diào)節(jié)電率可計算為：

其中QA,before和QA,after分別為試驗機房前后兩個試驗階段的空調(diào)累計耗電量。故由計算可得，在相同天氣條件下，試驗機房在應(yīng)用零能耗“新材料”方案后可節(jié)電33.4%，日均節(jié)電約13 度（轉(zhuǎn)供電0.9 元/度）。

4）全年經(jīng)濟收益測算

根據(jù)實驗來看，機房空調(diào)節(jié)電率33.4% 及節(jié)電量約13 度/ 天，均為西安9 月份試驗數(shù)據(jù)，而天氣條件（如太陽輻照和環(huán)境溫度）對結(jié)果有一定影響，因此預估全年節(jié)電及空調(diào)運行時間時，需考慮這兩方面因素影響。結(jié)合當?shù)貧庀笄闆r，西安機房空調(diào)全年開啟時間按4-10 月（214 天）計算。根據(jù)中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室和清華大學合作編制的氣象數(shù)據(jù)源，西安4-10 月份月均太陽輻照總量比9 月份增長44%，平均氣溫增長約5%，綜合增長約50%，具體詳見表8：

表8 西安太陽輻照總量及平均氣溫

因此零能耗“新材料”方案應(yīng)用后所帶來的經(jīng)濟收益可按以下三方面進行評估：

①節(jié)省電費

4-10 月的日均空調(diào)節(jié)電量為13×150%=19.5 kWh/天，按轉(zhuǎn)供電價0.9 元/kWh 計算，合計節(jié)省電費19.5×214×0.9=3756 元/年。

②節(jié)省折舊費

全年空調(diào)運行時間減少率為21.3%×150%=32%。機房空調(diào)按購入價格7 000 元/ 臺，使用壽命6 年計算，則應(yīng)用零能耗“新材料”方案前空調(diào)每年折舊費為7000/6=1167 元/ 年；應(yīng)用后空調(diào)使用壽命可延長為6/(1-0.32)=8.8 年，折舊費為7000/8.8=793 元/ 年，即空調(diào)折舊費減少374 元/年。

③節(jié)省維護費

減少空調(diào)運行時間在延長空調(diào)使用壽命的同時，可降低空調(diào)壓縮機等部件的故障率以及降低空調(diào)制冷劑補充頻次，從而降低空調(diào)維護費用。未應(yīng)用零能耗“新材料”方案前，按空調(diào)維修頻次6 次/年，維修費按300 元/次計算，則維修費約1 800 元/年；應(yīng)用后維修頻次按3 次/年計算，則維修費約900 元/年，累計減少維護費用約900 元/年。

綜上，機房試驗后可減少空調(diào)電費3 756 元/ 年，減少空調(diào)折舊費374 元/年，減少空調(diào)維護費用900 元/年，合計5 030 元/年。

3 未來應(yīng)用及發(fā)展展望

本文提出的采用非空調(diào)制冷、降低并控制移動通信基站機房或機柜整體溫度的技術(shù)方案，可以節(jié)約能耗、節(jié)省運營商的OPEX 開支，在移動通信基站的節(jié)能減排領(lǐng)域，為國家“雙碳”目標的達成，提供了一種更好的技術(shù)方案探索和選擇。