自清潔新風(fēng)在5G基站的節(jié)能應(yīng)用

孫文超 陳 童 馬小芮

中國鐵塔股份有限公司上海市分公司

0 節(jié)能減排的背景和意義

隨著5G建設(shè)的快速發(fā)展，5G基站的數(shù)量也急劇增加，但5G基站單站能耗是4G的2倍以上，如何實(shí)現(xiàn)低成本建站、安全高效運(yùn)營、降低網(wǎng)絡(luò)能耗已成為急待解決的問題，目前無機(jī)房、少空調(diào)、去空調(diào)的建設(shè)模式已成為主流。從該理念出發(fā)，本文研發(fā)了一款自清潔新風(fēng)系統(tǒng)，最大限度地利用自然冷源，在夏季保證鐵鋰電池和通信設(shè)備的安全工作溫度，此外，還實(shí)現(xiàn)了無機(jī)房和去空調(diào)化，顯著降低了能源消耗，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的有效方法。

1 目前機(jī)房節(jié)能減排主要方法和使用情況

機(jī)房耗電主要有設(shè)備、開關(guān)、空調(diào)三部分，用電比例約為5∶1∶4。2007年起三大運(yùn)營商對自有機(jī)房進(jìn)行了各種節(jié)能減排改造：如采用高效的電源模塊，使用熱交換、熱管空調(diào)，使用智能新風(fēng)、卷軸新風(fēng)等實(shí)現(xiàn)機(jī)房內(nèi)外熱量交換，從而實(shí)現(xiàn)減少空調(diào)使用的目的［1］。

1.1 熱交換

熱交換是將室內(nèi)外冷熱空氣通過鋁箔熱交換芯體進(jìn)行熱量交換，其優(yōu)點(diǎn)是室內(nèi)外空氣完全隔絕，機(jī)房無灰塵和有害氣體。

影響熱交換使用的原因：

1）室外側(cè)鋁箔由于灰塵較多，外側(cè)通道被堵塞且難以清理，隨著時間的推移，最后基本無換熱效果。

2）熱交換芯體體積大，占用空間多且安裝麻煩，很多機(jī)房無足夠安裝的空間。

3）熱交換能效比較低，在室內(nèi)外溫差小于10℃時，能效比為8左右，小于5℃時，能效比小于4，基本無節(jié)能。對一些小型的、全年只有在外溫超過25℃時才開空調(diào)的基站，使用熱交換技術(shù)基本無節(jié)能效果。

4）熱交換室外進(jìn)風(fēng)口常被楊絮、柳絮堵塞，需定期維護(hù)，否則換熱效率很低。

5）產(chǎn)品造價高，投資回收周期約4年。

1.2 熱管空調(diào)

熱管空調(diào)是特殊冷媒遇冷液化后，液體通過重力下流至機(jī)房，再在機(jī)房氣化吸熱，將熱量通過冷媒運(yùn)到室外側(cè)的一種超導(dǎo)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是室內(nèi)外完全隔絕，不會給機(jī)房帶來灰塵和有害氣體。

影響熱管空調(diào)使用的原因：

1）由于熱管空調(diào)是通過冷媒在重力作用下往下流動，所以室外機(jī)一般安裝在機(jī)房頂部。與空調(diào)室外機(jī)一樣，熱管空調(diào)室外機(jī)也需定期對換熱翅片進(jìn)行清理，清理不但困難，且費(fèi)用較高。

2）熱管空調(diào)能效比較低，在室內(nèi)外溫差小于10℃時，能效比為8左右，小于5℃時，能效比小于4，基本無節(jié)能。對一些小型的、全年只有在外溫超過25℃時才開空調(diào)的基站，使用熱管空調(diào)，基本無節(jié)能效果。

3）產(chǎn)品造價高，投資回收期約5年。

1.3 智能新風(fēng)

智能新風(fēng)是通過風(fēng)機(jī)將室外溫度較低的空氣經(jīng)過過濾后引入機(jī)房，再將機(jī)房內(nèi)的高溫空氣通過專用的排風(fēng)孔排出從而實(shí)現(xiàn)機(jī)房降溫的目的，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)房降溫快，能效比較高，一般超過20［2］。

影響智能新風(fēng)使用的原因：

維護(hù)太頻繁：由于將室外空氣引入機(jī)房須經(jīng)過高等級過濾網(wǎng)將空氣過濾，而空氣中灰塵粒子太多，故一般智能新風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)500 h左右時過濾網(wǎng)就會被堵死從而影響新風(fēng)功能。

1.4 卷軸新風(fēng)

卷軸新風(fēng)是在傳統(tǒng)新風(fēng)的基礎(chǔ)上將單片過濾網(wǎng)升級為多幅無紡布過濾網(wǎng)，系統(tǒng)根據(jù)濾網(wǎng)壓差信號判定濾網(wǎng)堵塞情況，并自動卷起臟的過濾網(wǎng)，更換新的過濾網(wǎng)。

影響卷軸新風(fēng)使用的原因：

卷軸新風(fēng)配有多幅無紡布過濾網(wǎng)（一般6～12幅），為滿足機(jī)房潔凈度要求，過濾網(wǎng)厚度一般為1 cm，這就要求儲料箱和廢料箱體積增大，尺寸達(dá)600 x 1 200 x 600 mm，為傳統(tǒng)新風(fēng)的2倍，使機(jī)房安裝受限。此外，由于卷軸新風(fēng)過濾網(wǎng)為平鋪結(jié)構(gòu)，單片過濾網(wǎng)面積較褶皺過濾網(wǎng)面積縮小約1/2，即使安裝12幅過濾網(wǎng)，也只相當(dāng)于6幅褶皺過濾網(wǎng)，新風(fēng)年運(yùn)行時長約3 000 h，需要更換6次褶皺過濾網(wǎng)，卷軸新風(fēng)雖將傳統(tǒng)2個月維護(hù)一次延長至1年維護(hù)一次，但12幅過濾網(wǎng)，更換流程極為復(fù)雜，需拆開整個系統(tǒng)內(nèi)部拆除老舊過濾網(wǎng)，手動纏繞新濾網(wǎng)，耗時耗材，所以很多運(yùn)營商在使用1年卷軸新風(fēng)系統(tǒng)后，基本不再維護(hù)，停止運(yùn)行了。

2 節(jié)能減排產(chǎn)品研究方向

綜合上述幾種節(jié)能減排技術(shù)，熱交換、熱管空調(diào)由于能效比較低、維護(hù)頻繁、投資回收周期長等原因，突破難度較大，而智能新風(fēng)較易升級改造，是節(jié)能研究的新方向。

3 自清潔新風(fēng)設(shè)計分析

3.1 新型過濾網(wǎng)選擇

傳統(tǒng)智能新風(fēng)一般采用兩級過濾，第一級為不銹鋼防蟲網(wǎng)，主要阻擋楊柳絮、小動物等進(jìn)入機(jī)房，第二級采用G4級無紡布過濾網(wǎng)，主要阻擋空氣灰塵粒子，兩級過濾網(wǎng)堵塞是重點(diǎn)要解決的問題。

第一級不銹鋼防蟲網(wǎng)可通過轉(zhuǎn)刷定期清理方式解決，第二級無紡布過濾網(wǎng)由于無紡布表面纖維易和灰塵及水凝結(jié)在一起，無法采用刷子方式清理干凈，故需對過濾網(wǎng)材質(zhì)進(jìn)行更換。經(jīng)上海鐵塔公司多次試驗(yàn)，最終選用1 cm厚的且不易和灰塵、水結(jié)成殼的無纖維高效聚氨酯材料做過濾棉，該過濾棉過濾效率達(dá)95%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)無紡布過濾棉。

3.2 新型風(fēng)機(jī)選擇

風(fēng)機(jī)大體可分為軸流風(fēng)機(jī)、后傾葉離心風(fēng)機(jī)、前傾葉離心風(fēng)機(jī)3類，優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 風(fēng)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對比表

由于基站潔凈度G4級過濾網(wǎng)的初始壓強(qiáng)約80 Pa，故智能新風(fēng)不可使用軸流風(fēng)機(jī)。后傾葉離心風(fēng)機(jī)可抗200 Pa風(fēng)壓，為當(dāng)下基站主用。前傾葉風(fēng)機(jī)由于功率大，主要用于過濾等級更高的機(jī)房，前傾葉風(fēng)機(jī)安裝示意圖如圖1所示。

圖1 前傾葉風(fēng)機(jī)安裝示意圖

3.3 自清潔方式設(shè)計

聚氨酯棉是平板式過濾棉，不親水，長期使用灰塵會堆積在表面及內(nèi)部，傳統(tǒng)毛刷只可清除表面灰塵，無法清理到內(nèi)部，內(nèi)部需專用的大功率負(fù)壓吸塵器處理。吸塵器吹灰過程中同時吹掉了第一級過濾網(wǎng)上堆積的灰塵，從而實(shí)現(xiàn)兩級功率的同時清潔。

3.4 自清潔新風(fēng)設(shè)備的組成

自清潔新風(fēng)設(shè)備主要包括進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、自清潔室外雨棚、排風(fēng)雨棚、控制器。自清潔室外雨棚包括兩級過濾網(wǎng)及吸塵器，該設(shè)計大大減小了占地空間，使新風(fēng)系統(tǒng)可在任何基站安裝。自清潔新風(fēng)濾網(wǎng)示意圖如圖2所示。

圖2 自清潔新風(fēng)濾網(wǎng)示意圖

4 自清潔新風(fēng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

目前安裝的站點(diǎn)，基站電流從20 A到180 A不等，上海鐵塔公司抽取了500個基站及500個機(jī)柜，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2和表3。

表2 基站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 機(jī)柜實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

5 機(jī)柜散熱新思路

上?；疽粋€站點(diǎn)通常包括設(shè)備柜和電源柜。由于設(shè)備柜內(nèi)無電池，故此類站點(diǎn)在機(jī)柜內(nèi)部大氣流通的情況下，即使夏季室外溫度有40℃，如保持機(jī)柜內(nèi)部溫度45℃以下、主設(shè)備核心溫度65℃以下時，設(shè)備仍可正常運(yùn)行，即新風(fēng)系統(tǒng)可替代空調(diào)使用。上海鐵塔公司目前已完成2 293個站點(diǎn)的改造，改造后機(jī)柜出現(xiàn)高溫次數(shù)同比下降88.48%，單站能耗下降31.01%，全年累計節(jié)電718萬kWh。

6 結(jié)論

1）自清潔新風(fēng)系統(tǒng)通過內(nèi)置吸塵器可代替手動維護(hù)工作，實(shí)現(xiàn)免人工維護(hù)。

2）自清潔機(jī)柜新風(fēng)可代替空調(diào)，且設(shè)備零部件少，殘次率低，是節(jié)能減排的有效手段。

3）基站新風(fēng)空調(diào)聯(lián)動運(yùn)行可大幅減少空調(diào)使用時間，節(jié)能的同時延長了空調(diào)使用壽命和維護(hù)周期。