通信戶外機(jī)柜用溫控設(shè)備節(jié)能措施及運(yùn)行效果分析

崔四齊，張 毅，白 靜，楊涵斐，許 闖，關(guān)斯?jié)?，范惠?/p>

（中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450007）

0 引言

2020 年我國通信基站耗電量高達(dá)465.8 億kW·h，尤其是2019 年5G 商用后，大規(guī)模部署的5G 基站所帶來的能耗增速更快［1-2］。而溫控系統(tǒng)的能耗占基站總能耗的40%以上，少數(shù)基站、數(shù)據(jù)中心甚至達(dá)到了60%。由于三大運(yùn)營商整合后基站減頻共站，對2G 和3G 網(wǎng)絡(luò)減頻退服、對4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)共站，使得基站機(jī)柜內(nèi)通信設(shè)備增多、負(fù)荷增大。5G 通信設(shè)備功率是4G 的3～5倍，4G 到5G 的轉(zhuǎn)變，使得基站機(jī)柜內(nèi)發(fā)熱量增大，且基站柜內(nèi)氣流組織分布不合理，冷量利用不充分，導(dǎo)致通信基站機(jī)柜內(nèi)環(huán)境溫度控制效果不佳，通信設(shè)備頻繁高溫報警［3-5］。因此，降低通信機(jī)柜溫控能耗，提高通信機(jī)柜溫控效果已成為通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展通信基站、數(shù)據(jù)中心的節(jié)能冷卻技術(shù)研究。石文星等［4］闡述熱管/蒸氣壓縮復(fù)合制冷技術(shù)的工作原理與節(jié)能機(jī)制，并將開發(fā)的熱管/蒸氣壓縮空調(diào)機(jī)組在全國南北多個基站中進(jìn)行長期試點(diǎn)應(yīng)用。吳銀龍等［5］設(shè)計了1 套用于基站的分離式重力熱管蒸氣壓縮復(fù)合式空調(diào)，并對其性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。魯祥友等［6］提出了一種應(yīng)用于農(nóng)村通信基站散熱的銅/甲醇回路熱管（LHP）裝置，試驗(yàn)研究了不同布置方式、不同充液率以及不同空氣流速下LHP 的換熱特性。張海南等［7］提出一種新型機(jī)械制冷/回路熱管一體式機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，并利用焓差實(shí)驗(yàn)臺對系統(tǒng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。馬國遠(yuǎn)等［8］對某小型數(shù)據(jù)中心散熱用泵驅(qū)動回路熱管換熱機(jī)組的運(yùn)行性能進(jìn)行研究，擬合出其換熱特性曲線，并通過擬合曲線對其進(jìn)行節(jié)能性分析。張泉等［9］分析了充液率對基站用微通道分離式熱管性能的影響，以及不同風(fēng)量，不同室外溫度下的最佳充液率范圍。金鑫等［10］利用CFD 技術(shù)優(yōu)化了基站內(nèi)的氣流組織形式，研發(fā)了基站用微通道型分離式熱管，并對冷卻系統(tǒng)的COP 和節(jié)電率進(jìn)行了試驗(yàn)研究。盧大為等［11］總結(jié)了數(shù)據(jù)中心用回路熱管空調(diào)系統(tǒng)最新研究進(jìn)展。劉宇軒等［12］開發(fā)了一種可變風(fēng)道自然冷源-壓縮機(jī)機(jī)房空調(diào)，并就其中的工作模式進(jìn)行了工程試驗(yàn)。CHOI 等［13］研究了一種應(yīng)用于通信基站的混合冷卻系統(tǒng)，針對不同的室外溫度采用不同的空調(diào)制冷模式，并對比了混合制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)的COP。MAEDA 等［14］研究了以空調(diào)制冷系統(tǒng)為主要冷卻系統(tǒng)，自然循環(huán)作為預(yù)冷系統(tǒng)的混合制冷系統(tǒng)，并應(yīng)用在通信基站中進(jìn)行試驗(yàn)研究。RYU 等［15］對25 個基站進(jìn)行了大量的熱值和電荷測試，對比安裝智能控制系統(tǒng)前后的數(shù)據(jù)，分析了基站能耗。由上述國內(nèi)外文獻(xiàn)可知，針對通信戶外機(jī)柜全年冷卻，目前國內(nèi)外常采用以下3 種解決方案：（1）采用自然冷量為主、機(jī)械制冷為輔的冷卻方案，機(jī)械制冷設(shè)備優(yōu)先運(yùn)行，當(dāng)室外溫度較低時，采用自然冷源引入自然新風(fēng)。該方案能夠大幅度地減少機(jī)械制冷設(shè)備運(yùn)行時間，節(jié)能效果顯著，但設(shè)備運(yùn)行維護(hù)不方便，需要定期更換過濾網(wǎng)，運(yùn)行維護(hù)成本增加。另外，由于引入室外新風(fēng)，導(dǎo)致基站柜內(nèi)潔凈度超標(biāo)，灰塵進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)設(shè)備，嚴(yán)重影響設(shè)備散熱，且具有腐蝕性的灰塵損壞電子器件。（2）采用熱管冷卻技術(shù)，該方案在室外溫度較低時有良好的效果，但在夏季采用熱管冷卻，不能滿足基站機(jī)柜對冷負(fù)荷的需求。（3）采用熱管為主、機(jī)械制冷設(shè)備為輔的冷卻方案，該方案在滿足基站機(jī)柜溫度控制要求的同時，柜內(nèi)潔凈度高，且節(jié)能性較好，但其控制策略較為復(fù)雜，初投資較高。但是，眾多學(xué)者還在進(jìn)行模擬及試驗(yàn)研究，缺少實(shí)際應(yīng)用，以及針對通信戶外機(jī)柜的冷卻方案研究。本研究基于目前鄭州通信戶外機(jī)柜溫控設(shè)備存在的問題，設(shè)計開發(fā)出以熱管為主、空調(diào)為輔的溫控系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)地全年性能測試。

1 通信戶外機(jī)柜用溫控設(shè)備工作原理

通信戶外機(jī)柜用溫控設(shè)備工作原理如圖1所示。

溫控設(shè)備采用熱管為主，空調(diào)系統(tǒng)為輔的設(shè)計方案，能夠減少壓縮機(jī)運(yùn)行時間，降低能耗，熱管與蒸汽壓縮式空調(diào)工作回路相互獨(dú)立，熱管工質(zhì)依靠重力作用循環(huán)，蒸汽壓縮式空調(diào)工質(zhì)依靠壓縮機(jī)驅(qū)動循環(huán)。風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)采用下送上回、高風(fēng)速、內(nèi)循環(huán)氣流方式，熱管蒸發(fā)端和蒸汽壓縮式空調(diào)蒸發(fā)器在設(shè)備集成箱內(nèi)風(fēng)道串聯(lián)，共用1 臺高風(fēng)速EC 管道風(fēng)機(jī)，首先柜內(nèi)高溫空氣通過熱管蒸發(fā)端換熱器進(jìn)行第1 次冷卻，然后通過空調(diào)蒸發(fā)器進(jìn)行第2 次冷卻，經(jīng)過冷卻的低溫空氣進(jìn)入柜內(nèi)與通信設(shè)備換熱變成高溫空氣，再進(jìn)行冷卻，依次循環(huán)。采用此種氣流形式優(yōu)化機(jī)柜內(nèi)氣流組織有以下優(yōu)勢：（1）下送上回的氣流形式使得機(jī)柜內(nèi)氣流形成冷熱分區(qū)，避免冷熱氣流摻混造成冷量浪費(fèi)。（2）由于不同廠家通信設(shè)備（Base Band Unit，BBU）的進(jìn)出風(fēng)方式不同，因此采用高風(fēng)速送風(fēng)保證氣流組織順暢，強(qiáng)化BBU 設(shè)備換熱，避免產(chǎn)生局部熱點(diǎn)。（3）此內(nèi)循環(huán)過程不引入室外新風(fēng)，保證了機(jī)柜內(nèi)潔凈度和相對濕度在安全可靠的范圍內(nèi)?？刂破髡{(diào)控?zé)峁芎涂照{(diào)聯(lián)動運(yùn)行，其分別連接溫度傳感器、熱管冷端風(fēng)機(jī)、管道風(fēng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)控制溫控系統(tǒng)工作模式，根據(jù)溫控設(shè)備的回風(fēng)溫度T 變化，參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 2768.3-2018［16］，控制策略見表1。

表1 溫控設(shè)備控制策略Tab.1 Control Strategy of Temperature Control Equipment

2 通信戶外機(jī)柜用溫控設(shè)備實(shí)測結(jié)果與分析

2.1 樣機(jī)設(shè)備與測量裝置

依據(jù)通信戶外機(jī)柜用溫控設(shè)備工作原理和相關(guān)國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)［17］開發(fā)了通信戶外機(jī)柜用溫控設(shè)備樣機(jī)（后文簡稱現(xiàn)溫控設(shè)備），應(yīng)用于鄭州市逸泉小區(qū)三聯(lián)柜移動通信基站，升級改造后經(jīng)全年實(shí)地測試，與原門載式空調(diào)（后文簡稱原溫控設(shè)備）進(jìn)行運(yùn)行效果對比分析，使用原門載式空調(diào)的設(shè)備柜簡稱為原設(shè)備柜，升級改造后的設(shè)備柜簡稱為現(xiàn)設(shè)備柜。該三聯(lián)柜通信基站配備3 臺門載式空調(diào)，單臺額定功率為600 W、額定制冷量為1 800 W，總額定功率為1 800 W、總額定制冷量為5 400 W?，F(xiàn)溫控設(shè)備樣機(jī)和測量裝置主要包括熱管、空調(diào)、送回風(fēng)風(fēng)道、控制器和數(shù)據(jù)采集儀。測量裝置明細(xì)見表2?，F(xiàn)溫控設(shè)備總額定功率為1 125 W，總額定換熱量為5 435 W。

表2 現(xiàn)溫控設(shè)備樣機(jī)和測量裝置明細(xì)Tab.2 List of Prototype and Measuring Device of Current Temperature Control Equipment

2.2 通信戶外機(jī)柜溫度對比分析

實(shí)地測試了原溫控設(shè)備和現(xiàn)溫控設(shè)備在全年不同室外環(huán)境工況下，設(shè)備柜溫度控制情況。如圖2 所示，原設(shè)備柜在夏季日均溫度范圍在47.0～54.2 ℃之間，通信設(shè)備頻繁出現(xiàn)高溫報警情況，這是由于不同BBU 設(shè)備的進(jìn)出風(fēng)方式不同，且原溫控設(shè)備采用下部送風(fēng)、中上部回風(fēng)的氣流形式，導(dǎo)致設(shè)備柜內(nèi)氣流組織紊亂，使得機(jī)柜內(nèi)環(huán)境溫度過高，原溫控設(shè)備蒸發(fā)溫度過高，壓縮機(jī)吸氣比容減小，質(zhì)量流量增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)負(fù)載變大，電流過載，出現(xiàn)保護(hù)性停機(jī)，機(jī)柜內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)一步升高，形成熱量堆積，因此通信設(shè)備頻繁出現(xiàn)高溫報警。在過渡季節(jié)和冬季日均溫度范圍分別控制在27.1～43.9 ℃和22.5～29.2 ℃之間，通信設(shè)備仍會存在少數(shù)高溫報警情況，這是由于原設(shè)備柜內(nèi)氣流組織未進(jìn)行冷熱分區(qū)，存在局部過熱現(xiàn)象。現(xiàn)溫控設(shè)備在春夏秋冬四季控制設(shè)備柜日均溫度分別在20.7～36.1，32.0～36.4，25.8～37.1，17.9～25.7 ℃之間，符合GB/T 51216-2017《移動通信基站工程節(jié)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》通信設(shè)備工作溫度范圍為5～40 ℃的要求，且通信設(shè)備全年無高溫報警。

圖2 設(shè)備柜日均溫度對比Fig.2 Comparison chart of the average daily temperature of the equipment cabinet

在全年四季，原設(shè)備柜和現(xiàn)設(shè)備柜溫度均隨著室外溫度的升高而升高，原設(shè)備柜日均溫度均值在春夏秋冬季節(jié)分別為35.2，49.1，38.9，25.1 ℃，現(xiàn)設(shè)備柜日均溫度均值在春夏秋冬季節(jié)分別為28.7，33.9，32.1，20.5 ℃，比原設(shè)備柜日均溫度均值分別低了6.5，15.2，6.8，4.6 ℃，原設(shè)備柜與現(xiàn)設(shè)備柜內(nèi)溫度相差較大，主要由于：（1）現(xiàn)溫控設(shè)備熱管和空調(diào)能夠聯(lián)動運(yùn)行，滿足設(shè)備柜內(nèi)溫控要求。在過渡季節(jié)和冬季，控制器檢測溫控設(shè)備回風(fēng)溫度T 高于30 ℃低于40 ℃時，設(shè)備柜內(nèi)負(fù)荷較小，僅靠熱管運(yùn)行即能滿足其冷量需求；在炎熱的夏季，回風(fēng)溫度T 高于40 ℃時，設(shè)備柜冷負(fù)荷較大，僅靠熱管運(yùn)行不再能滿足其冷量需求，空調(diào)開始輔助冷卻；在室外溫度較低的冬季，回風(fēng)溫度T 低于20 ℃時，此時設(shè)備柜內(nèi)不再需要冷負(fù)荷，熱管和空調(diào)均不再運(yùn)行。（2）現(xiàn)設(shè)備柜內(nèi)氣流組織優(yōu)化后，機(jī)柜內(nèi)氣流形成冷熱分區(qū)，避免冷熱氣流摻混造成冷量浪費(fèi)；高風(fēng)速保證氣流順暢，強(qiáng)化通信設(shè)備換熱。因此，現(xiàn)溫控設(shè)備能夠更好的調(diào)控設(shè)備柜溫度。

2.3 溫控設(shè)備功耗對比分析

經(jīng)全年實(shí)地測試后，現(xiàn)溫控設(shè)備與原溫控設(shè)備功率進(jìn)行對比，如圖3 所示，原溫控設(shè)備和現(xiàn)溫控設(shè)備逐日功率均隨著室外溫度的升高而升高，原溫控設(shè)備春夏秋冬四季日均功率分別為665.5，1440.3，753.0，637.0 W?，F(xiàn)溫控設(shè)備春夏秋冬四季日均功率分別為211.7，764.0，265.5，156.3 W，比原溫控設(shè)備日均功率分別低了453.8，676.3，487.5，480.7 W。現(xiàn)溫控設(shè)備的日均功率大幅度下降，由于原溫控設(shè)備幾乎全年運(yùn)行，導(dǎo)致能耗過高，而現(xiàn)溫控設(shè)備通過設(shè)定合理的控制邏輯，控制熱管和空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動運(yùn)行，減少了空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行時間，并且在冬季和過渡季節(jié)大多天數(shù)僅靠熱管運(yùn)行就能滿足機(jī)柜內(nèi)溫控要求，因此能耗大幅度降低。如圖4 所示，原門載式空調(diào)在春夏秋冬四季日均耗電量分別為16.0，34.6，18.1，15.3 kW·h，全年耗電量為7551.0 kW·h，現(xiàn)溫控設(shè)備在春夏秋冬四季日均耗電量分別為5.1，18.3，6.3，3.75 kW·h，全年耗電量為3 018.4 kW·h。與原溫控設(shè)備相比，現(xiàn)溫控設(shè)備在春夏秋冬各季節(jié)能率分別為68.2%，47.0%，64.7%，75.5%，全年節(jié)能率高達(dá)60.0%。

圖3 溫控設(shè)備功率對比Fig.3 Power comparison chart of temperature control equipment

圖4 各季節(jié)日均耗電量對比與節(jié)能率Fig.4 Comparison of daily average power consumption and energy saving rate in each season

3 結(jié)論

針對目前鄭州通信戶外機(jī)柜存在通信設(shè)備頻繁高溫報警、空調(diào)能耗過高等突出問題，采用以熱管為主、空調(diào)為輔的溫控系統(tǒng)方案，并應(yīng)用于鄭州市逸泉小區(qū)三聯(lián)柜移動通信基站，經(jīng)全年實(shí)地測試，相比于原溫控設(shè)備，升級改造后的現(xiàn)溫控設(shè)備運(yùn)行效果分析如下：

（1）通信戶外機(jī)柜用溫控設(shè)備控制設(shè)備柜溫度范圍在10～38℃，完全符合國家移動通信基站機(jī)柜溫控要求，解決了基站機(jī)柜內(nèi)設(shè)備高溫報警問題，保證了通信戶外機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）現(xiàn)溫控設(shè)備的日均功率大幅度下降，通信戶外機(jī)柜用溫控設(shè)備的春、夏、秋、冬四季節(jié)能率分別為68.2%，47.0%，64.7%，75.5%，全年節(jié)能率高達(dá)60.0%，節(jié)能效果十分顯著，在河南地區(qū)值得推廣應(yīng)用。