基站绿色节能系统的设计与实现

隋俊杰 邵伟恒 吴上泉

摘 要：针对通信基站节能减排的需求，给出一款基站绿色节能系统的设计思路，并给出其控制系统的设计与实现。该基站绿色节能系统主要由换热器室内机、换热器室外机、制冷空调机和变频控制系统组成。其中变频控制系统采用DS18B20温度传感器，分别采集基站的室内外温度，通过室内外温差，控制该绿色节能系统的工作。其与外界仅通过冷媒进行热交换，不向室内引进新风，室内侧空气独立循环，因而不会引入外界的杂尘和污染。整个基站绿色节能系统采用变频控制技术，随需要进行调节。实践表明，设计的基站绿色节能系统具有高效节能、绿色环保和稳定性较高等特点，具有较高的实用价值。

关键词： 基站； 空调； 绿色节能； 变频控制

中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）06?0136?04

Design and implementation of green energy saving system for base station

SUI Junjie， SHAO Weiheng， WU Shangquan

（The Fifth Electronics Research Institute， Ministry of Industry and Information Technology， Guangzhou 510000， China）

Abstract： A design thought of green energy saving system for base station is given for the energy conservation and emission reduction demand of the communication base station， and design and implementation of the control system are given. The green energy saving system for base station is mainly composed of heat exchanger indoor unit， heat exchanger outdoor unit， refrigeration air conditioner and frequency conversion control system. The DS18B20 temperature sensor is adopted in the frequency conversion control system to respectively acquire the indoor and outdoor temperature of the base station. The running of the green energy saving system is controlled by the temperature difference of indoor and outdoor. The heat exchange between the system and outside world is conducted by the refrigerant. The indoor air is cycled independently without bringing in the air from the outside world， so the outdoor dust and pollution cant be introduced. The frequency conversion control technology is adopted in the green energy saving system for base station to adjust with the demands. The designed green energy saving system for base station has the characteristics of high energy efficiency， green environmental protection and high stability， and high practical value.

Keywords： base station； air conditioner； green energy saving； frequency conversion control

0 引 言

根据国务院印发的《节能减排“十二五”规划》 [1]，可以得知：我国国内生产总值约占世界的8.6%，但能源消耗占世界的19.3%，国内生产总值能耗仍是世界平均水平的2倍以上，能源利用效率总体偏低，规划中要求：推动能效水平提高，加强工业节能，坚持走新型工业化道路，其中房间空调器的能效比[2]到2015年要从2010年的3.3提高到3.5～4.5。

随着我国通信产业的发展和通信网络的不断扩大，整个通信行业的耗电量也与日俱增，其中移动通信网络的耗电量占据了绝大部分，而基站设备的能源消耗则占到整个移动通信网络设备能源消耗[3]的90%。因此，建设绿色节能基站已经成为当前基站发展的必然趋势。

从通信机房能耗结构上看，移动基站耗电主要是由通信主设备耗电和空调耗电组成。对于空调耗电方面的节能措施，目前利用室外冷源对基站内部进行辅助制冷，可以有效减少基站空调工作时长，提高空调使用寿命，是降低基站空调耗电的主要方法之一[4]。

1 系统方案

设计制作一套基站绿色节能系统，以实现对基站内温度的控制和降低相应的能耗，达到高效节能和绿色环保的要求[5]。系统总体框图如图1所示，主要由换热器室内、外机、制冷空调机、变频电路板、显控面板、室内外温度传感器和控制系统集合而成。控制器首先通过采集室内外的温度值，并对二者进行减法处理。当室内外温差达到相应的值时，启动换热器部分，并且根据室内外温差值的大小进行相应的变频输出；同时为了保证室内温度不会过高，在控制程序中加入了相应的阈值，当室内温度超过该阈值时，室内制冷空调开启，对基站室内进行制冷，将室内温度严格控制在相应的温度范围内。

图1 系统总体框图

该基站绿色节能系统可以通过控制面板对设定温度进行设置，同时可以设定室内制冷空调的开启温度。通过显示面板可以实时显示当前的室内外温度值和当前的设定温度值，也可以通过指示灯的状态判断当前室内外空调机和室内制冷空调的工作状态，以及控制电路板部分的运行状态。

2 换热器系统设计及原理分析

该基站绿色节能系统的核心节能思想是：利用基站室内外的温差，通过换热器里的冷媒进行基站室内外的热交换，利用外界自然冷源对机房降温，减少空调压缩机工作时间，达到节能减排的目的。同时，基站内外仅通过冷媒进行热量的交换，而不会从外界引入新风，保证了基站机房的洁净度，降低了空调因工作磨损造成的故障，提高了空调的使用寿命，因此换热器系统是整个基站绿色节能系统的重要组成部分[6]。具体的换热器工作原理图如图2所示。

图2 换热器系统工作原理图

当控制器通过室内外温度传感器检测到室内温度高于相应的设定温度值（主要是为了冷媒能够有足够高的气化率），且基站内外温差高于相应值，开启换热器。基站内的高温环境使得换热器内的热交换冷媒吸收热量汽化成蒸汽，这些汽化后的蒸汽上升到换热器的室外机的冷凝管道中，通过跟外界的低温环境进行热交换，释放热量后重新液化成液体返回到换热器的室内机。换热器的室内外机，通过冷媒不断对基站内高温气流和室外低温气流的热交换循环来达到降低基站内温度的目的。

3 控制系统电路设计

该基站绿色节能系统的另一个重要组成部分就是控制系统电路设计部分，其包含了电源电路部分、室内外温度传感器电路部分、通信接口电路部分、继电器控制电路部分和显控电路部分等。

3.1 电源电路

在电源电路部分，系统采用开关电源模块直接输出5 V的电源输入电压，该5 V的电源输入电压经过电源滤波电路进入ASM1117?3.3稳压芯片，进行线性稳压，输出的3.3 V电压经过电容滤波后给控制系统供电[7]。电源电路如图3所示。

图3 电源部分原理图

3.2 DS18B20温度传感器电路

室内外的实时温度值是整个控制系统的控制依据，因此温度采样电路的准确性和稳定性对控制系统的整体性能有着重要影响。

控制系统中采用的温度传感器是DS18B20，它是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。其测温范围为 -55～125 ℃，分辨率可以达到0.062 5 ℃，工作电源为DC 3.0～5.5 V，支持多点组网功能[8]。DS18B20温度传感器电路如图4所示。

电路中采用了USB的数据接口，该接口中的滤波电路可以用来兼容其他的模拟温度传感器。

3.3 通信接口电路

控制系统与换热器的室内外机之间是通过变频电路板连接的，控制系统与换热器之间通过RS 485总线进行串行通信。电路中采用MAX485串行通信芯片，MAX485是用于RS 485与RS 422通信的低功耗收发器。MAX485的驱动器摆率不受限制， 可以实现最高2.5 Mb/s的传输速率[9]。MAX485串行通信接口电路如图5所示。

图4 温度传感器电路原理图

图5 MAX 485串行通信接口电路图

3.4 继电器驱动电路

换热器属于该基站绿色节能系统的辅助制冷系统，当室外温度较高或者换热器满负荷工作也无法将基站内的温度控制在设定阈值的温度范围内时，需要开启制冷空调机来进行强制制冷，将基站的温度降到相应阈值温度以下。对用380 V的三相电供电的制冷空调机，采用交流接触器对其进行开关控制，而对交流接触器的控制端采用继电器驱动[10]。继电器驱动电路如图6所示。

图6 继电器驱动电路图

图6中通过光耦进行电路板上的弱电信号和强电信号的隔离，运用ULN2004D进行继电器的驱动。ULN2004D是一款高耐压，大电流达林顿管驱动器，其输出电流可以达到500 mA，而且具有必不可少的箝位二极管，用于电感性负载开关，是常用的继电器驱动芯片[11]。

4 显控部分

整个系统的显控部分属于用户交互界面，可以方便用户对整个系统的当前运行状态进行监控和设置。系统显控界面如图7所示。

在图7中：LED1为甲方空调工作状态指示灯，灯亮表示甲方空调运行；LED2为控制板工作状态指示灯，指示灯闪烁表示控制板正常运行；LED3为乙方空调工作状态指示灯，灯亮表示乙方空调运行；RP为温度设定电位器，顺时针旋转增大设定温度值，逆时针减小。

图7 系统显控界面

5 控制系统程序设计

控制系统的程序设计是整个控制系统的核心和灵魂。该基站绿色节能控制系统主要实现的功能：当基站室内温度值高于31 ℃，制冷空调机开启，对基站内部强制制冷，当室内温度回降到低于（31-3） ℃之后，制冷空调机关闭；当基站室内温度高于（室外温度+5） ℃且高于用户设定温度值时，换热器开启，当室内温度回降到低于（室外温度+3） ℃或者低于（用户设定温度值-2） ℃之后，换热器关闭。在搭建好相应的硬件平台之后，设计相应的控制程序流程图如图8所示。

图8 控制程序流程图

6 结 语

设计完成的基站绿色节能系统，在长春市某移动基站进行了测试，测试季节为春季（室内外温差比较大，尤其是夜间），经测试发现，夜间制冷空调机几乎不用开启，主要依靠换热器的工作便可以将基站的室内温度控制在相应的范围内。未安装基站绿色节能系统之前，该基站一天的耗电量大概为5×24=120 kW·h，安装该绿色节能系统之后，可以节能70%左右，也就是节能120×70%=84 kW·h。当然，该绿色节能系统需要一定的室内外温差，因此在夏季的白天，节能效果可能要弱一些。

从本文可知，该基站绿色节能系统主要有以下三点技术优势：第一，基站内外仅通过冷媒进行热量的交换，而不会从外界引入新风，保证了基站机房的洁净度，环保无污染；第二，减少了制冷空调的开启时间，降低了空调因工作磨损造成的故障，提高了空调的使用寿命；第三，减少了空调压缩机的工作时间，节约了电能。

我国的绝大部分地区的自然常温都可以满足基站设备正常运行的温度需要，因此，该基站绿色节能系统可以在气温较低的季节或者是低温的夜间，积极利用自然环境资源，达到环保节能的目的，具有一定的应用价值和广阔的市场前景。

参考文献

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