通信基站散热系统结构设计优化与验证

戴凯

摘 要：文章介绍了通信基站散热系统应用现状及基本原理，分析了热效应；提出了相变制冷空调系统的优化设计方案，对主要设备进行了选型，使用DeST软件模拟分析通风冷却性能，并对系统设计进行了验证。

关键词：通信基站；散热系统；相变储能；DeST

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0005-03

随着经济技术不断的发展，我国通信行业迎来了发展的机遇期。目前3G/4G通信网络系统已经遍布全国，移动通信基站、各种通信机房、通信模块局等数量不断增大，网络系统规模日益庞大，这势必造成通信行业耗能的增加，随着21世纪国家降能、节能减排理念的不断深入，要求中国通信行业2013-2015度的信息流量综合能耗下降30%左右。所以说，加强节能降耗工作，满足通信网络运营的安全性、、可靠性、经济性是当前网络机房、基站等通信节点建设的重要工作。同时，保障机房、基站系统正常、安全、高效的运行，对其散热系统的设计及改造工作尤为重要，也是节能降耗的重中之重。本文就电信行业通信基站机柜散热系统进行了研究，提出了基于相变储冷模型的基站空调系统。

1 基站空调散热系统介绍

1.1 基站概述

基站作为无线通信系统中重要的基础信息枢纽，其广义涵义是指无线通信信号一定覆盖范围区域内，经过信息交换设备，实现与移动通讯终端之间数据信息相互传递的一种无线电接收、发送设置。通常称之为移动通信基站。基站稳定性问题，尤其是空调系统决定了基站的运行状况。基站建设中，一般按照容量和覆盖范围细化专业分为容量站和覆盖站，覆盖基站包括：行政村覆盖基站、区域街、道覆盖基站、自然村覆盖基站、郊区覆盖站、城市覆盖基站等等。基站建筑面积一般为9-30 m2，基站周围采用围栏构造，基站外墙建筑材料一般采用泥红砖、矸石砖，外墙多为用瓷砖进行贴面，屋内面设置架空隔热层，整体建筑采用砖混结构，基站室内设备包括通信主设备、空调系统、电源系统、监控系统等，设备总发热量在0.5～54 kW区间。基站多分布于农村、偏远地段、无人区等，分布较广，运行环境一般比较恶劣，且为无人值守模式。随着技术及国家政策的因素，基站节能空间巨大。目前国内对于基站改造、建设多充分考虑节能措施，采用新型节能绿色环保材料、热管、电控备件，优化技术及管理模式，不断增强基站安全稳定性，降低通信运营成本，满足社会效益需求。

1.2 基站主要设备

现阶段，移动通信基站设备趋向于大功率、大容量、模块化、高集成化、智能化发展，设备的单位体积热耗散急速增大，设备体积趋于小型化。基站设备一般包括主要通信设备、计算机控制设备、监控设备、空调设备、动力保障设备等。主要通信设备包括通信机柜、中心交换机、服务器、路由器、光端接收、发送机、存储设备、散热装置等；计算机控制系统主要包括计算机控制器、管理模块、运行系统等；空调设备主要负责机房的空气调节，保证机房内温度合理，系统散热性得到保证；动力保障设备主要由储电组装置、高频开关电源等，保障设备无间断电源动力运行；监控装置主要是各种探头，存储器等设备。基站设备耗能比较大，基站通信机柜数量一般在8个之内，主设备功耗约为2 kW，其他设备功耗包括传输功耗多为10 W，开关电源功耗选择多为50 W左右；基站空调系统单台功为3 kW ，日耗电量 45 kWh；普通基站总功耗约为6 kW。

由于基站需要满足一定区域内的移动通信需要，设备繁多，设备运行产生的热量需要及时扩散导出。据测算，当温环境度超过一定值时电子器件的失效率与温度关系存在指数函数关系，基站设备故障或损坏统计数据中中，约有20%以上的都是因为温度超高引起的，冷却方式决定了电子设备的使用寿命和稳定性、可靠性，因此，基站热设计尤为重要。

1.3 基站常规空调系统分析

基站空调维持室内一定温湿度，作用极为重要。基站空调通常采用普通分体式空调，空调设定温度多为26 ℃，空调系统能效比在 [2.7，3.5]区间。基站内要求一定的适度、防尘及温度。

机房空调系统一般主要有舒适性空调、机房专用空调两种配置。空调系统作为基站主要电费能耗系统，占基站总电费的54%以上，而且空调运行为365×24 h全天候运行，基站空调用换热器主要有乙二醇水溶液换热器、热管换热器、隔离式新风热交换器三种。由于专用空调使用比较理想，大多数基站选用专用空调系统。该系统的主要部件有压缩机、蒸发器、冷凝器、离心风机、膨胀阀、加湿器（可选）、电加热、饭金结构、电气控制系统。基站机房专用空调系统具备高可靠性、大风量、低烩差，同时具有加热、加（除）湿功能及良好的空气过滤效率等特点。

1.4 通信基站热分析

选择分析的基站模型为砖混建筑模型，取C类机房建筑面积S=3×4×3.5 m3。普通砖墙围护结构，四面外墙，内外均粉刷。通信基站内设备以对流、传热、辐射等方式向室内散热，属显热。地面传热系数为1.463 W/（mZ}K）；屋顶传热系数0.39W/（m2/K）；围墙传热系数为1.498 W/（m2/K）；内门为木质材质，内部热源 300 W/m2，对流热源占比为90%。

由DeST能耗模拟软件模拟，空调全面运行模式下，温度设置区间[10，28] ℃，湿度在20%～85%之间，室内外通风换气频率为0.5/h。模拟结果，如图1所示。基站最小冷负荷为1.2 kW，最大逐时最大冷负荷为3.9 kW。基站设备总发热量为3.1 536×104 kW/h，机房总负荷2.2 812×104 kW/h，围护结构散热量8.724 k×103 W/h，占全年散热量的27.66%。

通信基站空调系统必须保持室内正压，室内要提供新风，新风要进行预处理，应有良好的过滤装置，防止污染物渗入室内和保持机房温湿度的稳定，新风洁净度满足国标GB 50174-2008。

2 基站散热系统优化设计

采用相变蓄冷散热系统，建筑材料选用相变混合材料及结构。系统结构设计原理图，如图2所示。

2.1 散热系统热计算

2.1.1 热控制方程

2.3 压缩机选型

制冷压缩机是空调系统的关键设备，其市场上的样式、原理等多样，在选择压缩机时，应根据效率、能耗、结构特点、性价比、可靠性等要求，并根据制冷循环型式、制冷剂种类的需求进行选型。根据设计，本文选用回转式制冷压缩机，功率≤15 kW制冷量。制冷剂综合考虑温室效应、环境保护、使用寿命、安全性、性价比等因素，选择R22中压制冷剂比较合适。

3 空调冷却系统设计验证

为综合考虑基站内恒定的温湿度、洁净度等指标因素，空调系统为大风量、小烩差的专用空调，基站空调出风温度设定为10～140 ℃；相变材料温度为18～200 ℃，蒸发温度设定为7～110 ℃。

使用DeST软件模拟分析通风冷却技术节耗效能，对系统设计进行验证。DeST中房间的可变通风换气次数设定为10～100次/h，模拟储通信基站室温全年变化情况，如图3所示。 换气次数从10～30递增时，基站室温降低较快，当换气数继续再增加，对基站室温的影响较小。换气次数等于30次时换气效率较高，风机的通风量设定1 200 m3/h。

通信基站为三类环境，机房最高温度要求为300 ℃，引入新风量后，根据新风量温度要求，选取最大负荷验证：

Q=pVC4t=1.2×1200/3600×1.0054 t=3.9 kW

4 t=100℃，T=200 ℃（室外温度≤200 ℃）时，开启风机则可以满足基站室内负荷要求。

4 结 语

分析了通信基站空调系统的特点，对通信基站进行了阐述，对于基站空调系统的结构、原理以及传统制冷系统进行了研究，分析了热效应；提出了相变制冷空调系统的优化设计方案，使用DeST软件模拟分析通风冷却技术节耗效能，对系统设计进行了验证。

参考文献：

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[2] 程利双.通信基站用新风相变储能空调的经济性分析[D].长沙：湖南大 学，2014.

[3] 王起霄，卢维国.制冷装置冷凝器系统的设计及研究[J].哈尔滨商业大 学学报（自然科学版），2010，（5）.