5G基站室外机柜制冷量计算及装载能力评估

罗金花 中国铁塔股份有限公司江西分公司 通信发展部 南昌市 330038

0 引言

2020年是我国5G商用规模建设年，各大电信运营商正在加速5G基站建设。由于5G采用3.5GHz及更高的频率，其传播损耗和穿透损耗更大，单站覆盖范围更小，使得5G基站密度更大、数量更多。同时为实现5G“高速率、低时延、大容量”网络能力、满足未来业务发展需要，超密集组网、宏微立体架构也将成为未来5G基站建设新模式。站点激增将导致在一些站址机房获取困难区域需要室外机柜，5G“小微站+杆塔”新模式也需要室外机柜，低成本农村广覆盖也将引入室外机柜。然而，5G BBU设备最大功耗（发热量）约有1500W，典型功耗约500W，是4G设备的3倍多，5G设备散热成为新的问题，如何确保BBU、承载网设备有保障工作环境温度，是确保网络稳定运行基础。在实际工作中往往缺乏有效的计算与评估，随意加载设备数量，易出现室外机柜温度过高、设备宕机问题，因此有必要总结研究室外机柜制冷量计算方法及评估设备装载能力。

2 室外机柜制冷量计算

2.1 制冷量计算公式

江西省属于亚热带，对于通信设备而言主要考虑机房/室外机柜的制冷量。空调冷负荷主要包括设备冷负荷和建筑冷负荷（包括外墙等围护结构负荷、照明负荷、人员负荷等）两部分。按功率面积法，计算公式如下：

其中，Qt：总制冷量（Kw）

Q1：设备冷负荷

Q2：建筑/室外机柜冷负荷（包括外墙等围护结构负荷、照明负荷、人员负荷等）

2.2 通信设备冷负荷计算

设备冷负荷按照通信设备功耗进行计算，计算公式如下：

设备冷负荷Q1＝设备耗电功率×发热系数

发热系数指通信设备功耗转化为热量系数，即有多少电能转换为热能，一般为70-95%，对于通信设备可取为100%。

根据设备厂家相关技术参数，当前4/5G BBU设备的典型功耗如下：

◎5G BBU设备功耗：单机功耗通常在500W左右。

◎4G BBU设备功耗：单机功耗通常在100～200W，甚至更低，发热量不大。

◎传输设备的功耗：一般为150～200W。

2.3 室外机柜冷负荷计算

室外机柜类似于建筑物，也是一个有围护结构的相对封闭空间，但由于其围护结构一般为PU或EPS保温板材料而非砖墙，保温隔热效果不同。下面以典型的通信设备用室外机柜为例，运用传导热量的计算方法来分析室外机柜冷负荷。

图1 室外机柜的结构实例图

（1）传导热量的计算公式：

式中：λ：导热系数, W/(m·K)

A：导热面积，m2

t1、t2：为室内、外温度

Δt：室内、外温差，即导热推动力K

b：面壁厚度，m

（2）相关技术参数取定：

◎假定室外机柜柜体为单层平面壁导热。壁厚为30mm。机柜柜体的夹层保温材料采用XPS，查下表可知：其导热系数为0.030W/(m·K)。

表1 常用的保温材料导热系数表

◎ 室外机柜尺寸为：800mm×600mm×1800mm（长×宽×高），室外机柜的面积为0.8×0.6≈0.5m2，统一取定为1m2。

◎ 室内机柜内的环境温度为30℃，以满足BBU设备保障工作需要。

◎ 夏天中午室外机柜外的环境温度为50℃。

（3）传导热量的计算结果：

◎ 导热系数λ＝0.030W/(m·K)

◎ 导热面积A＝(0.6+0.8)×2×1.8+0.6×0.8=5.52 m2

◎ 导热推动力K＝Δt= t1 - t2 =50–30 =20

◎ 平面壁厚度b＝0.03 m

◎ 传导热量＝0.030×5.52×20/0.03＝110.4W

工程上通常简化为下式计算室外机柜冷负荷：

建筑/室外机柜冷负荷Q2＝典型的环境热负荷×机房面积（m2）

建筑/室外机柜的环境热负荷根据机房/室外机柜的隔热程度、现场情况等来取定，通常可取值为80～150W/m2。

2.4 空调容量计算

室外机柜全天候暴露在室外，为实现5G BBU有保障温度的工作环境，一般任何时间内室外机柜的空调制冷量应不小于其冷负荷（设备发热量以及室外机柜冷负荷）。即：

空调制冷量 ≥ 建筑冷负荷 + 设备发热量

式中，空调制冷量为“空调能耗×空调能效比”。

基站机房一般是根据机房内通信设备规划数量及功耗、建筑传导的冷负荷计算的制冷量需求来配置具体空调规格及数量；但对于室外机柜，由于空调安装空间有限，通常是在出产时就已经预制好相应的工业空调，室外机柜总的空调制冷量也就固定了，因此需要根据空调制冷量来评估室外机柜的BBU设备装载能力。

3 BBU装载能力评估

3.1 BBU装载能力计算

鉴于上述分析，室外机柜需要通过已配置的工业空调制冷量来评估BBU设备装载能力，评估的方法如下：

式中，允许的最大设备发热量＝空调制冷量-室外机柜冷负荷。

（1）相关技术参数取定：

◎ 室外机柜空调制冷量：根据主流厂家的常用产品型号，设备用室外柜体采用1500W或2000W空调散热方式。

◎ 室外机柜冷负荷：根据2.3节计算结果，取为150W。

◎ 5G BBU典型功耗：取为500W。

（2）BBU装载能力的计算结果：

表2 室外机柜BBU安装数量的计算结果表

3.2 工程应用建议

室外机柜BBU装载能力需要考虑预留一定的空调制冷量，以确保在最坏情况下BBU设备仍能正常工作。5G用室外机柜建议预制的空调制冷量为2000W，以满足至少3台BBU安装需求。对于4G用室外机柜，由于其BBU功耗更小，可以灵活选择空调制冷量。

同时，重视室外机柜合理选址，以减少环境辐射热影响。设计时要求把室外机柜设置在自然通风顺畅的背阳面，可利用建筑物、高大树林进行遮挡，尽管避免太阳西晒。另外，也可采用BBU竖装子框等创新手段，改善室外机柜内气流组织，减少冷热风混流，提高散热效果。

4 结束语

BBU设备对确保5G无线网安全运营有重要影响。随着5G基站增多、BBU下沉、低成本建网等不断发展，室外机柜将成为5G BBU安装环境的重要选项。本文另辟巧径从控制工作环境温度角度运用制冷量计算方法评估了室外机柜的BBU装载能力，可为工程建设提供一定参考。