通信基站空调节能系统设计

王俏蕊，李 虎，姚永超，段晓锋，郑 斌

（1.中国电信股份有限公司河南分公司，河南 郑州 450000；2.中国电信股份有限公司郑州分公司，河南 郑州 450000；3.中国通信建设集团有限公司河南省通信服务分公司，河南 郑州 450000）

随着5G 网络的全面普及与覆盖，基站或小型机房的数量也随之增加，它们的能耗较高的弊端也愈发明显。而空调作为基站或小型机房中重要的基础设施，随时保持室内恒温恒湿，在长期平稳运行的过程中，虽然确保了机房内的设备处于室内温湿度均适合的工作环境，但长期处于制冷的工作模式不仅消耗掉了大量的电能，还会导致周围环境的污染乃至大气污染。如何实现绿色发展，降低电能消耗，是5G 高速发展过程中亟待解决的问题[1]。基站或小型机房内的空调，需要长期处于制冷模式。基于这些现状，提出了一种附加风光储能、依据新风系统的新型节能换气扇，作为空调附属设备，对空调制冷系统进行优化，在降低一年四季空调的耗电量的同时，实现了绿色环保的理念。

1 节能的必要性

通信基站或小型机房，作为通信网络中必不可少的一个关键部分，它的功能主要可以被概括为以下两点：（1）实现网络信号的区域性覆盖，完成移动网络过程中的数据交换和信息交互；（2）作为通信网中最基本的一个组成单元，完成信息传递和信息管理[2]。

通信基站或小型机房中的用电设备主要包括空调、开关电源等，根据PUE（Power Usage Effectiveness）以及各设备用电量的统计中可以得出，空调系统的电能消耗在基站或小型机房总能耗中占比在70%以上。最新数据显示，2020 年我国现有基站已经达到931 万座。这个数据表明我国至少有将近1 800 万台的空调制冷系统常年无休止地运转，这也就意味着电能损耗量也不容小觑。同时，空调制冷系统的工作效率也与系统的工作时间有关，两者成反比关系。表明随着工作时间的增长，系统的制冷效率逐步降低。为了保持原有的工作效率，空调制冷系统压缩机的启动时间也逐渐延长，这在某种程度上加剧了电能的消耗[2]。随着5G 时代的快速发展，通信基站或小型机房数量剧增，随之而来的是空调数量也呈现成倍的上涨趋势。

现有的小型机房或基站及小型机房内防止设备出现高温的主要措施可以分为两种：利用空调和新风风扇方式来降温：（1）空调冷却降温。空调作为主用降温设备，安装在基站或小型机房需要考虑空间大小、所放置设备的数量和所带负载大小以及网络的忙碌与闲暇时间段的分布等，从而选择空调匹数的大小和制冷量。虽然空调冷却降温是迄今为止最为有效的一种降温方法，但存在耗能高、维护成本高以及空调过滤网需定时清洗、无法及时更新室内空气等的诸多问题，越来越引起维护人员的重视。（2）新风风扇冷却。该方法是在室内安装一个一体化机柜，室外安装进出风口，风扇启动时，可以引起室内外空气的对流，从而将基站或小型机房内部温度较高、污浊度较高的空气排到室外，同时通过过滤网，引入室外较清新的空气，但是由于缺乏室内外温湿度传感器，无法做到智能启动。这种方法虽然较为经济环保和节能，但由于室外空气中粉尘、飞虫等较多，极易造成过滤网堵塞，不仅会引起风扇堵转，从而恶化基站或小型机房内的温度，而且也会增加维护人员的维护成本。最值得注意的是，在某些地区，尤其是室外温度较高的炎热夏季，该风扇基本不起任何降温作用。

所以，对空调系统节能技术的研究刻不容缓，一旦探索出一种立竿见影的节能技术，就有希望实现绿色环保，达到降本增效的目的。

2 总体设计

2.1 风光储能

在阳光、风能充沛的地市，可以采用光伏发电或风能发电，将得到的电能作为节能换气扇的电源，多余的电能也可以作为基站或小型机房内的照明等非大功率用电设备的电能来源，而非直接引入市电作为电能供给，可以从根本上实现电费成本的降低。对于某些风速较低或风力较小及日照时长较缺乏的地市，可根据当地条件采用风光互补的储能发电系统，实现对换气扇持续平稳的电能供给。风光互补系统能够使风能、太阳能等自然资源的转换率较高的一个主要原因就是可以同步借助利用太阳能和风能来作为发电系统的输入，进而达到24 小时不间断地发出电能。在这些自然能源均充足且适宜的一些地方，风光互补系统不仅可以具备持续的发电功能，也更具有较高的稳定性，更能降低室内设备的电能消耗。

风光互补发电系统的整体系统具体可以分为以下三个重要组成部分：发电部分、电能储存部分和控制器部分，如图1 所示。其中，发电部分主要是借助风力和太阳光照等常见自然资源作为输入能量，不仅可以将风能转化为电能，也可以通过太阳能电池板将光能转化为电能，实现能源的转化与利用。电能储存部分主要是将转化得到的电能储存在电池中，供机房或基站内照明使用和换气扇自身的动力输入的一部分。控制器部分主要是包括控制电路和电能变换等部分，在整个系统中占据主导作用。可以根据当地的日照及风速大小，自动随时切换风光互补系统的工作方式，也可以通过电能转化装置将发电系统得到的储存在电池中的电能转化为照明或自身输入所需的交流电。同时，也可以实时采集系统的各项参数，实现系统的平稳可靠运行。

图1 风光储能系统图

2.2 新型节能换气扇设计

新型节能换气扇的设计主要有以下四个特点：（1）发电部分采用风光互补系统，将风光储能所得到的电能，直接供给该换气扇使用，也可以直接供给照明使用，多余的电能可以储存在电池中供照明和换气扇使用，从根本上减少了市电的使用，节约了电能的消耗。（2）换气扇的主体部分，采用智能热交换技术，根据室内外的温度差，将其产生的热能通过热交换器转化为电能，作为自身电源或室内照明电源的一部分输入。尤其是冬季，在室外温度较低的情况下，可直接利用该换气扇进行室内降温，效果显著，但需要定时清洗过滤网，以免影响降低制冷效果。（3）实时保证室内空气的清新度，给维护人员提供相对健康的工作环境。（4）具有智能工作方式，根据室内外的温度差，自动选择换气扇的启闭工作方式。

新型节能换气扇的具体设计思路是：在小型机房墙壁上安装该换气扇，在内外进风口均需安装过滤网，防止杂物进入到换气扇或小型机房内。内部采用双螺旋循环的方式，充分实现室内外空气的热量交换，同时引入室外新风，及时更换室内污浊空气[3]。该换气扇在冬季的实际制冷效果远高于空调系统[2]，因此为了实现可持续发展和降本增效，在冬季室外温度较低时可一直使用该换气扇。换气扇的主体是利用热传递过程中产生的能量交换，在将室内空气排出室外的同时，回收利用空气中的能量，将这部分能量转化为电能。换气扇自动引入室外新风，室内外的温度差产生的热量所转换的电能储存在电池中，供照明和换气扇自身工作时使用并且可以实时保持室内空气的舒适度。

节能换气扇系统主要由智能控制器、过滤网、进出风口、风机、室内外温湿度传感器和电池组等几个主要部分组成。

同样地，控制器是换气扇主体部分中最重要的一个组成部分。通过控制主程序，将温湿度传感器采集到的室内外温湿度差等各项环境参数进行处理，控制换气扇的工作模式，调节换气扇的启闭。

过滤网的作用是确保室内外空气的洁净度，防止过多灰尘或飞虫进入机房。

室内外的进出风机的作用是加快交换速率，确保室内外的空气可以充分交换。

温度传感器的作用是实时监测基站或小型机房内外温湿度差等参数，以便控制器可智能选择换气扇的工作方式。

2.3 总体设计

将风光互补的发电系统与新型换气扇相结合，在换气扇的风机启动时，风光互补系统发出的电能，可供给风机使用，系统整体基本不消耗市电。该换气扇的基本结构主要是由内外两个螺旋循环、热交换器等部分构成。采用的原理是通过内外循环分别所安装的空气出入口的温度传感器，在室内外温差达到10℃时，换气扇打开，进行室内外空气的热交换，在对室内空气进行换气的同时，降低室内温度。同时，将热交换产生的热能转换为电能，同样储存在锂电池组中，作为自身电源或室内照明电源的一部分输入。但随着夏季到来，室外温度较高，该换气扇在进行室内外换气时，可能会导致室内温度上升，因此可以考虑手动关闭该换气扇，在夏季较凉爽时开启。此节能换气扇的使用相比于传统小型机房或基站及小型机房内部仅用空调系统实现恒温制冷，再进行室内外空气循环的基础上，在一定程度上降低了对电力资源的消耗，达到了节能的目的[4-5]，如图2 所示。

图2 系统总体结构图

2.4 并网技术研究

对于风光互补系统这种小型发电系统而言，由于所产生的电能，一部分会储存在电池中，而另外一部分则可以供照明或者换气扇自身使用。因此需要考虑与电网并网时的技术研究。目前，在省内所有的基站或小型机房，均有一定的市电入户的条件。基于此，在市电与风光互补系统共同作用情况下，如何智能选择市电供电模式或者风光互补发电模式来减少电能消耗，即如何做到智能选择系统的离网运行和并网运行，是每个运营商最为关心的问题。

并网运行：风光互补系统产生的电能，优先储存在电池组中。在市电用电低谷期时，控制器自动选择并网功能，经过逆变器、电池管理单元向基站或机房内的如照明等的交流负载供电，同时一部分电能作为换气扇自身输入，剩余的电能将直接回馈给市电电网。

离网运行：与并网运行相反，在市电用电高峰期时，控制器自动选择离网功能，尽可能地使用电池中的电能，削峰填谷，减少运行成本。

这两种工作方式，在现实情况下，要根据现场的设备运行情况进行灵活运用，确保基站或小型机房内的动力源的平稳运行和持续性运转。

3 结束语

随着绿色环保的理念深入人心，并逐渐成为大众的聚焦点，通信网络的降本增效节能技术，也逐步成为了各个运营商和设备制造厂商所共同面临的时代机遇与挑战。并且基站或小型汇聚类机房在整个通信网络系统中，是通信网络必不可少的重要组成部分，是移动通信的基础，同时也是各个运营商投资与维护最重要的部分。所以，在基站或小型机房层面上研究节能减排是非常有必要的。为了响应当前绿色环保和降本增效的号召，基站或小型机房内的空调系统应尽可能地充分利用自然资源，从而减少电能消耗。因此，本文提出的一种附加风光互补储能、依据新风系统的新型节能换气扇，充分利用自然资源，减少了空调系统对市电的使用量，优化了空调的供电来源，在保证基站或小型机房可以正常运行的前提下，降低了运营成本减少了电能消耗。