双碳目标达成与移动通信基站节能减排技术的探索

2022-04-20安涛何明宪

移动通信 2022年3期

关键词：耗电量降温机房

安涛，何明宪

（摩比天线技术（深圳）有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

据工信部相关数据统计，截至2021 年11 月底，我国基站数量超过1 000 万座（其中5G 基站已经建成139万座），到2025 年5G 基站数量预计会达到800 万座（图1 为我国新建5G 基站数量预测，引自观研天下网站数据）。

图1 我国新建5G基站数量预测（单位：万站）

据中国能源报预测，5G 基站的用电量将由2020 年的不足200 亿千瓦时迅速攀升至2025 年的3 500 亿千瓦时左右，基站高能耗已经引起广泛关注。

一般基站设备放置在机房或者机柜中，主要采用空调进行降温，确保设备运行环境能够保持在25℃范围的理想环境中，根据相关大数据统计，来自于空调部分的能耗约占基站整体能耗的40% 以上（其余部分为户外放置射频单元产生功耗）。在实际环境中，机房或机柜本身暴漏在户外，顶部、侧面均会吸收较多热量，在遇到高温天气时内部温度波动变化，加上基站设备自身功耗导致的散热产生能耗（基带单元能耗），使得空调压缩机连续高功率运转，从而导致空调能耗居高不下，进而影响到基站整体处于高功耗运行。

1 移动通信基站节能减排技术对比

目前基站节能减排技术主要有针对基站设备能耗的主动节能和涉及空调能耗的被动节能两种。

在主动节能方面，主要是“基站智能关断”，例如通过为基站设备加入高效率高集成度器件、采用通道关断及深度休眠等节能技术方案，达到节能减排目的，这种方式需要主设备厂家在生产设备前增加相关生产成本，最终也会大幅增加5G 基站建设投资成本。

在被动节能方面，一般有“地埋降温”，例如新建设铁塔钢桩地下通信机房，或采用为户外移动通信基站增加遮阳棚、做表面处理反射太阳热能的方式，降低热能影响导致空调能耗问题，达到节能减排目的，从表1中的移动通信基站节能减排技术对比情况，可以看出目前主动节能成本偏高、节电效果一般。

表1 移动通信基站节能减排技术对比表

2 零能耗“新材料”被动式节能方案

业界现有移动通信基站节能减排技术大部分还都是基于解决热源、降低温度的考虑。对于主动式方案，虽效果明显，但需要付出高昂成本，还要附加能耗代价；对于被动式方案，部分技术方案成本高，效果虽明显，但也需付出能耗代价。还会有部分技术方案虽然可以实现零能耗，但对于存量站的应用受限。因此引入一种零能耗的、能够达到更佳节能效果的被动节能技术方案有着更深的意义。

2.1 散热降温节能的方式

热力学中典型的散热方式（如图2、表2）有“热传导”、“热对流”、“热辐射”3 种，这些方式都可以将热能在物体间进行交换，从而达到降温目的，但这些方式有着各自特点、适用场景有也所区别。

表2 主要散热方式对比表

图2 热力学中3种典型的散热方式

2.2 零能耗“新材料”特性

从3 种典型的散热方式特性来看，采用“热辐射”特性可在不额外加入或改变介质特性的条件下，利用温度差产生的辐射来实现热交换，从而降低实施成本，可控性更高。

相关研究数据表明，8～13 μm 波长的红外线通过大气窗口时能量谱最高达到150 W/m2，如图3 所示，可根据这种特性应用在被动式降温材料上，例如利用硅体微元素特性+超薄金属膜的柔性高分子架构，分别从增加红外光谱发射率、降低太阳光谱吸收率的角度出发，做成零能耗“新材料”，增加节能效果。

图3 太阳辐射能量与理想红外发射体辐射能量对比图

2.3 零能耗“新材料”应用探索

（1）理论仿真情况

根据移动通信基站常用户外机房类型，采用自身材料结构为彩钢板的模型进行建模仿真，研究零能耗“新材料”的效果。模型边界条件中，尺寸选取6 m（长）×4 m（宽）×3 m（高），内热源采用300 W 能耗，此处重点仿真模型温度的变化（不考虑空调控温因素），太阳辐照温度数据采用西安地区一年数据，使用EnergyPlus 软件建模。为增加可对比性，将业界已经采用过的被动式节能降温材料技术方案同时进行仿真对比，如图4、表3 及图5 所示。

图4 西安地区太阳辐照及环境温度统计

图5 不同被动式节能降温材料理论仿真温度变化图

表3 不同被动式节能降温材料理论测算对热能影响数据表

从仿真结果来看，零能耗“新材料”应用后对“太阳能反射率”、“红外发射率”最高，在温度变化上比不做任何处理情况下的外顶温度平均下降30℃、内部温度平均下降12℃，整体效果也是现有技术方案中最佳的。

（2）实际应用情况

根据仿真，选择西安地区为代表的两个移动通信机房（工况参数接近的彩钢板机房），应用零能耗“新材料”进行实际实施验证，相关参数如表4 所示：

表4 试点站点工况表

1）选用测试设备，如表5 所示。

表5 测试设备表

2）设备安装位置，如图6 所示：

图6 测试设备位置示意图

①外顶温度测点

位于屋顶外表面中心位置，用于监测屋面材料的表面温度。

②室内空气温度测点

位于机房内中心位置距离地面2 m 高度处，用于监测室内空气温度及波动。

③环境温度测点

位于机房附近阴凉通风处，用于监测机房所在位置的室外空气温度。

④太阳总辐射传感器

位于屋顶并保持水平放置，同时应避免受到周围环境的遮挡，其主要用于监测当地的实时太阳辐照数据，结合测得的环境温度数据，可判断试验期间的天气情况（如阴、晴、雨等）。

⑤三相功率计霍尔传感器

分别接在空调和直流电源柜的供电线路上，用于监测空调和直流电源柜的电功率及累计耗电量。功率计采样间隔为1 分钟，根据功率计记录的空调瞬时电功率来判断空调启停状态，进而用于统计空调运行时间，应用前后情况如图7 所示：

图7 试验期间的太阳辐照强度和环境温度

3）实施效果

①外顶降温效果

试验机房应用前后外顶降温幅度可达26.2℃，降温效果显著，如图8 所示：

图8 对比机房（左）和试验机房（右）外顶温度

②室内空气降温效果

试验机房在应用零能耗“新材料”方案后，温度波动由2.5℃降至0.5℃～1.2℃，改善了空调的控温效果，从而可改善基站设备热工环境，提高基站工作可靠性、降低基站故障率和退服率，如图9 所示。

图9 对比机房（左）和试验机房（右）室内空气温度

③空调运行时间及耗电量变化

由于天气变化原因，对比机房的空调运行时间从空白试验的5 352 分钟降至第二阶段试验的4 693 分钟，故可得天气因素对空调运行时间的校正因子k1为：

其中TB,before和TB,after分别为对比机房前后两个试验阶段的空调运行时间。故试验机房应用零能耗“新材料”方案后，空调运行时间减少的百分比可计算为：

其中TA,before和TA,after分别为试验机房前后两个试验阶段的空调运行时间。故由计算可得，在相同天气条件下，试验机房空调运行时间（表6 所示）在应用零能耗“新材料”方案后可减少21.3%，从而可延长空调使用寿命，降低空调故障率。

表6 对比机房及试验机房的空调运行时间

④空调耗电量

各阶段起始时刻空调耗电量均初始化为0，试验8 天内空调的累计耗电量，曲线的斜率代表空调耗电功率的大小。从图中可以看出在空白试验阶段，试验机房的耗电量曲线的斜率明显比对比机房大，两机房的累计耗电量差值随时间推移不断扩大，8 天累计相差152 kWh；而试验机房应用零能耗“新材料”方案后，两机房的累计耗电量曲线基本比较接近，8 天累计相差仅18 kWh，由图10 及表7 统计数据可见零能耗“新材料”方案大幅降低了机房制冷负荷。

图10 试验机房和对比机房空调累计耗电量曲线

表7 试验机房和对比机房空调累计耗电量数据

由于天气变化原因，对比机房的空调累计耗电量从空白试验的235.6 kWh 降至第二阶段试验的188.9 kWh，故可得天气因素对空调累计耗电量的校正因子k2为：

其中QB,before和QB,after分别为对比机房前后两个试验阶段的空调累计耗电量。故试验机房应用零能耗“新材料”方案后，空调节电率可计算为：

其中QA,before和QA,after分别为试验机房前后两个试验阶段的空调累计耗电量。故由计算可得，在相同天气条件下，试验机房在应用零能耗“新材料”方案后可节电33.4%，日均节电约13 度（转供电0.9 元/度）。

4）全年经济收益测算

根据实验来看，机房空调节电率33.4% 及节电量约13 度/ 天，均为西安9 月份试验数据，而天气条件（如太阳辐照和环境温度）对结果有一定影响，因此预估全年节电及空调运行时间时，需考虑这两方面因素影响。结合当地气象情况，西安机房空调全年开启时间按4-10 月（214 天）计算。根据中国气象局国家气象信息中心气象资料室和清华大学合作编制的气象数据源，西安4-10 月份月均太阳辐照总量比9 月份增长44%，平均气温增长约5%，综合增长约50%，具体详见表8：

表8 西安太阳辐照总量及平均气温

因此零能耗“新材料”方案应用后所带来的经济收益可按以下三方面进行评估：

①节省电费

4-10 月的日均空调节电量为13×150%=19.5 kWh/天，按转供电价0.9 元/kWh 计算，合计节省电费19.5×214×0.9=3756 元/年。

②节省折旧费

全年空调运行时间减少率为21.3%×150%=32%。机房空调按购入价格7 000 元/ 台，使用寿命6 年计算，则应用零能耗“新材料”方案前空调每年折旧费为7000/6=1167 元/ 年；应用后空调使用寿命可延长为6/(1-0.32)=8.8 年，折旧费为7000/8.8=793 元/ 年，即空调折旧费减少374 元/年。

③节省维护费

减少空调运行时间在延长空调使用寿命的同时，可降低空调压缩机等部件的故障率以及降低空调制冷剂补充频次，从而降低空调维护费用。未应用零能耗“新材料”方案前，按空调维修频次6 次/年，维修费按300 元/次计算，则维修费约1 800 元/年；应用后维修频次按3 次/年计算，则维修费约900 元/年，累计减少维护费用约900 元/年。

综上，机房试验后可减少空调电费3 756 元/ 年，减少空调折旧费374 元/年，减少空调维护费用900 元/年，合计5 030 元/年。