室外型站点低碳建设方案研究

赵晓丹,李玉昇，陈志江，李 奥，赵贺朋，邸涵宇，王 未

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2.中国移动通信集团有限公司，北京 100033）

0 引 言

5G建设的飞速发展导致通信站点的需求量激增，传统的室内型基站建设方式面临着站址资源有限且租金高昂，相关网络、管线设备进场难，道路、楼宇、杆塔和电力等配套设施重新改造等问题[1]。而室外型站点建站方式灵活，更利于降低基站选址难度、站点建设及运营成本，同时可降低机房租赁成本，因此室外站建设模式将广泛应用于5G站点的部署中[2]。

然而，随着5G设备的高密集中，室外站点的高能耗与过热问题已逐渐显现[3]。5G室内基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）设备最大发热量为4G设备的3～4倍，大量设备的集中部署不仅导致空调能耗大幅增加，还会导致机柜内部出现设备局部温度过高、设备宕机等问题，严重影响网络的安全性和可靠性。因此，有效解决室外高密度站点的局部热点、高能耗问题，提供BBU设备的安全工作环境温度，是确保网络可靠稳定运行的基础，并且对运营商实现节能减碳具有重要意义[4]。针对上述问题，基于室外型站点的能耗计算分析了其传热过程，从针对柜体构造的被动式优化和针对制冷方式的主动式优化两个方面提出了室外型站点的节能低碳建设方式并分析其节能潜力。

1 室外型站点空调能耗计算

室外型站点通常为室外机柜的形式，空调能耗则取决于柜内的负荷以及空调器的制冷性能系数（Energy Efficiency Ratio，EER）即能效比。负荷的计算又与设备发热量、柜体构造、气候条件等因素有关，能效比与空调性能有关[5]。

1.1 机柜负荷计算方法

为保障机柜的环境温度始终处于设备的正常工作温度范围内，通常需要启用空调进行制冷或制热。将某一时刻为保持柜内设备工作所需温度，需要由空调系统向机柜供应的冷量称为机柜冷负荷，反之需要由空调系统向机柜供应的热量称为机柜热负荷。对于通信设备而言，通常考虑的是冷负荷。

1.1.1 机柜负荷组成

机柜的冷负荷主要包括设备发热量和机柜柜体传热量两个部分，计算公式为

式中：Q为机柜冷负荷，kW；Q1为设备发热量，kW；Q2为柜体传热量，kW。

1.1.2 设备发热量

设备发热量主要包括通信设备发热量和电源发热量，按照设备功耗进行计算，计算公式为

式中：ηP为通信设备的发热系数，即有多少电能转换为热能；ECT为通信设备耗电功率，kW；ηP为电源转化效率。

通信设备的发热系数可取为100%，电源转化效率通常按96%来计算。5G BBU单机的典型功耗通常在0.5 kW左右，4G BBU单机功耗通常在0.1～0.2 kW，甚至更低。从式（2）中也可以看出，电源发热量要远远小于通信设备的发热量。

1.1.3 柜体传热量

室外机柜类似于建筑物，也是由一个柜体组成的封闭空间，通过柜体进行柜内外空气的热量交换，这部分传热量即为柜体传热量，忽略柜体蓄热作用而仅考虑热阻的作用，计算公式为

式中：K为传热系数，W/（m2·K）；A为柜体面积，m2；To为室外空气温度，℃；Ti为室内空气温度，℃。

由此可见，柜体传热量的影响因素主要有3个，即传热面积、传热系数以及柜内外空气的温差。传热面积和传热系数主要与柜体的类型有关，室外机柜的柜体面积取决于通信设备的大小，通常变化不大，而传热系数则与柜体材料的选择密切相关。柜内温度与设备的正常工作所需环境温度有关，通常是在某一范围内变动，室外温度则取决于气候条件，因此不同时刻不同气候区的柜体传热量传热方向也各不相同。

1.2 空调开启判断方法

为保障通信设备和电源设备的正常工作，通常将室外柜内的环境温度控制在0～35 ℃，并结合柜内总冷负荷值来判断并控制空调系统的启停。

当室外温度较高，高于柜内温度的上限35 ℃时，通过柜体的热量传递方向是由柜外到柜内的，Q2为正值，即机柜总的冷负荷Q为正值，此时空调始终处于制冷模式来带走多余的热量，并且为了节能，将机柜内的温度保持在35 ℃。

当室外温度低于35 ℃时，柜体的传热方向变成了由柜内到柜外，此时Q2为负值，因此需要进一步比较Q1与Q2的绝对值大小。当Q1＞KA(35℃-To)时，空调开启制冷模式，柜内温度保持在35 ℃；当KA(0-To)＜Q1≤KA(35-To)时，空调制冷模式关闭，可以完全依靠柜体的被动式散热来抵消设备发热量，此时机柜内温度处于0～35 ℃，并且随着室外温度的降低，从35 ℃下降至0 ℃；当Q1≤KA(0-To)时，通过柜体向外传递的热量大于设备发热量，空调开启制热模式，以使机柜内的环境温度保持在0 ℃。

1.3 空调能耗计算方法

空调的能耗主要取决于机柜负荷以及空调能效比，其关系可表示为

式中：E为空调耗电功率，kW；EER为空调能效比。

由式（4）可以看出，不同工况下的空调能耗也是在动态变化的，因此计算结果选取了一年的累计值。

2 被动式调控优化

根据上文分析，降低空调能耗的重要方式就是控制柜体的传热量，即需要选用合适的柜体来进行被动式优化。传统的4G室外机柜设备数量少、发热量小且铅酸电池工作温度要求高，因此柜体通常采用传热系数较小的夹芯板来增强保温隔热性能，而当前的5G室外机柜设备数量多、发热量大且锂电池可承受更宽温度范围，若是采用夹芯板做柜体可能会影响柜体散热，从而导致空调能耗增大。

对于夏热冬暖地区等较为炎热的地区，柜内温度常年处于35 ℃的上限温度，因此可以考虑选用传热系数相对较大的柜体，从而增强机柜的散热功能。对于严寒地区等室外温度较低的地区，可能需要考虑选用传热系数较小的柜体，来增强机柜的保温性能。并且，对于同一气候区的不同季节不同时刻，室外温度也各不相同，当夏季温度高于35 ℃的情况下，还需传热系数较小的柜体来进行隔热。因此，应该针对不同气候区的气象条件，以全年工况下的空调能耗情况进行讨论，找到适用于该地区全年的最优柜体类型。

本文选取了黑龙江省哈尔滨市、北京市、上海市、海南省东方市、云南省昆明市作为5个气候区的典型代表城市，根据传热系数由大到小选取了单层钢板、双层中空钢板、50 mm夹芯板这3种构造形式来进行分析，根据上文的计算模型，分别计算了5个不同气候区的典型代表城市应用这3种柜体的全年空调能耗。为保证结果的全面性，又分别计算了柜内设备功耗为0.2 kW、1 kW、5 kW时的情况，结果如表1所示。

表1 不同场景下室外机柜全年空调能耗

比较的全年能耗情况，得到各气候区在不同柜内负荷下的最优构造以及相较于传统的50 mm夹芯板柜体的全年节能情况，结果如表2所示。

表2 不同柜内功耗下柜体最优构造及全年节能情况

从表1和表2可知，不同气候区、不同柜内功耗情况下所对应的最优构造有所差异。柜内功耗较低时，大多数地区的依然需要通过夹芯板来增强保温隔热。当柜内功耗达到5 kW时，柜内散热成为了降低能耗的主要影响因素，此时除了夏热冬暖地区，其他4个地区的最优构造均为单层钢板，对比传统构造形式，全年节能量可达到1000 kW·h以上。夏热冬暖地区由于全年室外温度较高，降低空调能耗需要首要考虑隔热，因此各柜内功耗情况下的最优构造均为夹芯板。

3 主动式调控优化

空调能耗不仅与机柜冷负荷有关，而且空调能效比的影响至关重要，因此节约能耗可以利用优化空调制冷系统的主动式方法。

传统空调的制冷方式为利用压缩机进行机械制冷，空调的能效比相对较低，也无法利用自然冷源。若采用重力热管系统，在气候条件允许的地方可以充分利用自然冷源，使空调的能效比大大提高，但也存在部分时间仅依靠自然冷源制冷量不足的问题。为解决上述问题，可以集成变频压缩机制冷系统与重力型热管冷却系统，形成双冷源系统，机械制冷模式与热管冷却模式根据气候条件智能切换，在室外温度高于室内温度时使用机械制冷模式，在室外温度低于室内温度时能利用热管系统冷却。双冷源设计不仅可以充分利用自然冷源，增大空调的全年制冷能效比，有效降低室外柜制冷能耗，并且可以在自然冷量不足时实现不间断供冷，在市电中断或者压缩机故障时持续散热。

为分析双冷源系统的节能潜力，分别计算采用构造优化机柜的情况下不同地区、不同柜内功耗的全年节能量，结果如表3所示。

表3 双冷源系统全年节能量

从表3可知，采用双冷源系统在不同地区均能起到有效的节能效果，并且节能量随着柜内功耗的增加而增加，其中夏热冬暖地区柜内功耗为5 kW时，全年节能量可达到13 631 kW·h，节能效果显著。

其中，对比了北京地区及哈尔滨地区的优化柜体构造的站点、优化空调系统站点以及传统站点的全年耗电量情况，具体如图1和图2所示。

图1 北京地区全年耗电量

图2 哈尔滨地区全年耗电量

从图1和图2可以看出，相较于传统站点，两个地区构造优化机柜的站点全年耗电量均有所下降，其中哈尔滨地区降低2 000 kW·h左右。采用了双冷源系统的站点，全年耗电量的降低更为显著，在哈尔滨地区，相较于传统机柜可降低6 000 kW·h左右。因此，双冷源系统具有较大的节能潜力，可大幅降低室外站点的空调能耗。

4 结 论

综上所述，对室外型站点的能耗计算以及传热过程进行分析，从柜体构造的被动式调控和制冷方式的主动调控两个方面进行了优化。针对不同气候区，应选用不同的柜体构造才能达到最优节能效果。对于夏热冬暖地区，选用单层钢板节能效果最佳；对于温和地区，选用夹芯板节能效果最佳；其他气候区，对于5G设备集中的高密度站点，选用单层钢板节能效果较好，对于密度较低的站点，可选用夹芯板。采用优化构造后的站点，全年节能量可达到1 000 kW·h以上。制冷方式采用压缩机与重力热管的双冷源系统，能有效利用自然冷源，提高空调能效比，降低空调能耗，在不同气候区都能起到节能效果。对于全年温度较高的夏热冬暖地区，全年节能量可达到10 000 kW·h以上，节能潜力较大。