自清洁新风在5G基站的节能应用

2023-02-24孙文超马小芮

上海节能 2023年2期

孙文超陈童马小芮

中国铁塔股份有限公司上海市分公司

0 节能减排的背景和意义

随着5G建设的快速发展，5G基站的数量也急剧增加，但5G基站单站能耗是4G的2倍以上，如何实现低成本建站、安全高效运营、降低网络能耗已成为急待解决的问题，目前无机房、少空调、去空调的建设模式已成为主流。从该理念出发，本文研发了一款自清洁新风系统，最大限度地利用自然冷源，在夏季保证铁锂电池和通信设备的安全工作温度，此外，还实现了无机房和去空调化，显著降低了能源消耗，是实现碳达峰、碳中和的有效方法。

1 目前机房节能减排主要方法和使用情况

机房耗电主要有设备、开关、空调三部分，用电比例约为5∶1∶4。2007年起三大运营商对自有机房进行了各种节能减排改造：如采用高效的电源模块，使用热交换、热管空调，使用智能新风、卷轴新风等实现机房内外热量交换，从而实现减少空调使用的目的［1］。

1.1 热交换

热交换是将室内外冷热空气通过铝箔热交换芯体进行热量交换，其优点是室内外空气完全隔绝，机房无灰尘和有害气体。

影响热交换使用的原因：

1）室外侧铝箔由于灰尘较多，外侧通道被堵塞且难以清理，随着时间的推移，最后基本无换热效果。

2）热交换芯体体积大，占用空间多且安装麻烦，很多机房无足够安装的空间。

3）热交换能效比较低，在室内外温差小于10℃时，能效比为8左右，小于5℃时，能效比小于4，基本无节能。对一些小型的、全年只有在外温超过25℃时才开空调的基站，使用热交换技术基本无节能效果。

4）热交换室外进风口常被杨絮、柳絮堵塞，需定期维护，否则换热效率很低。

5）产品造价高，投资回收周期约4年。

1.2 热管空调

热管空调是特殊冷媒遇冷液化后，液体通过重力下流至机房，再在机房气化吸热，将热量通过冷媒运到室外侧的一种超导技术，其优点是室内外完全隔绝，不会给机房带来灰尘和有害气体。

影响热管空调使用的原因：

1）由于热管空调是通过冷媒在重力作用下往下流动，所以室外机一般安装在机房顶部。与空调室外机一样，热管空调室外机也需定期对换热翅片进行清理，清理不但困难，且费用较高。

2）热管空调能效比较低，在室内外温差小于10℃时，能效比为8左右，小于5℃时，能效比小于4，基本无节能。对一些小型的、全年只有在外温超过25℃时才开空调的基站，使用热管空调，基本无节能效果。

3）产品造价高，投资回收期约5年。

1.3 智能新风

智能新风是通过风机将室外温度较低的空气经过过滤后引入机房，再将机房内的高温空气通过专用的排风孔排出从而实现机房降温的目的，其优点是机房降温快，能效比较高，一般超过20［2］。

影响智能新风使用的原因：

维护太频繁：由于将室外空气引入机房须经过高等级过滤网将空气过滤，而空气中灰尘粒子太多，故一般智能新风系统在运转500 h左右时过滤网就会被堵死从而影响新风功能。

1.4 卷轴新风

卷轴新风是在传统新风的基础上将单片过滤网升级为多幅无纺布过滤网，系统根据滤网压差信号判定滤网堵塞情况，并自动卷起脏的过滤网，更换新的过滤网。

影响卷轴新风使用的原因：

卷轴新风配有多幅无纺布过滤网（一般6～12幅），为满足机房洁净度要求，过滤网厚度一般为1 cm，这就要求储料箱和废料箱体积增大，尺寸达600 x 1 200 x 600 mm，为传统新风的2倍，使机房安装受限。此外，由于卷轴新风过滤网为平铺结构，单片过滤网面积较褶皱过滤网面积缩小约1/2，即使安装12幅过滤网，也只相当于6幅褶皱过滤网，新风年运行时长约3 000 h，需要更换6次褶皱过滤网，卷轴新风虽将传统2个月维护一次延长至1年维护一次，但12幅过滤网，更换流程极为复杂，需拆开整个系统内部拆除老旧过滤网，手动缠绕新滤网，耗时耗材，所以很多运营商在使用1年卷轴新风系统后，基本不再维护，停止运行了。

2 节能减排产品研究方向

综合上述几种节能减排技术，热交换、热管空调由于能效比较低、维护频繁、投资回收周期长等原因，突破难度较大，而智能新风较易升级改造，是节能研究的新方向。

3 自清洁新风设计分析

3.1 新型过滤网选择

传统智能新风一般采用两级过滤，第一级为不锈钢防虫网，主要阻挡杨柳絮、小动物等进入机房，第二级采用G4级无纺布过滤网，主要阻挡空气灰尘粒子，两级过滤网堵塞是重点要解决的问题。

第一级不锈钢防虫网可通过转刷定期清理方式解决，第二级无纺布过滤网由于无纺布表面纤维易和灰尘及水凝结在一起，无法采用刷子方式清理干净，故需对过滤网材质进行更换。经上海铁塔公司多次试验，最终选用1 cm厚的且不易和灰尘、水结成壳的无纤维高效聚氨酯材料做过滤棉，该过滤棉过滤效率达95%，远超传统无纺布过滤棉。

3.2 新型风机选择

风机大体可分为轴流风机、后倾叶离心风机、前倾叶离心风机3类，优缺点对比见表1。

表1 风机优缺点对比表

由于基站洁净度G4级过滤网的初始压强约80 Pa，故智能新风不可使用轴流风机。后倾叶离心风机可抗200 Pa风压，为当下基站主用。前倾叶风机由于功率大，主要用于过滤等级更高的机房，前倾叶风机安装示意图如图1所示。

图1 前倾叶风机安装示意图

3.3 自清洁方式设计

聚氨酯棉是平板式过滤棉，不亲水，长期使用灰尘会堆积在表面及内部，传统毛刷只可清除表面灰尘，无法清理到内部，内部需专用的大功率负压吸尘器处理。吸尘器吹灰过程中同时吹掉了第一级过滤网上堆积的灰尘，从而实现两级功率的同时清洁。

3.4 自清洁新风设备的组成

自清洁新风设备主要包括进风风机、自清洁室外雨棚、排风雨棚、控制器。自清洁室外雨棚包括两级过滤网及吸尘器，该设计大大减小了占地空间，使新风系统可在任何基站安装。自清洁新风滤网示意图如图2所示。

图2 自清洁新风滤网示意图

4 自清洁新风实际运行数据分析

目前安装的站点，基站电流从20 A到180 A不等，上海铁塔公司抽取了500个基站及500个机柜，实际运行数据如表2和表3。

表2 基站实际运行数据

表3 机柜实际运行数据

5 机柜散热新思路

上海基站一个站点通常包括设备柜和电源柜。由于设备柜内无电池，故此类站点在机柜内部大气流通的情况下，即使夏季室外温度有40℃，如保持机柜内部温度45℃以下、主设备核心温度65℃以下时，设备仍可正常运行，即新风系统可替代空调使用。上海铁塔公司目前已完成2 293个站点的改造，改造后机柜出现高温次数同比下降88.48%，单站能耗下降31.01%，全年累计节电718万kWh。