通信户外机柜用温控设备节能措施及运行效果分析

2024-02-28崔四齐杨涵斐关斯泽范惠芳

流体机械 2024年1期

崔四齐，张毅，白静，杨涵斐，许闯，关斯泽，范惠芳

（中原工学院能源与环境学院，郑州 450007）

0 引言

2020 年我国通信基站耗电量高达465.8 亿kW·h，尤其是2019 年5G 商用后，大规模部署的5G 基站所带来的能耗增速更快［1-2］。而温控系统的能耗占基站总能耗的40%以上，少数基站、数据中心甚至达到了60%。由于三大运营商整合后基站减频共站，对2G 和3G 网络减频退服、对4G 和5G 网络共站，使得基站机柜内通信设备增多、负荷增大。5G 通信设备功率是4G 的3～5倍，4G 到5G 的转变，使得基站机柜内发热量增大，且基站柜内气流组织分布不合理，冷量利用不充分，导致通信基站机柜内环境温度控制效果不佳，通信设备频繁高温报警［3-5］。因此，降低通信机柜温控能耗，提高通信机柜温控效果已成为通信领域研究的热点之一。

目前，国内外已经开展通信基站、数据中心的节能冷却技术研究。石文星等［4］阐述热管/蒸气压缩复合制冷技术的工作原理与节能机制，并将开发的热管/蒸气压缩空调机组在全国南北多个基站中进行长期试点应用。吴银龙等［5］设计了1 套用于基站的分离式重力热管蒸气压缩复合式空调，并对其性能进行了试验研究。鲁祥友等［6］提出了一种应用于农村通信基站散热的铜/甲醇回路热管（LHP）装置，试验研究了不同布置方式、不同充液率以及不同空气流速下LHP 的换热特性。张海南等［7］提出一种新型机械制冷/回路热管一体式机房空调系统，并利用焓差实验台对系统性能进行了试验研究。马国远等［8］对某小型数据中心散热用泵驱动回路热管换热机组的运行性能进行研究，拟合出其换热特性曲线，并通过拟合曲线对其进行节能性分析。张泉等［9］分析了充液率对基站用微通道分离式热管性能的影响，以及不同风量，不同室外温度下的最佳充液率范围。金鑫等［10］利用CFD 技术优化了基站内的气流组织形式，研发了基站用微通道型分离式热管，并对冷却系统的COP 和节电率进行了试验研究。卢大为等［11］总结了数据中心用回路热管空调系统最新研究进展。刘宇轩等［12］开发了一种可变风道自然冷源-压缩机机房空调，并就其中的工作模式进行了工程试验。CHOI 等［13］研究了一种应用于通信基站的混合冷却系统，针对不同的室外温度采用不同的空调制冷模式，并对比了混合制冷系统与传统空调制冷系统的COP。MAEDA 等［14］研究了以空调制冷系统为主要冷却系统，自然循环作为预冷系统的混合制冷系统，并应用在通信基站中进行试验研究。RYU 等［15］对25 个基站进行了大量的热值和电荷测试，对比安装智能控制系统前后的数据，分析了基站能耗。由上述国内外文献可知，针对通信户外机柜全年冷却，目前国内外常采用以下3 种解决方案：（1）采用自然冷量为主、机械制冷为辅的冷却方案，机械制冷设备优先运行，当室外温度较低时，采用自然冷源引入自然新风。该方案能够大幅度地减少机械制冷设备运行时间，节能效果显著，但设备运行维护不方便，需要定期更换过滤网，运行维护成本增加。另外，由于引入室外新风，导致基站柜内洁净度超标，灰尘进入机柜内设备，严重影响设备散热，且具有腐蚀性的灰尘损坏电子器件。（2）采用热管冷却技术，该方案在室外温度较低时有良好的效果，但在夏季采用热管冷却，不能满足基站机柜对冷负荷的需求。（3）采用热管为主、机械制冷设备为辅的冷却方案，该方案在满足基站机柜温度控制要求的同时，柜内洁净度高，且节能性较好，但其控制策略较为复杂，初投资较高。但是，众多学者还在进行模拟及试验研究，缺少实际应用，以及针对通信户外机柜的冷却方案研究。本研究基于目前郑州通信户外机柜温控设备存在的问题，设计开发出以热管为主、空调为辅的温控系统，并进行了实地全年性能测试。

1 通信户外机柜用温控设备工作原理

通信户外机柜用温控设备工作原理如图1所示。

温控设备采用热管为主，空调系统为辅的设计方案，能够减少压缩机运行时间，降低能耗，热管与蒸汽压缩式空调工作回路相互独立，热管工质依靠重力作用循环，蒸汽压缩式空调工质依靠压缩机驱动循环。风系统循环采用下送上回、高风速、内循环气流方式，热管蒸发端和蒸汽压缩式空调蒸发器在设备集成箱内风道串联，共用1 台高风速EC 管道风机，首先柜内高温空气通过热管蒸发端换热器进行第1 次冷却，然后通过空调蒸发器进行第2 次冷却，经过冷却的低温空气进入柜内与通信设备换热变成高温空气，再进行冷却，依次循环。采用此种气流形式优化机柜内气流组织有以下优势：（1）下送上回的气流形式使得机柜内气流形成冷热分区，避免冷热气流掺混造成冷量浪费。（2）由于不同厂家通信设备（Base Band Unit，BBU）的进出风方式不同，因此采用高风速送风保证气流组织顺畅，强化BBU 设备换热，避免产生局部热点。（3）此内循环过程不引入室外新风，保证了机柜内洁净度和相对湿度在安全可靠的范围内。控制器调控热管和空调联动运行，其分别连接温度传感器、热管冷端风机、管道风机、空调压缩机、冷凝风机控制温控系统工作模式，根据温控设备的回风温度T 变化，参考行业标准YD/T 2768.3-2018［16］，控制策略见表1。

表1 温控设备控制策略Tab.1 Control Strategy of Temperature Control Equipment

2 通信户外机柜用温控设备实测结果与分析

2.1 样机设备与测量装置

依据通信户外机柜用温控设备工作原理和相关国家规范和标准［17］开发了通信户外机柜用温控设备样机（后文简称现温控设备），应用于郑州市逸泉小区三联柜移动通信基站，升级改造后经全年实地测试，与原门载式空调（后文简称原温控设备）进行运行效果对比分析，使用原门载式空调的设备柜简称为原设备柜，升级改造后的设备柜简称为现设备柜。该三联柜通信基站配备3 台门载式空调，单台额定功率为600 W、额定制冷量为1 800 W，总额定功率为1 800 W、总额定制冷量为5 400 W。现温控设备样机和测量装置主要包括热管、空调、送回风风道、控制器和数据采集仪。测量装置明细见表2。现温控设备总额定功率为1 125 W，总额定换热量为5 435 W。

表2 现温控设备样机和测量装置明细Tab.2 List of Prototype and Measuring Device of Current Temperature Control Equipment

2.2 通信户外机柜温度对比分析

实地测试了原温控设备和现温控设备在全年不同室外环境工况下，设备柜温度控制情况。如图2 所示，原设备柜在夏季日均温度范围在47.0～54.2 ℃之间，通信设备频繁出现高温报警情况，这是由于不同BBU 设备的进出风方式不同，且原温控设备采用下部送风、中上部回风的气流形式，导致设备柜内气流组织紊乱，使得机柜内环境温度过高，原温控设备蒸发温度过高，压缩机吸气比容减小，质量流量增大，导致压缩机负载变大，电流过载，出现保护性停机，机柜内环境温度进一步升高，形成热量堆积，因此通信设备频繁出现高温报警。在过渡季节和冬季日均温度范围分别控制在27.1～43.9 ℃和22.5～29.2 ℃之间，通信设备仍会存在少数高温报警情况，这是由于原设备柜内气流组织未进行冷热分区，存在局部过热现象。现温控设备在春夏秋冬四季控制设备柜日均温度分别在20.7～36.1，32.0～36.4，25.8～37.1，17.9～25.7 ℃之间，符合GB/T 51216-2017《移动通信基站工程节能技术标准》通信设备工作温度范围为5～40 ℃的要求，且通信设备全年无高温报警。

图2 设备柜日均温度对比Fig.2 Comparison chart of the average daily temperature of the equipment cabinet

在全年四季，原设备柜和现设备柜温度均随着室外温度的升高而升高，原设备柜日均温度均值在春夏秋冬季节分别为35.2，49.1，38.9，25.1 ℃，现设备柜日均温度均值在春夏秋冬季节分别为28.7，33.9，32.1，20.5 ℃，比原设备柜日均温度均值分别低了6.5，15.2，6.8，4.6 ℃，原设备柜与现设备柜内温度相差较大，主要由于：（1）现温控设备热管和空调能够联动运行，满足设备柜内温控要求。在过渡季节和冬季，控制器检测温控设备回风温度T 高于30 ℃低于40 ℃时，设备柜内负荷较小，仅靠热管运行即能满足其冷量需求；在炎热的夏季，回风温度T 高于40 ℃时，设备柜冷负荷较大，仅靠热管运行不再能满足其冷量需求，空调开始辅助冷却；在室外温度较低的冬季，回风温度T 低于20 ℃时，此时设备柜内不再需要冷负荷，热管和空调均不再运行。（2）现设备柜内气流组织优化后，机柜内气流形成冷热分区，避免冷热气流掺混造成冷量浪费；高风速保证气流顺畅，强化通信设备换热。因此，现温控设备能够更好的调控设备柜温度。

2.3 温控设备功耗对比分析

经全年实地测试后，现温控设备与原温控设备功率进行对比，如图3 所示，原温控设备和现温控设备逐日功率均随着室外温度的升高而升高，原温控设备春夏秋冬四季日均功率分别为665.5，1440.3，753.0，637.0 W。现温控设备春夏秋冬四季日均功率分别为211.7，764.0，265.5，156.3 W，比原温控设备日均功率分别低了453.8，676.3，487.5，480.7 W。现温控设备的日均功率大幅度下降，由于原温控设备几乎全年运行，导致能耗过高，而现温控设备通过设定合理的控制逻辑，控制热管和空调系统联动运行，减少了空调压缩机的运行时间，并且在冬季和过渡季节大多天数仅靠热管运行就能满足机柜内温控要求，因此能耗大幅度降低。如图4 所示，原门载式空调在春夏秋冬四季日均耗电量分别为16.0，34.6，18.1，15.3 kW·h，全年耗电量为7551.0 kW·h，现温控设备在春夏秋冬四季日均耗电量分别为5.1，18.3，6.3，3.75 kW·h，全年耗电量为3 018.4 kW·h。与原温控设备相比，现温控设备在春夏秋冬各季节能率分别为68.2%，47.0%，64.7%，75.5%，全年节能率高达60.0%。