一種基于基站熱量控制的新型綜合節(jié)能系統(tǒng)

盧運運 甘順水 陳大裕

【摘 要】中國通信企業(yè)每年用電能耗將近十億人民幣，而基站能耗占通信機房總能耗將近2/3，因此研究基站節(jié)能減排措施對降低通信企業(yè)能耗有重要意義。文章從系統(tǒng)產(chǎn)生的背景、技術(shù)方案、應用效果方面進行論述，提出一種基于基站熱量控制的新型綜合節(jié)能系統(tǒng)解決方案。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能減排；基站熱量控制

1引言

中國移動公司目前超過40萬個移動通信基站，基站耗電占總能耗量70%以上，降低基站能耗對企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排有重要意義。目前通信基站節(jié)能措施主要包括智能通風、空調(diào)節(jié)能添加劑、反射涂料等。本文從方案產(chǎn)生的背景、技術(shù)方案、應用效果三方面提出一種基于基站熱量控制的新型綜合節(jié)能系統(tǒng)。

2節(jié)能減排方案現(xiàn)狀

基站機房通常是一個相對封閉的空間，機房里面主設(shè)備產(chǎn)生的熱量無法自動散發(fā)到外界空間，目前絕大多數(shù)情況是采用專業(yè)空調(diào)對機房進行降溫，而空調(diào)能耗約占基站總耗的35%，故研究如何降低基站溫控系統(tǒng)的能耗，對降低基站設(shè)備總能耗意義重大。

2.1提高空調(diào)能效比

通過技術(shù)升級，不斷提高空調(diào)整機的能效比，可以在一定程度上降低機房總能耗，但是在空調(diào)機運行生命周期的中后期，由于空調(diào)機經(jīng)過多次綜合維修，整機綜合性能下降，能耗會有所增加，故總體來看，采用能耗比更高的空調(diào)機，對運營商而言，投資收益比與預期的效果有差距。

2.2采用集中排熱系統(tǒng)

對于大型數(shù)據(jù)機房、傳輸機房，采用諸如水冷系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)對整棟機樓設(shè)備熱量進行集中收集、集中散熱，能夠明顯降低機房總體能耗，但該方式只能應用于大型數(shù)據(jù)機房，且對設(shè)備安裝空間、供水保障有一定要求，無法應用于普通基站機房。

2.3空調(diào)集群控制

對于大型數(shù)據(jù)機房，安裝的空調(diào)機數(shù)量比較多，各個樓層除了正常制冷需要的空調(diào)機之外，還考慮了一定數(shù)量的備用空調(diào)機組，故可通過集群控制系統(tǒng)，對每一臺空調(diào)主機執(zhí)行聯(lián)動控制，根據(jù)機房主設(shè)備的裝機數(shù)量、環(huán)境溫度的季度變化情況對各臺機組進行工作輪換、定時啟停控制、運行參數(shù)設(shè)定，這樣從總體上看所有機組制冷輸出與機房熱量排放達到最優(yōu)匹配狀態(tài)。但該方式只適用于安裝空調(diào)數(shù)量比較大、環(huán)境溫度變大的情形，同時需要設(shè)計并安裝空調(diào)機組集控系統(tǒng)，對于普通基站，應用受限。

2.4智能通風系統(tǒng)

通過墻面排風扇抽取機房外界自然新風進入機房內(nèi)部，與機房內(nèi)部熱源混合后，強迫熱量從另一出口排出機房的一種方式。由于冷源氣流壓強損失大、冷源流場路徑多變、冷源無法與熱源有效混合，導致冷源實際帶出的熱量效率很低，大部分熱量依然駐留在機房內(nèi)部，降溫效果不佳。

基站智能通風系統(tǒng)對于室內(nèi)外溫差不大、熱天天氣比較多的南方地區(qū)，系統(tǒng)實際投入的運行時間較少，也會導致節(jié)能效果不理想。

3基站綜合節(jié)能系統(tǒng)實施方案

3.1系統(tǒng)總框架

參照智能通風系統(tǒng)原理，采用管道式控制進出機房空氣流代替自由式空氣通道，實現(xiàn)冷源與熱源充分結(jié)合交換熱量。此外，對自然冷源經(jīng)過地埋通道執(zhí)行進一步調(diào)理，降低冷源溫度以及清潔度，同時并采用反射保溫材料隔擋太陽輻射，降低基站內(nèi)部溫度，從而減少空調(diào)運行時長，系統(tǒng)模型示意圖如下：

系統(tǒng)主要包括四個部分：系統(tǒng)進風部分、系統(tǒng)排熱部分、太陽輻射隔擋部分、基站溫度分區(qū)部分。其中關(guān)鍵系統(tǒng)為進風部分和排熱部分，太陽輻射隔離及基站溫度分區(qū)部分為輔助部分。

3.2系統(tǒng)各部分功能設(shè)計

3.2.1進風環(huán)節(jié)

進風環(huán)節(jié)主要作用是為機房引入優(yōu)質(zhì)的冷空氣，分為兩個部分：進風口及進風管道，進風口可以直接采用智能通風系統(tǒng)的進風口，普通基站風機風量約1700 m?/h，系統(tǒng)如下圖：

進氣管道采用￠200阻熱與防火性能較好的纖維管，一端與智能通風的進風口連接，另一端放置在樓梯間或大片樹木陰涼區(qū)域，從而獲得最低溫度的空氣，增大導入室內(nèi)的冷量。

精確進風管道能有效降低抽入室內(nèi)冷空氣的溫度（一般能降低4℃-6℃），等效于顯冷量提高40%。為降低進風管道風阻，需采用1700 m?/h大風量的進風風機，進風管道的彎角安裝大于120度，根據(jù)計算每10米管道減少約12%的風量，則約進風量為1500 m?/h，對于60 m?的基站室內(nèi)容積，每小時能換氣25次，滿足進風量要求。

3.2.2排風環(huán)節(jié)

經(jīng)測算基站內(nèi)部絕大部分的熱量為BTS設(shè)備運行所排出，通過在主設(shè)備的機柜排熱口加裝定點排熱管道系統(tǒng)，將設(shè)備產(chǎn)生的熱量直接快速導出室外，有效減少熱量在室內(nèi)駐留時間。

聚熱罩放置在BTS機柜的頂部，將主設(shè)備排出的熱量進行聚集。聚熱罩機柜尺寸600×300×200，罩內(nèi)風速小于2米/秒。設(shè)計依據(jù)：聚熱罩面積為600cm*300cm=0.18m2，每個BTS有3個排熱風機，單個風機風量為180m?/h，即BTS總風量為：180*3=540m?/h（1h=3600s），密封蓋板內(nèi)風速為=風機風量/靜壓箱截面面積=540/0.18/3600（s）≈0.8m/s<2m/s。

排熱管道的技術(shù)參數(shù)設(shè)置：采用￠200PVC管道，為保證室外噪聲小于40DB，需滿足出風口風速≤10M/S，管道風速=風機風量/管道截面面積= 540/0.18/3600（s）=9.55M/S，阻燃PVC塑料圓管作為風管材料，使得風阻小，安裝方便，不易積塵，且進風和出風設(shè)備的風口均為圓口，減少流體阻力。

出風口與室外連通，排出熱量，技術(shù)參數(shù)設(shè)置：防雨防蟲，￠200PVC 彎頭。

直接采用BTS機柜風機作為排風機，將室內(nèi)主要設(shè)備散熱熱量直接導出室外，不需外加電源，在停電情況下排熱仍然進行。

3.2.3太陽輻射隔擋部分

為降低太陽輻射熱傳導產(chǎn)生機房熱量，通過基站內(nèi)部安裝隔熱反射材料，隔離絕大部分太陽輻射熱量。加裝隔熱材料后，外墻的傳熱系數(shù)K≤1.0 w/m2.k，即R≥1.0，有效降低了來自太陽的輻射熱量，如下圖：

3.2.4基站溫度分區(qū)部分

基站蓄電池對運行溫度要求為25℃，而室外溫度大部分時間高于智能通風運行條件28℃。為了使用基站蓄電池恒溫箱，將基站分為二個溫度控制區(qū)域，即蓄電池恒溫箱設(shè)置為25度，而基站室內(nèi)空調(diào)設(shè)置為35度，提升節(jié)能效率。蓄電池恒溫箱內(nèi)安裝自啟小型400W空調(diào)。

4系統(tǒng)應用測試效果

為了測試系統(tǒng)的節(jié)能效果，分別對安裝了定點排熱系統(tǒng)的基站、智能通風基站和無節(jié)能措施基站進行基站主設(shè)備、空調(diào)、節(jié)能設(shè)備的獨立電表安裝，記錄從3月22日至4月18日的能耗數(shù)據(jù)，執(zhí)行對比分析。

節(jié)能效果評估計算方式：空調(diào)節(jié)能率=【無節(jié)能設(shè)備基站空調(diào)用電量-（有節(jié)能設(shè)備基站的空調(diào)用電+節(jié)能措施用電）】/無節(jié)能設(shè)備基站空調(diào)用電量*100%

圖4-2表明在春季天氣較冷期間，定點排熱節(jié)能系統(tǒng)試點機房的空調(diào)運行時長較短，定點排熱節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能率超過90%，智能通風的節(jié)電率為67%。

由圖4-3可以看到，節(jié)能系統(tǒng)運行時間為空調(diào)運行時間的150倍以上，系統(tǒng)運行效率高。

夏季炎熱天氣期間，通過遠程抄表功能，收集了9月9日至9月16日各基站用電量數(shù)據(jù)，通過分析得到節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)電率超過70%，如下表：

為了提高測試數(shù)據(jù)的有效性，收集時間跨度為半年，從9月9日到次年3月5日共6個月的數(shù)據(jù)進行對比分析，空調(diào)與節(jié)能措施的用電量最低的基站分別為542度、537度，而同期無節(jié)能設(shè)備的基站空調(diào)用電量為4020度，可以得到基站定點排熱系統(tǒng)的節(jié)能率為86%。

5節(jié)能系統(tǒng)的經(jīng)濟效益

5.1直接的經(jīng)濟收益

以定點排熱裝置成本為5000元、室外精確進風管道1200元、電池恒溫箱為8000元、隔熱材料3500元計算，整套系統(tǒng)總造價為17700元。

經(jīng)測算，基站每臺空調(diào)平均月用電量為900度，節(jié)能系統(tǒng)的年平均節(jié)能率為86%，基站平均電價為0.95元/度，則系統(tǒng)的年平均收益：900度*12個月*86%*0.95元/度=8823元。節(jié)能系統(tǒng)的成本回收周期約為17700/8823 = 2年。

5.2間接的經(jīng)濟收益

使用節(jié)能系統(tǒng)基站的空調(diào)可以大大減少運行時間，有效降低空調(diào)的故障率，可以大幅度降低基站空調(diào)的維修成本。

6節(jié)能系統(tǒng)創(chuàng)新點

針對如何獲得更低溫度的空氣，本方案研發(fā)一種適合智能通風設(shè)備使用的精確進風管道，該管道能有效降低進風空氣溫度3-6度。

針對如何有效收集室內(nèi)BTS設(shè)備所散發(fā)的熱量，研發(fā)出基站BTS設(shè)備定點排熱裝置，該裝置能夠?qū)?5%以上BTS散發(fā)的熱量直接導出室外，大幅度降低室內(nèi)熱量。

系統(tǒng)將帶有精確進風的智能通風、定點排熱、基站反射材料與蓄電池恒溫箱等4種節(jié)能措施結(jié)合一體，由智能通風進行主控，集中機房內(nèi)各個溫控系統(tǒng)，從整體上提高了溫控系統(tǒng)的效率。

7總結(jié)

基于基站熱量控制的節(jié)能綜合系統(tǒng)實現(xiàn)原理比較簡單，需投入的整改資金比較少，節(jié)能效果明顯，適合在冷天天氣比較多、空氣清新度高、站內(nèi)設(shè)備較多的活動板房基站使用。

參考文獻：

[1] 《艾默生機房空調(diào)解決方案培訓教程》，艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，2012年

[2] 《精密空調(diào)用戶培訓教程》，艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，2006年

作者簡介：

盧運運，工程師，中國移動通信集團廣西有限公司梧州分公司網(wǎng)絡(luò)運營中心動力維護主要負責動力系統(tǒng)電源日常運行、優(yōu)化維護，對機房節(jié)能減排工作有深入研究，并獲得2016年度集團公司“青年技術(shù)能手”稱號。

甘順水，工程師，中國移動通信集團廣西有限公司網(wǎng)絡(luò)運營中心動力室主要從事開關(guān)電源系統(tǒng)、蓄電池、機房專業(yè)空調(diào)日常運行維護優(yōu)化整改，利用新電源技術(shù)降低機房整體能耗等工作。

陳大裕，工程師，中國移動通信集團廣西有限公司梧州分公司網(wǎng)絡(luò)運營中心動力維護主要負責動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)及動力設(shè)備日常運行、優(yōu)化維護，對動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)及設(shè)備接入有深入研究。

（作者單位：1、中國移動通信集團廣西有限公司梧州分公司網(wǎng)絡(luò)運營中心；

2、中國移動通信集團廣西有限公司網(wǎng)絡(luò)運營中心；

3、中國移動通信集團廣西有限公司梧州分公司網(wǎng)絡(luò)運營中心）