通信基站能效影響因素分析

李 奧，王 未，劉 絢，趙賀朋，李玉昇

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

為應對氣候變化，我國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的目標。在今年的政府工作報告中，“做好碳達峰、碳中和工作”被列為2021年重點任務之一；“十四五”規劃也將加快推動綠色低碳發展列入其中。盡管大部分數字產業綠色化水平較高，但也有一些屬于高耗能之列，特別是大數據中心和5G基站。企業應通過技術創新盡可能減少自身的能源消耗和碳排放，推動我國碳達峰、碳中和目標的實現。

5G基站是我國重要的新基建之一，隨著5G建設的飛速發展，機房設備呈現越來越高密度的集成化，能耗問題突出，設備散熱及機房散熱量日趨增長，開展5G基站節能技術研究對于節能減排及實現碳達峰、碳中和的目標意義重大。根據研究顯示，目前ICT設備相關的碳排放已經成為最大的溫室氣體排放源之一，且該領域的排放勢頭還在隨著5G基站的規模建設而快速上升。

基礎設備能效SIEE表示主設備能耗在機房總能耗中的占比。機房中的散熱主要是由機房空調負責，為滿足機房內大量設備的散熱要求，機房空調數量不斷增加，且其設定溫度越來越低，導致多臺空調長期處于持續運轉、能效低下的狀態，最終造成空調用電量明顯增大，機房SIEE值較低，運營成本不斷增加，因此降低機房空調能耗是目前提升機房能效、實現機房節能、提高能源效率的重點關注環節。

針對上述問題，本文分析了影響機房能效的多種因素，并討論了降低基站能耗、實現機房節能的有效途徑[1]。

1 機房耦合換熱機理

SIEE是指CT設備功耗占機房總功耗的百分比，忽略照明設備等功耗，其計算如式（1）所示。SIEE值越大，表明機房能效水平越高。

式中，ECTi為CT設備功耗；下標i代表室內。拉遠設備和機房內設備皆從開關電源取電，皆會影響電源的發熱量，但機房SIEE值僅與室內設備的功耗有關。根據測算多個機房的平均數據可知，室內設備功耗約占總設備功耗的60%。

由式（1）可知，空調用電是影響機房SIEE的一項關鍵指標。由于空調本身性能與室內側末端環境、室外側末端環境相關，而機房內部設備功耗、室外環境在不斷發生變化，導致空調能耗為動態值，SIEE值也在不斷變化。本文通過分析SIEE的計算公式，得到影響SIEE值的關鍵因素，尋求提高機房SIEE值的有效方法[2]。

空調能耗與室內冷負荷和空調實際能效相關，可表示為：

式中，Q為室內冷負荷，單位為W；EER為空調實際能效。

傳入室內空氣的熱量來自于外圍護結構（外墻、窗等）、通風換氣、電源發熱量及機房內主設備發熱量，因此室內熱平衡方程可表示為：

式中，QW為圍護結構熱量，單位為W；QH為室內外換氣熱量，單位為W；Q電源為電源發熱量，單位為W；QCTi為室內設備發熱量，即室內設備功耗，單位為W，QCTi=ECTi。

忽略圍護結構蓄熱作用而僅考慮熱阻的作用，通過圍護結構傳遞的熱量可表示為：

式中，K為傳熱系數，單位為W/m2·K；A為圍護結構面積，單位為m2；To為室外空氣溫度，單位為℃；Ti為室內空氣溫度，單位為℃。

室外空氣與機房內空調的熱量交換可以理解為室外空氣與外墻面之間的熱對流、外墻面與內墻面之間的熱傳導及內墻面與室內空氣之間的熱對流3個過程，因此傳熱系數K可表示為：

根據經驗及測算平均值，常取K=0.5 W/（m2·K）。

默認機房有5面外墻，即圍護結構為4面外墻及頂部外墻，因此圍護結構面積A可表示為：

式中，L為機房長度，單位為m；D為機房寬度，單位為m；H為機房高度，單位為m。

圍護結構的外表面還長期受到太陽輻射的影響，因此室外綜合氣溫Tz可表示為:

綜合考慮以上因素，通過圍護結構傳遞的熱量應表示為：

由于室內外空氣存在壓力差，通過門窗縫隙、饋線窗等，室內外空氣會有一定數量的交換，以換氣次數N來衡量，從而估算房間空氣熱量交換，機房因饋線窗等開孔較大，根據經驗和測算，常取N=1次/h。

式中，ρ為空氣密度，ρ=1.29 kg/m3；c為空氣比熱容，c=1 000 J/(kg·K)；V為機房體積，單位為m3。

電源發熱量與電源轉化效率η有關，常按供電效率96%計，電源發熱量可表示為：

綜上，空調能耗可以表示為：

SIEE可以表示為：

以一個長度L為10 m，寬度D為3 m，高度H為3 m的標準機房為例，機房內設備總功率ECT=5 000 W，室內設備功率為設備總功率的60%，即ECTi=3 000 W，基礎工況如表1所示。

表1 基礎工況

代入式（12）中得出SIEE=67%，計算結果如表2所示。

2 SIEE影響因素分析

2.1 房間尺寸影響

分別改變機房的長度、寬度、高度，在基礎工況下得到的SIEE如表3所示。

表3 改變機房尺寸在基礎工況下得到的SIEE值

在設備發熱量固定及運行工況不變的情況下，房間尺寸越大，機房空調冷量越多地浪費在對房間內空氣的冷卻上，空調的功耗越大，機房SIEE越小，因此在合理規劃的前提下盡量減小房間尺寸不僅有利于節省租金，對于節能亦有幫助[3]。

2.2 圍護結構影響

不同材質的圍護結構對于溫度變化的敏感度不同。隨著室外溫度及太陽輻射強度的變化，彩鋼板房內空氣溫度相比于磚混墻體的機房變化更為明顯，因此圍護結構對SIEE的影響主要表現在傳熱系數上，保持其他參數不變，得到的SIEE值如表4所示。

表4 不同傳熱系數得到的SIEE值

圍護結構的傳熱系數越大，即對室外溫度的變化越敏感，其SIEE值越小，因此同等尺寸的磚混墻體機房在相同工況下比彩鋼板房更節能[4]。

2.3 換氣次數影響

以換氣次數N來衡量室內外空氣的交換量，換氣次數越多說明房間孔洞越大，漏冷越嚴重，機房SIEE越小，如表5所示。因此從節能的角度出發，應對機房里門窗、饋線孔等進行有效封堵。

表5 不同換氣次數得到的SIEE值

2.4 室內溫度影響

在室外溫度不變的情況下，室內空氣溫度與機房空調的設定溫度有關，為維持機房內較低溫度，需將空調的設定溫度盡可能調低，空調壓縮機全天無休止地運行導致能耗極大，機房SIEE值很小，如表6所示。因此從節能的角度出發，在滿足機房內設備正常工作及維護人員舒適的溫度的前提下，應盡量提高機房空調的設定溫度[5]。

2.5 設備功率影響

式（1）上下同除ECTi，可變形為：由式（13）可知，SIEE是由空調能耗與設備能耗的相對值來決定的。設備功率增大，空調能耗隨之略有增加，但二者的相對值減小，因此設備功率越大，SIEE反而越大，如表7所示。

表7 不同設備功率得到的SIEE值

2.6 空調能效影響

由式（2）可知，空調能效直接影響空調功耗，因此可以采用變頻壓縮機或利用自然冷源的熱管技術等提高空調實際能效，降低空調能耗，從而有效提高機房SIEE以達到節能收益，如表8所示。

表8 不同空調實際能效得到的SIEE值

2.7 電源效率影響

電源設備損耗由電源轉換效率決定，電源轉換效率越高，損耗越小，機房SIEE值越大，如表9所示。因此，從節能的角度出發應盡量提高電源轉換效率。

表9 不同電源轉換效率得到的SIEE值

2.8 能效計算方法分析

分析設備功率對機房SIEE值的影響可知，設備功率越大，SIEE值越大。SIEE'為考慮從機房取電的所有設備功耗，計算如式（14）所示：

能效指標本質上反映的是設備能耗在機房能耗中的占比大小，換句話說，也是空調能耗的占比大小，兩者是相關關系。而空調能耗的影響僅與室內設備的發熱量有關，室外設備的發熱并不會影響室內空調能耗，也不應該成為影響機房能效的因素，因此，能效的計算不應將室外設備功率計入在內。不同計算方法得到SIEE及SIEE'值如表10所示，SIEE'的計算方法變相提高了設備功耗，算得的值偏大，并不能準確反映機房真正的能效水平。

表10 不同計算方法得到的SIEE及SIEE值

2.9 制冷方式影響

機房空調“先冷環境、后冷設備”的冷卻方式造成冷熱氣流摻混、制冷低效且大量冷量浪費在機房空間，將制冷范圍從房間級縮小至機柜級精確制冷，不同制冷方式下得到的SIEE值如表11所示。機柜密封可以盡可能地減小冷量損耗，理想狀態下傳熱系數和換氣次數都為0，SIEE值明顯提高，因此機柜級制冷方式更為節能。

表11 不同制冷方式得到的SIEE值

2.10 氣候差異影響

室外空氣溫度低于室內空氣時，室外空氣可以通過圍護結構及內外換氣向室內空氣傳遞冷量，因此圍護結構熱量及內外換氣熱量為負值，如表12所示，室內冷負荷及空調功率明顯減小，機房SIEE值顯著提高，也說明利用自然冷源具有極大的節能潛力。

表12 不同室外溫度得到的SIEE值

2.11 制冷系統影響

室外空氣溫度低于室內空氣時，利用熱管技術可以充分利用自然冷源，空調實際能效最大可達10，如表13所示，此時SIEE值可達92%，可以產生極大節能收益。

表13 不同制冷系統得到的SIEE值

3 結 論

（1）影響基站能效的因素有房間尺寸、圍護結構、換氣次數、房間氣溫、設備功率、空調能效、電源效率、計算方法、制冷方式、氣候差異等；

（2）提升機房能效的手段有減小房間尺寸和換氣次數、采用傳熱系數較小的圍護結構、提高空調設定溫度、提高空調能效及電源效率等；

（3）能效指標本質上反映的是設備能耗在機房能耗中的占比大小，計算SIEE時不應將室外設備功率計入在內；

（4）柜級制冷方式集成可以充分利用自然冷源的熱管系統，在秋冬季節可以產生極大的節能收益。