機柜級制冷技術應用于C-RAN站點的節能效果分析

趙賀朋，王 未，劉 絢，李 奧，李玉昇

（1.中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080；2.中國移動通信集團有限公司，北京 100032）

0 引 言

隨著國家“雙碳”戰略的推進，建設低碳網絡成為主流運營商的戰略目標?；咀鳛檫\營商的重要基礎設施，也是能耗的主要組成部分，是現階段通信行業降碳的重點之一。在基站能耗中，通信設備能耗約占總能耗的50%左右，空調制冷設備約占總能耗的30%～40%，以及其他配套設備的能耗[1]。在傳統的機房空調解決機房散熱問題時，總是通過先將房間環境溫度整體降低，通過環境再對設備進行降溫，這一過程導致空調的送風溫度與實際到達設備進風口的溫度存在較大溫差，空調制冷量并未完全用于設備冷卻，導致熱備過熱問題，空調制冷效率下降，基站能耗增加[2]。并且在傳統機房中，機房空調功能單一，僅通過壓縮機制冷系統將室內熱量轉移到室外，并未對室外自然冷源加以利用，壓縮機長時間高負荷運行，造成空調能耗增加。特別是隨著5G的普及應用，5G BBU功耗是4G BBU的3～4倍，其發熱量也是4G BBU的3～4倍，那么將對機房空調帶來嚴峻的挑戰。目前解決方案中，一般是通過加裝空調來解決機房內設備過熱問題，該方案不僅無法完全解決局部熱點問題，還帶來空調能耗增加的問題。而在實際應用中室外環境中有著豐富的自然冷源，特別是在中國北方、西南等地區，可成為機房制冷新方式，為空調節能提供可能。因此在應對5G技術推進過程中出現的通信機房過熱問題、機房能耗問題，集成重力熱管的機柜級冷卻方案將是一種更好的替代方案。本文采用機柜級冷卻方案對衢州某C-RAN機房進行改造，并對系統運行狀態、節能效果進行了測試分析。基于此，對全國不同氣候區的C-RAN機房能源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）進行了預測分析。分析結果可為通信基站的建設、節能方案選擇提供參考。

1 機柜級制冷方案

針對C-RAN或BBU等大功率發熱設備集中放置場景，提出機柜級制冷方案，設計研發出多業務一體化節能柜，將空調內機模塊化后集成在BBU等大功率發熱設備的機柜中，如圖1所示，對機柜的前后門進行封閉處理，并根據發熱設備的進出風方式配置導風裝置，實現精確送風，降低空調冷送風的溫升，實現高效率的制冷。通過結合熱管制冷系統，充分利用自然冷源，使得制冷系統更加綠色節能。

圖1 柜級空調產品外觀

以上3種機柜級空調相關參數如表1所示。

表1 制冷節能柜空調參數

針對新建機房場景，采用側式一體化制冷節能柜，可實現多設備收容，并可根據機房未來規劃按需擴容；針對機房面積受限的場景，采用門式模塊化制冷節能柜，可實現多設備收容集中供冷，安裝便捷，場地節約。針對既有機房過熱改造場景，采用門式一體化制冷節能柜，可實現機柜的簡易安裝、靈活替換，有效解決過熱問題。3種制冷節能柜具有如下優點。

（1）解決設備過熱難題、縮短建站成本。針對BBU集中部署帶來設備過熱的難題，采用機柜級制冷方式，通過精確制冷，冷熱通道隔離技術實現設備的高效散熱。單個機柜可容納10個甚至更多BBU，并且單個BBU的負載任務能力得到提升，插入基帶板數量可增加至4個或者更多。在單BBU支持2個邏輯站的情況下，單機柜可集中20個站點，極大地節約了機房的空間，降低基站建設選址難度，降低機房改造對空間的要求。

（2）收容高發熱設備，大幅降低運營成本。針對機房空調低效制冷導致的高額電費問題，機柜方案將主要發熱設備集中在獨立機柜中，進行集中散熱處理，使用熱管、氟泵、變頻技術，充分利用自然冷源和現有空調節能技術實現空調節能和低能耗散熱。經測算對于功耗5 kW的典型基站，如果新增總功耗10 kW的BBU，利用柜級空調將空調能效提升至10，則整個機房全年相對傳統機房空調節省空調電費4.6萬元。

（3）模塊化設計，實現設備靈活部署。針對匯聚機房及基站不斷擴容的建設需求，機柜內部空間采用模塊化設計，滿足不同功能需求，可根據實際情況對BBU、PTN、電源、電池等發熱設備進行高密收容，滿足各設備的散熱需求。另外在柜與柜之間可以通過機柜串聯對空調模塊進行共享，做到冷量按需擴容，如圖2所示。改變以往基站分散、無序的設備部署方式，實現設備的成組建設按需擴容，做到占用機房空間少、建設周期短、建設成本低。

圖2 設備集成方案

（4）降低機房宕機風險，保障網絡可靠運行。針對目前基站市電中斷、壓縮機停機等緊急情況，采用智能控制模式，市電中斷后啟用備用電池電源，實現柜內通風或者熱管換熱，將設備產生的熱量輸送至機柜外或者機房外，實現設備的散熱，降低宕機風險，保證網絡運行。

2 節能效果實測

針對浙江省衢州市某一C-RAN機房的過熱問題，采用多業務一體化節能柜方案進行機柜改造，將存在過熱問題的BBU集中柜的柜門替換為多業務一體化節能柜制冷單元，以解決BBU局部過熱以及機房空調能耗問題，降低機房PUE值。記錄從2020年8月到2021年1月，即最熱月到最冷月的機柜空調逐日功耗數據，通過與逐日平均氣溫對比分析，擬合出衢州最熱月到最冷月氣溫與機房空調能耗的關系函數。

原機房裝入中興5G BBU 10臺，總功耗為4.1 kW，如圖3所示，配備2臺3P機房空調和1臺5P機房空調，機柜內設備出風口最高溫度為63.8 ℃，局部過熱問題突出。2020年8月19日（以下數據均為同日）室內溫度為26～32℃，機柜附近溫度為32～38℃，接近當日室外溫度為26～37℃，遠高于空調送風溫度25 ℃，散熱效率較低。

圖3 改造前機房機柜

將原有機柜內10臺5G BBU割接到一臺柜子內，并將柜門替換為模塊化空調柜門，空調模塊包括10 kW機械制冷系統和6 kW熱管制冷系統，封閉柜子其余各面，如圖4所示。改造后散熱效果明顯提升，設備出風口溫度最高不超過50 ℃，解決了局部熱點溫度。

圖4 改造后機柜

改造后節能效果較好。改造前衢州最熱月每日機房總用電量為849.6 kW·h，空調總用電量為148.8 kW·h，即機房空調用電量為148.8 kW·h；改造后，每日機房總用電量為842.8 kW·h，空調總用電量為142 kW·h，其中，機房空調用電量為115.6 kW·h，機柜空調用電量為26.4 kW·h；使用一體化節能柜可以關閉一臺機房空調，使每日空調總用電量減少6.8 kW·h。機柜PUE為1.26。

通過對衢州最熱月C-RAN機房的能耗分析可以發現，在最熱月采用機柜空調不僅可以解決設備過熱問題，而且單日省電6.8 kWh，那么在全年其他月份，節能效果將更加明顯，采集從最熱月到最冷月機房空調逐日能耗信息以及對應日期的天氣信息如表2所示。對數據進行處理分析，擬合得到機柜空調功耗與室外溫度的相關性函數。

表2 機房空調逐日能耗與氣溫記錄表

通過對逐日能耗數據分析可以發現，在氣溫低于15 ℃時，由于只開啟了熱管制冷系統，壓縮機處于停機狀態，機柜空調的功耗基本不變約為0.233 kW。因此在機柜空調能耗與氣溫的分析中以15 ℃作為溫度下限，討論氣溫與功耗的相關關系，對表格中數據進行處理，得到機柜空調氣溫-功率擬合曲線如圖5所示，氣溫與機柜空調能耗的函數關系為：

圖5 機柜空調能耗與溫度的擬合曲線圖

3 全國應用的節能效果預測

根據GB50352—2019《民用建筑設計統一標準》，中國大陸氣候區域劃分共分為：嚴寒地區、寒冷地區、溫和地區、夏熱冬暖地區、夏熱冬冷地區5個氣候區，如圖6所示，各區域氣候特征見表3[3]。

圖6 中國建筑氣候區域劃分

從圖6可以看出中國氣候區分布與中國地理有著密切關系，從東南沿海到西北內陸，氣候區逐漸由溫熱轉為寒冷，各地區的最低溫度與最高溫度并不一致，不同氣候區的最冷月和最熱月的平均溫度見表3[3]。選取各氣候區域主要城市進行分析，如表3所示。

表3 中國建筑各氣候區域特征

由于氣溫的差異性，不同氣候區的空調能耗往往存在較大差異。通過對各氣候區域氣候特點的分析可以發現，在全年氣溫均較高的夏熱冬暖地區，其最冷月仍有可利用自然冷源，可以通過機柜熱管制冷系統對自然冷源加以利用，減少機械制冷空調的開啟時長，降低機房全年PUE。而在嚴寒地區、寒冷地區、溫和地區全年將有更長時間可以利用自然冷源對機柜設備進行散熱，甚至可以將機械制冷空調關閉，很大程度降低機房空調能耗[4]。

針對全國不同氣候區的基站，以單機柜10臺BBU，總功耗為4.1 kW，采用機械制冷加熱管模式對機柜散熱，通過式（1），根據不同地區的全年氣溫，對機柜空調功耗進行計算，可以得到不同地區的空調功耗和機柜PUE值，如表4、表5、表6所示。

表4 衢州不同月份的PUE值

表5 哈爾濱不同月份的PUE值

表6 ?？诓煌路莸腜UE值

其他氣候區城市按照以上方法進行計算得到全年不同月份PUE變化。繪制如圖7所示全國不同區域機柜全年耗電量[5]。

通過圖7可以看出，從東南沿海地區到西北內陸，機柜空調的能耗逐漸減少，其中在中國北方的寒冷地區全年能耗最低。結合表7中對不同氣候區的全年PUE的預測，可以發現在寒冷地區和嚴寒地區全年PUE較低，另外溫和地區，如貴陽、昆明等，盡管地處南方，但全年機柜PUE值也可以保持在1.06～1.21，可以很好地實現節能效果。

表7 全國不同氣候區機柜空調耗電量及PUE

圖7 全國不同氣候區主要城市機柜空調耗電量

4 結 論

本文提出一種應對C-RAN機房5G BBU局部過熱、站點能耗高等問題的新的解決方案。該方案將機房中主要發熱設備收容到一配備制冷模塊的機柜中，集中解決設備局部過熱問題，并通過精確制冷以及自然冷源的利用實現機房節能，降低機房PUE。

通過對衢州某一機房的能耗數據實測，得到逐日機柜空調能耗數據和當日平均氣溫的函數關系，并利用該函數關系，對全國各個氣候區域機柜能耗以及機柜PUE進行預測，通過預測數據可以看出，在嚴寒地區、寒冷地區、溫和地區使用本文提供的機柜制冷方案可以帶來巨大節能效益。以哈爾濱為例，全年大多數月份PUE均在1.1以內，在夏熱冬冷、夏熱冬暖地區均存在較大的節能潛力，特別是在較冷的月份；以?？跒槔诙竞痛杭緳C柜PUE均在1.1左右，全年最高PUE值在1.3左右。