基于噴淋式液冷技術的5G BBU節能研究

蔡貴立，肖 瑋，盧乙彬

（廣東合一新材料研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

為了應對5G未來業務及數據流量的迅猛增長，5G基站建設進入快速發展階段，而海量數據引發的能耗也必將成倍增長，5G基站將成為一個高能耗行業。

作為5G基站重要設備之一的BBU，BBU設備功耗大幅增加，由4G時代的150～300 W增長到5G的 500 ～ 1 200 W[1]。

常規BBU設備散熱是利用傳統的空調制冷送風形式，該散熱方式十分成熟，但具有能耗高、出現局部熱點、散熱能力不足等特點。BBU風冷機柜的最佳散熱功率為單柜6 kW，因為當單柜功率超過6 kW時，風冷散熱能力不足[2]。由于傳統風冷空調系統在散熱能力、能量利用效率上面臨瓶頸，近年逐漸興起的液冷系統可有效應對此類問題，節省大量用電。

1 液冷系統的選擇

國際上主推的液冷技術有3種，分別為噴淋式液冷、浸沒式液冷和冷板式液冷3種，其中噴淋式液冷和浸沒式液冷屬于直接接觸式，冷板式液冷屬于間接接觸式。3種液冷方式中直接接觸式液冷的噴淋式和浸沒式散熱效率優于冷板式。目前應用于5G BBU產品的液冷方式有噴淋式液冷和浸沒式液冷。基于以下3個考慮，5G BBU不適合采用冷板式液冷散熱模式：

（1）5G BBU屬于板卡類設備，板卡經常要在線插拔維護；

（2）5G BBU設備高度密集，每塊板卡僅2 cm寬，液冷管道無法安裝固定；

（3）5G BBU的板卡發熱點分散，不利于冷熱交換冷板的位置選擇。

本文介紹的5G BBU液冷方式采用噴淋式。

2 噴淋式液冷技術

噴淋式液冷技術是繼浸沒式、冷板式液冷系統之后的新型液冷系統，借助特制的噴淋板將冷卻液精準噴灑至發熱器件，噴淋液冷技術具有用液量較少、流量控制精確和噴淋結構通用性強等特點，在大量的實測、試運營中顯示出良好的應用潛力[3]。采用噴淋式液冷技術的BBU系統，PUE值低于1.1，大大降低了用電能耗。

2.1 噴淋式液冷系統

常見BBU噴淋式液冷系統如圖1所示, BBU設備采用液體冷卻，室外冷卻單元采用空氣冷卻。

圖1 5G BBU噴淋式液冷系統

噴淋式液冷系統主要包括BBU室內機柜和冷卻的配電裝置（Cooling Distribution Unit，CDU）,其中BBU室內機柜主要包括BBU設備、監控單元和儲液箱等，CDU主要包括循環泵、過濾器、換熱器、電氣控制單元、傳感器等，如圖2，圖3所示。常用單臺BBU機柜共有10臺BBU設備，IT總功率為6～12 kW。

圖2 5G BBU室內機柜外形圖

圖3 CDU外形圖

接通電源，系統開始工作，儲液箱的冷卻液被循環泵送入過濾器進行過濾，被過濾后的冷卻液進入風冷散熱器進行冷卻，之后進入BBU機柜內的主進液管路，之后通過分液管路分配到上下兩層BBU機框的噴淋板。液體通過噴淋板上的小孔噴出，通過豎直擺放的BBU上側蜂窩孔，進入BBU 機箱內；BBU機箱內置一塊分液板，按配置和負載二次分配冷卻液，使適量冷卻液從板卡表面流過，帶走熱量。加熱之后的冷卻液匯集于機框底部，并通過重力作用匯聚至機柜下部的儲液箱。儲液箱中的冷卻液再次通過循環泵進行循環[4]。

2.2 BBU設備液冷結構

BBU設備液冷結構為噴淋式液冷技術的關鍵點，BBU設備由橫裝改成豎裝，如圖4所示，實現多設備同時噴淋，冷卻液覆蓋全部發熱器件，換熱效果顯著。

圖4 豎裝液冷BBU圖

BBU機柜設置上下兩個噴淋插框，每個噴淋插框都含有一套豎裝的19inch支架，BBU設備豎裝在噴淋插框內。每個插框可以安裝5臺BBU設備。

BBU設備內的風扇模塊被拆除，替換為相應的布液盒，每臺BBU上面都設有噴淋板，冷卻液從噴淋板內流出，到布液盒內，在通過布液盒內對應板卡的開孔通過重力流出，精準帶走板卡內的熱量[5]。

2.3 冷卻液

噴淋式液冷技術的冷卻液直接與電子設備接觸并進行熱交換，冷卻液的性質直接影響系統的傳熱效率及運行可靠性。噴淋式液冷系統的冷卻液一般具備以下特性。

（1）安全性：冷卻液安全、無腐蝕、微毒或無毒、不易燃、不易揮發的特性。

（2）熱力學性能：冷卻液作為傳熱介質具備良好的熱力學性能（如高導熱率、大比熱容、低黏度等）、

（3）穩定性：冷卻液在設定的運行環境下具有良好的穩定性，正常使用壽命不小于10年。

（4）絕緣性：冷卻液應具有一定的絕緣性且不易溶解其他導電物質，通常冷卻液在實際使用的工況下擊穿電壓不低于15 kV/2.5 mm。

（5）材料兼容性：冷卻液不應對電子信息設備上所使用的主要材料造成不良影響。使用過程中，盡量避免選擇可能因皮膚接觸而產生毒理學反應的介質，同時需考慮到冷卻液的環保特性能夠符合當地的法律法規。

2.4 工作環境

設備工作環境參數要求如表1所示。

表1 設備工作環境參數要求

3 節能對比

噴淋式液冷技術充分利用自然冷源進行冷卻，不使用常規空調的壓縮制冷，大大降低用電能耗。現以風冷式BBU和噴淋液冷BBU兩種方式進行對比如表2所示。

表2 風冷式BBU和噴淋液冷BBU兩種方式對比

由表2看出，相對于常規風冷技術，采用噴淋式液冷技術的BBU機柜節電明顯，全年節電量75 774 kW·h，節電率達到48.05%，主要原因是兩方面：一方面利用自然冷源，大大降低PUE；另一方面，拆除BBU設備原有風扇，降低用電量。

4 結 論

5G技術發展迅猛，5G基站的處理能力要求越來越高，設備發熱量和熱流密度大為提升，導致電力消耗成倍增長。面對越來越高的BBU散熱要求，傳統風冷技術瓶頸凸顯，而噴淋式液冷技術在BBU設備的應用，一方面大幅度降低設備用電，另一方面能解決熱流密度大和局部熱點的問題，助力5G業務的發展。