雙碳目標達成與移動通信基站節能減排技術的探索

安濤，何明憲

（摩比天線技術（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

據工信部相關數據統計，截至2021 年11 月底，我國基站數量超過1 000 萬座（其中5G 基站已經建成139萬座），到2025 年5G 基站數量預計會達到800 萬座（圖1 為我國新建5G 基站數量預測，引自觀研天下網站數據）。

圖1 我國新建5G基站數量預測（單位：萬站）

據中國能源報預測，5G 基站的用電量將由2020 年的不足200 億千瓦時迅速攀升至2025 年的3 500 億千瓦時左右，基站高能耗已經引起廣泛關注。

一般基站設備放置在機房或者機柜中，主要采用空調進行降溫，確保設備運行環境能夠保持在25℃范圍的理想環境中，根據相關大數據統計，來自于空調部分的能耗約占基站整體能耗的40% 以上（其余部分為戶外放置射頻單元產生功耗）。在實際環境中，機房或機柜本身暴漏在戶外，頂部、側面均會吸收較多熱量，在遇到高溫天氣時內部溫度波動變化，加上基站設備自身功耗導致的散熱產生能耗（基帶單元能耗），使得空調壓縮機連續高功率運轉，從而導致空調能耗居高不下，進而影響到基站整體處于高功耗運行。

1 移動通信基站節能減排技術對比

目前基站節能減排技術主要有針對基站設備能耗的主動節能和涉及空調能耗的被動節能兩種。

在主動節能方面，主要是“基站智能關斷”，例如通過為基站設備加入高效率高集成度器件、采用通道關斷及深度休眠等節能技術方案，達到節能減排目的，這種方式需要主設備廠家在生產設備前增加相關生產成本，最終也會大幅增加5G 基站建設投資成本。

在被動節能方面，一般有“地埋降溫”，例如新建設鐵塔鋼樁地下通信機房，或采用為戶外移動通信基站增加遮陽棚、做表面處理反射太陽熱能的方式，降低熱能影響導致空調能耗問題，達到節能減排目的，從表1中的移動通信基站節能減排技術對比情況，可以看出目前主動節能成本偏高、節電效果一般。

表1 移動通信基站節能減排技術對比表

2 零能耗“新材料”被動式節能方案

業界現有移動通信基站節能減排技術大部分還都是基于解決熱源、降低溫度的考慮。對于主動式方案，雖效果明顯，但需要付出高昂成本，還要附加能耗代價；對于被動式方案，部分技術方案成本高，效果雖明顯，但也需付出能耗代價。還會有部分技術方案雖然可以實現零能耗，但對于存量站的應用受限。因此引入一種零能耗的、能夠達到更佳節能效果的被動節能技術方案有著更深的意義。

2.1 散熱降溫節能的方式

熱力學中典型的散熱方式（如圖2、表2）有“熱傳導”、“熱對流”、“熱輻射”3 種，這些方式都可以將熱能在物體間進行交換，從而達到降溫目的，但這些方式有著各自特點、適用場景有也所區別。

表2 主要散熱方式對比表

圖2 熱力學中3種典型的散熱方式

2.2 零能耗“新材料”特性

從3 種典型的散熱方式特性來看，采用“熱輻射”特性可在不額外加入或改變介質特性的條件下，利用溫度差產生的輻射來實現熱交換，從而降低實施成本，可控性更高。

相關研究數據表明，8～13 μm 波長的紅外線通過大氣窗口時能量譜最高達到150 W/m2，如圖3 所示，可根據這種特性應用在被動式降溫材料上，例如利用硅體微元素特性+超薄金屬膜的柔性高分子架構，分別從增加紅外光譜發射率、降低太陽光譜吸收率的角度出發，做成零能耗“新材料”，增加節能效果。

圖3 太陽輻射能量與理想紅外發射體輻射能量對比圖

2.3 零能耗“新材料”應用探索

（1）理論仿真情況

根據移動通信基站常用戶外機房類型，采用自身材料結構為彩鋼板的模型進行建模仿真，研究零能耗“新材料”的效果。模型邊界條件中，尺寸選取6 m（長）×4 m（寬）×3 m（高），內熱源采用300 W 能耗，此處重點仿真模型溫度的變化（不考慮空調控溫因素），太陽輻照溫度數據采用西安地區一年數據，使用EnergyPlus 軟件建模。為增加可對比性，將業界已經采用過的被動式節能降溫材料技術方案同時進行仿真對比，如圖4、表3 及圖5 所示。

圖4 西安地區太陽輻照及環境溫度統計

圖5 不同被動式節能降溫材料理論仿真溫度變化圖

表3 不同被動式節能降溫材料理論測算對熱能影響數據表

從仿真結果來看，零能耗“新材料”應用后對“太陽能反射率”、“紅外發射率”最高，在溫度變化上比不做任何處理情況下的外頂溫度平均下降30℃、內部溫度平均下降12℃，整體效果也是現有技術方案中最佳的。

（2）實際應用情況

根據仿真，選擇西安地區為代表的兩個移動通信機房（工況參數接近的彩鋼板機房），應用零能耗“新材料”進行實際實施驗證，相關參數如表4 所示：

表4 試點站點工況表

1）選用測試設備，如表5 所示。

表5 測試設備表

2）設備安裝位置，如圖6 所示：

圖6 測試設備位置示意圖

①外頂溫度測點

位于屋頂外表面中心位置，用于監測屋面材料的表面溫度。

②室內空氣溫度測點

位于機房內中心位置距離地面2 m 高度處，用于監測室內空氣溫度及波動。

③環境溫度測點

位于機房附近陰涼通風處，用于監測機房所在位置的室外空氣溫度。

④太陽總輻射傳感器

位于屋頂并保持水平放置，同時應避免受到周圍環境的遮擋，其主要用于監測當地的實時太陽輻照數據，結合測得的環境溫度數據，可判斷試驗期間的天氣情況（如陰、晴、雨等）。

⑤三相功率計霍爾傳感器

分別接在空調和直流電源柜的供電線路上，用于監測空調和直流電源柜的電功率及累計耗電量。功率計采樣間隔為1 分鐘，根據功率計記錄的空調瞬時電功率來判斷空調啟停狀態，進而用于統計空調運行時間，應用前后情況如圖7 所示：

圖7 試驗期間的太陽輻照強度和環境溫度

3）實施效果

①外頂降溫效果

試驗機房應用前后外頂降溫幅度可達26.2℃，降溫效果顯著，如圖8 所示：

圖8 對比機房（左）和試驗機房（右）外頂溫度

②室內空氣降溫效果

試驗機房在應用零能耗“新材料”方案后，溫度波動由2.5℃降至0.5℃～1.2℃，改善了空調的控溫效果，從而可改善基站設備熱工環境，提高基站工作可靠性、降低基站故障率和退服率，如圖9 所示。

圖9 對比機房（左）和試驗機房（右）室內空氣溫度

③空調運行時間及耗電量變化

由于天氣變化原因，對比機房的空調運行時間從空白試驗的5 352 分鐘降至第二階段試驗的4 693 分鐘，故可得天氣因素對空調運行時間的校正因子k1為：

其中TB,before和TB,after分別為對比機房前后兩個試驗階段的空調運行時間。故試驗機房應用零能耗“新材料”方案后，空調運行時間減少的百分比可計算為：

其中TA,before和TA,after分別為試驗機房前后兩個試驗階段的空調運行時間。故由計算可得，在相同天氣條件下，試驗機房空調運行時間（表6 所示）在應用零能耗“新材料”方案后可減少21.3%，從而可延長空調使用壽命，降低空調故障率。

表6 對比機房及試驗機房的空調運行時間

④空調耗電量

各階段起始時刻空調耗電量均初始化為0，試驗8 天內空調的累計耗電量，曲線的斜率代表空調耗電功率的大小。從圖中可以看出在空白試驗階段，試驗機房的耗電量曲線的斜率明顯比對比機房大，兩機房的累計耗電量差值隨時間推移不斷擴大，8 天累計相差152 kWh；而試驗機房應用零能耗“新材料”方案后，兩機房的累計耗電量曲線基本比較接近，8 天累計相差僅18 kWh，由圖10 及表7 統計數據可見零能耗“新材料”方案大幅降低了機房制冷負荷。

圖10 試驗機房和對比機房空調累計耗電量曲線

表7 試驗機房和對比機房空調累計耗電量數據

由于天氣變化原因，對比機房的空調累計耗電量從空白試驗的235.6 kWh 降至第二階段試驗的188.9 kWh，故可得天氣因素對空調累計耗電量的校正因子k2為：

其中QB,before和QB,after分別為對比機房前后兩個試驗階段的空調累計耗電量。故試驗機房應用零能耗“新材料”方案后，空調節電率可計算為：

其中QA,before和QA,after分別為試驗機房前后兩個試驗階段的空調累計耗電量。故由計算可得，在相同天氣條件下，試驗機房在應用零能耗“新材料”方案后可節電33.4%，日均節電約13 度（轉供電0.9 元/度）。

4）全年經濟收益測算

根據實驗來看，機房空調節電率33.4% 及節電量約13 度/ 天，均為西安9 月份試驗數據，而天氣條件（如太陽輻照和環境溫度）對結果有一定影響，因此預估全年節電及空調運行時間時，需考慮這兩方面因素影響。結合當地氣象情況，西安機房空調全年開啟時間按4-10 月（214 天）計算。根據中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室和清華大學合作編制的氣象數據源，西安4-10 月份月均太陽輻照總量比9 月份增長44%，平均氣溫增長約5%，綜合增長約50%，具體詳見表8：

表8 西安太陽輻照總量及平均氣溫

因此零能耗“新材料”方案應用后所帶來的經濟收益可按以下三方面進行評估：

①節省電費

4-10 月的日均空調節電量為13×150%=19.5 kWh/天，按轉供電價0.9 元/kWh 計算，合計節省電費19.5×214×0.9=3756 元/年。

②節省折舊費

全年空調運行時間減少率為21.3%×150%=32%。機房空調按購入價格7 000 元/ 臺，使用壽命6 年計算，則應用零能耗“新材料”方案前空調每年折舊費為7000/6=1167 元/ 年；應用后空調使用壽命可延長為6/(1-0.32)=8.8 年，折舊費為7000/8.8=793 元/ 年，即空調折舊費減少374 元/年。

③節省維護費

減少空調運行時間在延長空調使用壽命的同時，可降低空調壓縮機等部件的故障率以及降低空調制冷劑補充頻次，從而降低空調維護費用。未應用零能耗“新材料”方案前，按空調維修頻次6 次/年，維修費按300 元/次計算，則維修費約1 800 元/年；應用后維修頻次按3 次/年計算，則維修費約900 元/年，累計減少維護費用約900 元/年。

綜上，機房試驗后可減少空調電費3 756 元/ 年，減少空調折舊費374 元/年，減少空調維護費用900 元/年，合計5 030 元/年。

3 未來應用及發展展望

本文提出的采用非空調制冷、降低并控制移動通信基站機房或機柜整體溫度的技術方案，可以節約能耗、節省運營商的OPEX 開支，在移動通信基站的節能減排領域，為國家“雙碳”目標的達成，提供了一種更好的技術方案探索和選擇。