智慧新風系統節能減排效果的探討

楊彬張蕾雷威

上海置信能源綜合服務有限公司

0 前言

隨著信息通信行業的迅猛發展，通信基站需求量越來越大，據統計，截至2022年6月末，我國移動通信基站總數達1 035萬個，其中，5G基站總數達185．4萬個，占移動基站總數的17．9%［1］。5G基站的能耗大約是4G基站的2～3倍［2］，因此，隨著5G基站數量的不斷增加，基站的整體能耗勢必會隨之增加，基站的高能耗問題將日益凸顯。基站的能耗以電能為主，耗電設備包括無線設備、傳輸設備及空調系統等，其中空調系統的耗電量占基站總能耗量的45%左右［3］。國內學者通過數值模擬［4］、實驗測量［5-7］等方式，驗證了新風系統能有效減少基站內空調的運行時間，最高節電率可達65．56%［7］，節能效果顯著。國家已出臺相關政策［8-10］，將通信基站引入自然冷源技術作為推進重點領域能效提升、綠色升級的重點方向。本文以浙江寧波市某通信基站為研究對象，基站內引入智慧新風系統，通過對比改造前后的基站能耗，分析室外溫度對基站能耗、PUE的影響，從而測算智慧新風系統的節能效果。

1 基站能耗

浙江寧波某通信基站內設移動、聯通、電信三大運營商通信設備，空調系統為分體式空調。2018年基站年用電量為79 197 kWh，月平均用電量為6 597．6 kWh；2019年基站年用電量為89 978 kWh，月平均用電量為7 498．2 kWh。由圖1可知，該基站2019年月用電量較2018年月用電量增加，月平均增幅為13．65%；2020年1-6月能耗有大幅增加，2020年1-6月份的月平均能耗增加比例達19．3%，主要是因為2019年下半年，該通信基站內增加了部分5G設備，致使基站能耗增加。由此可見，隨著行業5G業務的迅速發展，基站能耗勢必呈增長的態勢，基站的節能降耗任重道遠。由圖1可知，基站的用電量高峰集中在6-9月份，主要是因為室外溫度較高，空調系統耗電量隨之升高，由此可見，室外溫度對基站能耗具有較大的影響，研究室外溫度對智慧新風系統節能量的影響具有重要意義。

圖1 某基站2018-2020年耗電量統計圖

2 智慧新風系統節能技術方案

智慧新風系統包括新風主系統、智慧控制系統和室內外空氣質量檢測系統，如圖2所示。室外空氣質量檢測系統實時檢測、監控室內及室外的溫度、濕度。新風主系統主要由進風裝置、排風裝置、過濾裝置、加濕裝置等組成，確保進入基站內的新風滿足基站運行環境要求。智慧控制系統根據設定的室內溫濕度及室外溫度，調節、控制新風系統及空調系統的啟停，以實現空調系統與新風主系統的聯動控制。

室內溫度、濕度等設定值，需滿足相關標準和設計規范［8-9］的要求。根據標準，該基站屬于三類通信機房，即普通基站。設計參數：溫度為10～30℃；濕度為20%～90%。

針對此類基站，智慧新風系統工作原理如下：當室外空氣質量檢測系統檢測室內溫度低于設定10℃時，智慧控制系統關閉空調系統及新風主系統，以維持基站內環境工作溫度；當室外空氣質量檢測系統檢測室內溫度高于設定溫度上限30℃，且室外溫度低于設定溫度（此溫度參數需根據改造后運行數據確定），智慧控制系統開啟新風主系統，將經過過濾、加濕后的新風引入基站內，降低室內溫度；當室外空氣質量檢測系統檢測室內溫度高于設定溫度上限30℃，且室外溫度高于設定溫度時，智慧控制系統關閉新風主系統，開啟室內空調系統；當空調系統無法正常運行時，且室內溫度高于室外溫度，智慧控制系統啟動新風主系統以控制室內溫度。智慧新風系統根據此工作原理實現對新風主系統與空調系統的聯動控制，新風主系統優先啟動，以充分利用自然冷源，確保滿足基站工作環境要求的同時實現能源消耗最小化。

圖2 智慧新風系統示意圖

3 室外溫度對節能效果的影響

3.1 室外設定溫度

對基站實行智慧新風系統節能改造，并對基站的室外實時溫度和實時空調能耗進行監測。分析實時溫度與實時空調能耗的對應關系，由圖3可知，當室外溫度低于25℃左右時，可通過智慧新風系統將室外冷源引入基站內，維持室內通信設備的工作溫度。因此，可在智慧控制系統中設定室外溫度為25℃，當室內溫度高于設定溫度上限30℃，且室外溫度低于25℃時，開啟新風主系統，降低室內溫度；當室外空氣質量檢測系統檢測室內溫度高于設定溫度上限30℃，且室外溫度高于25℃時，關閉新風主系統，開啟室內空調系統。

圖3 實時溫度與實時空調能耗關系

寧波是亞熱帶季風氣候,溫和濕潤,屬于夏熱冬冷地區，由圖4可知，1-4月份、10-12月份的日均最高溫度均低于25℃，完全可利用室外冷源維持基站室內的環境溫度，即：一年中的7個月無需開啟空調；5月、6月和9月份，智慧新風系統僅需在較熱時段、溫度超過25℃時開啟，其余時段仍可充分利用室外冷源；7、8月份由于天氣炎熱，氣溫較高，絕大多數時間需要空調系統維持室內溫度。改造前，空調系統需要365天全年處于運行狀態；利用智慧新風系統后，春、秋、冬三季及夏季的早、晚時段均可利用室外自然冷源，大幅減少了用電量，節約了用電成本。通過分析可知，智慧新風系統的節能量核算重點在5月、6月和9月，因此，本文重點研究室外日平均溫度在23～29℃時，智慧新風系統的節能效果以及基站的電能利用效率（即PUE）。

圖4 寧波全年平均氣溫

3.2 室外日平均溫度對空調日能耗的影響

如圖5所示，基站內空調日能耗隨著室外日平均溫度的升高而增加。改造后，空調日能耗大幅度降低；當室外日平均溫度為22．8℃時，空調日耗電量由43．6 kWh降低到5．2 kWh，空調節能率接近于90%；當室外日平均溫度超過25．2℃時，空調能耗呈直線型上升，空調節能率呈直線型下降；當室外日平均溫度為29．3℃時，空調節能率僅為25%。可根據室外日平均溫度估算基站每個月份的節能量及節能率，5月份日平均溫度約為23℃，空調節能率約為90%；6月、9月日平均溫度約為26℃，空調節能率約為75%；7月、8月的室外日平均溫度較高，約為31℃，智慧新風系統開啟時間較少，因此空調節能率較低，僅為20%左右。

圖5 改造前后空調日能耗與室外日平均溫度關系

3.3 室外日平均溫度對基站及通信設備日能耗的影響

改造前后基站及通信設備能耗與室外日平均溫度關系見圖6。

圖6 改造前后基站及通信設備能耗與室外日平均溫度關系

由圖6可知，改造前后通信設備日能耗幾乎沒有變化，由此說明通信設備能耗不隨室外日平均溫度的變化而變化。基站日能耗隨著室外日平均溫度的降低而降低。當室外日平均溫度為22．8℃時，基站日能耗由229 kWh降低到187 kWh；當溫度為27℃時，基站日能耗由257 kWh降低到217 kWh。由此可見，改造后，當室外日平均溫度低于27℃時，基站日能耗較改造前顯著降低，主要是因為引入智慧新風系統后，空調電耗大幅度下降，基站日能耗亦隨之降低。

3.4 室外日平均溫度對PUE、基站節能率的影響

如圖7所示，改造后，當室外日平均溫度低于25℃時，基站節能率較高，約為20．5%，此時基站PUE明顯降低，說明基站的電能利用效率得到有效提升。當室外日均溫度超過29℃時，基站節能迅速降低至7%。基站PUE也隨著室外日均溫度的升高而增大，基站電能利用率降低。

圖7 改造前后PUE、基站節能率與室外日平均溫度關系

4 經濟效益分析

改造前，該基站的月均耗電量約為8 613 kWh，空調能耗平均占比29%，改造后，該基站全年可節約用電19 654 kWh，減少CO2排放量15．5 t。

5 結論

通過分析對比智慧新風系統改造前后空調能耗、基站能耗以及PUE等可知，當室外溫度低于25℃，可充分利用自然冷源，維持基站內的環境溫度。改造后，空調能耗大幅降低，基站節能率最高可達20．5%，智慧新風系統節能減排效果顯著。