自清潔新風在5G基站的節能應用

孫文超 陳 童 馬小芮

中國鐵塔股份有限公司上海市分公司

0 節能減排的背景和意義

隨著5G建設的快速發展，5G基站的數量也急劇增加，但5G基站單站能耗是4G的2倍以上，如何實現低成本建站、安全高效運營、降低網絡能耗已成為急待解決的問題，目前無機房、少空調、去空調的建設模式已成為主流。從該理念出發，本文研發了一款自清潔新風系統，最大限度地利用自然冷源，在夏季保證鐵鋰電池和通信設備的安全工作溫度，此外，還實現了無機房和去空調化，顯著降低了能源消耗，是實現碳達峰、碳中和的有效方法。

1 目前機房節能減排主要方法和使用情況

機房耗電主要有設備、開關、空調三部分，用電比例約為5∶1∶4。2007年起三大運營商對自有機房進行了各種節能減排改造：如采用高效的電源模塊，使用熱交換、熱管空調，使用智能新風、卷軸新風等實現機房內外熱量交換，從而實現減少空調使用的目的［1］。

1.1 熱交換

熱交換是將室內外冷熱空氣通過鋁箔熱交換芯體進行熱量交換，其優點是室內外空氣完全隔絕，機房無灰塵和有害氣體。

影響熱交換使用的原因：

1）室外側鋁箔由于灰塵較多，外側通道被堵塞且難以清理，隨著時間的推移，最后基本無換熱效果。

2）熱交換芯體體積大，占用空間多且安裝麻煩，很多機房無足夠安裝的空間。

3）熱交換能效比較低，在室內外溫差小于10℃時，能效比為8左右，小于5℃時，能效比小于4，基本無節能。對一些小型的、全年只有在外溫超過25℃時才開空調的基站，使用熱交換技術基本無節能效果。

4）熱交換室外進風口常被楊絮、柳絮堵塞，需定期維護，否則換熱效率很低。

5）產品造價高，投資回收周期約4年。

1.2 熱管空調

熱管空調是特殊冷媒遇冷液化后，液體通過重力下流至機房，再在機房氣化吸熱，將熱量通過冷媒運到室外側的一種超導技術，其優點是室內外完全隔絕，不會給機房帶來灰塵和有害氣體。

影響熱管空調使用的原因：

1）由于熱管空調是通過冷媒在重力作用下往下流動，所以室外機一般安裝在機房頂部。與空調室外機一樣，熱管空調室外機也需定期對換熱翅片進行清理，清理不但困難，且費用較高。

2）熱管空調能效比較低，在室內外溫差小于10℃時，能效比為8左右，小于5℃時，能效比小于4，基本無節能。對一些小型的、全年只有在外溫超過25℃時才開空調的基站，使用熱管空調，基本無節能效果。

3）產品造價高，投資回收期約5年。

1.3 智能新風

智能新風是通過風機將室外溫度較低的空氣經過過濾后引入機房，再將機房內的高溫空氣通過專用的排風孔排出從而實現機房降溫的目的，其優點是機房降溫快，能效比較高，一般超過20［2］。

影響智能新風使用的原因：

維護太頻繁：由于將室外空氣引入機房須經過高等級過濾網將空氣過濾，而空氣中灰塵粒子太多，故一般智能新風系統在運轉500 h左右時過濾網就會被堵死從而影響新風功能。

1.4 卷軸新風

卷軸新風是在傳統新風的基礎上將單片過濾網升級為多幅無紡布過濾網，系統根據濾網壓差信號判定濾網堵塞情況，并自動卷起臟的過濾網，更換新的過濾網。

影響卷軸新風使用的原因：

卷軸新風配有多幅無紡布過濾網（一般6～12幅），為滿足機房潔凈度要求，過濾網厚度一般為1 cm，這就要求儲料箱和廢料箱體積增大，尺寸達600 x 1 200 x 600 mm，為傳統新風的2倍，使機房安裝受限。此外，由于卷軸新風過濾網為平鋪結構，單片過濾網面積較褶皺過濾網面積縮小約1/2，即使安裝12幅過濾網，也只相當于6幅褶皺過濾網，新風年運行時長約3 000 h，需要更換6次褶皺過濾網，卷軸新風雖將傳統2個月維護一次延長至1年維護一次，但12幅過濾網，更換流程極為復雜，需拆開整個系統內部拆除老舊過濾網，手動纏繞新濾網，耗時耗材，所以很多運營商在使用1年卷軸新風系統后，基本不再維護，停止運行了。

2 節能減排產品研究方向

綜合上述幾種節能減排技術，熱交換、熱管空調由于能效比較低、維護頻繁、投資回收周期長等原因，突破難度較大，而智能新風較易升級改造，是節能研究的新方向。

3 自清潔新風設計分析

3.1 新型過濾網選擇

傳統智能新風一般采用兩級過濾，第一級為不銹鋼防蟲網，主要阻擋楊柳絮、小動物等進入機房，第二級采用G4級無紡布過濾網，主要阻擋空氣灰塵粒子，兩級過濾網堵塞是重點要解決的問題。

第一級不銹鋼防蟲網可通過轉刷定期清理方式解決，第二級無紡布過濾網由于無紡布表面纖維易和灰塵及水凝結在一起，無法采用刷子方式清理干凈，故需對過濾網材質進行更換。經上海鐵塔公司多次試驗，最終選用1 cm厚的且不易和灰塵、水結成殼的無纖維高效聚氨酯材料做過濾棉，該過濾棉過濾效率達95%，遠超傳統無紡布過濾棉。

3.2 新型風機選擇

風機大體可分為軸流風機、后傾葉離心風機、前傾葉離心風機3類，優缺點對比見表1。

表1 風機優缺點對比表

由于基站潔凈度G4級過濾網的初始壓強約80 Pa，故智能新風不可使用軸流風機。后傾葉離心風機可抗200 Pa風壓，為當下基站主用。前傾葉風機由于功率大，主要用于過濾等級更高的機房，前傾葉風機安裝示意圖如圖1所示。

圖1 前傾葉風機安裝示意圖

3.3 自清潔方式設計

聚氨酯棉是平板式過濾棉，不親水，長期使用灰塵會堆積在表面及內部，傳統毛刷只可清除表面灰塵，無法清理到內部，內部需專用的大功率負壓吸塵器處理。吸塵器吹灰過程中同時吹掉了第一級過濾網上堆積的灰塵，從而實現兩級功率的同時清潔。

3.4 自清潔新風設備的組成

自清潔新風設備主要包括進風風機、自清潔室外雨棚、排風雨棚、控制器。自清潔室外雨棚包括兩級過濾網及吸塵器，該設計大大減小了占地空間，使新風系統可在任何基站安裝。自清潔新風濾網示意圖如圖2所示。

圖2 自清潔新風濾網示意圖

4 自清潔新風實際運行數據分析

目前安裝的站點，基站電流從20 A到180 A不等，上海鐵塔公司抽取了500個基站及500個機柜，實際運行數據如表2和表3。

表2 基站實際運行數據

表3 機柜實際運行數據

5 機柜散熱新思路

上海基站一個站點通常包括設備柜和電源柜。由于設備柜內無電池，故此類站點在機柜內部大氣流通的情況下，即使夏季室外溫度有40℃，如保持機柜內部溫度45℃以下、主設備核心溫度65℃以下時，設備仍可正常運行，即新風系統可替代空調使用。上海鐵塔公司目前已完成2 293個站點的改造，改造后機柜出現高溫次數同比下降88.48%，單站能耗下降31.01%，全年累計節電718萬kWh。

6 結論

1）自清潔新風系統通過內置吸塵器可代替手動維護工作，實現免人工維護。

2）自清潔機柜新風可代替空調，且設備零部件少，殘次率低，是節能減排的有效手段。

3）基站新風空調聯動運行可大幅減少空調使用時間，節能的同時延長了空調使用壽命和維護周期。