機(jī)柜級(jí)制冷技術(shù)應(yīng)用于C-RAN站點(diǎn)的節(jié)能效果分析

趙賀朋，王 未，劉 絢，李 奧，李玉昇

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司，北京 100032）

0 引 言

隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)，建設(shè)低碳網(wǎng)絡(luò)成為主流運(yùn)營(yíng)商的戰(zhàn)略目標(biāo)。基站作為運(yùn)營(yíng)商的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是能耗的主要組成部分，是現(xiàn)階段通信行業(yè)降碳的重點(diǎn)之一。在基站能耗中，通信設(shè)備能耗約占總能耗的50%左右，空調(diào)制冷設(shè)備約占總能耗的30%～40%，以及其他配套設(shè)備的能耗[1]。在傳統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)解決機(jī)房散熱問(wèn)題時(shí)，總是通過(guò)先將房間環(huán)境溫度整體降低，通過(guò)環(huán)境再對(duì)設(shè)備進(jìn)行降溫，這一過(guò)程導(dǎo)致空調(diào)的送風(fēng)溫度與實(shí)際到達(dá)設(shè)備進(jìn)風(fēng)口的溫度存在較大溫差，空調(diào)制冷量并未完全用于設(shè)備冷卻，導(dǎo)致熱備過(guò)熱問(wèn)題，空調(diào)制冷效率下降，基站能耗增加[2]。并且在傳統(tǒng)機(jī)房中，機(jī)房空調(diào)功能單一，僅通過(guò)壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)將室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到室外，并未對(duì)室外自然冷源加以利用，壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行，造成空調(diào)能耗增加。特別是隨著5G的普及應(yīng)用，5G BBU功耗是4G BBU的3～4倍，其發(fā)熱量也是4G BBU的3～4倍，那么將對(duì)機(jī)房空調(diào)帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前解決方案中，一般是通過(guò)加裝空調(diào)來(lái)解決機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備過(guò)熱問(wèn)題，該方案不僅無(wú)法完全解決局部熱點(diǎn)問(wèn)題，還帶來(lái)空調(diào)能耗增加的問(wèn)題。而在實(shí)際應(yīng)用中室外環(huán)境中有著豐富的自然冷源，特別是在中國(guó)北方、西南等地區(qū)，可成為機(jī)房制冷新方式，為空調(diào)節(jié)能提供可能。因此在應(yīng)對(duì)5G技術(shù)推進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的通信機(jī)房過(guò)熱問(wèn)題、機(jī)房能耗問(wèn)題，集成重力熱管的機(jī)柜級(jí)冷卻方案將是一種更好的替代方案。本文采用機(jī)柜級(jí)冷卻方案對(duì)衢州某C-RAN機(jī)房進(jìn)行改造，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、節(jié)能效果進(jìn)行了測(cè)試分析。基于此，對(duì)全國(guó)不同氣候區(qū)的C-RAN機(jī)房能源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。分析結(jié)果可為通信基站的建設(shè)、節(jié)能方案選擇提供參考。

1 機(jī)柜級(jí)制冷方案

針對(duì)C-RAN或BBU等大功率發(fā)熱設(shè)備集中放置場(chǎng)景，提出機(jī)柜級(jí)制冷方案，設(shè)計(jì)研發(fā)出多業(yè)務(wù)一體化節(jié)能柜，將空調(diào)內(nèi)機(jī)模塊化后集成在BBU等大功率發(fā)熱設(shè)備的機(jī)柜中，如圖1所示，對(duì)機(jī)柜的前后門(mén)進(jìn)行封閉處理，并根據(jù)發(fā)熱設(shè)備的進(jìn)出風(fēng)方式配置導(dǎo)風(fēng)裝置，實(shí)現(xiàn)精確送風(fēng)，降低空調(diào)冷送風(fēng)的溫升，實(shí)現(xiàn)高效率的制冷。通過(guò)結(jié)合熱管制冷系統(tǒng)，充分利用自然冷源，使得制冷系統(tǒng)更加綠色節(jié)能。

圖1 柜級(jí)空調(diào)產(chǎn)品外觀

以上3種機(jī)柜級(jí)空調(diào)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 制冷節(jié)能柜空調(diào)參數(shù)

針對(duì)新建機(jī)房場(chǎng)景，采用側(cè)式一體化制冷節(jié)能柜，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備收容，并可根據(jù)機(jī)房未來(lái)規(guī)劃按需擴(kuò)容；針對(duì)機(jī)房面積受限的場(chǎng)景，采用門(mén)式模塊化制冷節(jié)能柜，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備收容集中供冷，安裝便捷，場(chǎng)地節(jié)約。針對(duì)既有機(jī)房過(guò)熱改造場(chǎng)景，采用門(mén)式一體化制冷節(jié)能柜，可實(shí)現(xiàn)機(jī)柜的簡(jiǎn)易安裝、靈活替換，有效解決過(guò)熱問(wèn)題。3種制冷節(jié)能柜具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）解決設(shè)備過(guò)熱難題、縮短建站成本。針對(duì)BBU集中部署帶來(lái)設(shè)備過(guò)熱的難題，采用機(jī)柜級(jí)制冷方式，通過(guò)精確制冷，冷熱通道隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效散熱。單個(gè)機(jī)柜可容納10個(gè)甚至更多BBU，并且單個(gè)BBU的負(fù)載任務(wù)能力得到提升，插入基帶板數(shù)量可增加至4個(gè)或者更多。在單BBU支持2個(gè)邏輯站的情況下，單機(jī)柜可集中20個(gè)站點(diǎn)，極大地節(jié)約了機(jī)房的空間，降低基站建設(shè)選址難度，降低機(jī)房改造對(duì)空間的要求。

（2）收容高發(fā)熱設(shè)備，大幅降低運(yùn)營(yíng)成本。針對(duì)機(jī)房空調(diào)低效制冷導(dǎo)致的高額電費(fèi)問(wèn)題，機(jī)柜方案將主要發(fā)熱設(shè)備集中在獨(dú)立機(jī)柜中，進(jìn)行集中散熱處理，使用熱管、氟泵、變頻技術(shù)，充分利用自然冷源和現(xiàn)有空調(diào)節(jié)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能和低能耗散熱。經(jīng)測(cè)算對(duì)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(jí)空調(diào)將空調(diào)能效提升至10，則整個(gè)機(jī)房全年相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)節(jié)省空調(diào)電費(fèi)4.6萬(wàn)元。

（3）模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備靈活部署。針對(duì)匯聚機(jī)房及基站不斷擴(kuò)容的建設(shè)需求，機(jī)柜內(nèi)部空間采用模塊化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足不同功能需求，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)BBU、PTN、電源、電池等發(fā)熱設(shè)備進(jìn)行高密收容，滿(mǎn)足各設(shè)備的散熱需求。另外在柜與柜之間可以通過(guò)機(jī)柜串聯(lián)對(duì)空調(diào)模塊進(jìn)行共享，做到冷量按需擴(kuò)容，如圖2所示。改變以往基站分散、無(wú)序的設(shè)備部署方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的成組建設(shè)按需擴(kuò)容，做到占用機(jī)房空間少、建設(shè)周期短、建設(shè)成本低。

圖2 設(shè)備集成方案

（4）降低機(jī)房宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，保障網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行。針對(duì)目前基站市電中斷、壓縮機(jī)停機(jī)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(shí)現(xiàn)柜內(nèi)通風(fēng)或者熱管換熱，將設(shè)備產(chǎn)生的熱量輸送至機(jī)柜外或者機(jī)房外，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的散熱，降低宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。

2 節(jié)能效果實(shí)測(cè)

針對(duì)浙江省衢州市某一C-RAN機(jī)房的過(guò)熱問(wèn)題，采用多業(yè)務(wù)一體化節(jié)能柜方案進(jìn)行機(jī)柜改造，將存在過(guò)熱問(wèn)題的BBU集中柜的柜門(mén)替換為多業(yè)務(wù)一體化節(jié)能柜制冷單元，以解決BBU局部過(guò)熱以及機(jī)房空調(diào)能耗問(wèn)題，降低機(jī)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(jī)柜空調(diào)逐日功耗數(shù)據(jù)，通過(guò)與逐日平均氣溫對(duì)比分析，擬合出衢州最熱月到最冷月氣溫與機(jī)房空調(diào)能耗的關(guān)系函數(shù)。

原機(jī)房裝入中興5G BBU 10臺(tái)，總功耗為4.1 kW，如圖3所示，配備2臺(tái)3P機(jī)房空調(diào)和1臺(tái)5P機(jī)房空調(diào)，機(jī)柜內(nèi)設(shè)備出風(fēng)口最高溫度為63.8 ℃，局部過(guò)熱問(wèn)題突出。2020年8月19日（以下數(shù)據(jù)均為同日）室內(nèi)溫度為26～32℃，機(jī)柜附近溫度為32～38℃，接近當(dāng)日室外溫度為26～37℃，遠(yuǎn)高于空調(diào)送風(fēng)溫度25 ℃，散熱效率較低。

圖3 改造前機(jī)房機(jī)柜

將原有機(jī)柜內(nèi)10臺(tái)5G BBU割接到一臺(tái)柜子內(nèi)，并將柜門(mén)替換為模塊化空調(diào)柜門(mén)，空調(diào)模塊包括10 kW機(jī)械制冷系統(tǒng)和6 kW熱管制冷系統(tǒng)，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(shè)備出風(fēng)口溫度最高不超過(guò)50 ℃，解決了局部熱點(diǎn)溫度。

圖4 改造后機(jī)柜

改造后節(jié)能效果較好。改造前衢州最熱月每日機(jī)房總用電量為849.6 kW·h，空調(diào)總用電量為148.8 kW·h，即機(jī)房空調(diào)用電量為148.8 kW·h；改造后，每日機(jī)房總用電量為842.8 kW·h，空調(diào)總用電量為142 kW·h，其中，機(jī)房空調(diào)用電量為115.6 kW·h，機(jī)柜空調(diào)用電量為26.4 kW·h；使用一體化節(jié)能柜可以關(guān)閉一臺(tái)機(jī)房空調(diào)，使每日空調(diào)總用電量減少6.8 kW·h。機(jī)柜PUE為1.26。

通過(guò)對(duì)衢州最熱月C-RAN機(jī)房的能耗分析可以發(fā)現(xiàn)，在最熱月采用機(jī)柜空調(diào)不僅可以解決設(shè)備過(guò)熱問(wèn)題，而且單日省電6.8 kWh，那么在全年其他月份，節(jié)能效果將更加明顯，采集從最熱月到最冷月機(jī)房空調(diào)逐日能耗信息以及對(duì)應(yīng)日期的天氣信息如表2所示。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，擬合得到機(jī)柜空調(diào)功耗與室外溫度的相關(guān)性函數(shù)。

表2 機(jī)房空調(diào)逐日能耗與氣溫記錄表

通過(guò)對(duì)逐日能耗數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，在氣溫低于15 ℃時(shí)，由于只開(kāi)啟了熱管制冷系統(tǒng)，壓縮機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，機(jī)柜空調(diào)的功耗基本不變約為0.233 kW。因此在機(jī)柜空調(diào)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(guān)關(guān)系，對(duì)表格中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到機(jī)柜空調(diào)氣溫-功率擬合曲線(xiàn)如圖5所示，氣溫與機(jī)柜空調(diào)能耗的函數(shù)關(guān)系為：

圖5 機(jī)柜空調(diào)能耗與溫度的擬合曲線(xiàn)圖

3 全國(guó)應(yīng)用的節(jié)能效果預(yù)測(cè)

根據(jù)GB50352—2019《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，中國(guó)大陸氣候區(qū)域劃分共分為：嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、溫和地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)5個(gè)氣候區(qū)，如圖6所示，各區(qū)域氣候特征見(jiàn)表3[3]。

圖6 中國(guó)建筑氣候區(qū)域劃分

從圖6可以看出中國(guó)氣候區(qū)分布與中國(guó)地理有著密切關(guān)系，從東南沿海到西北內(nèi)陸，氣候區(qū)逐漸由溫?zé)徂D(zhuǎn)為寒冷，各地區(qū)的最低溫度與最高溫度并不一致，不同氣候區(qū)的最冷月和最熱月的平均溫度見(jiàn)表3[3]。選取各氣候區(qū)域主要城市進(jìn)行分析，如表3所示。

表3 中國(guó)建筑各氣候區(qū)域特征

由于氣溫的差異性，不同氣候區(qū)的空調(diào)能耗往往存在較大差異。通過(guò)對(duì)各氣候區(qū)域氣候特點(diǎn)的分析可以發(fā)現(xiàn)，在全年氣溫均較高的夏熱冬暖地區(qū)，其最冷月仍有可利用自然冷源，可以通過(guò)機(jī)柜熱管制冷系統(tǒng)對(duì)自然冷源加以利用，減少機(jī)械制冷空調(diào)的開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)，降低機(jī)房全年P(guān)UE。而在嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、溫和地區(qū)全年將有更長(zhǎng)時(shí)間可以利用自然冷源對(duì)機(jī)柜設(shè)備進(jìn)行散熱，甚至可以將機(jī)械制冷空調(diào)關(guān)閉，很大程度降低機(jī)房空調(diào)能耗[4]。

針對(duì)全國(guó)不同氣候區(qū)的基站，以單機(jī)柜10臺(tái)BBU，總功耗為4.1 kW，采用機(jī)械制冷加熱管模式對(duì)機(jī)柜散熱，通過(guò)式（1），根據(jù)不同地區(qū)的全年氣溫，對(duì)機(jī)柜空調(diào)功耗進(jìn)行計(jì)算，可以得到不同地區(qū)的空調(diào)功耗和機(jī)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 海口不同月份的PUE值

其他氣候區(qū)城市按照以上方法進(jìn)行計(jì)算得到全年不同月份PUE變化。繪制如圖7所示全國(guó)不同區(qū)域機(jī)柜全年耗電量[5]。

通過(guò)圖7可以看出，從東南沿海地區(qū)到西北內(nèi)陸，機(jī)柜空調(diào)的能耗逐漸減少，其中在中國(guó)北方的寒冷地區(qū)全年能耗最低。結(jié)合表7中對(duì)不同氣候區(qū)的全年P(guān)UE的預(yù)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)在寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)全年P(guān)UE較低，另外溫和地區(qū)，如貴陽(yáng)、昆明等，盡管地處南方，但全年機(jī)柜PUE值也可以保持在1.06～1.21，可以很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

表7 全國(guó)不同氣候區(qū)機(jī)柜空調(diào)耗電量及PUE

圖7 全國(guó)不同氣候區(qū)主要城市機(jī)柜空調(diào)耗電量

4 結(jié) 論

本文提出一種應(yīng)對(duì)C-RAN機(jī)房5G BBU局部過(guò)熱、站點(diǎn)能耗高等問(wèn)題的新的解決方案。該方案將機(jī)房中主要發(fā)熱設(shè)備收容到一配備制冷模塊的機(jī)柜中，集中解決設(shè)備局部過(guò)熱問(wèn)題，并通過(guò)精確制冷以及自然冷源的利用實(shí)現(xiàn)機(jī)房節(jié)能，降低機(jī)房PUE。

通過(guò)對(duì)衢州某一機(jī)房的能耗數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，得到逐日機(jī)柜空調(diào)能耗數(shù)據(jù)和當(dāng)日平均氣溫的函數(shù)關(guān)系，并利用該函數(shù)關(guān)系，對(duì)全國(guó)各個(gè)氣候區(qū)域機(jī)柜能耗以及機(jī)柜PUE進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、溫和地區(qū)使用本文提供的機(jī)柜制冷方案可以帶來(lái)巨大節(jié)能效益。以哈爾濱為例，全年大多數(shù)月份PUE均在1.1以?xún)?nèi)，在夏熱冬冷、夏熱冬暖地區(qū)均存在較大的節(jié)能潛力，特別是在較冷的月份；以海口為例，在冬季和春季機(jī)柜PUE均在1.1左右，全年最高PUE值在1.3左右。