通信基站空調節能系統設計

王俏蕊，李 虎，姚永超，段曉鋒，鄭 斌

（1.中國電信股份有限公司河南分公司，河南 鄭州 450000；2.中國電信股份有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450000；3.中國通信建設集團有限公司河南省通信服務分公司，河南 鄭州 450000）

隨著5G 網絡的全面普及與覆蓋，基站或小型機房的數量也隨之增加，它們的能耗較高的弊端也愈發明顯。而空調作為基站或小型機房中重要的基礎設施，隨時保持室內恒溫恒濕，在長期平穩運行的過程中，雖然確保了機房內的設備處于室內溫濕度均適合的工作環境，但長期處于制冷的工作模式不僅消耗掉了大量的電能，還會導致周圍環境的污染乃至大氣污染。如何實現綠色發展，降低電能消耗，是5G 高速發展過程中亟待解決的問題[1]。基站或小型機房內的空調，需要長期處于制冷模式。基于這些現狀，提出了一種附加風光儲能、依據新風系統的新型節能換氣扇，作為空調附屬設備，對空調制冷系統進行優化，在降低一年四季空調的耗電量的同時，實現了綠色環保的理念。

1 節能的必要性

通信基站或小型機房，作為通信網絡中必不可少的一個關鍵部分，它的功能主要可以被概括為以下兩點：（1）實現網絡信號的區域性覆蓋，完成移動網絡過程中的數據交換和信息交互；（2）作為通信網中最基本的一個組成單元，完成信息傳遞和信息管理[2]。

通信基站或小型機房中的用電設備主要包括空調、開關電源等，根據PUE（Power Usage Effectiveness）以及各設備用電量的統計中可以得出，空調系統的電能消耗在基站或小型機房總能耗中占比在70%以上。最新數據顯示，2020 年我國現有基站已經達到931 萬座。這個數據表明我國至少有將近1 800 萬臺的空調制冷系統常年無休止地運轉，這也就意味著電能損耗量也不容小覷。同時，空調制冷系統的工作效率也與系統的工作時間有關，兩者成反比關系。表明隨著工作時間的增長，系統的制冷效率逐步降低。為了保持原有的工作效率，空調制冷系統壓縮機的啟動時間也逐漸延長，這在某種程度上加劇了電能的消耗[2]。隨著5G 時代的快速發展，通信基站或小型機房數量劇增，隨之而來的是空調數量也呈現成倍的上漲趨勢。

現有的小型機房或基站及小型機房內防止設備出現高溫的主要措施可以分為兩種：利用空調和新風風扇方式來降溫：（1）空調冷卻降溫。空調作為主用降溫設備，安裝在基站或小型機房需要考慮空間大小、所放置設備的數量和所帶負載大小以及網絡的忙碌與閑暇時間段的分布等，從而選擇空調匹數的大小和制冷量。雖然空調冷卻降溫是迄今為止最為有效的一種降溫方法，但存在耗能高、維護成本高以及空調過濾網需定時清洗、無法及時更新室內空氣等的諸多問題，越來越引起維護人員的重視。（2）新風風扇冷卻。該方法是在室內安裝一個一體化機柜，室外安裝進出風口，風扇啟動時，可以引起室內外空氣的對流，從而將基站或小型機房內部溫度較高、污濁度較高的空氣排到室外，同時通過過濾網，引入室外較清新的空氣，但是由于缺乏室內外溫濕度傳感器，無法做到智能啟動。這種方法雖然較為經濟環保和節能，但由于室外空氣中粉塵、飛蟲等較多，極易造成過濾網堵塞，不僅會引起風扇堵轉，從而惡化基站或小型機房內的溫度，而且也會增加維護人員的維護成本。最值得注意的是，在某些地區，尤其是室外溫度較高的炎熱夏季，該風扇基本不起任何降溫作用。

所以，對空調系統節能技術的研究刻不容緩，一旦探索出一種立竿見影的節能技術，就有希望實現綠色環保，達到降本增效的目的。

2 總體設計

2.1 風光儲能

在陽光、風能充沛的地市，可以采用光伏發電或風能發電，將得到的電能作為節能換氣扇的電源，多余的電能也可以作為基站或小型機房內的照明等非大功率用電設備的電能來源，而非直接引入市電作為電能供給，可以從根本上實現電費成本的降低。對于某些風速較低或風力較小及日照時長較缺乏的地市，可根據當地條件采用風光互補的儲能發電系統，實現對換氣扇持續平穩的電能供給。風光互補系統能夠使風能、太陽能等自然資源的轉換率較高的一個主要原因就是可以同步借助利用太陽能和風能來作為發電系統的輸入，進而達到24 小時不間斷地發出電能。在這些自然能源均充足且適宜的一些地方，風光互補系統不僅可以具備持續的發電功能，也更具有較高的穩定性，更能降低室內設備的電能消耗。

風光互補發電系統的整體系統具體可以分為以下三個重要組成部分：發電部分、電能儲存部分和控制器部分，如圖1 所示。其中，發電部分主要是借助風力和太陽光照等常見自然資源作為輸入能量，不僅可以將風能轉化為電能，也可以通過太陽能電池板將光能轉化為電能，實現能源的轉化與利用。電能儲存部分主要是將轉化得到的電能儲存在電池中，供機房或基站內照明使用和換氣扇自身的動力輸入的一部分。控制器部分主要是包括控制電路和電能變換等部分，在整個系統中占據主導作用。可以根據當地的日照及風速大小，自動隨時切換風光互補系統的工作方式，也可以通過電能轉化裝置將發電系統得到的儲存在電池中的電能轉化為照明或自身輸入所需的交流電。同時，也可以實時采集系統的各項參數，實現系統的平穩可靠運行。

圖1 風光儲能系統圖

2.2 新型節能換氣扇設計

新型節能換氣扇的設計主要有以下四個特點：（1）發電部分采用風光互補系統，將風光儲能所得到的電能，直接供給該換氣扇使用，也可以直接供給照明使用，多余的電能可以儲存在電池中供照明和換氣扇使用，從根本上減少了市電的使用，節約了電能的消耗。（2）換氣扇的主體部分，采用智能熱交換技術，根據室內外的溫度差，將其產生的熱能通過熱交換器轉化為電能，作為自身電源或室內照明電源的一部分輸入。尤其是冬季，在室外溫度較低的情況下，可直接利用該換氣扇進行室內降溫，效果顯著，但需要定時清洗過濾網，以免影響降低制冷效果。（3）實時保證室內空氣的清新度，給維護人員提供相對健康的工作環境。（4）具有智能工作方式，根據室內外的溫度差，自動選擇換氣扇的啟閉工作方式。

新型節能換氣扇的具體設計思路是：在小型機房墻壁上安裝該換氣扇，在內外進風口均需安裝過濾網，防止雜物進入到換氣扇或小型機房內。內部采用雙螺旋循環的方式，充分實現室內外空氣的熱量交換，同時引入室外新風，及時更換室內污濁空氣[3]。該換氣扇在冬季的實際制冷效果遠高于空調系統[2]，因此為了實現可持續發展和降本增效，在冬季室外溫度較低時可一直使用該換氣扇。換氣扇的主體是利用熱傳遞過程中產生的能量交換，在將室內空氣排出室外的同時，回收利用空氣中的能量，將這部分能量轉化為電能。換氣扇自動引入室外新風，室內外的溫度差產生的熱量所轉換的電能儲存在電池中，供照明和換氣扇自身工作時使用并且可以實時保持室內空氣的舒適度。

節能換氣扇系統主要由智能控制器、過濾網、進出風口、風機、室內外溫濕度傳感器和電池組等幾個主要部分組成。

同樣地，控制器是換氣扇主體部分中最重要的一個組成部分。通過控制主程序，將溫濕度傳感器采集到的室內外溫濕度差等各項環境參數進行處理，控制換氣扇的工作模式，調節換氣扇的啟閉。

過濾網的作用是確保室內外空氣的潔凈度，防止過多灰塵或飛蟲進入機房。

室內外的進出風機的作用是加快交換速率，確保室內外的空氣可以充分交換。

溫度傳感器的作用是實時監測基站或小型機房內外溫濕度差等參數，以便控制器可智能選擇換氣扇的工作方式。

2.3 總體設計

將風光互補的發電系統與新型換氣扇相結合，在換氣扇的風機啟動時，風光互補系統發出的電能，可供給風機使用，系統整體基本不消耗市電。該換氣扇的基本結構主要是由內外兩個螺旋循環、熱交換器等部分構成。采用的原理是通過內外循環分別所安裝的空氣出入口的溫度傳感器，在室內外溫差達到10℃時，換氣扇打開，進行室內外空氣的熱交換，在對室內空氣進行換氣的同時，降低室內溫度。同時，將熱交換產生的熱能轉換為電能，同樣儲存在鋰電池組中，作為自身電源或室內照明電源的一部分輸入。但隨著夏季到來，室外溫度較高，該換氣扇在進行室內外換氣時，可能會導致室內溫度上升，因此可以考慮手動關閉該換氣扇，在夏季較涼爽時開啟。此節能換氣扇的使用相比于傳統小型機房或基站及小型機房內部僅用空調系統實現恒溫制冷，再進行室內外空氣循環的基礎上，在一定程度上降低了對電力資源的消耗，達到了節能的目的[4-5]，如圖2 所示。

圖2 系統總體結構圖

2.4 并網技術研究

對于風光互補系統這種小型發電系統而言，由于所產生的電能，一部分會儲存在電池中，而另外一部分則可以供照明或者換氣扇自身使用。因此需要考慮與電網并網時的技術研究。目前，在省內所有的基站或小型機房，均有一定的市電入戶的條件。基于此，在市電與風光互補系統共同作用情況下，如何智能選擇市電供電模式或者風光互補發電模式來減少電能消耗，即如何做到智能選擇系統的離網運行和并網運行，是每個運營商最為關心的問題。

并網運行：風光互補系統產生的電能，優先儲存在電池組中。在市電用電低谷期時，控制器自動選擇并網功能，經過逆變器、電池管理單元向基站或機房內的如照明等的交流負載供電，同時一部分電能作為換氣扇自身輸入，剩余的電能將直接回饋給市電電網。

離網運行：與并網運行相反，在市電用電高峰期時，控制器自動選擇離網功能，盡可能地使用電池中的電能，削峰填谷，減少運行成本。

這兩種工作方式，在現實情況下，要根據現場的設備運行情況進行靈活運用，確保基站或小型機房內的動力源的平穩運行和持續性運轉。

3 結束語

隨著綠色環保的理念深入人心，并逐漸成為大眾的聚焦點，通信網絡的降本增效節能技術，也逐步成為了各個運營商和設備制造廠商所共同面臨的時代機遇與挑戰。并且基站或小型匯聚類機房在整個通信網絡系統中，是通信網絡必不可少的重要組成部分，是移動通信的基礎，同時也是各個運營商投資與維護最重要的部分。所以，在基站或小型機房層面上研究節能減排是非常有必要的。為了響應當前綠色環保和降本增效的號召，基站或小型機房內的空調系統應盡可能地充分利用自然資源，從而減少電能消耗。因此，本文提出的一種附加風光互補儲能、依據新風系統的新型節能換氣扇，充分利用自然資源，減少了空調系統對市電的使用量，優化了空調的供電來源，在保證基站或小型機房可以正常運行的前提下，降低了運營成本減少了電能消耗。