隋俊杰 邵偉恒 吳上泉

摘 要：針對通信基站節(jié)能減排的需求，給出一款基站綠色節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計思路，并給出其控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該基站綠色節(jié)能系統(tǒng)主要由換熱器室內(nèi)機(jī)、換熱器室外機(jī)、制冷空調(diào)機(jī)和變頻控制系統(tǒng)組成。其中變頻控制系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器，分別采集基站的室內(nèi)外溫度，通過室內(nèi)外溫差，控制該綠色節(jié)能系統(tǒng)的工作。其與外界僅通過冷媒進(jìn)行熱交換，不向室內(nèi)引進(jìn)新風(fēng)，室內(nèi)側(cè)空氣獨立循環(huán)，因而不會引入外界的雜塵和污染。整個基站綠色節(jié)能系統(tǒng)采用變頻控制技術(shù)，隨需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。實踐表明，設(shè)計的基站綠色節(jié)能系統(tǒng)具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保和穩(wěn)定性較高等特點，具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞： 基站； 空調(diào)； 綠色節(jié)能； 變頻控制

中圖分類號： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0136?04

Design and implementation of green energy saving system for base station

SUI Junjie， SHAO Weiheng， WU Shangquan

（The Fifth Electronics Research Institute， Ministry of Industry and Information Technology， Guangzhou 510000， China）

Abstract： A design thought of green energy saving system for base station is given for the energy conservation and emission reduction demand of the communication base station， and design and implementation of the control system are given. The green energy saving system for base station is mainly composed of heat exchanger indoor unit， heat exchanger outdoor unit， refrigeration air conditioner and frequency conversion control system. The DS18B20 temperature sensor is adopted in the frequency conversion control system to respectively acquire the indoor and outdoor temperature of the base station. The running of the green energy saving system is controlled by the temperature difference of indoor and outdoor. The heat exchange between the system and outside world is conducted by the refrigerant. The indoor air is cycled independently without bringing in the air from the outside world， so the outdoor dust and pollution cant be introduced. The frequency conversion control technology is adopted in the green energy saving system for base station to adjust with the demands. The designed green energy saving system for base station has the characteristics of high energy efficiency， green environmental protection and high stability， and high practical value.

Keywords： base station； air conditioner； green energy saving； frequency conversion control

0 引 言

根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》 [1]，可以得知：我國國內(nèi)生產(chǎn)總值約占世界的8.6%，但能源消耗占世界的19.3%，國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗仍是世界平均水平的2倍以上，能源利用效率總體偏低，規(guī)劃中要求：推動能效水平提高，加強工業(yè)節(jié)能，堅持走新型工業(yè)化道路，其中房間空調(diào)器的能效比[2]到2015年要從2010年的3.3提高到3.5～4.5。

隨著我國通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和通信網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，整個通信行業(yè)的耗電量也與日俱增，其中移動通信網(wǎng)絡(luò)的耗電量占據(jù)了絕大部分，而基站設(shè)備的能源消耗則占到整個移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能源消耗[3]的90%。因此，建設(shè)綠色節(jié)能基站已經(jīng)成為當(dāng)前基站發(fā)展的必然趨勢。

從通信機(jī)房能耗結(jié)構(gòu)上看，移動基站耗電主要是由通信主設(shè)備耗電和空調(diào)耗電組成。對于空調(diào)耗電方面的節(jié)能措施，目前利用室外冷源對基站內(nèi)部進(jìn)行輔助制冷，可以有效減少基站空調(diào)工作時長，提高空調(diào)使用壽命，是降低基站空調(diào)耗電的主要方法之一[4]。

1 系統(tǒng)方案

設(shè)計制作一套基站綠色節(jié)能系統(tǒng)，以實現(xiàn)對基站內(nèi)溫度的控制和降低相應(yīng)的能耗，達(dá)到高效節(jié)能和綠色環(huán)保的要求[5]。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要由換熱器室內(nèi)、外機(jī)、制冷空調(diào)機(jī)、變頻電路板、顯控面板、室內(nèi)外溫度傳感器和控制系統(tǒng)集合而成?？刂破魇紫韧ㄟ^采集室內(nèi)外的溫度值，并對二者進(jìn)行減法處理。當(dāng)室內(nèi)外溫差達(dá)到相應(yīng)的值時，啟動換熱器部分，并且根據(jù)室內(nèi)外溫差值的大小進(jìn)行相應(yīng)的變頻輸出；同時為了保證室內(nèi)溫度不會過高，在控制程序中加入了相應(yīng)的閾值，當(dāng)室內(nèi)溫度超過該閾值時，室內(nèi)制冷空調(diào)開啟，對基站室內(nèi)進(jìn)行制冷，將室內(nèi)溫度嚴(yán)格控制在相應(yīng)的溫度范圍內(nèi)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

該基站綠色節(jié)能系統(tǒng)可以通過控制面板對設(shè)定溫度進(jìn)行設(shè)置，同時可以設(shè)定室內(nèi)制冷空調(diào)的開啟溫度。通過顯示面板可以實時顯示當(dāng)前的室內(nèi)外溫度值和當(dāng)前的設(shè)定溫度值，也可以通過指示燈的狀態(tài)判斷當(dāng)前室內(nèi)外空調(diào)機(jī)和室內(nèi)制冷空調(diào)的工作狀態(tài)，以及控制電路板部分的運行狀態(tài)。

2 換熱器系統(tǒng)設(shè)計及原理分析

該基站綠色節(jié)能系統(tǒng)的核心節(jié)能思想是：利用基站室內(nèi)外的溫差，通過換熱器里的冷媒進(jìn)行基站室內(nèi)外的熱交換，利用外界自然冷源對機(jī)房降溫，減少空調(diào)壓縮機(jī)工作時間，達(dá)到節(jié)能減排的目的。同時，基站內(nèi)外僅通過冷媒進(jìn)行熱量的交換，而不會從外界引入新風(fēng)，保證了基站機(jī)房的潔凈度，降低了空調(diào)因工作磨損造成的故障，提高了空調(diào)的使用壽命，因此換熱器系統(tǒng)是整個基站綠色節(jié)能系統(tǒng)的重要組成部分[6]。具體的換熱器工作原理圖如圖2所示。

圖2 換熱器系統(tǒng)工作原理圖

當(dāng)控制器通過室內(nèi)外溫度傳感器檢測到室內(nèi)溫度高于相應(yīng)的設(shè)定溫度值（主要是為了冷媒能夠有足夠高的氣化率），且基站內(nèi)外溫差高于相應(yīng)值，開啟換熱器。基站內(nèi)的高溫環(huán)境使得換熱器內(nèi)的熱交換冷媒吸收熱量汽化成蒸汽，這些汽化后的蒸汽上升到換熱器的室外機(jī)的冷凝管道中，通過跟外界的低溫環(huán)境進(jìn)行熱交換，釋放熱量后重新液化成液體返回到換熱器的室內(nèi)機(jī)。換熱器的室內(nèi)外機(jī)，通過冷媒不斷對基站內(nèi)高溫氣流和室外低溫氣流的熱交換循環(huán)來達(dá)到降低基站內(nèi)溫度的目的。

3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計

該基站綠色節(jié)能系統(tǒng)的另一個重要組成部分就是控制系統(tǒng)電路設(shè)計部分，其包含了電源電路部分、室內(nèi)外溫度傳感器電路部分、通信接口電路部分、繼電器控制電路部分和顯控電路部分等。

3.1 電源電路

在電源電路部分，系統(tǒng)采用開關(guān)電源模塊直接輸出5 V的電源輸入電壓，該5 V的電源輸入電壓經(jīng)過電源濾波電路進(jìn)入ASM1117?3.3穩(wěn)壓芯片，進(jìn)行線性穩(wěn)壓，輸出的3.3 V電壓經(jīng)過電容濾波后給控制系統(tǒng)供電[7]。電源電路如圖3所示。

圖3 電源部分原理圖

3.2 DS18B20溫度傳感器電路

室內(nèi)外的實時溫度值是整個控制系統(tǒng)的控制依據(jù)，因此溫度采樣電路的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對控制系統(tǒng)的整體性能有著重要影響。

控制系統(tǒng)中采用的溫度傳感器是DS18B20，它是常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。其測溫范圍為 -55～125 ℃，分辨率可以達(dá)到0.062 5 ℃，工作電源為DC 3.0～5.5 V，支持多點組網(wǎng)功能[8]。DS18B20溫度傳感器電路如圖4所示。

電路中采用了USB的數(shù)據(jù)接口，該接口中的濾波電路可以用來兼容其他的模擬溫度傳感器。

3.3 通信接口電路

控制系統(tǒng)與換熱器的室內(nèi)外機(jī)之間是通過變頻電路板連接的，控制系統(tǒng)與換熱器之間通過RS 485總線進(jìn)行串行通信。電路中采用MAX485串行通信芯片，MAX485是用于RS 485與RS 422通信的低功耗收發(fā)器。MAX485的驅(qū)動器擺率不受限制， 可以實現(xiàn)最高2.5 Mb/s的傳輸速率[9]。MAX485串行通信接口電路如圖5所示。

圖4 溫度傳感器電路原理圖

圖5 MAX 485串行通信接口電路圖

3.4 繼電器驅(qū)動電路

換熱器屬于該基站綠色節(jié)能系統(tǒng)的輔助制冷系統(tǒng)，當(dāng)室外溫度較高或者換熱器滿負(fù)荷工作也無法將基站內(nèi)的溫度控制在設(shè)定閾值的溫度范圍內(nèi)時，需要開啟制冷空調(diào)機(jī)來進(jìn)行強制制冷，將基站的溫度降到相應(yīng)閾值溫度以下。對用380 V的三相電供電的制冷空調(diào)機(jī)，采用交流接觸器對其進(jìn)行開關(guān)控制，而對交流接觸器的控制端采用繼電器驅(qū)動[10]。繼電器驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 繼電器驅(qū)動電路圖

圖6中通過光耦進(jìn)行電路板上的弱電信號和強電信號的隔離，運用ULN2004D進(jìn)行繼電器的驅(qū)動。ULN2004D是一款高耐壓，大電流達(dá)林頓管驅(qū)動器，其輸出電流可以達(dá)到500 mA，而且具有必不可少的箝位二極管，用于電感性負(fù)載開關(guān)，是常用的繼電器驅(qū)動芯片[11]。

4 顯控部分

整個系統(tǒng)的顯控部分屬于用戶交互界面，可以方便用戶對整個系統(tǒng)的當(dāng)前運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置。系統(tǒng)顯控界面如圖7所示。

在圖7中：LED1為甲方空調(diào)工作狀態(tài)指示燈，燈亮表示甲方空調(diào)運行；LED2為控制板工作狀態(tài)指示燈，指示燈閃爍表示控制板正常運行；LED3為乙方空調(diào)工作狀態(tài)指示燈，燈亮表示乙方空調(diào)運行；RP為溫度設(shè)定電位器，順時針旋轉(zhuǎn)增大設(shè)定溫度值，逆時針減小。

圖7 系統(tǒng)顯控界面

5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

控制系統(tǒng)的程序設(shè)計是整個控制系統(tǒng)的核心和靈魂。該基站綠色節(jié)能控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能：當(dāng)基站室內(nèi)溫度值高于31 ℃，制冷空調(diào)機(jī)開啟，對基站內(nèi)部強制制冷，當(dāng)室內(nèi)溫度回降到低于（31-3） ℃之后，制冷空調(diào)機(jī)關(guān)閉；當(dāng)基站室內(nèi)溫度高于（室外溫度+5） ℃且高于用戶設(shè)定溫度值時，換熱器開啟，當(dāng)室內(nèi)溫度回降到低于（室外溫度+3） ℃或者低于（用戶設(shè)定溫度值-2） ℃之后，換熱器關(guān)閉。在搭建好相應(yīng)的硬件平臺之后，設(shè)計相應(yīng)的控制程序流程圖如圖8所示。

圖8 控制程序流程圖

6 結(jié) 語

設(shè)計完成的基站綠色節(jié)能系統(tǒng)，在長春市某移動基站進(jìn)行了測試，測試季節(jié)為春季（室內(nèi)外溫差比較大，尤其是夜間），經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，夜間制冷空調(diào)機(jī)幾乎不用開啟，主要依靠換熱器的工作便可以將基站的室內(nèi)溫度控制在相應(yīng)的范圍內(nèi)。未安裝基站綠色節(jié)能系統(tǒng)之前，該基站一天的耗電量大概為5×24=120 kW·h，安裝該綠色節(jié)能系統(tǒng)之后，可以節(jié)能70%左右，也就是節(jié)能120×70%=84 kW·h。當(dāng)然，該綠色節(jié)能系統(tǒng)需要一定的室內(nèi)外溫差，因此在夏季的白天，節(jié)能效果可能要弱一些。

從本文可知，該基站綠色節(jié)能系統(tǒng)主要有以下三點技術(shù)優(yōu)勢：第一，基站內(nèi)外僅通過冷媒進(jìn)行熱量的交換，而不會從外界引入新風(fēng)，保證了基站機(jī)房的潔凈度，環(huán)保無污染；第二，減少了制冷空調(diào)的開啟時間，降低了空調(diào)因工作磨損造成的故障，提高了空調(diào)的使用壽命；第三，減少了空調(diào)壓縮機(jī)的工作時間，節(jié)約了電能。

我國的絕大部分地區(qū)的自然常溫都可以滿足基站設(shè)備正常運行的溫度需要，因此，該基站綠色節(jié)能系統(tǒng)可以在氣溫較低的季節(jié)或者是低溫的夜間，積極利用自然環(huán)境資源，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的，具有一定的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 景龍剛.移動通信基站維護(hù)研究[J].信息通信，2014（11）：185.

[2] CAMERON R W， TAYLOR J， EMMETT M. A hedera green fa?ade?energy performance and saving under different maritime?temperate， winter weather conditions [J]. Building and environment， 2015， 36： 111?121.

[3] COMA J， PEREZ G， SOLE C， et al. New green facades as passive systems for energy savings on buildings [J]. Energy procedia， 2014， 57： 1851?1859.

[4] 謝代鋒，葛俊，楊棟.能熱交換器與空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建的“綠色基站”解決方案與實踐[J].信息通信技術(shù)，2009，3（4）：39?43.

[5] COSTANZO V， EVOLA G， MARLETTA L. Energy savings in buildings or UHI mitigation？ comparison between green roofs and cool roofs [J]. Energy and buildings， 2015， 39： 152?163.

[6] HANIF M， MAHLIA T M I， ZARE A， et al. Potential energy savings by radiative cooling system for a building in tropical climate [J]. Renewable and sustainable energy reviews， 2014， 32： 642?650.

[7] 高吉祥.模擬電子技術(shù)[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2011：25?32.

[8] 姜鈞仁.電路基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2011：127?130.

[9] 余家春.Protel 99 SE電路設(shè)計實用教程[M].北京：中國鐵道出版社，2004：43?47.

[10] 張慶雙.電子技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006：74?78.

[11] 高吉祥，丁文霞.數(shù)字電子技術(shù)[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2011：52?57.