羅金花 中國鐵塔股份有限公司江西分公司 通信發(fā)展部 南昌市 330038

0 引言

2020年是我國5G商用規(guī)模建設(shè)年，各大電信運營商正在加速5G基站建設(shè)。由于5G采用3.5GHz及更高的頻率，其傳播損耗和穿透損耗更大，單站覆蓋范圍更小，使得5G基站密度更大、數(shù)量更多。同時為實現(xiàn)5G“高速率、低時延、大容量”網(wǎng)絡(luò)能力、滿足未來業(yè)務(wù)發(fā)展需要，超密集組網(wǎng)、宏微立體架構(gòu)也將成為未來5G基站建設(shè)新模式。站點激增將導(dǎo)致在一些站址機房獲取困難區(qū)域需要室外機柜，5G“小微站+桿塔”新模式也需要室外機柜，低成本農(nóng)村廣覆蓋也將引入室外機柜。然而，5G BBU設(shè)備最大功耗（發(fā)熱量）約有1500W，典型功耗約500W，是4G設(shè)備的3倍多，5G設(shè)備散熱成為新的問題，如何確保BBU、承載網(wǎng)設(shè)備有保障工作環(huán)境溫度，是確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行基礎(chǔ)。在實際工作中往往缺乏有效的計算與評估，隨意加載設(shè)備數(shù)量，易出現(xiàn)室外機柜溫度過高、設(shè)備宕機問題，因此有必要總結(jié)研究室外機柜制冷量計算方法及評估設(shè)備裝載能力。

2 室外機柜制冷量計算

2.1 制冷量計算公式

江西省屬于亞熱帶，對于通信設(shè)備而言主要考慮機房/室外機柜的制冷量?？照{(diào)冷負荷主要包括設(shè)備冷負荷和建筑冷負荷（包括外墻等圍護結(jié)構(gòu)負荷、照明負荷、人員負荷等）兩部分。按功率面積法，計算公式如下：

其中，Qt：總制冷量（Kw）

Q1：設(shè)備冷負荷

Q2：建筑/室外機柜冷負荷（包括外墻等圍護結(jié)構(gòu)負荷、照明負荷、人員負荷等）

2.2 通信設(shè)備冷負荷計算

設(shè)備冷負荷按照通信設(shè)備功耗進行計算，計算公式如下：

設(shè)備冷負荷Q1＝設(shè)備耗電功率×發(fā)熱系數(shù)

發(fā)熱系數(shù)指通信設(shè)備功耗轉(zhuǎn)化為熱量系數(shù)，即有多少電能轉(zhuǎn)換為熱能，一般為70-95%，對于通信設(shè)備可取為100%。

根據(jù)設(shè)備廠家相關(guān)技術(shù)參數(shù)，當前4/5G BBU設(shè)備的典型功耗如下：

◎5G BBU設(shè)備功耗：單機功耗通常在500W左右。

◎4G BBU設(shè)備功耗：單機功耗通常在100～200W，甚至更低，發(fā)熱量不大。

◎傳輸設(shè)備的功耗：一般為150～200W。

2.3 室外機柜冷負荷計算

室外機柜類似于建筑物，也是一個有圍護結(jié)構(gòu)的相對封閉空間，但由于其圍護結(jié)構(gòu)一般為PU或EPS保溫板材料而非磚墻，保溫隔熱效果不同。下面以典型的通信設(shè)備用室外機柜為例，運用傳導(dǎo)熱量的計算方法來分析室外機柜冷負荷。

圖1 室外機柜的結(jié)構(gòu)實例圖

（1）傳導(dǎo)熱量的計算公式：

式中：λ：導(dǎo)熱系數(shù), W/(m·K)

A：導(dǎo)熱面積，m2

t1、t2：為室內(nèi)、外溫度

Δt：室內(nèi)、外溫差，即導(dǎo)熱推動力K

b：面壁厚度，m

（2）相關(guān)技術(shù)參數(shù)取定：

◎假定室外機柜柜體為單層平面壁導(dǎo)熱。壁厚為30mm。機柜柜體的夾層保溫材料采用XPS，查下表可知：其導(dǎo)熱系數(shù)為0.030W/(m·K)。

表1 常用的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)表

◎ 室外機柜尺寸為：800mm×600mm×1800mm（長×寬×高），室外機柜的面積為0.8×0.6≈0.5m2，統(tǒng)一取定為1m2。

◎ 室內(nèi)機柜內(nèi)的環(huán)境溫度為30℃，以滿足BBU設(shè)備保障工作需要。

◎ 夏天中午室外機柜外的環(huán)境溫度為50℃。

（3）傳導(dǎo)熱量的計算結(jié)果：

◎ 導(dǎo)熱系數(shù)λ＝0.030W/(m·K)

◎ 導(dǎo)熱面積A＝(0.6+0.8)×2×1.8+0.6×0.8=5.52 m2

◎ 導(dǎo)熱推動力K＝Δt= t1 - t2 =50–30 =20

◎ 平面壁厚度b＝0.03 m

◎ 傳導(dǎo)熱量＝0.030×5.52×20/0.03＝110.4W

工程上通常簡化為下式計算室外機柜冷負荷：

建筑/室外機柜冷負荷Q2＝典型的環(huán)境熱負荷×機房面積（m2）

建筑/室外機柜的環(huán)境熱負荷根據(jù)機房/室外機柜的隔熱程度、現(xiàn)場情況等來取定，通?？扇≈禐?0～150W/m2。

2.4 空調(diào)容量計算

室外機柜全天候暴露在室外，為實現(xiàn)5G BBU有保障溫度的工作環(huán)境，一般任何時間內(nèi)室外機柜的空調(diào)制冷量應(yīng)不小于其冷負荷（設(shè)備發(fā)熱量以及室外機柜冷負荷）。即：

空調(diào)制冷量 ≥ 建筑冷負荷 + 設(shè)備發(fā)熱量

式中，空調(diào)制冷量為“空調(diào)能耗×空調(diào)能效比”。

基站機房一般是根據(jù)機房內(nèi)通信設(shè)備規(guī)劃數(shù)量及功耗、建筑傳導(dǎo)的冷負荷計算的制冷量需求來配置具體空調(diào)規(guī)格及數(shù)量；但對于室外機柜，由于空調(diào)安裝空間有限，通常是在出產(chǎn)時就已經(jīng)預(yù)制好相應(yīng)的工業(yè)空調(diào)，室外機柜總的空調(diào)制冷量也就固定了，因此需要根據(jù)空調(diào)制冷量來評估室外機柜的BBU設(shè)備裝載能力。

3 BBU裝載能力評估

3.1 BBU裝載能力計算

鑒于上述分析，室外機柜需要通過已配置的工業(yè)空調(diào)制冷量來評估BBU設(shè)備裝載能力，評估的方法如下：

式中，允許的最大設(shè)備發(fā)熱量＝空調(diào)制冷量-室外機柜冷負荷。

（1）相關(guān)技術(shù)參數(shù)取定：

◎ 室外機柜空調(diào)制冷量：根據(jù)主流廠家的常用產(chǎn)品型號，設(shè)備用室外柜體采用1500W或2000W空調(diào)散熱方式。

◎ 室外機柜冷負荷：根據(jù)2.3節(jié)計算結(jié)果，取為150W。

◎ 5G BBU典型功耗：取為500W。

（2）BBU裝載能力的計算結(jié)果：

表2 室外機柜BBU安裝數(shù)量的計算結(jié)果表

3.2 工程應(yīng)用建議

室外機柜BBU裝載能力需要考慮預(yù)留一定的空調(diào)制冷量，以確保在最壞情況下BBU設(shè)備仍能正常工作。5G用室外機柜建議預(yù)制的空調(diào)制冷量為2000W，以滿足至少3臺BBU安裝需求。對于4G用室外機柜，由于其BBU功耗更小，可以靈活選擇空調(diào)制冷量。

同時，重視室外機柜合理選址，以減少環(huán)境輻射熱影響。設(shè)計時要求把室外機柜設(shè)置在自然通風(fēng)順暢的背陽面，可利用建筑物、高大樹林進行遮擋，盡管避免太陽西曬。另外，也可采用BBU豎裝子框等創(chuàng)新手段，改善室外機柜內(nèi)氣流組織，減少冷熱風(fēng)混流，提高散熱效果。

4 結(jié)束語

BBU設(shè)備對確保5G無線網(wǎng)安全運營有重要影響。隨著5G基站增多、BBU下沉、低成本建網(wǎng)等不斷發(fā)展，室外機柜將成為5G BBU安裝環(huán)境的重要選項。本文另辟巧徑從控制工作環(huán)境溫度角度運用制冷量計算方法評估了室外機柜的BBU裝載能力，可為工程建設(shè)提供一定參考。