羅金花 中國(guó)鐵塔股份有限公司江西分公司 南昌市 330000

0 引言

經(jīng)過兩年建設(shè)，我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)初具規(guī)模，建成超過60萬(wàn)基站，基本覆蓋市區(qū)及部分發(fā)達(dá)縣城，已經(jīng)開始5G用戶及業(yè)務(wù)商用。然而，5G基站因?yàn)轭l率帶寬更大、天線收發(fā)通道更多、發(fā)射功率更大等技術(shù)因素導(dǎo)致基站電費(fèi)居高不下，據(jù)實(shí)測(cè)5G基站耗電量是4G的3-4倍，5G基站年電費(fèi)達(dá)到2萬(wàn)多元，讓運(yùn)營(yíng)商成本壓力倍增；如何降低5G電費(fèi)、提高5G投資效益已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商繞不開又亟待解決的難題。當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備廠家正從設(shè)備級(jí)、站點(diǎn)級(jí)、網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能三大技術(shù)領(lǐng)域開展降本增效方案研究，更多聚焦在5G基站設(shè)備芯片、工藝、集成度及符號(hào)/通道/幀/載波關(guān)斷、功率控制、微站關(guān)斷、多網(wǎng)協(xié)同等主設(shè)備層面；而實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，5G機(jī)房空調(diào)及電源能耗占比也較高，因此本文將從移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施角度，探討5G配套設(shè)施節(jié)能降耗方法措施，以全面提升5G整體能效比，實(shí)現(xiàn)更加綠色、高效5G網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于5G業(yè)務(wù)及應(yīng)用高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。

1 機(jī)房空調(diào)節(jié)能措施

基站空調(diào)主要作用是為了各類通信設(shè)備和配套設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供合適的溫濕度環(huán)境。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在夏熱冬冷地區(qū)4G基站空調(diào)設(shè)置在26℃時(shí)，空調(diào)能耗約占基站總能耗的40%，因此空調(diào)是電信基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商最大的能耗控制點(diǎn)?？照{(diào)節(jié)能涌現(xiàn)了許多新技術(shù)，可以分為直接節(jié)能和間接節(jié)能兩種方式：直接節(jié)能是通過直接提升空調(diào)效率來(lái)降低空調(diào)能耗，間接節(jié)能則通過創(chuàng)新制冷方式、建筑節(jié)能等技術(shù)手段來(lái)減少空調(diào)工作負(fù)荷、降低空調(diào)能耗。

機(jī)房本身并不直接消耗能源，但是建筑設(shè)計(jì)同空調(diào)能耗密切相關(guān)，建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷是影響空調(diào)能耗的主要因素。基站機(jī)房空調(diào)的制冷量除了為通信設(shè)備散熱外，還會(huì)被機(jī)房?jī)?nèi)外熱交換消耗掉。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷帶來(lái)的空調(diào)能耗約占空調(diào)總能耗的40%，則建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的能耗約占基站總能耗的16%，可見建筑節(jié)能可以有效降低空調(diào)能耗，因此應(yīng)重視機(jī)房建筑節(jié)能。機(jī)房建筑節(jié)能主要有保濕、隔熱、平改坡等措施。

1.1 智能新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)

新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)屬于間接節(jié)能方法。因地制宜利用機(jī)房室外的自然風(fēng)作為冷源，在機(jī)房?jī)?nèi)安裝下進(jìn)風(fēng)和上出風(fēng)裝置，采用溫、濕度傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)室外空氣，若室外溫度低于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)下進(jìn)風(fēng)裝置的風(fēng)機(jī)和風(fēng)口，把機(jī)房室外的冷空氣吸入機(jī)房。在機(jī)房?jī)?nèi)冷、熱空氣將進(jìn)行熱交換來(lái)降低室內(nèi)溫度。同時(shí)需保持機(jī)房有正壓風(fēng)壓，用來(lái)啟動(dòng)上排風(fēng)裝置把室內(nèi)熱空氣排出以進(jìn)行室內(nèi)散熱。因而在降低基站機(jī)房室內(nèi)溫度同時(shí)并減少空調(diào)開啟運(yùn)行時(shí)間，從而節(jié)約電能。

新風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景廣，但為了確保達(dá)到較好節(jié)能效果，一般需要確保機(jī)房室、內(nèi)外有不小于5℃的溫差，以使得新風(fēng)系統(tǒng)能運(yùn)行一定時(shí)長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行降溫。

1.2 帶水簾新風(fēng)系統(tǒng)

帶水簾新風(fēng)系統(tǒng)也屬于間接節(jié)能方法。在新風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于水蒸發(fā)吸熱的原理，在新風(fēng)裝置的下進(jìn)風(fēng)裝置前安裝一個(gè)水簾設(shè)施；被吸入室外空氣通過濕的水簾表面后，水簾里的水分子大量蒸發(fā)，在焓值不變的情況下吸收空氣的顯熱，從而使空氣溫度可降低4～10℃；并且空氣中的灰塵也將大部分被水簾吸附達(dá)到除塵的效果。供水方案可采用自來(lái)水、簡(jiǎn)易壓水機(jī)供水、雨水收集系統(tǒng)。

圖2 帶水簾新風(fēng)系統(tǒng)的組網(wǎng)示意圖

帶水簾新風(fēng)系統(tǒng)除具有常規(guī)新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果外，還可以對(duì)空氣進(jìn)行過濾，以保障重要的通信機(jī)房?jī)?nèi)的空氣潔凈度，也可以用于BBU集中機(jī)房和核心機(jī)房。

1.3 機(jī)房隔熱措施

隔熱是一種防太陽(yáng)輻射技術(shù)，機(jī)房受到太陽(yáng)直射會(huì)導(dǎo)致外墻外表面溫度升高，從而增加建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷，增加空調(diào)能耗。隔熱技術(shù)可以通過有效降低太陽(yáng)輻射而減少傳導(dǎo)進(jìn)機(jī)房的外部熱量，減少建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷、節(jié)約空調(diào)能耗。比較常見的隔熱措施有屋頂隔熱、外墻隔熱和門窗隔熱。門窗隔熱可采用具有良好隔熱性能的雙層玻璃、遮陽(yáng)板或直接封堵等措施；外墻隔熱與屋頂隔熱則可以涂隔熱涂料，也可以采用藤蔓植物覆蓋、隔熱網(wǎng)。

平改坡措施：夏季平頂結(jié)構(gòu)的機(jī)房屋頂直接受太陽(yáng)輻射會(huì)導(dǎo)致屋頂溫度迅速升高，將平頂機(jī)房改造為坡頂機(jī)房并保持坡頂良好通風(fēng)，將有效降低屋面帶來(lái)的建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷，從而節(jié)約空調(diào)耗電。

隔熱技術(shù)投資小、改造簡(jiǎn)單，機(jī)房和室外機(jī)柜都可用。適用于常年氣溫較高，且日照時(shí)間較長(zhǎng)的地區(qū)。

1.4 蓄電池地埋機(jī)房

隨著5G基站設(shè)備對(duì)機(jī)房環(huán)境溫度要求的降低，蓄電池成為對(duì)機(jī)房環(huán)境要求最苛刻的設(shè)備，在不優(yōu)化機(jī)房空調(diào)配置條件下，可采用蓄電池地埋、耐高溫蓄電池、鐵鋰電池等技術(shù)達(dá)到蓄電池所需工作環(huán)境。利用地下室的冬暖夏涼來(lái)改善環(huán)境，提高蓄電池的放電量和使用壽命；通過地埋的電池柜安裝的導(dǎo)氣管和排水管可解決換氣及潮濕問題。地埋建議采用12V單體的蓄電池，并對(duì)地埋后的每個(gè)單體電池引出測(cè)試線，并對(duì)地埋蓄電池基坑進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)化后期維護(hù)難度。該方案可應(yīng)用在有條件開挖基坑的鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村區(qū)域基站。

圖3 蓄電池地埋機(jī)房實(shí)例圖

2 通信電源節(jié)能措施

通信電源作為通信系統(tǒng)的“心臟”，是關(guān)鍵的通信基礎(chǔ)設(shè)施。通信電源將直接影響到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定和安全。根據(jù)不同供電方式，基站電源的耗電主要包括開關(guān)電源、不間斷電源（UPS）兩類設(shè)備。因?yàn)樗鼈兊闹饕δ苁沁M(jìn)行交/直流轉(zhuǎn)換并對(duì)干擾電波、高頻污染等進(jìn)行過濾，提供通信設(shè)備所需的穩(wěn)定工作電壓，從原理上來(lái)說(shuō)通信電源的能源消耗應(yīng)接近零消耗。但在工作過程中通信電源設(shè)備會(huì)產(chǎn)生濾波能量、電磁轉(zhuǎn)換的損耗，因此也會(huì)伴隨著電能消耗，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)基站通信電源的平均耗電占整體機(jī)房耗電的5%～10%。主要的電源節(jié)能措施有：

2.1 開關(guān)電源休眠

在工程設(shè)計(jì)時(shí)基站開關(guān)電源在配置整流模塊的容量時(shí)除考慮設(shè)備負(fù)載電流外，還會(huì)考慮蓄電池組的C10充電電流，并采用N+1模塊冗余配置。在實(shí)際基站運(yùn)營(yíng)中，由于基站話務(wù)量忙閑不均、實(shí)際負(fù)載電流很少達(dá)到設(shè)計(jì)值，且市電穩(wěn)定、斷電次數(shù)及時(shí)長(zhǎng)很少，蓄電池組大多時(shí)間處于“睡眠”不工作狀態(tài)，因而蓄電池發(fā)生充電的次數(shù)少、時(shí)長(zhǎng)短，據(jù)統(tǒng)計(jì)開關(guān)電源整流模塊大多工作在≤50%負(fù)載率區(qū)間，業(yè)務(wù)流量較低時(shí)負(fù)載率將更低。開關(guān)電源智能休眠的思路是根據(jù)設(shè)備負(fù)載電流變化來(lái)動(dòng)態(tài)控制開啟整流模塊數(shù)量，選擇性地同步休眠一些整流模塊，使開關(guān)電源處于最佳效率區(qū)間工作以達(dá)到節(jié)能目的。

以某運(yùn)營(yíng)商5G基站為例，開關(guān)電源配置6個(gè)50A整流模塊（容量300A），蓄電池為1組500Ah，假設(shè)通信設(shè)備的常態(tài)負(fù)載電流為100A，開關(guān)電源的整流效率在負(fù)載率50%時(shí)為92%，負(fù)載率30%時(shí)為85%。如果不采用休眠技術(shù)，整流模塊負(fù)載率約33%，每天的用電量為（53.5V×100A×24h）÷85%=151.1kW；采用休眠技術(shù)在保障N+1模塊配置時(shí)可關(guān)閉2個(gè)模塊，整流模塊負(fù)載率約50%，考慮到整流模塊休眠時(shí)的功率（每個(gè)模塊的休眠功率為5W），此時(shí)每天的用電量為（53.5V×100A×24h）÷92%＋5W×2×24h=139.8kW，因此每站點(diǎn)每天可節(jié)約電量約為11.3kW，節(jié)能比例為7.5%。因此，在工程采購(gòu)時(shí)要求采用具有智能休眠功能的大容量的開關(guān)電源整流器，以提高整流效率、降低能耗。

2.2 直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)

隨著5G規(guī)模發(fā)展，更多小站將用于網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)盲吸熱，將形成宏微結(jié)合的超密集組網(wǎng)。如果仍采用傳統(tǒng)方式每個(gè)小站引入市電及備電，工程投入大且整體節(jié)能效果不佳；可采用直流遠(yuǎn)供技術(shù)，選取供電容量條件好的宏站作為集中式遠(yuǎn)程供電主節(jié)點(diǎn)，以星型或鏈型結(jié)構(gòu)給周邊眾多小站、微站、燈桿站供電，實(shí)現(xiàn)市電、整流及備電共享。該方案可采用網(wǎng)管遠(yuǎn)程關(guān)斷技術(shù)，根據(jù)各個(gè)小站的業(yè)務(wù)負(fù)荷和不同忙閑時(shí)段實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)智能的小站關(guān)斷，以節(jié)約電量。該方案應(yīng)用范圍廣，可適用于工業(yè)園區(qū)、大學(xué)城、大型住宅小區(qū)、聚類市場(chǎng)、沿街燈桿等基站群密集場(chǎng)景，也適用于城市市電引入困難、農(nóng)村市電引入費(fèi)用較高且遠(yuǎn)端和局端距離較近的站點(diǎn)。

圖4 直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)的組網(wǎng)示意圖

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)新能源供電

利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源作為基站電源，可從源頭上降低電費(fèi)成本。但由于江西省全天候風(fēng)能及常年日照時(shí)長(zhǎng)不足，可根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)、光資源條件采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行相互補(bǔ)充，達(dá)到連續(xù)、穩(wěn)定供電。

圖5 風(fēng)光互補(bǔ)新能源供電示意圖

對(duì)于太陽(yáng)能、風(fēng)能存在季節(jié)性互補(bǔ)欠佳的或太陽(yáng)能和風(fēng)能資源總量欠缺的地區(qū)，可采用帶有備用柴油發(fā)電機(jī)或市電的“風(fēng)力+光伏+柴油機(jī)/市電”的三互補(bǔ)供電系統(tǒng)。在有供電線路時(shí)在系統(tǒng)中引入一路市電備用，在沒有市電引入條件時(shí)在系統(tǒng)中配置一組備用柴油發(fā)電機(jī)組。當(dāng)天氣不好或風(fēng)力不夠而導(dǎo)致新能源發(fā)電不夠用時(shí)，可通過啟動(dòng)市電或柴沒發(fā)電機(jī)組保障基站的連續(xù)供電。

該方案適用于風(fēng)能、太陽(yáng)能資源較為豐富地區(qū)或市電缺乏的偏遠(yuǎn)山區(qū)、湖泊島嶼等特殊場(chǎng)景，由于初期投資較大，推廣應(yīng)用時(shí)要慎重。

2.4 蓄電池市電削峰技術(shù)

5G基站對(duì)市電引入容量需求大，給存量站點(diǎn)市電增容帶來(lái)壓力，也增加了階梯電價(jià)在峰值時(shí)段的電費(fèi)成本。市電總?cè)萘啃枨笥赏ㄐ旁O(shè)備負(fù)荷、蓄電池充電、空調(diào)三部分組成。而工程中各類通信設(shè)備用電需求在設(shè)計(jì)時(shí)通常是按設(shè)備的額定功率考慮,據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)際使用電量一般只有設(shè)計(jì)容量的40%～50%左右,造成存量基站的蓄電池組容量有一定富余；從鐵塔公司最近一年運(yùn)維統(tǒng)計(jì)數(shù)量來(lái)看約有20%基站全年零停電，可見會(huì)有大量蓄電池長(zhǎng)期工作在“沉睡”狀態(tài)。而市電削峰技術(shù)基于激活存量蓄電池的儲(chǔ)能放電能力，將利用5G設(shè)備實(shí)際功耗隨數(shù)據(jù)流量動(dòng)態(tài)波動(dòng)特性，在用電高峰期采用蓄電池組儲(chǔ)能對(duì)市電進(jìn)行補(bǔ)償，同步給基站設(shè)備供電；在用電低谷期則由市電再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電儲(chǔ)能，從而平抑通信設(shè)備負(fù)載波動(dòng)和實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰供電，進(jìn)一步降低峰值時(shí)段的市電需求，減少市電電費(fèi)成本。

圖6 蓄電池市電削峰組網(wǎng)示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將進(jìn)一步拓展到鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村地區(qū)，5G基站節(jié)能降耗也將是長(zhǎng)期關(guān)注重點(diǎn)。應(yīng)從主設(shè)備、配套基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)節(jié)能等多方面綜合施策，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)手段實(shí)現(xiàn)基于用戶流量、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的分地域分時(shí)段的智能節(jié)能，并充分利用5G電費(fèi)減免、轉(zhuǎn)改直等扶持政策，加強(qiáng)節(jié)能管理，以達(dá)到5G全面節(jié)能降耗效果。