陳 郁,李 威,侯永濤(.中國聯(lián)通浙江省分公司,浙江 杭州 0000;.中國聯(lián)通吉林省分公司,吉林長春 0000;.中訊郵電咨詢設計院有限公司,北京 00048)
信息通信機房主要包括接入、匯聚、傳輸、核心綜合業(yè)務、動力機房以及近年來得到飛速發(fā)展的IDC 數(shù)據(jù)機房,其中,作為“新基建”的重要組成部分,5G基站和IDC數(shù)據(jù)機房是目前建設規(guī)模和能耗增長最為迅速的兩類機房,基站具有數(shù)量龐大、站址分散、機房環(huán)境相對較差的特點,IDC 數(shù)據(jù)機房則建設規(guī)范,對于機房環(huán)境指標要求高。不同類型的信息通信機房建設模式差異較大,放置設備不同,機房環(huán)境條件應滿足相關設備運行的需求。
當前,國內(nèi)、外信息通信行業(yè)對于機房環(huán)境有相關的技術指標要求,同時,信息通信設備屬于固定應用的電工電子類產(chǎn)品,對此類產(chǎn)品的環(huán)境條件,也有相關的國際標準和國家標準。但在實際應用中,這些標準對于環(huán)境條件的規(guī)定,卻有較大的差異,環(huán)境指標要求不統(tǒng)一,相關指標之間無法進行科學的換算。
信息通信基礎設施的建設投資與機房環(huán)境條件關系密切,設備對于基礎設施環(huán)境條件要求較高時,將顯著提升基礎設施前期的建設投資,以及后期的運營、運維成本,導致溫控系統(tǒng)的能耗較高。隨著我國“碳達峰”“碳中和”目標的提出,節(jié)能降耗成為減排CO2的主要途徑,是實現(xiàn)雙碳目標的重要環(huán)節(jié)。就信息通信行業(yè)而言,極簡建站和降低溫控系統(tǒng)能耗,是實現(xiàn)信息通信行業(yè)節(jié)能降耗的重要環(huán)節(jié)。
因此,根據(jù)當前不同類型機房實際應用場景,制定合理的設備環(huán)境適應性要求和機房基礎設施建設要求,使信息通信設備具有寬泛的環(huán)境適應性,對于降低建設和運營費用、減少能源消耗,是十分必要的。
對電子設備運行有顯著影響的環(huán)境因素主要包括溫度、濕度、氣壓、電磁環(huán)境、各類腐蝕性氣體和空氣潔凈度等指標。其中,氣壓、腐蝕性氣體和電磁環(huán)境因素可以在機房站址選型、設備選型時進行充分的考慮,如果機房附近有固定污染源,如在海邊、化工廠、燃煤電廠、大型家畜飼養(yǎng)場等附近選址,就要充分考慮腐蝕性氣體的因素;在高海拔地區(qū),則要考慮氣壓的影響;在大型變電站、高壓電力輸電線附近,則要考慮電磁環(huán)境影響。
對于大型機房而言,如果機選址十分慎重,可以較好地避開腐蝕性氣體因素的影響,溫度、濕度和空氣潔凈度指標則成為機房建設和運營過程中重點關注的因素。而對于大量的中小型機房而言,如基站機房,由于站址分布廣、數(shù)量眾多,無法完全避免腐蝕性氣體的影響,也要將其作為一個影響因素。
溫度對電子元器件、絕緣材料等有較大的影響,高溫將影響電子器件的散熱,影響可靠性和壽命。如對于半導體元器件而言,室溫每增加10 ℃,其可靠性降低25%,電解電容器壽命將下降50%;溫度過高,印刷電路板結構強度將降低,溫度過低,絕緣材料將會變脆。
濕度對于電氣產(chǎn)品也具有顯著的影響,相對濕度較高時,電子元器件表面易形成水膜,降低電子產(chǎn)品絕緣強度,導致器件短路;濕度較低時,容易產(chǎn)生靜電,危害電子線路安全。
粉塵影響主要包括機械影響、化學影響和電學影響。機械影響包括阻礙冷卻氣流、干擾移動部件、產(chǎn)生磨損和表面形變,以及其他類似影響;化學影響主要指落在電路板上的粉塵會導致組件腐蝕,以及臨近的功能部件短路;電學影響指粉塵引起電路阻抗變化和電子電路發(fā)生橋接故障。
信息通信行業(yè)不同類型的機房建設模式差異較大,如大型IDC 機房、核心綜合業(yè)務機房,單個建筑體積大,設施完善;而對于數(shù)量龐大的基站,由于各種條件的限制,同時為滿足快速、極簡建站和低成本運營的需求,基站機房建設模式多種多樣,不同類型機房的圍護結構、溫控方案差異較大。
根據(jù)不同的建設模式,信息通信機房可以分為以下幾種類型。
a)有氣候防護完全溫控場所。此類場景的設備工作環(huán)境有嚴格的溫控措施,圍護結構可能會受到太陽輻射或短暫的熱輻射影響,不會受到冷凝水和雨雪等的影響,沙塵的影響達到最小化。一般而言,各類IDC、核心綜合業(yè)務機房、有機房的匯聚∕接入站和配置完善溫控措施、密封較好的戶外機柜,可以歸為此類。
b)有氣候防護部分溫控場所。此類場景的設備工作環(huán)境沒有完善的溫度和濕度控制,但極端惡劣條件下有防止極端低溫和防止異常高溫的措施,可能會受到太陽輻射或短暫的熱輻射、冷凝水(但不是雨雪等),以及一定的沙塵影響。部分溫控系統(tǒng)劣化的小型機房,如匯聚、接入基站、戶外柜等,可以歸為此類。
c)有氣候防護無溫控場所。此類場景的設備工作環(huán)境沒有任何溫度和濕度控制,可能暴露在外界空間或僅有部分氣候防護,可能會受到太陽輻射或短暫的熱輻射影響、可能受到冷凝水的影響(但不是雨雪等的影響),以及一定的沙塵影響。溫控失效的戶外通信機柜、室內(nèi)分布基站可以歸為此類。
d)無氣候防護場所。此類場景的設備工作環(huán)境沒有任何氣候防護,設備暴露在外部空間,處于戶外安裝的物理設施環(huán)境,可能受到太陽輻射、熱輻射、雨雪、很強的沙塵影響。此類場所主要包括郊外曠野、公路邊、各種露天場所的室外抱桿站。
對于IDC機房、核心綜合業(yè)務機房而言,由于數(shù)量較少,且在網(wǎng)絡中處于重要地位,一般常年有人值守,出現(xiàn)故障可以及時得到維護,機房環(huán)境較好;而對于信息通信行業(yè)中眾多小機房,如匯聚站、基站機房,在實際運行時,由于圍護結構維護不到位產(chǎn)生破損、密封不嚴,溫控設備發(fā)生故障,導致機房空氣潔凈度無法保證、機房高溫等問題較為普遍,直接使機房環(huán)境條件劣化,威脅信息通信設備運行安全,嚴重時甚至宕機退服。
在各類信息通信機房中,基站數(shù)量最為龐大,站址分散,建設模式多樣化,運行環(huán)境也最為惡劣,經(jīng)歷了從建設初期站點少、造價高,到目前數(shù)量龐大、極簡建站的歷程,從當年的“貴族”演變到當今的“平民”,基站設備的工作環(huán)境也經(jīng)歷了顯著變化。本文以基站為例,說明機房的基礎設施環(huán)境條件對能耗的影響。
3.1.1 基站建設分類
目前,基站建設主要分為以下4種類型。
3.1.1.1 宏基站
傳統(tǒng)宏基站建設模式包括租賃房屋和自建板房,按照建設規(guī)范要求,機房應配置有專用空調(diào),并考慮空調(diào)的備用,是所有基站類型中環(huán)境條件最好的。在實際運行中,由于饋線窗封堵不嚴、基站門漏風甚至長期開啟等原因,造成基站內(nèi)部環(huán)境較差;近年來,由于投資原因,部分基站沒有配置備用空調(diào),一旦空調(diào)故障,基站將不可避免出現(xiàn)高溫,這些因素導致基站設備的實際運行環(huán)境無法滿足相關技術規(guī)范的要求。圖1 為某基站密封不嚴的穿墻洞及室內(nèi)環(huán)境,機房內(nèi)有明顯的灰塵。
圖1 某基站室內(nèi)環(huán)境及穿墻洞
3.1.1.2 戶外一體化機柜基站
隨著基站建設數(shù)量的急劇增加,有機房宏站資源越發(fā)稀缺。與傳統(tǒng)有機房宏基站相比,戶外一體化機柜基站具有占地少、建設快、成本低的優(yōu)勢,目前戶外一體化機柜在基站建設中得到了大量應用。但與傳統(tǒng)宏站相比,戶外一體化機柜的環(huán)境條件難于把控,主要表現(xiàn)在夏季機柜高溫以及機柜密封問題。
由于機柜空間小,當基站負荷較大、空調(diào)制冷量不足或者制冷故障時,機柜將不可避免產(chǎn)生高溫,最終導致基站退服。事實上,由于季節(jié)性楊絮、柳絮堵塞空調(diào)進風口,機柜空調(diào)故障率較高等種種原因,會導致機柜內(nèi)高溫。為保證機柜內(nèi)適宜的溫度,很多機柜在后期采用了直接在機柜上開孔、安裝不帶過濾器的直通風方式來解決這一問題,而這樣又不可避免地帶來柜內(nèi)灰塵的堆積。圖2為實際應用中戶外一體化機柜的案例,分別為空調(diào)進風口堵塞、后期挖的直通風孔洞以及機柜內(nèi)的環(huán)境狀況。大量戶外機柜安裝在市區(qū)道路邊,由于溫控劣化或損壞導致柜門常開的案例屢見不鮮,機柜內(nèi)工作環(huán)境惡劣。
圖2 戶外一體化機柜運行場景案例
3.1.1.3 室內(nèi)分布基站
對于室內(nèi)分布基站,基站設備基本安裝在大樓的電纜上線井、電梯間等場所,此類環(huán)境基本沒有溫控措施,在基站設備持續(xù)發(fā)熱后,部分電纜上線井內(nèi)部也會有較高的溫度,因此在設備的設計環(huán)節(jié),就要求考慮其能夠持續(xù)在高溫下正常工作。
3.1.1.4 戶外抱桿基站
對于完全沒有氣候防護的基站,其相關設備完全暴露在外部露天環(huán)境中,在產(chǎn)品設計時對密封、防水和耐高溫方面有很高的要求,此類基站對基礎設施建設的要求很低。
3.1.2 不同類型基站能耗比較
在相關基站建設類型中,室內(nèi)分布基站和戶外抱桿基站沒有任何溫控措施,尤其是戶外抱桿基站,在產(chǎn)品設計階段就考慮了高溫、密封、防水等方面的措施,對基礎設施要求低,兩者具有最低的系統(tǒng)PUE,但應用范圍較窄,無法滿足基站復雜場景的需求;其他2類基站建設方式,即戶外一體化機柜基站和有機房基站,可以滿足復雜場景的需求,兩者基礎設施建設有顯著差異,當采用不同的溫控措施時,基站能耗相差較大。
配置空調(diào)的戶外一體化機柜基站,在實際運行時由于空調(diào)損壞而打開機柜門的情況屢見不鮮,使部分機柜夏季長期處于高溫、高粉塵環(huán)境下,工作環(huán)境惡劣。針對這種情況,通過安裝新風系統(tǒng)、更換原有鉛酸電池為磷酸鐵鋰電池等改進措施可解決這些問題。安裝帶有自動清潔過濾器的新風系統(tǒng),將機柜外冷空氣排入機柜內(nèi),G4等級過濾器能阻擋90%以上的粉塵進入機柜,使機柜內(nèi)外溫差維持在5 ℃左右,在夏季保證機柜內(nèi)溫度基本低于45 ℃;將普通鉛酸電池更換為磷酸鐵鋰電池,可以克服鉛酸電池不耐高溫的短板。在采取這些措施后,可以輕松實現(xiàn)機柜基站系統(tǒng)PUE<1.1,也解決了夏季戶外機柜長期開門的問題。
有機房宏基站配置的空調(diào)設定溫度一般為28 ℃~30 ℃,設備工作環(huán)境條件屬于最好,但其PUE 大多高于1.5。
以直流負荷為53.5 V∕60 A 的基站為例,當PUE=1.1 時,其溫控系統(tǒng)年用電量約為2 812 kWh;當PUE=1.5 時,其溫控系統(tǒng)年用電量約為14 060 kWh,采用新風系統(tǒng)的戶外一體化機柜年耗電節(jié)約11 248 kWh,節(jié)電率為75%,十分可觀。
對于戶外一體化機柜環(huán)境溫度的提升,由于更換了磷酸鐵鋰電池,戶外一體化機柜能更加適應高溫環(huán)境;對于電路板設計,可以采用優(yōu)化電路板風道組織的方法,優(yōu)先冷卻受溫度影響較大的元器件,如電解電容器,使其工作在較為適宜的環(huán)境溫度,目前部分設備制造商在電路板設計時會對風道組織進行大量的測試和優(yōu)化。采取相關措施后,基站內(nèi)設備短時間工作在40~45 ℃,不會對基站正常工作和設備壽命產(chǎn)生顯著影響。
另外,與直通風方式相比,雖然增加了過濾器的新風系統(tǒng)可以過濾90%的粉塵,但與安裝空調(diào)的機房相比,在空氣潔凈度、腐蝕性氣體指標方面,仍會降低,相關設備制造商也在不斷研究和減小這些因素對設備正常工作和壽命的影響。
當前,涉及到信息通信機房環(huán)境條件的標準較多,而作為電工電子類產(chǎn)品,信息通信設備的工作環(huán)境條件要求也可以參考電工電子產(chǎn)品類的國家標準。
涉及到通信機房和基站環(huán)境要求的標準,主要有《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》(GB 50174-2017)、《移動通信基站工程節(jié)能技術標準》(GB∕T51216-2017)、《通信局(站)機房環(huán)境條件要求與檢測方法》(YD∕T1821-2018)等,可參考的國家標準有《電工電子產(chǎn)品應用環(huán)境條件_第3 部分:有氣候防護場所固定使用》(GB∕T 4798.3-2007)、《電工電子產(chǎn)品應用環(huán)境條件_第4 部分:無氣候防護場所固定使用》(GB∕T 4798.4-2007)等,可參考的國外標準有ETSI 300 019-2-3 V2.5.1 2020 以及GR-63-CORE 等,GB∕T 4798.3-2007 修改采用了《環(huán)境條件分類第3 部分:環(huán)境參數(shù)分類及其嚴酷程度分級第3 節(jié):有氣候防護場所固定使用》(英文版)(IEC 60721-3-3:2002)。
3.2.1 相關標準關于腐蝕性氣體和空氣潔凈度的規(guī)定
《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》(GB 50174-2017)主要針對數(shù)據(jù)中心機房的設計規(guī)范,對于環(huán)境要求描述包括腐蝕性氣體和空氣潔凈度。對腐蝕性氣體,僅在4.1 選址一節(jié)有定性的描述,“應遠離產(chǎn)生粉塵、油煙、有害氣體以及生產(chǎn)或儲存具有腐蝕性、易燃、易爆物品的場所”;對于灰塵,則規(guī)定為“主機房的空氣含塵濃度,在靜態(tài)或動態(tài)條件下測試,每立方米空氣中粒徑大于或等于0.5 μm的懸浮粒子數(shù)應少于17 600 000?!?。
《移動通信基站工程節(jié)能技術標準》(GB∕T51216-2017)則對腐蝕性氣體和空氣潔凈度做了較為細致的規(guī)定,如表1 和表2 所示。該標準的環(huán)境分類和指標規(guī)定與ETSI 300 019-2-3 V2.5.1 2020 和《電工電子產(chǎn)品應用環(huán)境條件_第3 部分:有氣候防護場所固定使用》(GB∕T 4798.3-2007)一致。
表1 腐蝕性物質(zhì)要求(單位:mg∕m3)
表2 潔凈度要求
《通信局(站)機房環(huán)境條件要求與檢測方法》(YD∕T1821-2018)中,對于沒有腐蝕性氣體的規(guī)定,要求其空氣潔凈度是“直徑大于0.5 μm 的灰塵粒子濃度≤18 000粒∕升”。
《電工電子產(chǎn)品應用環(huán)境條件_第3 部分:有氣候防護場所固定使用》(GB∕T 4798.3-2007)和ETSI 300 019-2-3 V2.5.1 2020對于腐蝕性氣體和空氣潔凈度的規(guī)定,都是采用計重方法,相關指標要求與表1 和表2規(guī)定基本一致,本文不在單獨列舉。
3.2.2 對腐蝕性氣體和空氣潔凈度指標的探討
對國內(nèi)部分標準進行歸納,可見對于腐蝕性氣體和空氣潔凈度,相關標準在定量規(guī)定方面有較大的差異。
對于腐蝕性氣體,大型機房可以從選址方面進行考慮,避免建設在固定污染源附近(目前很多核心綜合業(yè)務機房也是處于繁華市區(qū))。但對于基站而言,由于其數(shù)量眾多,且大多數(shù)處于繁華市區(qū)及人口密集區(qū),不可能從選址上完全避免固定污染源的影響。因此,對基站設備制定腐蝕性氣體的指標并進行測試是十分必要的。
對于空氣潔凈度,相關標準指標主要分為2類,一類為計數(shù)法,即將單位體積空氣中0.5 μm 粒子的含量作為衡量空氣潔凈度的指標;一類為計重法,即按照單位體積空氣的漂浮塵和每天單位面積的沉積塵重量作為指標,衡量空氣潔凈度。這2種計量指標之間,沒有科學的換算關系。
近年來,PM10和PM2.5作為衡量空氣質(zhì)量的重要指標為公眾所關注,通常把粒徑在10 μm 以下的顆粒物稱為可吸入顆粒物,即PM10,一般小于10 μm 的粒子可以忽略重力影響,長期漂浮于空氣中而不沉降;而粒徑小于2.5 μm 的粒子,即PM2.5,則可以進入人的毛細血管。由于空氣粒子中含有重金屬、鹽分以及細菌等,進入人的身體后,嚴重影響人的身體健康。原國家環(huán)境保護部發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定》(試行)(HJ633-2012),根據(jù)單位體積(1 m3)中污染物的重量進行分級,形成每天公布的六級空氣質(zhì)量等級。
部分工業(yè)場合對空氣潔凈度有嚴格要求,如微電子、精細化工、醫(yī)藥生產(chǎn)以及汽車噴漆等,如空氣中漂浮的粒子一旦封裝進入產(chǎn)品,將導致半導體電子產(chǎn)品內(nèi)部短路報廢;而汽車噴漆將空氣粒子噴涂到汽車表面,汽車表面產(chǎn)生麻點,將嚴重影響質(zhì)量等。因此,這些行業(yè)的生產(chǎn)場所都遵照《潔凈廠房設計規(guī)范》(GB50073-2013)來進行設計,目的是防止漂浮的空氣粒子在生產(chǎn)過程中混入產(chǎn)品內(nèi)部。《潔凈廠房設計規(guī)范》(GB50073-2013)規(guī)定的潔凈室和潔凈區(qū)空氣潔凈度等級如表3所示。
表3 潔凈室和潔凈區(qū)空氣潔凈度等級
按照計數(shù)指標,目前相關信息通信機房標準所定義的機房環(huán)境空氣潔凈度等級約為8.7 級。作為潔凈廠房,按照要求工作人員進入潔凈室前需要更換潔凈工作服,經(jīng)過人身凈化用室和空氣吹淋室等進行清潔,物料也要求有專門的物料凈化用室,而很多機房遠達不到這一點。按照該指標衡量中小型機房(基站),顯然過高。作為空氣中的漂浮粒子,如果不在電子設備電路板表面沉降,對電子設備不會有破壞性影響。如果按照沉積塵的指標考慮,電子設備表面允許一部分沉積塵的存在,并且在設備實際使用和運行中,沉積塵不影響電子產(chǎn)品散熱,不產(chǎn)生短路及其他機械故障,相關設備可以正常穩(wěn)定工作,將更符合實際運行場景的需求。
當前,部分信息通信設備制造商根據(jù)中小機房(主要為匯聚站和基站)實際工況,采用多種技術手段改進電子設備的設計,如優(yōu)化風道組織,便于散熱,減少電路板上粉塵的堆積;對電路板增加防腐、防潮的工藝處理等,以滿足高溫、高濕、耐腐蝕、抗灰塵的運行條件,并自行設計測試方法,取得了較好的效果,極大提高了中小型機房設備在惡劣場景下運行的可靠性。
為解決基站實際運行環(huán)境惡劣的情況,部分設備制造商進行了大量產(chǎn)品可靠性的試驗研究,制定了關于電路板耐粉塵和腐蝕性氣體的測試方法,以適應中小型機房現(xiàn)場復雜的運行工況。
耐粉塵測試內(nèi)容主要包括2 部分,為自由沉降試驗以及濕度和凝露試驗。在測試過程中,被測試電路板(設備)應處于正常通電的工作狀態(tài),以檢驗其可靠性。某設備進行粉塵試驗后的設備狀況如圖3 所示,被測試設備表面堆積有大量的灰塵。
圖3 進行粉塵試驗的設備
4.1.1 自由降塵
測試箱中擺放被測試電路板(或系統(tǒng)設備),利用發(fā)塵設備將試驗用粉塵吹到測試箱內(nèi),測試箱內(nèi)的灰塵自由沉降到電路板(或系統(tǒng)設備)表面,模擬實際應用時的灰塵積累。為保證試驗接近真實場景,實驗用粉塵可根據(jù)需要,配置鹽分及其他腐蝕性物質(zhì)。
發(fā)塵量可以根據(jù)信息通信設備的實際應用場景進行選擇,例如采用111 g∕m2·d-1時,相當于市區(qū)內(nèi)1.00 g∕m2·d-1條件下111天(近4個月)的實際降塵量。
4.1.2 濕度和凝露試驗
在自有降塵完成后,使用加濕器和凝露的方法使灰塵吸濕,并在此基礎上進行恒定濕熱工作、凝露試驗、交變濕熱工作或恒定濕熱存儲測試,相關測試工況應根據(jù)實際運行場景需求進行設定。某設備濕度和凝露試驗測試方法如下。
a)恒定濕熱工作:溫度40 ℃,濕度90%RH,時間7天,電源額定輸入,應工作正常。
b)凝露試驗:被測試設備在-5 ℃下存儲至少4 h,至溫度平衡后,打開溫箱門保持15 min,然后被測試設備上電,應工作正常。
c)交變濕熱工作:溫度25 ℃→40 ℃→25 ℃進行多次循環(huán),濕度為90%RH,電源額定輸入,應工作正常。
d)恒定濕熱存儲:溫度40 ℃,濕度90%RH,存儲16 h后上電,應工作正常。
試驗過程中以及試驗后,被測試設備必須滿足以下要求,才能夠判定為合格。
a)試驗過程中未出現(xiàn)絕緣擊穿和拉弧打火等現(xiàn)象。
b)試驗過程中產(chǎn)品基本功能性能完全正常。
c)試驗后電路板上(尤其是進風口過口、器件管腳、焊點、PCB 走線等)無肉眼可見的腐蝕,如銅綠、黑斑等。
d)試驗后風扇拆解后內(nèi)部電路板無肉眼可見的腐蝕,如銅綠、黑斑等。
e)試驗后拆解接觸器,其內(nèi)部觸點無肉眼可見的腐蝕。
將被測試設備放置在專用的腐蝕性氣體測試箱中,利用高濃度二氧化硫、氯氣、硫化氫等幾種氣體充滿測試箱體,在指定溫度和相對濕度的環(huán)境下對材料或產(chǎn)品進行加速腐蝕,模擬材料或產(chǎn)品在一定時間范圍內(nèi)所遭受的破壞程度。該項測試后的樣品一般需要到專業(yè)機構送檢,測試難度大、要求高,但該實驗對于測試設備在腐蝕性環(huán)境中的耐受能力是十分必要的。
信息通信機房類型多,不同類型機房的實際運行環(huán)境差異較大,對環(huán)境條件要求較低的設備,將極大降低圍護結構的建設投資以及后期的運維、運營費用,節(jié)省大量溫控系統(tǒng)能耗。
隨著5G應用的發(fā)展,邊緣DC建設成為熱點,大量無人值守的邊緣DC 機房基礎設施建設,預計也將逐步向低成本建設、寬環(huán)境適應、簡單運維、高效運營的方向發(fā)展。因此,提升信息通信設備的環(huán)境適應性,在各類環(huán)境條件下實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效工作,最大限度降低溫控系統(tǒng)能耗,是十分必要的。