安濤，何明憲

（摩比天線技術(shù)（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

據(jù)工信部相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021 年11 月底，我國基站數(shù)量超過1 000 萬座（其中5G 基站已經(jīng)建成139萬座），到2025 年5G 基站數(shù)量預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到800 萬座（圖1 為我國新建5G 基站數(shù)量預(yù)測(cè)，引自觀研天下網(wǎng)站數(shù)據(jù)）。

圖1 我國新建5G基站數(shù)量預(yù)測(cè)（單位：萬站）

據(jù)中國能源報(bào)預(yù)測(cè)，5G 基站的用電量將由2020 年的不足200 億千瓦時(shí)迅速攀升至2025 年的3 500 億千瓦時(shí)左右，基站高能耗已經(jīng)引起廣泛關(guān)注。

一般基站設(shè)備放置在機(jī)房或者機(jī)柜中，主要采用空調(diào)進(jìn)行降溫，確保設(shè)備運(yùn)行環(huán)境能夠保持在25℃范圍的理想環(huán)境中，根據(jù)相關(guān)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，來自于空調(diào)部分的能耗約占基站整體能耗的40% 以上（其余部分為戶外放置射頻單元產(chǎn)生功耗）。在實(shí)際環(huán)境中，機(jī)房或機(jī)柜本身暴漏在戶外，頂部、側(cè)面均會(huì)吸收較多熱量，在遇到高溫天氣時(shí)內(nèi)部溫度波動(dòng)變化，加上基站設(shè)備自身功耗導(dǎo)致的散熱產(chǎn)生能耗（基帶單元能耗），使得空調(diào)壓縮機(jī)連續(xù)高功率運(yùn)轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致空調(diào)能耗居高不下，進(jìn)而影響到基站整體處于高功耗運(yùn)行。

1 移動(dòng)通信基站節(jié)能減排技術(shù)對(duì)比

目前基站節(jié)能減排技術(shù)主要有針對(duì)基站設(shè)備能耗的主動(dòng)節(jié)能和涉及空調(diào)能耗的被動(dòng)節(jié)能兩種。

在主動(dòng)節(jié)能方面，主要是“基站智能關(guān)斷”，例如通過為基站設(shè)備加入高效率高集成度器件、采用通道關(guān)斷及深度休眠等節(jié)能技術(shù)方案，達(dá)到節(jié)能減排目的，這種方式需要主設(shè)備廠家在生產(chǎn)設(shè)備前增加相關(guān)生產(chǎn)成本，最終也會(huì)大幅增加5G 基站建設(shè)投資成本。

在被動(dòng)節(jié)能方面，一般有“地埋降溫”，例如新建設(shè)鐵塔鋼樁地下通信機(jī)房，或采用為戶外移動(dòng)通信基站增加遮陽棚、做表面處理反射太陽熱能的方式，降低熱能影響導(dǎo)致空調(diào)能耗問題，達(dá)到節(jié)能減排目的，從表1中的移動(dòng)通信基站節(jié)能減排技術(shù)對(duì)比情況，可以看出目前主動(dòng)節(jié)能成本偏高、節(jié)電效果一般。

表1 移動(dòng)通信基站節(jié)能減排技術(shù)對(duì)比表

2 零能耗“新材料”被動(dòng)式節(jié)能方案

業(yè)界現(xiàn)有移動(dòng)通信基站節(jié)能減排技術(shù)大部分還都是基于解決熱源、降低溫度的考慮。對(duì)于主動(dòng)式方案，雖效果明顯，但需要付出高昂成本，還要附加能耗代價(jià)；對(duì)于被動(dòng)式方案，部分技術(shù)方案成本高，效果雖明顯，但也需付出能耗代價(jià)。還會(huì)有部分技術(shù)方案雖然可以實(shí)現(xiàn)零能耗，但對(duì)于存量站的應(yīng)用受限。因此引入一種零能耗的、能夠達(dá)到更佳節(jié)能效果的被動(dòng)節(jié)能技術(shù)方案有著更深的意義。

2.1 散熱降溫節(jié)能的方式

熱力學(xué)中典型的散熱方式（如圖2、表2）有“熱傳導(dǎo)”、“熱對(duì)流”、“熱輻射”3 種，這些方式都可以將熱能在物體間進(jìn)行交換，從而達(dá)到降溫目的，但這些方式有著各自特點(diǎn)、適用場(chǎng)景有也所區(qū)別。

表2 主要散熱方式對(duì)比表

圖2 熱力學(xué)中3種典型的散熱方式

2.2 零能耗“新材料”特性

從3 種典型的散熱方式特性來看，采用“熱輻射”特性可在不額外加入或改變介質(zhì)特性的條件下，利用溫度差產(chǎn)生的輻射來實(shí)現(xiàn)熱交換，從而降低實(shí)施成本，可控性更高。

相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，8～13 μm 波長的紅外線通過大氣窗口時(shí)能量譜最高達(dá)到150 W/m2，如圖3 所示，可根據(jù)這種特性應(yīng)用在被動(dòng)式降溫材料上，例如利用硅體微元素特性+超薄金屬膜的柔性高分子架構(gòu)，分別從增加紅外光譜發(fā)射率、降低太陽光譜吸收率的角度出發(fā)，做成零能耗“新材料”，增加節(jié)能效果。

圖3 太陽輻射能量與理想紅外發(fā)射體輻射能量對(duì)比圖

2.3 零能耗“新材料”應(yīng)用探索

（1）理論仿真情況

根據(jù)移動(dòng)通信基站常用戶外機(jī)房類型，采用自身材料結(jié)構(gòu)為彩鋼板的模型進(jìn)行建模仿真，研究零能耗“新材料”的效果。模型邊界條件中，尺寸選取6 m（長）×4 m（寬）×3 m（高），內(nèi)熱源采用300 W 能耗，此處重點(diǎn)仿真模型溫度的變化（不考慮空調(diào)控溫因素），太陽輻照溫度數(shù)據(jù)采用西安地區(qū)一年數(shù)據(jù)，使用EnergyPlus 軟件建模。為增加可對(duì)比性，將業(yè)界已經(jīng)采用過的被動(dòng)式節(jié)能降溫材料技術(shù)方案同時(shí)進(jìn)行仿真對(duì)比，如圖4、表3 及圖5 所示。

圖4 西安地區(qū)太陽輻照及環(huán)境溫度統(tǒng)計(jì)

圖5 不同被動(dòng)式節(jié)能降溫材料理論仿真溫度變化圖

表3 不同被動(dòng)式節(jié)能降溫材料理論測(cè)算對(duì)熱能影響數(shù)據(jù)表

從仿真結(jié)果來看，零能耗“新材料”應(yīng)用后對(duì)“太陽能反射率”、“紅外發(fā)射率”最高，在溫度變化上比不做任何處理情況下的外頂溫度平均下降30℃、內(nèi)部溫度平均下降12℃，整體效果也是現(xiàn)有技術(shù)方案中最佳的。

（2）實(shí)際應(yīng)用情況

根據(jù)仿真，選擇西安地區(qū)為代表的兩個(gè)移動(dòng)通信機(jī)房（工況參數(shù)接近的彩鋼板機(jī)房），應(yīng)用零能耗“新材料”進(jìn)行實(shí)際實(shí)施驗(yàn)證，相關(guān)參數(shù)如表4 所示：

表4 試點(diǎn)站點(diǎn)工況表

1）選用測(cè)試設(shè)備，如表5 所示。

表5 測(cè)試設(shè)備表

2）設(shè)備安裝位置，如圖6 所示：

圖6 測(cè)試設(shè)備位置示意圖

①外頂溫度測(cè)點(diǎn)

位于屋頂外表面中心位置，用于監(jiān)測(cè)屋面材料的表面溫度。

②室內(nèi)空氣溫度測(cè)點(diǎn)

位于機(jī)房內(nèi)中心位置距離地面2 m 高度處，用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣溫度及波動(dòng)。

③環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)

位于機(jī)房附近陰涼通風(fēng)處，用于監(jiān)測(cè)機(jī)房所在位置的室外空氣溫度。

④太陽總輻射傳感器

位于屋頂并保持水平放置，同時(shí)應(yīng)避免受到周圍環(huán)境的遮擋，其主要用于監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)氐膶?shí)時(shí)太陽輻照數(shù)據(jù)，結(jié)合測(cè)得的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，可判斷試驗(yàn)期間的天氣情況（如陰、晴、雨等）。

⑤三相功率計(jì)霍爾傳感器

分別接在空調(diào)和直流電源柜的供電線路上，用于監(jiān)測(cè)空調(diào)和直流電源柜的電功率及累計(jì)耗電量。功率計(jì)采樣間隔為1 分鐘，根據(jù)功率計(jì)記錄的空調(diào)瞬時(shí)電功率來判斷空調(diào)啟停狀態(tài)，進(jìn)而用于統(tǒng)計(jì)空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，應(yīng)用前后情況如圖7 所示：

圖7 試驗(yàn)期間的太陽輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度

3）實(shí)施效果

①外頂降溫效果

試驗(yàn)機(jī)房應(yīng)用前后外頂降溫幅度可達(dá)26.2℃，降溫效果顯著，如圖8 所示：

圖8 對(duì)比機(jī)房（左）和試驗(yàn)機(jī)房（右）外頂溫度

②室內(nèi)空氣降溫效果

試驗(yàn)機(jī)房在應(yīng)用零能耗“新材料”方案后，溫度波動(dòng)由2.5℃降至0.5℃～1.2℃，改善了空調(diào)的控溫效果，從而可改善基站設(shè)備熱工環(huán)境，提高基站工作可靠性、降低基站故障率和退服率，如圖9 所示。

圖9 對(duì)比機(jī)房（左）和試驗(yàn)機(jī)房（右）室內(nèi)空氣溫度

③空調(diào)運(yùn)行時(shí)間及耗電量變化

由于天氣變化原因，對(duì)比機(jī)房的空調(diào)運(yùn)行時(shí)間從空白試驗(yàn)的5 352 分鐘降至第二階段試驗(yàn)的4 693 分鐘，故可得天氣因素對(duì)空調(diào)運(yùn)行時(shí)間的校正因子k1為：

其中TB,before和TB,after分別為對(duì)比機(jī)房前后兩個(gè)試驗(yàn)階段的空調(diào)運(yùn)行時(shí)間。故試驗(yàn)機(jī)房應(yīng)用零能耗“新材料”方案后，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間減少的百分比可計(jì)算為：

其中TA,before和TA,after分別為試驗(yàn)機(jī)房前后兩個(gè)試驗(yàn)階段的空調(diào)運(yùn)行時(shí)間。故由計(jì)算可得，在相同天氣條件下，試驗(yàn)機(jī)房空調(diào)運(yùn)行時(shí)間（表6 所示）在應(yīng)用零能耗“新材料”方案后可減少21.3%，從而可延長空調(diào)使用壽命，降低空調(diào)故障率。

表6 對(duì)比機(jī)房及試驗(yàn)機(jī)房的空調(diào)運(yùn)行時(shí)間

④空調(diào)耗電量

各階段起始時(shí)刻空調(diào)耗電量均初始化為0，試驗(yàn)8 天內(nèi)空調(diào)的累計(jì)耗電量，曲線的斜率代表空調(diào)耗電功率的大小。從圖中可以看出在空白試驗(yàn)階段，試驗(yàn)機(jī)房的耗電量曲線的斜率明顯比對(duì)比機(jī)房大，兩機(jī)房的累計(jì)耗電量差值隨時(shí)間推移不斷擴(kuò)大，8 天累計(jì)相差152 kWh；而試驗(yàn)機(jī)房應(yīng)用零能耗“新材料”方案后，兩機(jī)房的累計(jì)耗電量曲線基本比較接近，8 天累計(jì)相差僅18 kWh，由圖10 及表7 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見零能耗“新材料”方案大幅降低了機(jī)房制冷負(fù)荷。

圖10 試驗(yàn)機(jī)房和對(duì)比機(jī)房空調(diào)累計(jì)耗電量曲線

表7 試驗(yàn)機(jī)房和對(duì)比機(jī)房空調(diào)累計(jì)耗電量數(shù)據(jù)

由于天氣變化原因，對(duì)比機(jī)房的空調(diào)累計(jì)耗電量從空白試驗(yàn)的235.6 kWh 降至第二階段試驗(yàn)的188.9 kWh，故可得天氣因素對(duì)空調(diào)累計(jì)耗電量的校正因子k2為：

其中QB,before和QB,after分別為對(duì)比機(jī)房前后兩個(gè)試驗(yàn)階段的空調(diào)累計(jì)耗電量。故試驗(yàn)機(jī)房應(yīng)用零能耗“新材料”方案后，空調(diào)節(jié)電率可計(jì)算為：

其中QA,before和QA,after分別為試驗(yàn)機(jī)房前后兩個(gè)試驗(yàn)階段的空調(diào)累計(jì)耗電量。故由計(jì)算可得，在相同天氣條件下，試驗(yàn)機(jī)房在應(yīng)用零能耗“新材料”方案后可節(jié)電33.4%，日均節(jié)電約13 度（轉(zhuǎn)供電0.9 元/度）。

4）全年經(jīng)濟(jì)收益測(cè)算

根據(jù)實(shí)驗(yàn)來看，機(jī)房空調(diào)節(jié)電率33.4% 及節(jié)電量約13 度/ 天，均為西安9 月份試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而天氣條件（如太陽輻照和環(huán)境溫度）對(duì)結(jié)果有一定影響，因此預(yù)估全年節(jié)電及空調(diào)運(yùn)行時(shí)間時(shí)，需考慮這兩方面因素影響。結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笄闆r，西安機(jī)房空調(diào)全年開啟時(shí)間按4-10 月（214 天）計(jì)算。根據(jù)中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室和清華大學(xué)合作編制的氣象數(shù)據(jù)源，西安4-10 月份月均太陽輻照總量比9 月份增長44%，平均氣溫增長約5%，綜合增長約50%，具體詳見表8：

表8 西安太陽輻照總量及平均氣溫

因此零能耗“新材料”方案應(yīng)用后所帶來的經(jīng)濟(jì)收益可按以下三方面進(jìn)行評(píng)估：

①節(jié)省電費(fèi)

4-10 月的日均空調(diào)節(jié)電量為13×150%=19.5 kWh/天，按轉(zhuǎn)供電價(jià)0.9 元/kWh 計(jì)算，合計(jì)節(jié)省電費(fèi)19.5×214×0.9=3756 元/年。

②節(jié)省折舊費(fèi)

全年空調(diào)運(yùn)行時(shí)間減少率為21.3%×150%=32%。機(jī)房空調(diào)按購入價(jià)格7 000 元/ 臺(tái)，使用壽命6 年計(jì)算，則應(yīng)用零能耗“新材料”方案前空調(diào)每年折舊費(fèi)為7000/6=1167 元/ 年；應(yīng)用后空調(diào)使用壽命可延長為6/(1-0.32)=8.8 年，折舊費(fèi)為7000/8.8=793 元/ 年，即空調(diào)折舊費(fèi)減少374 元/年。

③節(jié)省維護(hù)費(fèi)

減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)間在延長空調(diào)使用壽命的同時(shí)，可降低空調(diào)壓縮機(jī)等部件的故障率以及降低空調(diào)制冷劑補(bǔ)充頻次，從而降低空調(diào)維護(hù)費(fèi)用。未應(yīng)用零能耗“新材料”方案前，按空調(diào)維修頻次6 次/年，維修費(fèi)按300 元/次計(jì)算，則維修費(fèi)約1 800 元/年；應(yīng)用后維修頻次按3 次/年計(jì)算，則維修費(fèi)約900 元/年，累計(jì)減少維護(hù)費(fèi)用約900 元/年。

綜上，機(jī)房試驗(yàn)后可減少空調(diào)電費(fèi)3 756 元/ 年，減少空調(diào)折舊費(fèi)374 元/年，減少空調(diào)維護(hù)費(fèi)用900 元/年，合計(jì)5 030 元/年。

3 未來應(yīng)用及發(fā)展展望

本文提出的采用非空調(diào)制冷、降低并控制移動(dòng)通信基站機(jī)房或機(jī)柜整體溫度的技術(shù)方案，可以節(jié)約能耗、節(jié)省運(yùn)營商的OPEX 開支，在移動(dòng)通信基站的節(jié)能減排領(lǐng)域，為國家“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成，提供了一種更好的技術(shù)方案探索和選擇。