付繼垚， 張泉*， 孟凡希， 鄒思凱， 原書瑤， 劉寶昌， 王未， 沙正勇

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長沙 410082； 2.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100080；3.香江科技股份有限公司， 揚(yáng)中 212299)

自2019年，中國正式進(jìn)入第五代移動通信技術(shù)(5G)商用元年，為了滿足用戶的需求，相比于傳統(tǒng)4G通信技術(shù)，5G通信技術(shù)將應(yīng)用于3大場景，具有更高速率、更低時延及更大連接等優(yōu)點(diǎn)[1-2],可實(shí)現(xiàn)10～100倍的傳輸速率，毫秒級的時延，10～100倍的連接設(shè)備密度及3～5倍的頻譜效率[3]。然而，5G通訊向高頻段發(fā)展使得基站設(shè)備功率顯著增加，約為4G設(shè)備的2.5～3.5倍[4]；并且單基站覆蓋的范圍變小，5G相比于4G基站所需數(shù)量增加3～4倍[5]。為節(jié)約5G基站建設(shè)成本，電信運(yùn)營商將基帶處理單元(base band unit，BBU)集中放置在中央機(jī)房，形成BBU池，單站通信設(shè)備數(shù)量更多、功率更高，設(shè)備過熱風(fēng)險(xiǎn)日趨嚴(yán)重。

傳統(tǒng)4G基站大多采用房間級精密空調(diào)進(jìn)行冷卻，其室內(nèi)氣流分布不合理，容易造成局部熱點(diǎn)；并且全年不間斷使用機(jī)械制冷，設(shè)備壽命較低、能耗高。為了解決上述問題，一些學(xué)者分別從氣流組織優(yōu)化、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制、自然冷源利用等方面進(jìn)行了研究。Hayama等[6]提出采用地板送風(fēng)、上部回風(fēng)的方式，解決了基站內(nèi)冷熱氣流摻混及局部冷卻的問題；Dan等[7]利用計(jì)算流體動力學(xué)(computional fluid dynamics，CFD)對機(jī)柜氣流組織進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)；肖衛(wèi)兵[8]通過在機(jī)柜內(nèi)合適位置安裝導(dǎo)流板保障機(jī)柜內(nèi)進(jìn)風(fēng)和熱空氣的流通來加強(qiáng)散熱，研究結(jié)果表明對氣流組織進(jìn)行優(yōu)化，可以增強(qiáng)末端冷卻效果并降低空調(diào)能耗；Zhang等[9]和Tu等[10]通過對基站圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少空調(diào)能耗；鄧晨冕等[11]和Wang等[12]通過對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制，采用智能控制解決了傳統(tǒng)控制所導(dǎo)致的冷卻系統(tǒng)高能耗的問題。高效自然冷源利用是降低空調(diào)能耗最主要的方式，絕大部分基站在過渡季及冬季，通過風(fēng)機(jī)將室外較低溫度的空氣引入室內(nèi)進(jìn)行降溫[13-17]；Wu等[18]研究了利用煙囪效應(yīng)，通過溫度梯度形成的壓差將室外新風(fēng)引入基站內(nèi)對設(shè)備進(jìn)行冷卻。然而，將室外空氣直接引入基站，空氣質(zhì)量及溫濕度等參數(shù)難以保證，并且劉芳等[19]指出，隨著芯片熱流密度的增加，傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱已經(jīng)達(dá)到極限，因而通過相變進(jìn)行傳熱的熱管系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注。Zhou等[20]使用熱管系統(tǒng)對基站進(jìn)行冷卻，空調(diào)能耗僅為傳統(tǒng)空調(diào)的41%。Han等[21]提出了一種房間級熱管與機(jī)械制冷的復(fù)合系統(tǒng)，通過模擬計(jì)算，復(fù)合冷卻系統(tǒng)可節(jié)省19.1%～28.2%的能耗。綜上，前人對于基站空調(diào)的研究多為房間級空調(diào)的穩(wěn)態(tài)測試及模擬研究，較少涉及現(xiàn)場的性能測試和分析。

5G發(fā)展趨勢由房間基站向柜級基站發(fā)展，房間級精密空調(diào)風(fēng)機(jī)壓頭大、傳送距離遠(yuǎn)、難以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的精確冷卻。因此，現(xiàn)開發(fā)一種新型的5G機(jī)柜式熱管空調(diào)一體機(jī)設(shè)備，采用熱管自然冷卻、機(jī)械制冷輔助的方式降低系統(tǒng)能耗；將一體機(jī)側(cè)置于機(jī)柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)近端制冷，從而減少設(shè)備過熱風(fēng)險(xiǎn)。為了探究實(shí)際運(yùn)行中熱管空調(diào)一體機(jī)的動態(tài)性能，在過渡季節(jié)，設(shè)置常規(guī)、熱管及開啟單側(cè)制冷系統(tǒng)4種運(yùn)行模式，通過設(shè)備進(jìn)出口風(fēng)溫的測試，探究其熱安全性，并對其氣流組織的效果進(jìn)行分析。通過測試空調(diào)設(shè)備及通信設(shè)備的能耗，計(jì)算不同運(yùn)行模式的電能利用效率(power usage efficiency，PUE)。基于實(shí)際現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的研究結(jié)果，對5G基站的安全和節(jié)能運(yùn)行有一定的參考價值。

1 5G基站測試概況

1.1 5G基站概況

選取武漢市實(shí)際運(yùn)行的5G基站作為實(shí)測對象，基站結(jié)構(gòu)及內(nèi)部的設(shè)備布置如圖1所示，站內(nèi)部署了兩臺通訊機(jī)柜，機(jī)柜的尺寸為長0.8 m、寬0.8 m、高2.2 m，總熱負(fù)荷約4.65 kW。

圖1 5G基站內(nèi)部示意圖Fig.1 The picture of 5G telecommunication base station

兩臺機(jī)柜并排放置如圖2所示，兩套蒸發(fā)器分別側(cè)置在各自機(jī)柜內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)可以互為備份，前后冷熱氣流通道隔離，減少冷熱氣流的摻混。圖2(a)為正常情況下機(jī)柜內(nèi)氣流組織示意圖，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，機(jī)柜風(fēng)扇將柜體后部的熱空氣吸入蒸發(fā)器進(jìn)行冷卻，將冷卻后的空氣送入柜體前部。圖2(b)和圖2(c)為單側(cè)制冷系統(tǒng)故障時柜內(nèi)氣流組織示意圖，當(dāng)其中一臺機(jī)柜的冷卻系統(tǒng)故障時，另一臺可以向故障機(jī)柜提供應(yīng)急制冷，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，并為維護(hù)人員爭取時間。

1.2 機(jī)柜式熱管空調(diào)一體機(jī)系統(tǒng)原理

機(jī)柜式熱管空調(diào)一體機(jī)的系統(tǒng)工作原理如圖3所示，該系統(tǒng)由熱管與機(jī)械式制冷兩個相互獨(dú)立工作的回路組成。兩個回路并聯(lián)安裝，機(jī)柜內(nèi)兩套蒸發(fā)器共用換熱翅片，被安置在機(jī)柜內(nèi)部左側(cè)，并共用8臺離心風(fēng)機(jī)，室外側(cè)冷凝器也共用換熱翅片及風(fēng)機(jī)。機(jī)柜內(nèi)右側(cè)安裝基站設(shè)備，主要由供配電裝置，BBU及蓄電池組成。在常規(guī)運(yùn)行時，幾乎所有的熱量均由BBU產(chǎn)生，僅在緊急斷電的情況下，下部的蓄電池才產(chǎn)生熱量。熱管制冷工質(zhì)依靠重力作用循環(huán)，而機(jī)械制冷的循環(huán)工質(zhì)通過壓縮機(jī)驅(qū)動循環(huán)。熱管空調(diào)一體機(jī)有4種工作模式，如表1所示，分別為熱管運(yùn)行模式、熱管和機(jī)械制冷混合運(yùn)行模式、僅機(jī)械制冷模式及應(yīng)急模式，不同工作模式的切換由蒸發(fā)器入口風(fēng)溫設(shè)定值Tset、室外溫度T2以及其差值決定。

由于冷空氣由機(jī)柜前側(cè)冷通道送至BBU，換熱后由機(jī)柜后側(cè)熱通道吸入蒸發(fā)器，但是BBU是左側(cè)進(jìn)風(fēng)，右側(cè)出風(fēng)，為了保證氣流組織通暢以實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備的安全運(yùn)行，上下兩BBU之間放置導(dǎo)風(fēng)模塊，實(shí)現(xiàn)冷熱通道的隔離。

圖2 機(jī)柜內(nèi)氣流組織示意圖Fig.2 Schematics of air distribution in cabinet

①為離心風(fēng)機(jī)； ②為熱管蒸發(fā)器； ③為機(jī)械制冷蒸發(fā)器； ④為節(jié)流閥； ⑤為軸流風(fēng)機(jī)； ⑥為機(jī)械制冷冷凝器； ⑦為熱管冷凝器； ⑧為壓縮機(jī)； ⑨為配電裝置； ⑩為BBU； 為導(dǎo)風(fēng)模塊； 為蓄電池圖3 機(jī)柜式熱管空調(diào)一體機(jī)系統(tǒng)圖Fig.3 The schematic of the thermosyphon and mechanical refrigeration hybrid cabinet-cooling system

表1 機(jī)柜式空調(diào)一體機(jī)控制策略

1.3 實(shí)測內(nèi)容及設(shè)備

本次測試為過渡季節(jié)，時間為2020年10月28—30日。在測試期間，室外最高、最低、平均氣溫分別為24.9、14.8、18.2 ℃，平均相對濕度為77%。本次測試的空調(diào)系統(tǒng)其風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)均是定頻運(yùn)行，為了研究5G機(jī)柜式熱管空調(diào)一體機(jī)的性能及節(jié)能潛力，設(shè)置了4種不同運(yùn)行模式，并對設(shè)備進(jìn)出口的溫度、空調(diào)系統(tǒng)耗電量進(jìn)行了測試，具體運(yùn)行模式如表2所示，其中運(yùn)行模式1為熱管空調(diào)一體機(jī)的常規(guī)運(yùn)行模式，模式2及模式3為僅開啟單側(cè)機(jī)柜制冷系統(tǒng)的運(yùn)行模式，模式4為僅開啟兩側(cè)熱管系統(tǒng)的運(yùn)行模式。制冷系統(tǒng)測點(diǎn)的布置如圖4所示，測試參數(shù)及儀器如表3所示。溫濕度自記儀的測試精度為±0.2 ℃，數(shù)據(jù)采集時間間隔為60 s，K型熱電偶的測試精度為±0.1 ℃，采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集模塊每10 s采集一組數(shù)據(jù)。左機(jī)柜內(nèi)布置6臺BBU，功率相近，右機(jī)柜布置一臺分組傳送網(wǎng)設(shè)備(packet transport network，PTN)，其余通信設(shè)備為5臺BBU，PTN熱負(fù)荷約為BBU的1.5倍。為了探究空調(diào)系統(tǒng)的冷卻效果，保證機(jī)柜內(nèi)功率最大的設(shè)備能夠安全運(yùn)行，左機(jī)柜選擇一臺BBU，右機(jī)柜選擇PTN設(shè)備作為測試對象。根據(jù)歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，BBU出風(fēng)溫度不能高于55 ℃，相對濕度應(yīng)該在40%～70%[22]，并以此標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證BBU是否處于安全的工作狀態(tài)。

表2 實(shí)測機(jī)柜式熱管空調(diào)一體機(jī)運(yùn)行模式

圖4 實(shí)測5G機(jī)柜、BBU測點(diǎn)布置示意圖Fig.4 The pictures of measuring points of test cabinets and BBU

表3 測試參數(shù)及儀器

根據(jù)以上述測點(diǎn)所得的實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算回風(fēng)溫度指數(shù)(return temperature index，RTI)，其計(jì)算式如式(1)所示。RTI反映了機(jī)柜內(nèi)冷熱氣流摻混程度，在理想狀況下RTI=100%，越偏離100%表明氣流組織越差，當(dāng)RTI>100%，說明氣流回流，導(dǎo)致回風(fēng)溫度升高，當(dāng)RTI<100%，說明氣流旁通，冷風(fēng)繞過電子設(shè)備，直接返回到空氣處理裝置，降低了回風(fēng)溫度，能源利用率變低[23]。

(1)

式(1)中：RTI為回風(fēng)溫度指數(shù)；Treturn為蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度， ℃；Tsupply為蒸發(fā)器出風(fēng)溫度， ℃； ΔTequipmentBBU進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)溫差， ℃。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Treturn_l與Treturn_r分別為左機(jī)柜與右機(jī)柜的蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度， ℃；Tsupply_l與Tsupply_r分別為左機(jī)柜與右機(jī)柜的蒸發(fā)器出風(fēng)溫度， ℃。

基站總耗電量、通信設(shè)備及空調(diào)系統(tǒng)的功率及耗電量由基站內(nèi)部所帶電量表讀取，并通過所得數(shù)據(jù)計(jì)算基站能效評價指標(biāo)PUE，計(jì)算公式為

(6)

式(6)中：Etotal為基站總耗電量；Eequipment為基站主設(shè)備(除空調(diào)外其他設(shè)備)耗電量。

2 實(shí)測結(jié)果與分析

2.1 性能分析

運(yùn)行模式1下兩個機(jī)柜BBU進(jìn)出風(fēng)溫度隨時間的變化情況如圖5所示，可以看出，在常規(guī)運(yùn)行模式下，設(shè)備出風(fēng)溫度T21與T23始終低于55 ℃，說明了熱管空調(diào)一體機(jī)在常規(guī)運(yùn)行模式下，能夠保證5G通信設(shè)備的運(yùn)行安全。由于PTN設(shè)備熱流密度較高，T23比T21平均值高約12.7 ℃。設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度T20、T22呈周期性變化，這是因?yàn)闊峁芟到y(tǒng)無法提供足夠的冷量來維持此設(shè)定條件下機(jī)柜內(nèi)的熱平衡，當(dāng)蒸發(fā)段的回風(fēng)溫度高于設(shè)定溫度Tset時，壓縮機(jī)開啟，制冷系統(tǒng)提供的總制冷量超過了設(shè)備的熱負(fù)荷，設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度T20、T22下降，當(dāng)回風(fēng)溫度低于設(shè)定溫度時，壓縮機(jī)關(guān)閉，設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度再次上升，機(jī)械式制冷間歇式開啟，兩次啟動的平均時間間隔為310 s。從圖5中可以看出，進(jìn)回風(fēng)溫度曲線均存在波動性，回風(fēng)溫度波動性波幅較小，時間存在一定的滯后特性。

圖5 運(yùn)行模式1測點(diǎn)溫度隨時間變化示意圖Fig.5 Time-varying air temperatures at several measuring points under operation mode 1

圖6 運(yùn)行模式2、3測點(diǎn)溫度隨時間變化示意圖Fig.6 Time-varying air temperatures at several measuring points under operation mode 2 and mode 3

從圖6中可以看出在模式2及模式3情況下，設(shè)備出風(fēng)溫度T21、T23始終低于55 ℃，說明在單側(cè)機(jī)柜風(fēng)機(jī)故障導(dǎo)致該側(cè)制冷系統(tǒng)不能運(yùn)行時，另一側(cè)制冷系統(tǒng)仍可以保證兩臺機(jī)柜通信設(shè)備的熱安全。從圖6中還可以看出，在運(yùn)行模式2下，機(jī)械式制冷開啟時，T20的下降幅度要大于T22的幅度，在運(yùn)行模式3下，T22的下降幅度要大于T20的幅度。這一現(xiàn)象說明了開啟了單側(cè)制冷系統(tǒng)時，由于BBU內(nèi)置風(fēng)機(jī)將冷卻后的空氣送出，機(jī)柜后部熱通道內(nèi)空氣相比于前部空氣呈微正壓的狀態(tài)，冷、熱氣流在未開啟制冷系統(tǒng)側(cè)的BBU進(jìn)風(fēng)處進(jìn)行了摻混，導(dǎo)致該側(cè)溫度下降幅度較小。為了探究機(jī)械式制冷設(shè)定溫度Tset對于系統(tǒng)性能和設(shè)備安全性的影響，分別將Tset設(shè)定為26、30、32 ℃。當(dāng)Tset從26 ℃增加至32 ℃時，左柜、右柜設(shè)備進(jìn)、出風(fēng)溫度均隨著Tset上升而上升。壓縮機(jī)相鄰兩次啟動的時間間隔，模式2由186 s增加至272 s，模式3由184 s增加至240 s，這是由于傳熱溫差的增加，增加了熱管系統(tǒng)的制冷量，因此提高啟動設(shè)定溫度Tset，可以減少壓縮機(jī)的啟動時間，從而降低制冷系統(tǒng)能耗。

壓縮機(jī)啟動時，各測點(diǎn)溫度平均值如表4所示。從表4中可以看出，開啟單側(cè)機(jī)柜制冷系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)定溫度為32 ℃時，左柜BBU出風(fēng)溫度T21平均值分別為36.2 ℃和36.8 ℃，右柜PTN設(shè)備出風(fēng)溫度T23平均值分別為50 ℃與49.5 ℃，距離55 ℃仍具有一定的空間。因此可以進(jìn)一步提高壓縮機(jī)啟動設(shè)定溫度值，從而提升熱管的節(jié)能潛力。

圖7為兩機(jī)柜僅開啟熱管系統(tǒng)時，設(shè)備進(jìn)、出風(fēng)溫度(T20～T23)、蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度及室外溫度隨時間的變化情況。從圖7中可以看出，在熱管模式下，BBU的進(jìn)出風(fēng)溫度及蒸發(fā)器的入口風(fēng)溫達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。左柜BBU進(jìn)風(fēng)溫度T20平均值為40.9 ℃，左柜BBU出風(fēng)溫度T21平均值為47.1 ℃。右柜PTN設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度T22平均值為41.8 ℃，右柜PTN設(shè)備出風(fēng)溫度T23平均值為55.6 ℃，略高于55 ℃。左、右柜蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度平均值均約為43.5 ℃。此時室外平均溫度約為20.8 ℃，在熱管換熱溫差約為22 ℃時，開啟熱管系統(tǒng)可以滿足左側(cè)機(jī)柜設(shè)備的安全運(yùn)行；然而右側(cè)機(jī)柜負(fù)荷較高PTN設(shè)備出風(fēng)溫度超過了歐洲電信協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，仍需要機(jī)械式制冷來輔助散熱，使其維持在合適的工作溫度。

表4 壓縮機(jī)啟動時各測點(diǎn)平均溫度

圖7 運(yùn)行模式4測點(diǎn)溫度隨時間變化示意圖Fig.7 Time-varying air temperatures at several measuring points under operation mode 4

2.2 氣流組織分析

以模式4為例，計(jì)算了制冷系統(tǒng)氣流組織的評價指標(biāo)RTI，計(jì)算值如表5所示，可以看出左機(jī)柜RTI為46.6%，右機(jī)柜RTI為20.4%，均小于100%，說明機(jī)柜內(nèi)氣流旁通現(xiàn)象嚴(yán)重。原因在于機(jī)柜負(fù)載在垂直空間分布不均勻，位于機(jī)柜上部的配電系統(tǒng)和位于機(jī)柜下部的蓄電池在正常工作時幾乎不產(chǎn)生熱負(fù)荷，經(jīng)過這兩個部分的冷氣流沒有承擔(dān)任何負(fù)荷，直接回到機(jī)柜背部，在機(jī)柜背部進(jìn)行摻混，造成短循環(huán)現(xiàn)象，使得蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度平均值遠(yuǎn)低于 BBU出風(fēng)溫度平均值。因此機(jī)柜的氣流組織還需要進(jìn)一步優(yōu)化，減少冷熱氣流摻混，提高蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度，從而更好地發(fā)揮熱管系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

表5 模式4下機(jī)柜內(nèi)氣流組織評估

2.3 能耗分析

表6給出了在不同運(yùn)行模式下，制冷系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下的PUE。在模式2與模式3的情況下，開啟單側(cè)制冷系統(tǒng)，不僅可以保證設(shè)備的安全運(yùn)行，同時還能達(dá)到節(jié)能的效果，相比于常規(guī)運(yùn)行模式，其PUE值由1.59降低至1.34，節(jié)能率約為41.7%。在模式4下僅開啟熱管系統(tǒng)，能滿足大部分負(fù)載密度較低的設(shè)備安全運(yùn)行，其節(jié)能率約為46.4%。

表6 不同運(yùn)行模式下制冷系統(tǒng)PUE

3 結(jié)論

探究了新型熱管空調(diào)一體機(jī)在過渡季的工作性能和柜內(nèi)通信設(shè)備的熱安全性，對多種運(yùn)行模式的節(jié)能性進(jìn)行了對比分析，得出如下結(jié)論。

(1)在常規(guī)運(yùn)行模式下，機(jī)柜式熱管空調(diào)一體機(jī)能夠保證5G基站的安全運(yùn)行，其PUE為1.59。優(yōu)化機(jī)械式制冷啟動溫度設(shè)定值，可以減少壓縮機(jī)的啟動時間從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。在熱管模式下，在室外溫度約為20 ℃時，能滿足左側(cè)機(jī)柜設(shè)備的安全運(yùn)行，PUE為1.31。

(2)對于運(yùn)行模式2和3，僅開啟單側(cè)制冷系統(tǒng)，不僅滿足設(shè)備的安全運(yùn)行，還能實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的故障備份，與常規(guī)運(yùn)行模式相比較，其PUE降低至1.34，節(jié)能率為41.7%。

(3)機(jī)柜內(nèi)部氣流組織還應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化，提高制冷系統(tǒng)的冷卻效率及延長自然冷源的利用時間。