楊彬張蕾雷威

上海置信能源綜合服務(wù)有限公司

0 前言

隨著信息通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，通信基站需求量越來越大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022年6月末，我國移動(dòng)通信基站總數(shù)達(dá)1 035萬個(gè)，其中，5G基站總數(shù)達(dá)185．4萬個(gè)，占移動(dòng)基站總數(shù)的17．9%［1］。5G基站的能耗大約是4G基站的2～3倍［2］，因此，隨著5G基站數(shù)量的不斷增加，基站的整體能耗勢必會(huì)隨之增加，基站的高能耗問題將日益凸顯?；镜哪芎囊噪娔転橹?，耗電設(shè)備包括無線設(shè)備、傳輸設(shè)備及空調(diào)系統(tǒng)等，其中空調(diào)系統(tǒng)的耗電量占基站總能耗量的45%左右［3］。國內(nèi)學(xué)者通過數(shù)值模擬［4］、實(shí)驗(yàn)測量［5-7］等方式，驗(yàn)證了新風(fēng)系統(tǒng)能有效減少基站內(nèi)空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，最高節(jié)電率可達(dá)65．56%［7］，節(jié)能效果顯著。國家已出臺(tái)相關(guān)政策［8-10］，將通信基站引入自然冷源技術(shù)作為推進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域能效提升、綠色升級(jí)的重點(diǎn)方向。本文以浙江寧波市某通信基站為研究對象，基站內(nèi)引入智慧新風(fēng)系統(tǒng)，通過對比改造前后的基站能耗，分析室外溫度對基站能耗、PUE的影響，從而測算智慧新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

1 基站能耗

浙江寧波某通信基站內(nèi)設(shè)移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營商通信設(shè)備，空調(diào)系統(tǒng)為分體式空調(diào)。2018年基站年用電量為79 197 kWh，月平均用電量為6 597．6 kWh；2019年基站年用電量為89 978 kWh，月平均用電量為7 498．2 kWh。由圖1可知，該基站2019年月用電量較2018年月用電量增加，月平均增幅為13．65%；2020年1-6月能耗有大幅增加，2020年1-6月份的月平均能耗增加比例達(dá)19．3%，主要是因?yàn)?019年下半年，該通信基站內(nèi)增加了部分5G設(shè)備，致使基站能耗增加。由此可見，隨著行業(yè)5G業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，基站能耗勢必呈增長的態(tài)勢，基站的節(jié)能降耗任重道遠(yuǎn)。由圖1可知，基站的用電量高峰集中在6-9月份，主要是因?yàn)槭彝鉁囟容^高，空調(diào)系統(tǒng)耗電量隨之升高，由此可見，室外溫度對基站能耗具有較大的影響，研究室外溫度對智慧新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能量的影響具有重要意義。

圖1 某基站2018-2020年耗電量統(tǒng)計(jì)圖

2 智慧新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)方案

智慧新風(fēng)系統(tǒng)包括新風(fēng)主系統(tǒng)、智慧控制系統(tǒng)和室內(nèi)外空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，如圖2所示。室外空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測、監(jiān)控室內(nèi)及室外的溫度、濕度。新風(fēng)主系統(tǒng)主要由進(jìn)風(fēng)裝置、排風(fēng)裝置、過濾裝置、加濕裝置等組成，確保進(jìn)入基站內(nèi)的新風(fēng)滿足基站運(yùn)行環(huán)境要求。智慧控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的室內(nèi)溫濕度及室外溫度，調(diào)節(jié)、控制新風(fēng)系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)的啟停，以實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)與新風(fēng)主系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。

室內(nèi)溫度、濕度等設(shè)定值，需滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范［8-9］的要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，該基站屬于三類通信機(jī)房，即普通基站。設(shè)計(jì)參數(shù)：溫度為10～30℃；濕度為20%～90%。

針對此類基站，智慧新風(fēng)系統(tǒng)工作原理如下：當(dāng)室外空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)檢測室內(nèi)溫度低于設(shè)定10℃時(shí)，智慧控制系統(tǒng)關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)及新風(fēng)主系統(tǒng)，以維持基站內(nèi)環(huán)境工作溫度；當(dāng)室外空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)檢測室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度上限30℃，且室外溫度低于設(shè)定溫度（此溫度參數(shù)需根據(jù)改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)確定），智慧控制系統(tǒng)開啟新風(fēng)主系統(tǒng)，將經(jīng)過過濾、加濕后的新風(fēng)引入基站內(nèi)，降低室內(nèi)溫度；當(dāng)室外空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)檢測室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度上限30℃，且室外溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，智慧控制系統(tǒng)關(guān)閉新風(fēng)主系統(tǒng)，開啟室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行時(shí)，且室內(nèi)溫度高于室外溫度，智慧控制系統(tǒng)啟動(dòng)新風(fēng)主系統(tǒng)以控制室內(nèi)溫度。智慧新風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)此工作原理實(shí)現(xiàn)對新風(fēng)主系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，新風(fēng)主系統(tǒng)優(yōu)先啟動(dòng)，以充分利用自然冷源，確保滿足基站工作環(huán)境要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源消耗最小化。

圖2 智慧新風(fēng)系統(tǒng)示意圖

3 室外溫度對節(jié)能效果的影響

3.1 室外設(shè)定溫度

對基站實(shí)行智慧新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能改造，并對基站的室外實(shí)時(shí)溫度和實(shí)時(shí)空調(diào)能耗進(jìn)行監(jiān)測。分析實(shí)時(shí)溫度與實(shí)時(shí)空調(diào)能耗的對應(yīng)關(guān)系，由圖3可知，當(dāng)室外溫度低于25℃左右時(shí)，可通過智慧新風(fēng)系統(tǒng)將室外冷源引入基站內(nèi)，維持室內(nèi)通信設(shè)備的工作溫度。因此，可在智慧控制系統(tǒng)中設(shè)定室外溫度為25℃，當(dāng)室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度上限30℃，且室外溫度低于25℃時(shí)，開啟新風(fēng)主系統(tǒng)，降低室內(nèi)溫度；當(dāng)室外空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)檢測室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度上限30℃，且室外溫度高于25℃時(shí)，關(guān)閉新風(fēng)主系統(tǒng)，開啟室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)。

圖3 實(shí)時(shí)溫度與實(shí)時(shí)空調(diào)能耗關(guān)系

寧波是亞熱帶季風(fēng)氣候,溫和濕潤,屬于夏熱冬冷地區(qū)，由圖4可知，1-4月份、10-12月份的日均最高溫度均低于25℃，完全可利用室外冷源維持基站室內(nèi)的環(huán)境溫度，即：一年中的7個(gè)月無需開啟空調(diào)；5月、6月和9月份，智慧新風(fēng)系統(tǒng)僅需在較熱時(shí)段、溫度超過25℃時(shí)開啟，其余時(shí)段仍可充分利用室外冷源；7、8月份由于天氣炎熱，氣溫較高，絕大多數(shù)時(shí)間需要空調(diào)系統(tǒng)維持室內(nèi)溫度。改造前，空調(diào)系統(tǒng)需要365天全年處于運(yùn)行狀態(tài)；利用智慧新風(fēng)系統(tǒng)后，春、秋、冬三季及夏季的早、晚時(shí)段均可利用室外自然冷源，大幅減少了用電量，節(jié)約了用電成本。通過分析可知，智慧新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能量核算重點(diǎn)在5月、6月和9月，因此，本文重點(diǎn)研究室外日平均溫度在23～29℃時(shí)，智慧新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果以及基站的電能利用效率（即PUE）。

圖4 寧波全年平均氣溫

3.2 室外日平均溫度對空調(diào)日能耗的影響

如圖5所示，基站內(nèi)空調(diào)日能耗隨著室外日平均溫度的升高而增加。改造后，空調(diào)日能耗大幅度降低；當(dāng)室外日平均溫度為22．8℃時(shí)，空調(diào)日耗電量由43．6 kWh降低到5．2 kWh，空調(diào)節(jié)能率接近于90%；當(dāng)室外日平均溫度超過25．2℃時(shí)，空調(diào)能耗呈直線型上升，空調(diào)節(jié)能率呈直線型下降；當(dāng)室外日平均溫度為29．3℃時(shí)，空調(diào)節(jié)能率僅為25%?？筛鶕?jù)室外日平均溫度估算基站每個(gè)月份的節(jié)能量及節(jié)能率，5月份日平均溫度約為23℃，空調(diào)節(jié)能率約為90%；6月、9月日平均溫度約為26℃，空調(diào)節(jié)能率約為75%；7月、8月的室外日平均溫度較高，約為31℃，智慧新風(fēng)系統(tǒng)開啟時(shí)間較少，因此空調(diào)節(jié)能率較低，僅為20%左右。

圖5 改造前后空調(diào)日能耗與室外日平均溫度關(guān)系

3.3 室外日平均溫度對基站及通信設(shè)備日能耗的影響

改造前后基站及通信設(shè)備能耗與室外日平均溫度關(guān)系見圖6。

圖6 改造前后基站及通信設(shè)備能耗與室外日平均溫度關(guān)系

由圖6可知，改造前后通信設(shè)備日能耗幾乎沒有變化，由此說明通信設(shè)備能耗不隨室外日平均溫度的變化而變化?；救漳芎碾S著室外日平均溫度的降低而降低。當(dāng)室外日平均溫度為22．8℃時(shí)，基站日能耗由229 kWh降低到187 kWh；當(dāng)溫度為27℃時(shí)，基站日能耗由257 kWh降低到217 kWh。由此可見，改造后，當(dāng)室外日平均溫度低于27℃時(shí)，基站日能耗較改造前顯著降低，主要是因?yàn)橐胫腔坌嘛L(fēng)系統(tǒng)后，空調(diào)電耗大幅度下降，基站日能耗亦隨之降低。

3.4 室外日平均溫度對PUE、基站節(jié)能率的影響

如圖7所示，改造后，當(dāng)室外日平均溫度低于25℃時(shí)，基站節(jié)能率較高，約為20．5%，此時(shí)基站PUE明顯降低，說明基站的電能利用效率得到有效提升。當(dāng)室外日均溫度超過29℃時(shí)，基站節(jié)能迅速降低至7%?；綪UE也隨著室外日均溫度的升高而增大，基站電能利用率降低。

圖7 改造前后PUE、基站節(jié)能率與室外日平均溫度關(guān)系

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

改造前，該基站的月均耗電量約為8 613 kWh，空調(diào)能耗平均占比29%，改造后，該基站全年可節(jié)約用電19 654 kWh，減少CO2排放量15．5 t。

5 結(jié)論

通過分析對比智慧新風(fēng)系統(tǒng)改造前后空調(diào)能耗、基站能耗以及PUE等可知，當(dāng)室外溫度低于25℃，可充分利用自然冷源，維持基站內(nèi)的環(huán)境溫度。改造后，空調(diào)能耗大幅降低，基站節(jié)能率最高可達(dá)20．5%，智慧新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能減排效果顯著。