通信機(jī)房節(jié)能技術(shù)及新技術(shù)研究

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摘要:隨著5G基站建設(shè)規(guī)模加大、數(shù)據(jù)機(jī)房不斷擴(kuò)建擴(kuò)容，通信設(shè)備及周邊空調(diào)的能耗占運(yùn)營(yíng)商支出的比例越來越高，如何有效降低通信設(shè)備機(jī)房能耗是當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。首先介紹了國(guó)內(nèi)外通信機(jī)房節(jié)電新技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，然后基于當(dāng)前新材料、新設(shè)備發(fā)展的熱點(diǎn)，對(duì)后續(xù)通信機(jī)房節(jié)能新技術(shù)進(jìn)行了介紹和展望。

關(guān)鍵詞:通信機(jī)房;節(jié)能;空調(diào);電池

1概述

綠色環(huán)保和節(jié)能減排是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。2020年第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)，我國(guó)宣布將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更有力的措施，力爭(zhēng)使二氧化碳排放在2030年前達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)2025年通信行業(yè)將消耗全球20%的電力，隨著智能生產(chǎn)和生活的快速發(fā)展，由海量數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致的通信設(shè)備能耗越來越大［1］。除此之外，通信設(shè)備所在的機(jī)房空調(diào)、電池等周邊設(shè)備耗電量也十分巨大。為了深入探討新技術(shù)對(duì)通信機(jī)房節(jié)能降耗的推動(dòng)作用，本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外材料和能源新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)通信機(jī)房節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀和新技術(shù)進(jìn)行闡述。

2通信機(jī)房節(jié)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

降低通信設(shè)備能耗的技術(shù)主要包括通信智能空調(diào)改造、引進(jìn)新風(fēng)空調(diào)等。

2.1智能空調(diào)

智能空調(diào)主要通過動(dòng)態(tài)精確制冷技術(shù)、自動(dòng)溫控技術(shù)，精確送風(fēng)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)［2］。l)動(dòng)態(tài)精確制冷技術(shù)針對(duì)被降溫通信設(shè)備的不同散熱要求，通過調(diào)節(jié)出風(fēng)口的溫度和風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)。例如對(duì)服務(wù)器類運(yùn)行溫度要求高的設(shè)備，對(duì)應(yīng)出風(fēng)口溫度可以設(shè)定為較低、出風(fēng)量較大;基站類承受運(yùn)行溫度較高的設(shè)備，對(duì)應(yīng)出口風(fēng)溫度可以設(shè)定為較低、出風(fēng)量較低。2)自動(dòng)溫控技術(shù)是通過在設(shè)備各個(gè)采樣點(diǎn)部署多個(gè)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的，傳感器回傳信號(hào)對(duì)比預(yù)設(shè)值，自動(dòng)控制出風(fēng)量和溫度。3)精確送風(fēng)技術(shù)通過將送風(fēng)口貼近或插入通信設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，比如通過前進(jìn)冷風(fēng)、后排熱風(fēng)方式在周邊溫度較高情況下，滿足送風(fēng)范圍內(nèi)通信設(shè)備的散熱要求。

2.2新風(fēng)系統(tǒng)

新風(fēng)是在機(jī)房外部環(huán)境較低時(shí)，將冷空氣引入機(jī)房或間接換熱進(jìn)行降溫的方法。新風(fēng)系統(tǒng)在我國(guó)春秋季節(jié)適合多數(shù)區(qū)域進(jìn)行換熱，夏季南方地區(qū)還需要和傳統(tǒng)空調(diào)配合使用，冬季北方地區(qū)則需要二次加熱，避免產(chǎn)生凝露問題。新風(fēng)系統(tǒng)分為閉式熱交換新風(fēng)和自然通風(fēng)新風(fēng)系統(tǒng)。2.2.1熱交換新風(fēng)系統(tǒng)熱交換新風(fēng)只將室外冷風(fēng)作為冷源帶走熱量，室內(nèi)空氣通過換熱冷卻后對(duì)通信設(shè)備制冷。由于室內(nèi)外空氣沒有直接接觸，新風(fēng)系統(tǒng)的效率主要受室內(nèi)外溫差的影響，適合溫差較大的區(qū)域使用。熱交換新風(fēng)常見技術(shù)有全熱交換器、熱管換熱技術(shù)等。2.2.2自然通風(fēng)新風(fēng)系統(tǒng)自然通風(fēng)新風(fēng)是直接將室外冷空氣輸送至室內(nèi)降溫。該系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單快速，冷量隨風(fēng)量增大而增大。由于不能100%過濾室外的灰塵、硫化物等顆粒，需要考慮機(jī)房?jī)?nèi)通信設(shè)備在濕度、潔凈度等方面的要求［3］，對(duì)于核心機(jī)房和基站的過濾要求應(yīng)有明顯區(qū)分。

3通信機(jī)房節(jié)能新技術(shù)展望

隨著新材料研發(fā)及新技術(shù)的推廣，許多已研發(fā)成熟或其他行業(yè)已開展應(yīng)用的技術(shù)可以在通信機(jī)房節(jié)能中使用，例如外墻天空輻射制冷技術(shù)、室外自然冷源熱交換技術(shù)、風(fēng)光一體化發(fā)電及儲(chǔ)能技術(shù)、動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)等等，并且各項(xiàng)技術(shù)可以根據(jù)當(dāng)?shù)貦C(jī)房條件進(jìn)行綜合部署，充分獲取綜合節(jié)能收益，如圖1所示。

3.1天空表面輻射制冷節(jié)能

機(jī)房天空表面輻射制冷是將機(jī)房外墻和房頂表面的熱量以電磁波的形式輻射到外太空來實(shí)現(xiàn)機(jī)房墻體降溫，從而降低室內(nèi)空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷。輻射制冷的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要輸入其他形式的能量，是一種新興的綠色環(huán)保制冷方式。8～13μm的紅外波段可以直接穿透大氣層，水蒸氣、二氧化碳、臭氧在此波段基本不產(chǎn)生衰耗，在機(jī)房表面涂刷對(duì)應(yīng)波段輻射良好的無機(jī)物或高分子聚合物可以較好地實(shí)現(xiàn)輻射制冷。密歇根大學(xué)上海交通大學(xué)聯(lián)合工業(yè)學(xué)院鮑華課題組近期研究了以雙層納米顆粒為基礎(chǔ)的高效地球輻射冷卻涂層，采用合理設(shè)計(jì)的二氧化鈦(TiO2)、二氧化硅(SiO2)和碳化硅(SiC)納米顆粒，制備了具有高反射率的表面反射層和表面發(fā)射層的雙層涂層，該涂層理論上可以在夜間低于環(huán)境溫度17℃，在直接太陽輻射下低于環(huán)境溫度5℃。這種以納米顆粒為涂層的方法很容易實(shí)現(xiàn)大面積應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)輻射冷卻技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的重要一步［5］。

3.2基于環(huán)境熱交換節(jié)能

利用自然環(huán)境熱交換進(jìn)行高效和綠色制冷也是目前的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，目前采用自然水冷的方式比較多。如微軟公司將864臺(tái)服務(wù)器安裝在充滿氮?dú)猓愃颇z囊的密封潛水器里，沉入蘇格蘭水深117英尺的海底穩(wěn)定運(yùn)行了2年，谷歌公司在芬蘭實(shí)現(xiàn)了只使用波羅的海的海水冷卻數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了零排放制冷;阿里巴巴公司的千島湖數(shù)據(jù)中心通過抽取湖水進(jìn)行自然冷卻，經(jīng)測(cè)試在室外溫度達(dá)40℃時(shí)仍不需要啟動(dòng)空調(diào)。考慮使用自然水源時(shí)受到必須臨河、臨海、臨湖的限制，目前還有研究通過城市眾多自來廠主水管道的冷水對(duì)機(jī)房進(jìn)行冷卻，一般自來水溫度都較低，尤其是嚴(yán)寒、寒冷及夏熱冬冷地區(qū)，這些地區(qū)的自來水中蘊(yùn)藏著巨大的冷量，給通信機(jī)房進(jìn)行冷卻的同時(shí)相對(duì)于對(duì)自來水進(jìn)行了加溫，降低了居民對(duì)生活熱水用電和燃?xì)獾南模?］，是一舉多得的機(jī)房冷卻節(jié)能方案。

3.3風(fēng)光一體等的新能源節(jié)能

在通信機(jī)房周邊或樓頂建設(shè)風(fēng)光一體綠色發(fā)電系統(tǒng)，在風(fēng)光條件較好時(shí)利用太陽能和風(fēng)能供電，在夜間或風(fēng)力較小無法滿足通信設(shè)備負(fù)載要求時(shí)，通過電網(wǎng)提供不足的電能部分。新能源作為優(yōu)先供電能源，尤其是太陽能發(fā)電可以直接通過適當(dāng)串并聯(lián)以48V直流電給基站等直流通信設(shè)備供電，節(jié)省了交直流轉(zhuǎn)換設(shè)備的耗電。風(fēng)光和市電互補(bǔ)控制需要自適應(yīng)調(diào)節(jié)，考慮平滑過渡，需要精準(zhǔn)控制。基于風(fēng)光一體的新能源機(jī)房有效解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)基站供電的穩(wěn)定性，使得備用柴油發(fā)電機(jī)組可以不啟動(dòng)或很少啟動(dòng)，降低通信基站的維護(hù)成本［7］。

3.4動(dòng)力電池梯次利用

目前以新能源車輛為代表的動(dòng)力電池市場(chǎng)發(fā)展快速，2020年我國(guó)新能源汽車銷量首次突破100萬臺(tái)，僅在12月份就銷售超過22．2萬臺(tái)，但同時(shí)面臨淘汰的動(dòng)力電池?cái)?shù)量大、回收市場(chǎng)分散混亂的問題。利用動(dòng)力電池的剩余壽命，作為通信站房備用電源，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉛酸電池。另外，由于鋰電池的循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)高于鉛酸電池，對(duì)于采用階梯供電的站點(diǎn)，還可以通過電源控制系統(tǒng)在電價(jià)高峰斷開市電，單獨(dú)使用鋰電池供電，電價(jià)低谷時(shí)進(jìn)行電池充電。

3.5各種節(jié)能方式對(duì)比

基于以上4種節(jié)能方式，通過落地情況，對(duì)相關(guān)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比分析，如表1所示。

4結(jié)語

隨著5G的廣泛部署以及人機(jī)物互聯(lián)的加速，通信機(jī)房的能耗將持續(xù)增加，發(fā)展和推廣綠色節(jié)能降耗新技術(shù)對(duì)于通信機(jī)房的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義越來越突出，因此需要積極考慮多種節(jié)能新技術(shù)，并加快相關(guān)試點(diǎn)和應(yīng)用，將節(jié)能融入通信機(jī)房的建設(shè)、維護(hù)過程中，提高能源利用效率、實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好。其中，天空輻射制冷是目前國(guó)際熱門研究技術(shù)，包括材料和制備等，產(chǎn)業(yè)落地后適合機(jī)房墻體、房頂、基站RRU/AAU涂刷制冷;冷源直接交換制冷技術(shù)理論比較成熟，技術(shù)實(shí)驗(yàn)國(guó)內(nèi)外也較多，后續(xù)需要在工程設(shè)計(jì)時(shí)納入規(guī)劃并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化來降低落地成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用;風(fēng)光一體化新能源節(jié)能目前技術(shù)已比較成熟，在部分區(qū)域也進(jìn)行了試點(diǎn)，當(dāng)前適合風(fēng)光資源較豐富區(qū)域或陸地偏遠(yuǎn)及海島區(qū)域落地;動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)將隨著車用動(dòng)力鋰電池退役，對(duì)通信行業(yè)也持續(xù)產(chǎn)生利好，同時(shí)結(jié)合風(fēng)光一體化等技術(shù)可以發(fā)揮更優(yōu)的節(jié)能效果。在選擇具體節(jié)能技術(shù)時(shí)需要結(jié)合機(jī)房的實(shí)際情況，充分利用本區(qū)域環(huán)境或技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過多種技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)綠色綜合節(jié)能。

參考文獻(xiàn):

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［6］崔科，趙進(jìn)良，付曉飛．?dāng)?shù)據(jù)中心空調(diào)冷卻及余熱回收系統(tǒng)技術(shù)分析［J］．節(jié)能技術(shù)，2020，38(4):379－384．

［7］夏威．通信基站電源系統(tǒng)中的節(jié)能技術(shù)研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2019．

作者：秦宇 周宇 王偉云 單位：諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)( 北京) 有限公司 沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院