通信基站能效影响因素分析

李 奥，王 未，刘 绚，赵贺朋，李玉昇

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

0 引 言

为应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标。在今年的政府工作报告中，“做好碳达峰、碳中和工作”被列为2021年重点任务之一；“十四五”规划也将加快推动绿色低碳发展列入其中。尽管大部分数字产业绿色化水平较高，但也有一些属于高耗能之列，特别是大数据中心和5G基站。企业应通过技术创新尽可能减少自身的能源消耗和碳排放，推动我国碳达峰、碳中和目标的实现。

5G基站是我国重要的新基建之一，随着5G建设的飞速发展，机房设备呈现越来越高密度的集成化，能耗问题突出，设备散热及机房散热量日趋增长，开展5G基站节能技术研究对于节能减排及实现碳达峰、碳中和的目标意义重大。根据研究显示，目前ICT设备相关的碳排放已经成为最大的温室气体排放源之一，且该领域的排放势头还在随着5G基站的规模建设而快速上升。

基础设备能效SIEE表示主设备能耗在机房总能耗中的占比。机房中的散热主要是由机房空调负责，为满足机房内大量设备的散热要求，机房空调数量不断增加，且其设定温度越来越低，导致多台空调长期处于持续运转、能效低下的状态，最终造成空调用电量明显增大，机房SIEE值较低，运营成本不断增加，因此降低机房空调能耗是目前提升机房能效、实现机房节能、提高能源效率的重点关注环节。

针对上述问题，本文分析了影响机房能效的多种因素，并讨论了降低基站能耗、实现机房节能的有效途径[1]。

1 机房耦合换热机理

SIEE是指CT设备功耗占机房总功耗的百分比，忽略照明设备等功耗，其计算如式（1）所示。SIEE值越大，表明机房能效水平越高。

式中，ECTi为CT设备功耗；下标i代表室内。拉远设备和机房内设备皆从开关电源取电，皆会影响电源的发热量，但机房SIEE值仅与室内设备的功耗有关。根据测算多个机房的平均数据可知，室内设备功耗约占总设备功耗的60%。

由式（1）可知，空调用电是影响机房SIEE的一项关键指标。由于空调本身性能与室内侧末端环境、室外侧末端环境相关，而机房内部设备功耗、室外环境在不断发生变化，导致空调能耗为动态值，SIEE值也在不断变化。本文通过分析SIEE的计算公式，得到影响SIEE值的关键因素，寻求提高机房SIEE值的有效方法[2]。

空调能耗与室内冷负荷和空调实际能效相关，可表示为：

式中，Q为室内冷负荷，单位为W；EER为空调实际能效。

传入室内空气的热量来自于外围护结构（外墙、窗等）、通风换气、电源发热量及机房内主设备发热量，因此室内热平衡方程可表示为：

式中，QW为围护结构热量，单位为W；QH为室内外换气热量，单位为W；Q电源为电源发热量，单位为W；QCTi为室内设备发热量，即室内设备功耗，单位为W，QCTi=ECTi。

忽略围护结构蓄热作用而仅考虑热阻的作用，通过围护结构传递的热量可表示为：

式中，K为传热系数，单位为W/m2·K；A为围护结构面积，单位为m2；To为室外空气温度，单位为℃；Ti为室内空气温度，单位为℃。

室外空气与机房内空调的热量交换可以理解为室外空气与外墙面之间的热对流、外墙面与内墙面之间的热传导及内墙面与室内空气之间的热对流3个过程，因此传热系数K可表示为：

根据经验及测算平均值，常取K=0.5 W/（m2·K）。

默认机房有5面外墙，即围护结构为4面外墙及顶部外墙，因此围护结构面积A可表示为：

式中，L为机房长度，单位为m；D为机房宽度，单位为m；H为机房高度，单位为m。

围护结构的外表面还长期受到太阳辐射的影响，因此室外综合气温Tz可表示为:

综合考虑以上因素，通过围护结构传递的热量应表示为：

由于室内外空气存在压力差，通过门窗缝隙、馈线窗等，室内外空气会有一定数量的交换，以换气次数N来衡量，从而估算房间空气热量交换，机房因馈线窗等开孔较大，根据经验和测算，常取N=1次/h。

式中，ρ为空气密度，ρ=1.29 kg/m3；c为空气比热容，c=1 000 J/(kg·K)；V为机房体积，单位为m3。

电源发热量与电源转化效率η有关，常按供电效率96%计，电源发热量可表示为：

综上，空调能耗可以表示为：

SIEE可以表示为：

以一个长度L为10 m，宽度D为3 m，高度H为3 m的标准机房为例，机房内设备总功率ECT=5 000 W，室内设备功率为设备总功率的60%，即ECTi=3 000 W，基础工况如表1所示。

表1 基础工况

代入式（12）中得出SIEE=67%，计算结果如表2所示。

2 SIEE影响因素分析

2.1 房间尺寸影响

分别改变机房的长度、宽度、高度，在基础工况下得到的SIEE如表3所示。

表3 改变机房尺寸在基础工况下得到的SIEE值

在设备发热量固定及运行工况不变的情况下，房间尺寸越大，机房空调冷量越多地浪费在对房间内空气的冷却上，空调的功耗越大，机房SIEE越小，因此在合理规划的前提下尽量减小房间尺寸不仅有利于节省租金，对于节能亦有帮助[3]。

2.2 围护结构影响

不同材质的围护结构对于温度变化的敏感度不同。随着室外温度及太阳辐射强度的变化，彩钢板房内空气温度相比于砖混墙体的机房变化更为明显，因此围护结构对SIEE的影响主要表现在传热系数上，保持其他参数不变，得到的SIEE值如表4所示。

表4 不同传热系数得到的SIEE值

围护结构的传热系数越大，即对室外温度的变化越敏感，其SIEE值越小，因此同等尺寸的砖混墙体机房在相同工况下比彩钢板房更节能[4]。

2.3 换气次数影响

以换气次数N来衡量室内外空气的交换量，换气次数越多说明房间孔洞越大，漏冷越严重，机房SIEE越小，如表5所示。因此从节能的角度出发，应对机房里门窗、馈线孔等进行有效封堵。

表5 不同换气次数得到的SIEE值

2.4 室内温度影响

在室外温度不变的情况下，室内空气温度与机房空调的设定温度有关，为维持机房内较低温度，需将空调的设定温度尽可能调低，空调压缩机全天无休止地运行导致能耗极大，机房SIEE值很小，如表6所示。因此从节能的角度出发，在满足机房内设备正常工作及维护人员舒适的温度的前提下，应尽量提高机房空调的设定温度[5]。

2.5 设备功率影响

式（1）上下同除ECTi，可变形为：由式（13）可知，SIEE是由空调能耗与设备能耗的相对值来决定的。设备功率增大，空调能耗随之略有增加，但二者的相对值减小，因此设备功率越大，SIEE反而越大，如表7所示。

表7 不同设备功率得到的SIEE值

2.6 空调能效影响

由式（2）可知，空调能效直接影响空调功耗，因此可以采用变频压缩机或利用自然冷源的热管技术等提高空调实际能效，降低空调能耗，从而有效提高机房SIEE以达到节能收益，如表8所示。

表8 不同空调实际能效得到的SIEE值

2.7 电源效率影响

电源设备损耗由电源转换效率决定，电源转换效率越高，损耗越小，机房SIEE值越大，如表9所示。因此，从节能的角度出发应尽量提高电源转换效率。

表9 不同电源转换效率得到的SIEE值

2.8 能效计算方法分析

分析设备功率对机房SIEE值的影响可知，设备功率越大，SIEE值越大。SIEE'为考虑从机房取电的所有设备功耗，计算如式（14）所示：

能效指标本质上反映的是设备能耗在机房能耗中的占比大小，换句话说，也是空调能耗的占比大小，两者是相关关系。而空调能耗的影响仅与室内设备的发热量有关，室外设备的发热并不会影响室内空调能耗，也不应该成为影响机房能效的因素，因此，能效的计算不应将室外设备功率计入在内。不同计算方法得到SIEE及SIEE'值如表10所示，SIEE'的计算方法变相提高了设备功耗，算得的值偏大，并不能准确反映机房真正的能效水平。

表10 不同计算方法得到的SIEE及SIEE值

2.9 制冷方式影响

机房空调“先冷环境、后冷设备”的冷却方式造成冷热气流掺混、制冷低效且大量冷量浪费在机房空间，将制冷范围从房间级缩小至机柜级精确制冷，不同制冷方式下得到的SIEE值如表11所示。机柜密封可以尽可能地减小冷量损耗，理想状态下传热系数和换气次数都为0，SIEE值明显提高，因此机柜级制冷方式更为节能。

表11 不同制冷方式得到的SIEE值

2.10 气候差异影响

室外空气温度低于室内空气时，室外空气可以通过围护结构及内外换气向室内空气传递冷量，因此围护结构热量及内外换气热量为负值，如表12所示，室内冷负荷及空调功率明显减小，机房SIEE值显著提高，也说明利用自然冷源具有极大的节能潜力。

表12 不同室外温度得到的SIEE值

2.11 制冷系统影响

室外空气温度低于室内空气时，利用热管技术可以充分利用自然冷源，空调实际能效最大可达10，如表13所示，此时SIEE值可达92%，可以产生极大节能收益。

表13 不同制冷系统得到的SIEE值

3 结 论

（1）影响基站能效的因素有房间尺寸、围护结构、换气次数、房间气温、设备功率、空调能效、电源效率、计算方法、制冷方式、气候差异等；

（2）提升机房能效的手段有减小房间尺寸和换气次数、采用传热系数较小的围护结构、提高空调设定温度、提高空调能效及电源效率等；

（3）能效指标本质上反映的是设备能耗在机房能耗中的占比大小，计算SIEE时不应将室外设备功率计入在内；

（4）柜级制冷方式集成可以充分利用自然冷源的热管系统，在秋冬季节可以产生极大的节能收益。