机柜级制冷技术应用于C-RAN站点的节能效果分析

赵贺朋，王 未，刘 绚，李 奥，李玉昇

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2.中国移动通信集团有限公司，北京 100032）

0 引 言

随着国家“双碳”战略的推进，建设低碳网络成为主流运营商的战略目标。基站作为运营商的重要基础设施，也是能耗的主要组成部分，是现阶段通信行业降碳的重点之一。在基站能耗中，通信设备能耗约占总能耗的50%左右，空调制冷设备约占总能耗的30%～40%，以及其他配套设备的能耗[1]。在传统的机房空调解决机房散热问题时，总是通过先将房间环境温度整体降低，通过环境再对设备进行降温，这一过程导致空调的送风温度与实际到达设备进风口的温度存在较大温差，空调制冷量并未完全用于设备冷却，导致热备过热问题，空调制冷效率下降，基站能耗增加[2]。并且在传统机房中，机房空调功能单一，仅通过压缩机制冷系统将室内热量转移到室外，并未对室外自然冷源加以利用，压缩机长时间高负荷运行，造成空调能耗增加。特别是随着5G的普及应用，5G BBU功耗是4G BBU的3～4倍，其发热量也是4G BBU的3～4倍，那么将对机房空调带来严峻的挑战。目前解决方案中，一般是通过加装空调来解决机房内设备过热问题，该方案不仅无法完全解决局部热点问题，还带来空调能耗增加的问题。而在实际应用中室外环境中有着丰富的自然冷源，特别是在中国北方、西南等地区，可成为机房制冷新方式，为空调节能提供可能。因此在应对5G技术推进过程中出现的通信机房过热问题、机房能耗问题，集成重力热管的机柜级冷却方案将是一种更好的替代方案。本文采用机柜级冷却方案对衢州某C-RAN机房进行改造，并对系统运行状态、节能效果进行了测试分析。基于此，对全国不同气候区的C-RAN机房能源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）进行了预测分析。分析结果可为通信基站的建设、节能方案选择提供参考。

1 机柜级制冷方案

针对C-RAN或BBU等大功率发热设备集中放置场景，提出机柜级制冷方案，设计研发出多业务一体化节能柜，将空调内机模块化后集成在BBU等大功率发热设备的机柜中，如图1所示，对机柜的前后门进行封闭处理，并根据发热设备的进出风方式配置导风装置，实现精确送风，降低空调冷送风的温升，实现高效率的制冷。通过结合热管制冷系统，充分利用自然冷源，使得制冷系统更加绿色节能。

图1 柜级空调产品外观

以上3种机柜级空调相关参数如表1所示。

表1 制冷节能柜空调参数

针对新建机房场景，采用侧式一体化制冷节能柜，可实现多设备收容，并可根据机房未来规划按需扩容；针对机房面积受限的场景，采用门式模块化制冷节能柜，可实现多设备收容集中供冷，安装便捷，场地节约。针对既有机房过热改造场景，采用门式一体化制冷节能柜，可实现机柜的简易安装、灵活替换，有效解决过热问题。3种制冷节能柜具有如下优点。

（1）解决设备过热难题、缩短建站成本。针对BBU集中部署带来设备过热的难题，采用机柜级制冷方式，通过精确制冷，冷热通道隔离技术实现设备的高效散热。单个机柜可容纳10个甚至更多BBU，并且单个BBU的负载任务能力得到提升，插入基带板数量可增加至4个或者更多。在单BBU支持2个逻辑站的情况下，单机柜可集中20个站点，极大地节约了机房的空间，降低基站建设选址难度，降低机房改造对空间的要求。

（2）收容高发热设备，大幅降低运营成本。针对机房空调低效制冷导致的高额电费问题，机柜方案将主要发热设备集中在独立机柜中，进行集中散热处理，使用热管、氟泵、变频技术，充分利用自然冷源和现有空调节能技术实现空调节能和低能耗散热。经测算对于功耗5 kW的典型基站，如果新增总功耗10 kW的BBU，利用柜级空调将空调能效提升至10，则整个机房全年相对传统机房空调节省空调电费4.6万元。

（3）模块化设计，实现设备灵活部署。针对汇聚机房及基站不断扩容的建设需求，机柜内部空间采用模块化设计，满足不同功能需求，可根据实际情况对BBU、PTN、电源、电池等发热设备进行高密收容，满足各设备的散热需求。另外在柜与柜之间可以通过机柜串联对空调模块进行共享，做到冷量按需扩容，如图2所示。改变以往基站分散、无序的设备部署方式，实现设备的成组建设按需扩容，做到占用机房空间少、建设周期短、建设成本低。

图2 设备集成方案

（4）降低机房宕机风险，保障网络可靠运行。针对目前基站市电中断、压缩机停机等紧急情况，采用智能控制模式，市电中断后启用备用电池电源，实现柜内通风或者热管换热，将设备产生的热量输送至机柜外或者机房外，实现设备的散热，降低宕机风险，保证网络运行。

2 节能效果实测

针对浙江省衢州市某一C-RAN机房的过热问题，采用多业务一体化节能柜方案进行机柜改造，将存在过热问题的BBU集中柜的柜门替换为多业务一体化节能柜制冷单元，以解决BBU局部过热以及机房空调能耗问题，降低机房PUE值。记录从2020年8月到2021年1月，即最热月到最冷月的机柜空调逐日功耗数据，通过与逐日平均气温对比分析，拟合出衢州最热月到最冷月气温与机房空调能耗的关系函数。

原机房装入中兴5G BBU 10台，总功耗为4.1 kW，如图3所示，配备2台3P机房空调和1台5P机房空调，机柜内设备出风口最高温度为63.8 ℃，局部过热问题突出。2020年8月19日（以下数据均为同日）室内温度为26～32℃，机柜附近温度为32～38℃，接近当日室外温度为26～37℃，远高于空调送风温度25 ℃，散热效率较低。

图3 改造前机房机柜

将原有机柜内10台5G BBU割接到一台柜子内，并将柜门替换为模块化空调柜门，空调模块包括10 kW机械制冷系统和6 kW热管制冷系统，封闭柜子其余各面，如图4所示。改造后散热效果明显提升，设备出风口温度最高不超过50 ℃，解决了局部热点温度。

图4 改造后机柜

改造后节能效果较好。改造前衢州最热月每日机房总用电量为849.6 kW·h，空调总用电量为148.8 kW·h，即机房空调用电量为148.8 kW·h；改造后，每日机房总用电量为842.8 kW·h，空调总用电量为142 kW·h，其中，机房空调用电量为115.6 kW·h，机柜空调用电量为26.4 kW·h；使用一体化节能柜可以关闭一台机房空调，使每日空调总用电量减少6.8 kW·h。机柜PUE为1.26。

通过对衢州最热月C-RAN机房的能耗分析可以发现，在最热月采用机柜空调不仅可以解决设备过热问题，而且单日省电6.8 kWh，那么在全年其他月份，节能效果将更加明显，采集从最热月到最冷月机房空调逐日能耗信息以及对应日期的天气信息如表2所示。对数据进行处理分析，拟合得到机柜空调功耗与室外温度的相关性函数。

表2 机房空调逐日能耗与气温记录表

通过对逐日能耗数据分析可以发现，在气温低于15 ℃时，由于只开启了热管制冷系统，压缩机处于停机状态，机柜空调的功耗基本不变约为0.233 kW。因此在机柜空调能耗与气温的分析中以15 ℃作为温度下限，讨论气温与功耗的相关关系，对表格中数据进行处理，得到机柜空调气温-功率拟合曲线如图5所示，气温与机柜空调能耗的函数关系为：

图5 机柜空调能耗与温度的拟合曲线图

3 全国应用的节能效果预测

根据GB50352—2019《民用建筑设计统一标准》，中国大陆气候区域划分共分为：严寒地区、寒冷地区、温和地区、夏热冬暖地区、夏热冬冷地区5个气候区，如图6所示，各区域气候特征见表3[3]。

图6 中国建筑气候区域划分

从图6可以看出中国气候区分布与中国地理有着密切关系，从东南沿海到西北内陆，气候区逐渐由温热转为寒冷，各地区的最低温度与最高温度并不一致，不同气候区的最冷月和最热月的平均温度见表3[3]。选取各气候区域主要城市进行分析，如表3所示。

表3 中国建筑各气候区域特征

由于气温的差异性，不同气候区的空调能耗往往存在较大差异。通过对各气候区域气候特点的分析可以发现，在全年气温均较高的夏热冬暖地区，其最冷月仍有可利用自然冷源，可以通过机柜热管制冷系统对自然冷源加以利用，减少机械制冷空调的开启时长，降低机房全年PUE。而在严寒地区、寒冷地区、温和地区全年将有更长时间可以利用自然冷源对机柜设备进行散热，甚至可以将机械制冷空调关闭，很大程度降低机房空调能耗[4]。

针对全国不同气候区的基站，以单机柜10台BBU，总功耗为4.1 kW，采用机械制冷加热管模式对机柜散热，通过式（1），根据不同地区的全年气温，对机柜空调功耗进行计算，可以得到不同地区的空调功耗和机柜PUE值，如表4、表5、表6所示。

表4 衢州不同月份的PUE值

表5 哈尔滨不同月份的PUE值

表6 海口不同月份的PUE值

其他气候区城市按照以上方法进行计算得到全年不同月份PUE变化。绘制如图7所示全国不同区域机柜全年耗电量[5]。

通过图7可以看出，从东南沿海地区到西北内陆，机柜空调的能耗逐渐减少，其中在中国北方的寒冷地区全年能耗最低。结合表7中对不同气候区的全年PUE的预测，可以发现在寒冷地区和严寒地区全年PUE较低，另外温和地区，如贵阳、昆明等，尽管地处南方，但全年机柜PUE值也可以保持在1.06～1.21，可以很好地实现节能效果。

表7 全国不同气候区机柜空调耗电量及PUE

图7 全国不同气候区主要城市机柜空调耗电量

4 结 论

本文提出一种应对C-RAN机房5G BBU局部过热、站点能耗高等问题的新的解决方案。该方案将机房中主要发热设备收容到一配备制冷模块的机柜中，集中解决设备局部过热问题，并通过精确制冷以及自然冷源的利用实现机房节能，降低机房PUE。

通过对衢州某一机房的能耗数据实测，得到逐日机柜空调能耗数据和当日平均气温的函数关系，并利用该函数关系，对全国各个气候区域机柜能耗以及机柜PUE进行预测，通过预测数据可以看出，在严寒地区、寒冷地区、温和地区使用本文提供的机柜制冷方案可以带来巨大节能效益。以哈尔滨为例，全年大多数月份PUE均在1.1以内，在夏热冬冷、夏热冬暖地区均存在较大的节能潜力，特别是在较冷的月份；以海口为例，在冬季和春季机柜PUE均在1.1左右，全年最高PUE值在1.3左右。