基于喷淋式液冷技术的5G BBU节能研究

蔡贵立，肖 玮，卢乙彬

（广东合一新材料研究院有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

为了应对5G未来业务及数据流量的迅猛增长，5G基站建设进入快速发展阶段，而海量数据引发的能耗也必将成倍增长，5G基站将成为一个高能耗行业。

作为5G基站重要设备之一的BBU，BBU设备功耗大幅增加，由4G时代的150～300 W增长到5G的 500 ～ 1 200 W[1]。

常规BBU设备散热是利用传统的空调制冷送风形式，该散热方式十分成熟，但具有能耗高、出现局部热点、散热能力不足等特点。BBU风冷机柜的最佳散热功率为单柜6 kW，因为当单柜功率超过6 kW时，风冷散热能力不足[2]。由于传统风冷空调系统在散热能力、能量利用效率上面临瓶颈，近年逐渐兴起的液冷系统可有效应对此类问题，节省大量用电。

1 液冷系统的选择

国际上主推的液冷技术有3种，分别为喷淋式液冷、浸没式液冷和冷板式液冷3种，其中喷淋式液冷和浸没式液冷属于直接接触式，冷板式液冷属于间接接触式。3种液冷方式中直接接触式液冷的喷淋式和浸没式散热效率优于冷板式。目前应用于5G BBU产品的液冷方式有喷淋式液冷和浸没式液冷。基于以下3个考虑，5G BBU不适合采用冷板式液冷散热模式：

（1）5G BBU属于板卡类设备，板卡经常要在线插拔维护；

（2）5G BBU设备高度密集，每块板卡仅2 cm宽，液冷管道无法安装固定；

（3）5G BBU的板卡发热点分散，不利于冷热交换冷板的位置选择。

本文介绍的5G BBU液冷方式采用喷淋式。

2 喷淋式液冷技术

喷淋式液冷技术是继浸没式、冷板式液冷系统之后的新型液冷系统，借助特制的喷淋板将冷却液精准喷洒至发热器件，喷淋液冷技术具有用液量较少、流量控制精确和喷淋结构通用性强等特点，在大量的实测、试运营中显示出良好的应用潜力[3]。采用喷淋式液冷技术的BBU系统，PUE值低于1.1，大大降低了用电能耗。

2.1 喷淋式液冷系统

常见BBU喷淋式液冷系统如图1所示, BBU设备采用液体冷却，室外冷却单元采用空气冷却。

图1 5G BBU喷淋式液冷系统

喷淋式液冷系统主要包括BBU室内机柜和冷却的配电装置（Cooling Distribution Unit，CDU）,其中BBU室内机柜主要包括BBU设备、监控单元和储液箱等，CDU主要包括循环泵、过滤器、换热器、电气控制单元、传感器等，如图2，图3所示。常用单台BBU机柜共有10台BBU设备，IT总功率为6～12 kW。

图2 5G BBU室内机柜外形图

图3 CDU外形图

接通电源，系统开始工作，储液箱的冷却液被循环泵送入过滤器进行过滤，被过滤后的冷却液进入风冷散热器进行冷却，之后进入BBU机柜内的主进液管路，之后通过分液管路分配到上下两层BBU机框的喷淋板。液体通过喷淋板上的小孔喷出，通过竖直摆放的BBU上侧蜂窝孔，进入BBU 机箱内；BBU机箱内置一块分液板，按配置和负载二次分配冷却液，使适量冷却液从板卡表面流过，带走热量。加热之后的冷却液汇集于机框底部，并通过重力作用汇聚至机柜下部的储液箱。储液箱中的冷却液再次通过循环泵进行循环[4]。

2.2 BBU设备液冷结构

BBU设备液冷结构为喷淋式液冷技术的关键点，BBU设备由横装改成竖装，如图4所示，实现多设备同时喷淋，冷却液覆盖全部发热器件，换热效果显著。

图4 竖装液冷BBU图

BBU机柜设置上下两个喷淋插框，每个喷淋插框都含有一套竖装的19inch支架，BBU设备竖装在喷淋插框内。每个插框可以安装5台BBU设备。

BBU设备内的风扇模块被拆除，替换为相应的布液盒，每台BBU上面都设有喷淋板，冷却液从喷淋板内流出，到布液盒内，在通过布液盒内对应板卡的开孔通过重力流出，精准带走板卡内的热量[5]。

2.3 冷却液

喷淋式液冷技术的冷却液直接与电子设备接触并进行热交换，冷却液的性质直接影响系统的传热效率及运行可靠性。喷淋式液冷系统的冷却液一般具备以下特性。

（1）安全性：冷却液安全、无腐蚀、微毒或无毒、不易燃、不易挥发的特性。

（2）热力学性能：冷却液作为传热介质具备良好的热力学性能（如高导热率、大比热容、低黏度等）、

（3）稳定性：冷却液在设定的运行环境下具有良好的稳定性，正常使用寿命不小于10年。

（4）绝缘性：冷却液应具有一定的绝缘性且不易溶解其他导电物质，通常冷却液在实际使用的工况下击穿电压不低于15 kV/2.5 mm。

（5）材料兼容性：冷却液不应对电子信息设备上所使用的主要材料造成不良影响。使用过程中，尽量避免选择可能因皮肤接触而产生毒理学反应的介质，同时需考虑到冷却液的环保特性能够符合当地的法律法规。

2.4 工作环境

设备工作环境参数要求如表1所示。

表1 设备工作环境参数要求

3 节能对比

喷淋式液冷技术充分利用自然冷源进行冷却，不使用常规空调的压缩制冷，大大降低用电能耗。现以风冷式BBU和喷淋液冷BBU两种方式进行对比如表2所示。

表2 风冷式BBU和喷淋液冷BBU两种方式对比

由表2看出，相对于常规风冷技术，采用喷淋式液冷技术的BBU机柜节电明显，全年节电量75 774 kW·h，节电率达到48.05%，主要原因是两方面：一方面利用自然冷源，大大降低PUE；另一方面，拆除BBU设备原有风扇，降低用电量。

4 结 论

5G技术发展迅猛，5G基站的处理能力要求越来越高，设备发热量和热流密度大为提升，导致电力消耗成倍增长。面对越来越高的BBU散热要求，传统风冷技术瓶颈凸显，而喷淋式液冷技术在BBU设备的应用，一方面大幅度降低设备用电，另一方面能解决热流密度大和局部热点的问题，助力5G业务的发展。