智慧新风系统节能减排效果的探讨

杨彬张蕾雷威

上海置信能源综合服务有限公司

0 前言

随着信息通信行业的迅猛发展，通信基站需求量越来越大，据统计，截至2022年6月末，我国移动通信基站总数达1 035万个，其中，5G基站总数达185．4万个，占移动基站总数的17．9%［1］。5G基站的能耗大约是4G基站的2～3倍［2］，因此，随着5G基站数量的不断增加，基站的整体能耗势必会随之增加，基站的高能耗问题将日益凸显。基站的能耗以电能为主，耗电设备包括无线设备、传输设备及空调系统等，其中空调系统的耗电量占基站总能耗量的45%左右［3］。国内学者通过数值模拟［4］、实验测量［5-7］等方式，验证了新风系统能有效减少基站内空调的运行时间，最高节电率可达65．56%［7］，节能效果显著。国家已出台相关政策［8-10］，将通信基站引入自然冷源技术作为推进重点领域能效提升、绿色升级的重点方向。本文以浙江宁波市某通信基站为研究对象，基站内引入智慧新风系统，通过对比改造前后的基站能耗，分析室外温度对基站能耗、PUE的影响，从而测算智慧新风系统的节能效果。

1 基站能耗

浙江宁波某通信基站内设移动、联通、电信三大运营商通信设备，空调系统为分体式空调。2018年基站年用电量为79 197 kWh，月平均用电量为6 597．6 kWh；2019年基站年用电量为89 978 kWh，月平均用电量为7 498．2 kWh。由图1可知，该基站2019年月用电量较2018年月用电量增加，月平均增幅为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达19．3%，主要是因为2019年下半年，该通信基站内增加了部分5G设备，致使基站能耗增加。由此可见，随着行业5G业务的迅速发展，基站能耗势必呈增长的态势，基站的节能降耗任重道远。由图1可知，基站的用电量高峰集中在6-9月份，主要是因为室外温度较高，空调系统耗电量随之升高，由此可见，室外温度对基站能耗具有较大的影响，研究室外温度对智慧新风系统节能量的影响具有重要意义。

图1 某基站2018-2020年耗电量统计图

2 智慧新风系统节能技术方案

智慧新风系统包括新风主系统、智慧控制系统和室内外空气质量检测系统，如图2所示。室外空气质量检测系统实时检测、监控室内及室外的温度、湿度。新风主系统主要由进风装置、排风装置、过滤装置、加湿装置等组成，确保进入基站内的新风满足基站运行环境要求。智慧控制系统根据设定的室内温湿度及室外温度，调节、控制新风系统及空调系统的启停，以实现空调系统与新风主系统的联动控制。

室内温度、湿度等设定值，需满足相关标准和设计规范［8-9］的要求。根据标准，该基站属于三类通信机房，即普通基站。设计参数：温度为10～30℃；湿度为20%～90%。

针对此类基站，智慧新风系统工作原理如下：当室外空气质量检测系统检测室内温度低于设定10℃时，智慧控制系统关闭空调系统及新风主系统，以维持基站内环境工作温度；当室外空气质量检测系统检测室内温度高于设定温度上限30℃，且室外温度低于设定温度（此温度参数需根据改造后运行数据确定），智慧控制系统开启新风主系统，将经过过滤、加湿后的新风引入基站内，降低室内温度；当室外空气质量检测系统检测室内温度高于设定温度上限30℃，且室外温度高于设定温度时，智慧控制系统关闭新风主系统，开启室内空调系统；当空调系统无法正常运行时，且室内温度高于室外温度，智慧控制系统启动新风主系统以控制室内温度。智慧新风系统根据此工作原理实现对新风主系统与空调系统的联动控制，新风主系统优先启动，以充分利用自然冷源，确保满足基站工作环境要求的同时实现能源消耗最小化。

图2 智慧新风系统示意图

3 室外温度对节能效果的影响

3.1 室外设定温度

对基站实行智慧新风系统节能改造，并对基站的室外实时温度和实时空调能耗进行监测。分析实时温度与实时空调能耗的对应关系，由图3可知，当室外温度低于25℃左右时，可通过智慧新风系统将室外冷源引入基站内，维持室内通信设备的工作温度。因此，可在智慧控制系统中设定室外温度为25℃，当室内温度高于设定温度上限30℃，且室外温度低于25℃时，开启新风主系统，降低室内温度；当室外空气质量检测系统检测室内温度高于设定温度上限30℃，且室外温度高于25℃时，关闭新风主系统，开启室内空调系统。

图3 实时温度与实时空调能耗关系

宁波是亚热带季风气候,温和湿润,属于夏热冬冷地区，由图4可知，1-4月份、10-12月份的日均最高温度均低于25℃，完全可利用室外冷源维持基站室内的环境温度，即：一年中的7个月无需开启空调；5月、6月和9月份，智慧新风系统仅需在较热时段、温度超过25℃时开启，其余时段仍可充分利用室外冷源；7、8月份由于天气炎热，气温较高，绝大多数时间需要空调系统维持室内温度。改造前，空调系统需要365天全年处于运行状态；利用智慧新风系统后，春、秋、冬三季及夏季的早、晚时段均可利用室外自然冷源，大幅减少了用电量，节约了用电成本。通过分析可知，智慧新风系统的节能量核算重点在5月、6月和9月，因此，本文重点研究室外日平均温度在23～29℃时，智慧新风系统的节能效果以及基站的电能利用效率（即PUE）。

图4 宁波全年平均气温

3.2 室外日平均温度对空调日能耗的影响

如图5所示，基站内空调日能耗随着室外日平均温度的升高而增加。改造后，空调日能耗大幅度降低；当室外日平均温度为22．8℃时，空调日耗电量由43．6 kWh降低到5．2 kWh，空调节能率接近于90%；当室外日平均温度超过25．2℃时，空调能耗呈直线型上升，空调节能率呈直线型下降；当室外日平均温度为29．3℃时，空调节能率仅为25%。可根据室外日平均温度估算基站每个月份的节能量及节能率，5月份日平均温度约为23℃，空调节能率约为90%；6月、9月日平均温度约为26℃，空调节能率约为75%；7月、8月的室外日平均温度较高，约为31℃，智慧新风系统开启时间较少，因此空调节能率较低，仅为20%左右。

图5 改造前后空调日能耗与室外日平均温度关系

3.3 室外日平均温度对基站及通信设备日能耗的影响

改造前后基站及通信设备能耗与室外日平均温度关系见图6。

图6 改造前后基站及通信设备能耗与室外日平均温度关系

由图6可知，改造前后通信设备日能耗几乎没有变化，由此说明通信设备能耗不随室外日平均温度的变化而变化。基站日能耗随着室外日平均温度的降低而降低。当室外日平均温度为22．8℃时，基站日能耗由229 kWh降低到187 kWh；当温度为27℃时，基站日能耗由257 kWh降低到217 kWh。由此可见，改造后，当室外日平均温度低于27℃时，基站日能耗较改造前显著降低，主要是因为引入智慧新风系统后，空调电耗大幅度下降，基站日能耗亦随之降低。

3.4 室外日平均温度对PUE、基站节能率的影响

如图7所示，改造后，当室外日平均温度低于25℃时，基站节能率较高，约为20．5%，此时基站PUE明显降低，说明基站的电能利用效率得到有效提升。当室外日均温度超过29℃时，基站节能迅速降低至7%。基站PUE也随着室外日均温度的升高而增大，基站电能利用率降低。

图7 改造前后PUE、基站节能率与室外日平均温度关系

4 经济效益分析

改造前，该基站的月均耗电量约为8 613 kWh，空调能耗平均占比29%，改造后，该基站全年可节约用电19 654 kWh，减少CO2排放量15．5 t。

5 结论

通过分析对比智慧新风系统改造前后空调能耗、基站能耗以及PUE等可知，当室外温度低于25℃，可充分利用自然冷源，维持基站内的环境温度。改造后，空调能耗大幅降低，基站节能率最高可达20．5%，智慧新风系统节能减排效果显著。