通讯基站节能技术方案探究分析 |
关键词：移动基站、节能代价、防尘与节能矛盾、节能效率、散热介质、介质热焓、传导热容、温差梯度 |
前言 |
当今工业体系及高新技术发展的主要体现之一在于移动通讯的飞速发展与广泛运用而困扰工业体系乃至高新技术发现的主要因素在于能源损耗的几何增涨。移动通讯的主要实现途径是由蜂窝状广泛分布的基站来中继实现，而移动基站内的耗能设备是由主体通讯设备和辅助空调设备组成。根据资料统计分析，平均每个基站辅助设备(空调)的耗能与电费支出约占整个基站电费支出的54%左右，空调成为基站机房中的主要用电设备。
由于通讯基站站内温度的升高是因电气设备的长期运行发热、而非站外环境温度所致。如一年四季均用空调来保持站内温度(主要是降温)，则冬、春、秋三季及夏季的早晚时段的室外低温便可散热降温的有利条件被忽视,从而导致电能的无畏浪费、营运成本居高不下。因此随着国家能源政策的不断强化以及通讯企业自身的经济绩效和政治绩效的需要，基站的节能降耗变得不仅可行和必要而且十分紧迫。
笔者通过多年来针对基站耗能设备及多种节能途径的深入分析、实验、研究及对比现将实现基站节能的多种方案与途径及其效果与利弊做如下简述。以期为通讯企业的节能措施选择提供必要的参考与旁证。减少不必要的弯路。 |
基站节能与其技术方案分析 |
(1)改善电力功率因素节能方案
方案原理
由于空调设备是由电机驱动，而电机为感性负载，如右图所示；
回路系统的视在功率为；P1=U×I ；（I=I1+I2）
回路系统的有功功率为；P2=U×I ×cosφ
加入电容C后可以使得有功功率有所提高，既cosφ有所提高（一般应用范围是0.6到0.95），从而提高空调电机的使用效率，改善电机运行的过负载能力，同时由于电容具有一定的吸收冲击浪涌的作用，可以减低电机启动时的冲击电流，对电机可以起到一定的保护作用。也可以减低电机对其他电子设备的启动电磁干扰。
节能效果分析
由于回路系统的电力损耗主要体现在视在功率P1，加入电容不仅不能减低视在功率，甚至还会有所增加。所以严格意义上讲这种方案应该是一种改善设备性能的好措施（增效措施），而不是节能措施方案，在电气设备的设计与制造中就应该考虑进去的一种技术保障内容。在此应正确认识增效与节能间的有机关系。
综合评价得分； 从本文所研讨的节能主题内容而言，此方案的综合评价得分（按100分计）；5分 |
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(2)基站风冷间接散热器节能方案
方案原理
此方案是将基站内的热空气（被散热介质），通过站内的导流风机，将其强制导流进入一个散热器中，而散热器中的“散热介质”是从室外通过风机引入的空气。而“散热介质”经过散热降温后再流到基站内，去为通讯设备散热，从而减少空调的开机时间（或提高空占比）而达到节能目的。如右图所示；这是一种间接散热的方案模式。
节能效果分析
从上述原理可知，由于外面空气不直接引入室内，尽管导流风机会将基站内的空气扰动起来，但只要基站密封性能好，灰尘不会进入站内，不存在防尘问题。但该案中由于“散热介质”和“被散热介质”均为气体（空气），而气体的热力学指标“热焓”很小（与液体比较而言），同时由于“散热”与“被散热”的稳态工作下温度梯度不大（只有3-10℃），这样的传热效果十分有限，所以基站内的温度仍然会不断聚增。还需要开空调来强制降温。此案节能效果甚微，甚至还不能弥补设备自身的耗能。
该案由于从理论上就存在问题，笔者认为模拟实验的必要性都不具备，所以没有作模拟实验，也没有具体数据。而从其原理来看，可以参照下述方案的结论。
综合评价得分：由于此方案没有模拟实验，但从原理上讲只会低于下述方案的得分（按100分计）；20分 |
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(3)基站地下水冷间接散热器节能方案
方案原理
此方案实际于上述2-2方案道理一样，是将基站内的热空气（被散热介质），通过站内的导流风机，将其强制导流进入一个散热器中，而散热器中的散热介质是从地下抽去的水（液体）。被散热介质经过散热降温后再流到基站内，去为通讯设备散热从而减少空调的开机时间（或提高空占比）而达到节能目的。如右图所示；这是一种间接散热的方案模式。
节能效果分析
优点：从上述原理可知，防尘性能与2-2方案一样，不存在防尘问题。但该案中由于“散热介质”是液态，而“被散热介质”为气体（空气），而液体的热力学指标“热焓”较大（与气体比较而言），可以能迅速将散热器所吸收的热量迅速通过循环的水而排走，同时由于“散热”与“被散热”的稳态工作下温度梯度稍大（10-25℃这样的传热效果和节能效果比上述方案，就优越许多。 该案在相同的季节时间段、房间容积、热源及空调功率下，所作的模拟实验，所作的节能数据为：13.4% 。
注：模拟条件：季节时间段-夏季全天、房间容积-13平米高2.5米、空调功率-1匹窗机、热源-0.75KW电炉。
缺点：但由于“被散热”介质还是空气，它所能传导的热能有限，所以基站内的温度仍然还会不断聚增。还需要开空调来强制降温，所以也影响了节能效果的体现。
综合评价得分：此方案，由于地下水箱牵扯到基站的初期土建问题以及循环水泵耗能大，故综合得分；40分 |
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(4)基站地下室缓冲直接风冷节能方案
方案原理
此方案是将基站内的热空气（被散热介质），通过站内的排风机组，将其强制排出基站，而散热新风是从地下室（缓冲散热区）通过防尘过滤等从室外直接取得。而地下缓冲散热区的作用不仅具有一定的降尘作用，还可降温。这样从地下抽出的新冷风进入基站为通讯设备散热，从而减少空调的开机时间（或提高空占比）而达到节能目的。如右图所示；这是一种直接换热的方案模式。
节能效果优劣分析
优点：此方案节能效果颇佳，防尘问题虽不能彻底解决，但也比较理想。该案中可见，基站内的热空气不是靠传导或散热方式进行消化，而是由物理方式直接作强制排除而补充新的冷空气。这实际就是运营基站存在巨大的节能空间的重要突破口的关键所在。 该案在相同的季节时间段、房间容积、热源及空调功率下，所作的模拟实验，所作的节能数据为： 61.8% 。
注：模拟条件：季节时间段-夏季全天、房间容积-13平米高2.5米、空调功率-1匹窗机、热源-0.75KW电炉。
由于没有地下室条件，所以用相同面积的另一房间模拟代替。因此如是真正的地下室，效果还要好些。 缺点：①防尘问题不能彻底解决，②地下室引风其湿度过大会影响通讯设备，如控制湿度又影响节能。存在矛盾不可避焦点
综合评价得分：此案由于地下室牵扯到基站的初期土建问题，设备投入问题，故综合得分（按100分计）；70分 |
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(5)基站新风缓冲防尘直接风冷节能方案
节能原理
此方案是将基站内的热空气（被散热介质），通过站内的排风机组，将其强制排出基站，而散热新风是从基站外（室外）通过防尘过滤和进风机组等从室外直接取得这样直接引来的新风可以按室外湿度决定是否引风，从而保证引入的新风的湿度合适不影响通讯设备。从而减少空调的开机时间（或提高空占比）而达到节能目的如右图所示；这是一种直接换热的方案模式。
节能效果分析
优点：此方案节能效果颇佳，该案中可见，基站内的热空气不是靠传导或散热方式进行消化，而是由物理方式直接作强制排除而补充新的冷空气。这种直接换热模式与间接散热模式有着本质的不同，所以节能效果也有巨大的差别和不同 。防尘问题虽还不能彻底解决，但是可以找到一个既有理想节能效果又能在基站运行与维护的制度中可以解决的理想平衡点，不存在矛盾不可避焦点。可以通过理想的缓冲区概念和合理的防尘设备与设计将基站节能与其基站运营维护制度等有机结合，最大限度的降低节能成本。
该案在相同的季节时间段、房间容积、热源及空调功率下，所作的模拟实验，所作的节能数据为： 58.6% 。
注：模拟条件：季节时间段-夏季全天、房间容积-13平米高2.5米、空调功率-1匹窗机、热源-0.75KW电炉。
缺点：①防尘问题不能彻底解决。
综合评价得分：此案设备可以简捷到以适应无人职守的运行条件，且投入成本合适故综合得分；80分 |
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说明：以上所作的节能数据均是针对空调的节能，如要模拟基站节能，则需将发热设备及节能设备的耗能算入其中；空调0.86KW，发热设备0.75KW，风机水泵等0.2±01KW，空调耗能占：0.86/(0.86+0.75+0.2)= 0.48（这与基站统计耗能比54%接近）
所以上述节能数据乘于0.48，可近似模拟基站整体的节能效果。 |
各类节能技术方案综合对比表 |
| 方案名称 |
功率因素方案 |
风冷散热器方案 |
水冷散热器方案 |
地下室新风方案 |
直接新风方案 |
| 节能模式 |
电气参数改善 |
间接散热模式 |
间接散热模式 |
直接换热模式 |
直接换热模式 |
| 成本评估 |
几乎没有成本 |
成本很高 |
成本最高 |
成本稍高 |
成本合适 |
| 对空调节能 |
-------- |
估计小于6.0% |
13.4% |
61.8% |
58.6% |
| 对基站节能 |
-------- |
估计小于3.00% |
6.43% |
29.7% |
28.1% |
| 优 点 |
改善电气设备参数 |
没有粉尘问题 |
没有粉尘问题 |
节能显著成本稍高 |
节能显著，成本低 |
| 缺 点 |
不属于节能范畴 |
不节能，甚至多耗能 |
节能效果差成本高 |
细微粉尘湿空气 |
细微粉尘 |
| 综合评价分 |
5分 |
20分 |
40分 |
70分 |
80分 |
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结束语 |
任何事物都有其积极一面和消极一面，也都是在不同的矛盾的转化中得到同一。把握主要矛盾、认清其他矛盾在解决主要矛盾的同时，次要矛盾它们会如何伴随、如何影响、是否会喧宾夺主成为主要矛盾等等。就是我们需要分析、权衡、筛选、最后抉择。节能要付出一定代价，节能技术的应用要增加或改造一定数量设备，要增加设备维护工作量，对一个项目来讲，节约能源是肯定的也是首要的任务（主要矛盾），当然节能必须保证通信安全。如果明知节能效果不大还花大投入，这将变得毫无意义。 目前针对各类节能方案，各地通讯企业和运营商主要有两种不同意见和观点，这两种观点由于本质不同，所以节能效果也有本质的差别。
第①种观点；选用“间接散热模式”的观点；认为新风模式会有灰尘进入基站，而节能不能导致机房环境指标降低和设备寿命缩短，不能影响通信生产安全。哪怕不要节能也不能降低环境指标。
第②种观点；选用“直接换热模式”的观点；认为新风模式虽然会有灰尘，但通过完善基站维护制度（本来就该完善），作好日常维护保养工作，不会导致机房环境指标降低和设备寿命缩短，不会影响通信生产安全。而抓住节能的主题。经得起时间的验证。
对于上述两种不同意见和观点，笔者比较赞同第②种而不苟同第①种观点。原因如下；
1、基站内的环境指标也不是铁板一块。笔者也曾进入过近百个基站内，不是像笔者原来想像的如食品加工车间一样的净化、干净、密封。门窗的漏风撒气、设备上落满灰尘的基站彼彼皆是。再过分的强调，就有些“形而上学”了。
2、过来人都清楚；回想80年代初，社会上刚刚出现计算机这样的高科技电子产品时，放置计算机都要专门建立个机房，又是空调、又是密封、又是防静电和帖满墙壁的各类进入机房遵守的制度等等。而现在计算机还讲什么环境要求吗？连大街上都可以安置使用。而现在常听到的是“不用就关机，节约用电！”这就是时代在进步、科技的发展，人们的观念也在更新。
3、就笔者赞同的第二种观点来分析，虽然这类“直接换热模式”确实不可避免（避免了就不是该节能模式了）的存在“细微粉尘”、和“过滤脏堵”，这正是节能所要面临和付出的代价。
4、关键在于，找到一个既有理想节能效果和防尘效果，又能在基站运行与维护的制度中可以解决缺点的理想平衡点，不存在矛盾不可避焦点。例如；“过滤脏堵”的维护或更换周期，能与基站正常维护周期一致或长于此周期，那么基站节能的成本就不会增加。只是在正常的基站维护制度中或在与“代维公司”的工作合同中增加两项工作内容（滤网维护、设备除尘）就是了。
5、经过不同方案的对比，我们最终定型的KL-809系统，就属于第②种观点的“直接换热模式”，经模拟与现场试验、修改防尘设计及长期可靠运行的结论是：“过滤脏堵”周期为：2-3个月。如在此周期内，正常的基站维护工作跟上，节能的代价是可以降低到可以接受的最小限度。
综上乃笔者个人之观点。尽管有些“王婆卖瓜”之嫌，读者仍可：读之、听之、愤之、唾之！不求无过，但求有功！
作者： 济南科菱自动化研究所 总工程师 李先生 2006-5-21
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