通信基站散熱系統(tǒng)結構設計優(yōu)化與驗證

戴凱

摘 要：文章介紹了通信基站散熱系統(tǒng)應用現(xiàn)狀及基本原理，分析了熱效應；提出了相變制冷空調系統(tǒng)的優(yōu)化設計方案，對主要設備進行了選型，使用DeST軟件模擬分析通風冷卻性能，并對系統(tǒng)設計進行了驗證。

關鍵詞：通信基站；散熱系統(tǒng)；相變儲能；DeST

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0005-03

隨著經濟技術不斷的發(fā)展，我國通信行業(yè)迎來了發(fā)展的機遇期。目前3G/4G通信網絡系統(tǒng)已經遍布全國，移動通信基站、各種通信機房、通信模塊局等數量不斷增大，網絡系統(tǒng)規(guī)模日益龐大，這勢必造成通信行業(yè)耗能的增加，隨著21世紀國家降能、節(jié)能減排理念的不斷深入，要求中國通信行業(yè)2013-2015度的信息流量綜合能耗下降30%左右。所以說，加強節(jié)能降耗工作，滿足通信網絡運營的安全性、、可靠性、經濟性是當前網絡機房、基站等通信節(jié)點建設的重要工作。同時，保障機房、基站系統(tǒng)正常、安全、高效的運行，對其散熱系統(tǒng)的設計及改造工作尤為重要，也是節(jié)能降耗的重中之重。本文就電信行業(yè)通信基站機柜散熱系統(tǒng)進行了研究，提出了基于相變儲冷模型的基站空調系統(tǒng)。

1 基站空調散熱系統(tǒng)介紹

1.1 基站概述

基站作為無線通信系統(tǒng)中重要的基礎信息樞紐，其廣義涵義是指無線通信信號一定覆蓋范圍區(qū)域內，經過信息交換設備，實現(xiàn)與移動通訊終端之間數據信息相互傳遞的一種無線電接收、發(fā)送設置。通常稱之為移動通信基站。基站穩(wěn)定性問題，尤其是空調系統(tǒng)決定了基站的運行狀況?；窘ㄔO中，一般按照容量和覆蓋范圍細化專業(yè)分為容量站和覆蓋站，覆蓋基站包括：行政村覆蓋基站、區(qū)域街、道覆蓋基站、自然村覆蓋基站、郊區(qū)覆蓋站、城市覆蓋基站等等?；窘ㄖ娣e一般為9-30 m2，基站周圍采用圍欄構造，基站外墻建筑材料一般采用泥紅磚、矸石磚，外墻多為用瓷磚進行貼面，屋內面設置架空隔熱層，整體建筑采用磚混結構，基站室內設備包括通信主設備、空調系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，設備總發(fā)熱量在0.5～54 kW區(qū)間?；径喾植加谵r村、偏遠地段、無人區(qū)等，分布較廣，運行環(huán)境一般比較惡劣，且為無人值守模式。隨著技術及國家政策的因素，基站節(jié)能空間巨大。目前國內對于基站改造、建設多充分考慮節(jié)能措施，采用新型節(jié)能綠色環(huán)保材料、熱管、電控備件，優(yōu)化技術及管理模式，不斷增強基站安全穩(wěn)定性，降低通信運營成本，滿足社會效益需求。

1.2 基站主要設備

現(xiàn)階段，移動通信基站設備趨向于大功率、大容量、模塊化、高集成化、智能化發(fā)展，設備的單位體積熱耗散急速增大，設備體積趨于小型化?；驹O備一般包括主要通信設備、計算機控制設備、監(jiān)控設備、空調設備、動力保障設備等。主要通信設備包括通信機柜、中心交換機、服務器、路由器、光端接收、發(fā)送機、存儲設備、散熱裝置等；計算機控制系統(tǒng)主要包括計算機控制器、管理模塊、運行系統(tǒng)等；空調設備主要負責機房的空氣調節(jié)，保證機房內溫度合理，系統(tǒng)散熱性得到保證；動力保障設備主要由儲電組裝置、高頻開關電源等，保障設備無間斷電源動力運行；監(jiān)控裝置主要是各種探頭，存儲器等設備?；驹O備耗能比較大，基站通信機柜數量一般在8個之內，主設備功耗約為2 kW，其他設備功耗包括傳輸功耗多為10 W，開關電源功耗選擇多為50 W左右；基站空調系統(tǒng)單臺功為3 kW ，日耗電量 45 kWh；普通基站總功耗約為6 kW。

由于基站需要滿足一定區(qū)域內的移動通信需要，設備繁多，設備運行產生的熱量需要及時擴散導出。據測算，當溫環(huán)境度超過一定值時電子器件的失效率與溫度關系存在指數函數關系，基站設備故障或損壞統(tǒng)計數據中中，約有20%以上的都是因為溫度超高引起的，冷卻方式決定了電子設備的使用壽命和穩(wěn)定性、可靠性，因此，基站熱設計尤為重要。

1.3 基站常規(guī)空調系統(tǒng)分析

基站空調維持室內一定溫濕度，作用極為重要?；究照{通常采用普通分體式空調，空調設定溫度多為26 ℃，空調系統(tǒng)能效比在 [2.7，3.5]區(qū)間。基站內要求一定的適度、防塵及溫度。

機房空調系統(tǒng)一般主要有舒適性空調、機房專用空調兩種配置?？照{系統(tǒng)作為基站主要電費能耗系統(tǒng)，占基站總電費的54%以上，而且空調運行為365×24 h全天候運行，基站空調用換熱器主要有乙二醇水溶液換熱器、熱管換熱器、隔離式新風熱交換器三種。由于專用空調使用比較理想，大多數基站選用專用空調系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要部件有壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、離心風機、膨脹閥、加濕器（可選）、電加熱、飯金結構、電氣控制系統(tǒng)?；緳C房專用空調系統(tǒng)具備高可靠性、大風量、低燴差，同時具有加熱、加（除）濕功能及良好的空氣過濾效率等特點。

1.4 通信基站熱分析

選擇分析的基站模型為磚混建筑模型，取C類機房建筑面積S=3×4×3.5 m3。普通磚墻圍護結構，四面外墻，內外均粉刷。通信基站內設備以對流、傳熱、輻射等方式向室內散熱，屬顯熱。地面?zhèn)鳠嵯禂禐?.463 W/（mZ}K）；屋頂傳熱系數0.39W/（m2/K）；圍墻傳熱系數為1.498 W/（m2/K）；內門為木質材質，內部熱源 300 W/m2，對流熱源占比為90%。

由DeST能耗模擬軟件模擬，空調全面運行模式下，溫度設置區(qū)間[10，28] ℃，濕度在20%～85%之間，室內外通風換氣頻率為0.5/h。模擬結果，如圖1所示。基站最小冷負荷為1.2 kW，最大逐時最大冷負荷為3.9 kW?；驹O備總發(fā)熱量為3.1 536×104 kW/h，機房總負荷2.2 812×104 kW/h，圍護結構散熱量8.724 k×103 W/h，占全年散熱量的27.66%。

通信基站空調系統(tǒng)必須保持室內正壓，室內要提供新風，新風要進行預處理，應有良好的過濾裝置，防止污染物滲入室內和保持機房溫濕度的穩(wěn)定，新風潔凈度滿足國標GB 50174-2008。

2 基站散熱系統(tǒng)優(yōu)化設計

采用相變蓄冷散熱系統(tǒng)，建筑材料選用相變混合材料及結構。系統(tǒng)結構設計原理圖，如圖2所示。

2.1 散熱系統(tǒng)熱計算

2.1.1 熱控制方程

2.3 壓縮機選型

制冷壓縮機是空調系統(tǒng)的關鍵設備，其市場上的樣式、原理等多樣，在選擇壓縮機時，應根據效率、能耗、結構特點、性價比、可靠性等要求，并根據制冷循環(huán)型式、制冷劑種類的需求進行選型。根據設計，本文選用回轉式制冷壓縮機，功率≤15 kW制冷量。制冷劑綜合考慮溫室效應、環(huán)境保護、使用壽命、安全性、性價比等因素，選擇R22中壓制冷劑比較合適。

3 空調冷卻系統(tǒng)設計驗證

為綜合考慮基站內恒定的溫濕度、潔凈度等指標因素，空調系統(tǒng)為大風量、小燴差的專用空調，基站空調出風溫度設定為10～140 ℃；相變材料溫度為18～200 ℃，蒸發(fā)溫度設定為7～110 ℃。

使用DeST軟件模擬分析通風冷卻技術節(jié)耗效能，對系統(tǒng)設計進行驗證。DeST中房間的可變通風換氣次數設定為10～100次/h，模擬儲通信基站室溫全年變化情況，如圖3所示。 換氣次數從10～30遞增時，基站室溫降低較快，當換氣數繼續(xù)再增加，對基站室溫的影響較小。換氣次數等于30次時換氣效率較高，風機的通風量設定1 200 m3/h。

通信基站為三類環(huán)境，機房最高溫度要求為300 ℃，引入新風量后，根據新風量溫度要求，選取最大負荷驗證：

Q=pVC4t=1.2×1200/3600×1.0054 t=3.9 kW

4 t=100℃，T=200 ℃（室外溫度≤200 ℃）時，開啟風機則可以滿足基站室內負荷要求。

4 結 語

分析了通信基站空調系統(tǒng)的特點，對通信基站進行了闡述，對于基站空調系統(tǒng)的結構、原理以及傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)進行了研究，分析了熱效應；提出了相變制冷空調系統(tǒng)的優(yōu)化設計方案，使用DeST軟件模擬分析通風冷卻技術節(jié)耗效能，對系統(tǒng)設計進行了驗證。

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