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5G基站系統節能&散熱降溫解決方案初探

5G基站系統節能&散熱降溫解決方案初探


伍  澤  涌


( 祥和節能集團、國家節能減碳產業創新聯盟,成都610041)



摘要:5G基站作為5G網絡的能耗大戶,降低其能耗量、碳排放量、設備發熱量、設備溫度、設備噪聲、運營成本等,對于5G網絡的發展與應用,具有重要價值。本文首先分析了5G基站面臨的主要問題,從改善和提高5G基站的電能質量角度,降能耗、降排碳、降溫度、降噪聲、降成本的需求出發,探討5G基站系統節能與散熱降溫技術方案,服務合作模式創新,“5降”效果驗證驗收方式方法。


關鍵詞:5G基站;系統節能;散熱降溫;降耗;降電費;降成本;服務模式


引言


    5G作為移動通信領域的重大變革點,已經被納入發力于科技端的基礎設施“新基建”范疇,經濟界范疇已經被我國高層定調為“經濟發展新動能”。


    專家預測,2025年通信行業的能耗,將占全球電能總量的20%,通訊基站又是通信行業中的能耗大戶,大約80%的能耗來自于分布廣泛的城鄉基站。再加上5G基站比4G基站的電能消耗量高達2.5~3.5倍之多,高昂的能耗費用支出,將成為壓垮運營商的“稻草”,成為我國四大運營商與中國鐵塔公司的沉重負擔與不得不解決的難題。有專家甚至指出,同樣覆蓋面情況下,5G網絡能耗將達到2430億度,電費h將高達2160億元。如何降低5G基站運營維護成本,采用哪類方案解決5G基站的高能耗問題,就成為了四大運營商與中國鐵塔公司,共同面對和亟待解決的課題。


    此外,因5G基站計算功耗的上升,所帶來的高能耗、高排碳、高溫度、高噪聲、高成本問題;因設備熱量增加和溫度升高,所產生的5G基站建設成本增加,設備工作效率降低,使用壽命縮短問題。由此所形成的降能耗、降排碳、降溫度、降噪聲、降成本“5降“需求,以及提高5G基站的BBU與AAU主設備運行平穩度,成為5G基站技改與建設的重中之重。


    在這種情況下,人們一方面為了降低5G基站的建設成本,大量采用將5G基站與4G基站相結合的技改方式建設5G基站,另一方面依靠科技創新、技術創新和產品創新,在5G基站的材料研發、技術研發、產品研發上下功夫,已經尋找到了一些較為有效的降低能耗、降低噪聲、降低溫度的途徑與解決方案,但這些措施至今仍存在著技改和建設成本偏高,投資較大,效果有限等等不足與缺陷。


    本文在祥和節能集團(成都祥和云端設備集團有限公司)的《5G/4G基站系統節能&降溫降噪解決方案》基礎上,牢牢抓住5G/4G基站設備“吃”的就是電能這個“牛鼻子”,從改善和提高電能質量入手,標本共治,表里兼治,將傳統的被動降溫調整為主動被動降溫相結合,探索5G/4G基站系統節能&降溫降噪的新途徑與解決方案,從而推動5G/4G基站系統節能&降溫降噪的服務模式創新及發展。


1. 解決5G基站“5降”問題的困惑與探索


1.1 在5G基站降能耗和降排碳方面


    眾所周知,5G基站的設備,主要由主設備和輔設備兩大類組成。主設備由負責5G基帶數字信號處理的BBU,與將基帶數字信號轉換成模擬信號,然后調制成高頻射頻信號,再通過功放單元放大功率,通過天線發射出去的AAU組成。其中,BBU的功率比較穩定,業務負荷對其影響不大,而AAU的功率則隨負荷的增加而大幅度增加,減少而大幅度減少。



圖:5G基站功耗組成示意圖 

QQ截圖20200424172903.jpg


在上圖中,5G基站的功耗簡單計算公式為:


P5G基站=NTRX×(PPA+PRA+PBB)


    也就是說5G基站的主設備功耗的影響因素,主要是PA功耗、漏電功耗和芯片功耗三個方面。


    就單座5G基站來說,5G基站的能耗(電費)是4G基站的2.5~3.5倍,能耗成本增加量已經很大,然而再加上因5G基站的覆益面積遠小于5G基站,所增加的2~3倍5G基站數量,兩者能耗數量的疊加,使5G時代的5G基站能耗增加至4G的6~12倍,能耗費用成為各大運營商和中國鐵塔公司的沉重負擔。


    面對5G基站功耗增加,而導致的電費大幅度增加問題,人們采用了更高級的工藝,更高級的制程芯片,更高效節能的器材和材料,創造性地改造設備結構,引進噴淋或浸漬的物理散熱方法,AI技術動態功能功耗控制等等應對措施與解決方案,已經收到了一定的效果,但總體來講,其降低能耗,降低排碳量,減少設備發熱量和降低設備溫度,降低設備噪聲,減少綜合運營成本方面的效果,仍然十分有限。5G基站的設備高能耗問題、高排碳問題、高溫度問題、高噪聲問題、高成本問題,仍然是擺在各大運營商及中國鐵塔公司面前的嚴峻挑戰,仍然是我國推進5G通信建設的重要障礙之一。


    由于高能耗問題一定會帶來高排碳的環境污染問題,5G基站能耗大幅度增加,必然帶來碳排放量的相應增加。其碳排放數量可采用兩種方式衡量,一是二氧化碳排放量,二是標準煤數量。根據國家發展改革委員會[發改環資[2014]9號文件[關于印發《節能減碳推廣管理暫行辦法》的通知],附件5的規定為1度電=二氧化碳0.75Kg/kwh,2008年全國節能量核查規定為1度電=標準煤0.35kgce/kwh ,即1度電的減碳排放量=減排二氧化碳0.75Kg=標準煤0.35Kg


1.2 在5G基站散熱降溫降噪方面


    試驗證明,電子元器件的溫度每升高2°C時的可靠性下降10%,當溫升50°C時的壽命,僅為溫升25°C時的1/6,而集成電路芯片和電子元器件的體積不斷縮小,其功率密度會快速增加,從而使散熱問題降溫問題,成為了直接影響和制約電子產品的性能和可靠性的痛點問題和難點問題。5G基站也不例外。


    5G基站的能耗,包括計算能耗(即BBU設備的耗電量)、傳輸能耗[即功率放大器(PA)和射頻(RF)能耗]、額外能耗(即直流供電的整體轉換過程的額外損耗、空凋能耗、制冷設備的能耗)三大類型。其中,計算能耗的大幅度提升,必然帶來散熱降溫問題,而傳統的被動式空調散熱降溫,又會帶來更多的電能消耗,增加更多的運營成本。況且,空調散熱降溫對5G基站邊緣計算和高速本地緩存需求的懸掛在城市燈桿上的小基站,并不適合采用。于是人們不得在5G基站散熱降溫系統上下大功夫,研發散熱降溫效率高,節省空間的5G基站散熱系統。例如,將散熱結構與散熱器進行熱交換,使5G基站室內的發熱器件散發的熱量,通過導熱結構傳導至散熱器并散發出去,從而達到散熱降溫的目的。這些散熱降溫方式的共同缺陷是,均屬于在熱量已經產生后的補救措施,而非從引發5G基站發熱量的電能質量這個“牛鼻子”上入手,設法使5G基站設備少產生熱量,從源頭上降低5G基站的熱量與溫度的方法。


    由于光伏發電(具有間歇性弱點)與風力發電(具有隨機性弱點)等“垃圾電”的并網;從發電、輸電、配電到用電各環節的電力電子化設備大量使用,使電能特性與慣性已經改變,以及5G基站(包括4G、3G、2G基站等)設備的非線性污染性設備特性,所存在的電能質量上的“矛與盾”問題、空調設備的啟停沖擊問題;5G基站附近居民和廠家、商家的用電干擾問題等等因素,導致5G基站所索取的電能質量問題十分突出,進而導致5G基站的發熱量增加,其室內溫度上升。若是欲從電能這個發熱和溫度的源頭上解決問題,就需要設法使5G基站所索取的電能,是清潔、柔和、平穩的。


    此外,噪聲污染也是人們公認的環境污染問題,5G基站的噪聲問題是各方關注的話題一,同樣需要人們采取有效措施加以解決。


1.3 在5G基站系統節能效果驗證驗收方法方面


    在5G基站問世之前,人們已經就降低通信基站的節能減碳問題,采取了許許多多的措施。比如,采用新風系統進行基站節能技改、對基站空調進行節能技改、采用光伏發電或或風力發電進行節能技改、用采用隔熱保溫涂膜進行主動降溫的節能技改等等。由于這些技改方案本身所存在的固有缺陷和不足,再加上采用掛表驗收方式,而非采用查驗基站的電能入口端收費電表方式確定節電效果,而時有發生“節能不一定省錢”,“減肥不稱重”的節能糾紛問題,致使我國基站的節能減碳工作進展緩慢。


    在5G網絡作為移動通信領域的重大變革點,被我國高層定調為“經濟發展新動能”,列入新基建范疇之后,人們對5G基站系統節能效果,減少碳排放量等,就達到了前所未有的關注和重視。因為5G基站的高能耗,所導致的高運營成本,直接威脅著運營商的收益多少,甚至5G基站的建設成本高低。此外,還關注由此產生的散熱、降溫、降噪問題,設備使用壽命問題,設備故障率,設備運行平穩度等等。


    鑒于5G基站系統節能的效果驗證驗收如此重要,急需探索并尋找到以5G基站收費電表為依據的,各方都能接受的,操作簡單方便的,經得起時間檢驗的系統節能效果驗收方式與方法。也就是說,急需一種以5G基站收費電表數據為依據的節能效果驗證驗收標準與措施。


    值得注意的是,5G基站的系統節能效果,除了以節省的電費數量為依據外,還應關注5G基站的設備運行狀況,特別是運行平穩度是提高還是降低,發熱量是增加還是減少,其室內溫度是上升還是下降,設備維護維修費用是增多還是減少?一句話,5G基站的綜合運營費用,究競降低了多少,才是根本。


2 技術方案和服務模式創新


2.1 5G基站的技術方案架構及特點


    隨著生態文明建設的高速發展,我國通信基站正在朝著綠色、節能、減碳、永續的方向發展,5G綠色基站技改與建設是必然趨勢和基本要求。根據祥和節能集團自2014年以來,先后在四川、云南、江西、廣西、福建、山東等省區的5G/4G基站系統節能技改經驗,在當地各運營商、鐵塔公司等單位的支持參與下,針對5G基站的高能耗、高排碳、高熱量、高噪聲、高成本“5高”難題需求,為滿足降低5G基站能耗量與電費支出為核心,并兼顧降低碳排量、設備溫度、設備噪聲需要,在不改變基站設備布局,不改變其室內設備位置的前提條件下,架構了以下兩個方案:


    一是治本的僅僅在5G基站的收費電表之后的電能入口端,串聯安裝祥和基站型中央節能保護裝置方案。此方案特別適合于5G基站與4G基站融合的5G/4G基站,其優勢是安裝簡單容易,在不改變5G/4G基站內的任何線路、設備位置的條件下,就對站內的配電系統中的主設備、輔設備,都具有節能減碳作用、安全保護作用,且只要是持有電工證的人員,經簡短培訓后就可自行安裝與驗收。


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 安裝在5G/4G基站電表之后的祥和基站型中央節能護機


    二是在此方案的基礎上,再對5G/4G基站的機房四周及頂部進行以節能涂料為核心涂膜的標本兼治系統節能方案。此方案特別適合新建設的5G基站,是將傳統的空調被動降溫與室內冬暖下涼的祥和節能涂膜的主動降溫相結合,既使5G基站的能耗更低,室內溫度控制效果更好,又將5G基站的防腐、防曬、防雨相統一,其綜合性能優于第一個方案。


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陶瓷空心顏填料的隔熱保溫特性


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祥和節能稀土納米陶化涂料節能涂裝前后室內溫差對比及節能原理


    5G基站的上述兩個技術方案的共同特點是,將5G基站視做一個整體,動態化的考量規劃與架構,牢牢抓住5G基站所有主輔設備,所“吃”的就是電能這個“牛鼻子”,通過雙向阻隔、抑制、濾除、吸收電能污染,防止其相互疊加,削弱基站各設備之間的相互干擾,使5G基站所索取的電能是清潔、柔和、平穩的。第二個方案還將5G基站所在的環境、氣候、介質及一年四季氣溫變化等因素,納入到該技術方案之中。兩個技術方案的架構,均不是從5G基站的設備上入手,而是運用系統方法、整體方法、動態方法,著力于看眼于日常運維上,實現5G基站的根本性、全面性、原始創新性的變革與突破。


2.2 三大服務模式簡說


    根據各運營商和中國鐵塔公司目前的運營模式與電費承擔方式,結合上述5G基站的技術方案特點,以及基站型中央節能保護機與節能稀土納米陶化涂料的優勢,推薦下列三大服務模式:


模式1:運營商或鐵塔公司全額投資


    這是最簡單的合作模式,由擁有該5G基站的運營商或中國鐵塔公司投資購買祥和基站型中央節能保護機,然后在廠家和廠家的合作伙伴協助下安裝即可。若是采用第二個技術方案,則再訂購祥和稀土納米陶化涂料,并組織涂裝施工。此服務模式的優勢是合作關系簡單易行,各運營商與中國鐵塔公司完全自主,兩個技術方案均適用。


模式2:效益分享型合同能源管理


    由祥和節能集團或祥和節能集團的合作伙伴,與各運營商或中國鐵塔公司共同分享節能效益,按月結算方式每月支付節能效益。此服務模式的優勢為,各運營商和中國鐵塔公司不用投資,設備日常維護和保養,交由祥和節能集團或祥和節能集團的合作伙伴完成。此服務模式適合于僅僅安裝祥和中央節能保護裝置的第一技術方案。


模式3:融資租賃型合同能源管理


    由租賃公司向祥和節能集團或祥和節能集團的合作伙伴,訂購祥和基站型中央節能保護裝置,租賃公司與祥和節能集團或祥和節能集團的合作伙伴《簽訂融資租賃合同》,再由合作的運營商或中國鐵塔公司確認;祥和節能集團或合作伙伴在收到該運營商或中國鐵塔公司的租賃費后,分期分批地向租賃公司支付設備款和融資費,在付清所有貨款和融資費時,再將祥和基站型中央節能保護裝置的所有權轉移到祥和節能集團或合作伙伴。此服務模式的優勢是,合作的運營商或中國鐵塔公司,以及祥和節能集團或廠家祥和節能集團的合作伙伴都不用投資,租賃公司獲得租賃的投資收益,實現三方共贏。


除了以上三種服務模式外,各運營商或中國鐵塔公司,還有多種其他服務模式。


2.3 關于5G基站“5降”效果驗收措施


    5G基站的高能耗所導致的高排碳、高溫度(高發熱)、高噪聲、高成本“5大”難題,5G基站系統節能&散熱降溫方案的驗收措施,就成了人們十分關注的話題。為了真正做到直觀、公正、準確和可查驗,根據祥和節能集團與各運營商及中國鐵塔公司探索的經驗,采用了下列驗收的措施:


2.3.1 是采用元道經緯相機記錄驗收現場讀數照片


    各方代表共同采用安裝了元道軟件的手機,對準的技改或建議基站的收費電表、選擇的主設備溫度采集點及噪聲采集點,分別對市電模式與節能模式的3~4個時段進行現場拍照,用照片記錄安裝前后的交費電表讀數、測溫儀讀數、分貝儀讀數。這些照片會自動生成所驗收的5G基站的經度、緯度、地址及照片編碼等現場數據。


2.3.2是計算各項指標并確定結果


2.3.2.1 關于總節電率計算公式及結果:


    由祥和節能集團或祥和節能集團的合作伙伴代表與運營商或中國鐵塔公司代表,共同根據國家標準GB/T8750-2012《節能量檢測與驗證技術通則》,以及正申報的中國能源研究會團體標準《系統節能節電量驗收方法》,在相同時間、相同環境、相同負載、相同負荷條件下,共同對準的技改或建議的5G基站的四個時段逐一進行測試,并分別對四個時段的節電率進行逐一計算,取平均節電率為各方確認的總節電率,其各節電率計算公式及計算過程為:


節電率(%)=(市電模式耗電度數—節電模式耗電度數)÷市電模式耗電度數X100%


2.3.2.2 關于減少的碳排放數量計算:


    采用兩種方式衡量,一是減少的二氧化碳排放量,二是節約的標準煤數量。根據國國家發展改革委員會[發改環資[2014]9號文件[關于印發《節能減碳推廣管理暫行辦法》的通知],附件5的規定為節約1度電=二氧化碳0.75Kg/kwh。2008年全國節能量核查規定為節約1度電=標準煤0.35kgce/kwh ,即節約1度電的減碳排放量=減排二氧化碳0.75Kg=節約標準煤0.35Kg。


2.3.2.3 關于溫度總降低量現場驗收計算公式及結果


    取各點位溫度降低度數與溫度降低率為驗收結果分別計算,再取平均值為各方確認的溫度降低總量及溫度總降低率:


溫度降低總量(°C)=安裝前溫度(°C)一安裝后溫度(°C)


2.3.2.4 關于噪音總降低量現場驗收照片及計算過程及結果


    分別取各點位噪聲降低度數為驗收結果分別計算,再取平均值為各方確認的噪聲降低總量:


噪聲降低總量(分貝)=安裝前噪聲(分貝)一安裝后溫度(分貝)


    關于降低的成本,除了降低的電費外,還包括減少的散熱系統費用、維護維修費用、延長的設備使用年限費用等。


3 結論


    5G網絡作為我國疫后大力進行的“新基建”建設項目之一,必將得到迅猛發展,而5G基站包括5G/4G融合基站,又是5G網絡基礎和能耗大戶,如何有效解決5G基站高能耗、高排碳、高溫度、高噪聲、高成本的“5高”問題,是制約5G網絡發展與應用的重要因素。本文從5G網絡及5G基站的發展面臨的現實問題,解決5G基站“5高”問題探索與困惑,5G基站和服務合作模式創新三個維度,提出了5G基站系統節能與散熱降溫降噪降本的解決方案及服務模式,為怎樣降低5G基站的能耗與成本,如何降溫降噪,提升5G基站設備運運行平穩度,提供了整體解決方案,具有重要的現實意義與價值。



作者簡介


伍澤涌,(1957),男,四川資陽人,高級工程師,碩士研究生,從事以改善和提高電能質量的系統節能研究和應用研發。


參考文獻:


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[2]黃海峰 2018年4G發展及5G發展趨勢[J]. 中國信息通信業發展分析報告(2018~2019).北京:51~53.


[3]趙慧琳 聶衡 楊鑫.5G核心網技術研究[J]. 北京:中國電信股份有限公司北京研究院.


[4]祥和節能集團.  祥和基站型中央節能保護裝置[J]  成都:2020,6~10.


[5]成都電保鏢安全科技有限公司. 電保鏢---祥和反常安全保護裝置[J]  成都:2020,4~6.


[6]中國信息通信研究院.  信息通信業十大趨勢(2019~2021年)[J]   中國信息通信業發展分析報告(2018~2019).北京:3~4.


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