5G机柜式热管空调一体机过渡季动态性能实测

2022-09-29付继垚张泉孟凡希邹思凯原书瑶刘宝昌王未沙正勇

科学技术与工程 2022年22期

付继垚，张泉*，孟凡希，邹思凯，原书瑶，刘宝昌，王未，沙正勇

(1.湖南大学土木工程学院，长沙 410082； 2.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；3.香江科技股份有限公司，扬中 212299)

自2019年，中国正式进入第五代移动通信技术(5G)商用元年，为了满足用户的需求，相比于传统4G通信技术，5G通信技术将应用于3大场景，具有更高速率、更低时延及更大连接等优点[1-2],可实现10～100倍的传输速率，毫秒级的时延，10～100倍的连接设备密度及3～5倍的频谱效率[3]。然而，5G通讯向高频段发展使得基站设备功率显著增加，约为4G设备的2.5～3.5倍[4]；并且单基站覆盖的范围变小，5G相比于4G基站所需数量增加3～4倍[5]。为节约5G基站建设成本，电信运营商将基带处理单元(base band unit，BBU)集中放置在中央机房，形成BBU池，单站通信设备数量更多、功率更高，设备过热风险日趋严重。

传统4G基站大多采用房间级精密空调进行冷却，其室内气流分布不合理，容易造成局部热点；并且全年不间断使用机械制冷，设备寿命较低、能耗高。为了解决上述问题，一些学者分别从气流组织优化、围护结构设计、控制、自然冷源利用等方面进行了研究。Hayama等[6]提出采用地板送风、上部回风的方式，解决了基站内冷热气流掺混及局部冷却的问题；Dan等[7]利用计算流体动力学(computional fluid dynamics，CFD)对机柜气流组织进行模拟设计；肖卫兵[8]通过在机柜内合适位置安装导流板保障机柜内进风和热空气的流通来加强散热，研究结果表明对气流组织进行优化，可以增强末端冷却效果并降低空调能耗；Zhang等[9]和Tu等[10]通过对基站围护结构优化设计，减少空调能耗；邓晨冕等[11]和Wang等[12]通过对空调系统进行变频控制，采用智能控制解决了传统控制所导致的冷却系统高能耗的问题。高效自然冷源利用是降低空调能耗最主要的方式，绝大部分基站在过渡季及冬季，通过风机将室外较低温度的空气引入室内进行降温[13-17]；Wu等[18]研究了利用烟囱效应，通过温度梯度形成的压差将室外新风引入基站内对设备进行冷却。然而，将室外空气直接引入基站，空气质量及温湿度等参数难以保证，并且刘芳等[19]指出，随着芯片热流密度的增加，传统风冷散热已经达到极限，因而通过相变进行传热的热管系统受到广泛关注。Zhou等[20]使用热管系统对基站进行冷却，空调能耗仅为传统空调的41%。Han等[21]提出了一种房间级热管与机械制冷的复合系统，通过模拟计算，复合冷却系统可节省19.1%～28.2%的能耗。综上，前人对于基站空调的研究多为房间级空调的稳态测试及模拟研究，较少涉及现场的性能测试和分析。

5G发展趋势由房间基站向柜级基站发展，房间级精密空调风机压头大、传送距离远、难以实现对设备的精确冷却。因此，现开发一种新型的5G机柜式热管空调一体机设备，采用热管自然冷却、机械制冷辅助的方式降低系统能耗；将一体机侧置于机柜内，实现近端制冷，从而减少设备过热风险。为了探究实际运行中热管空调一体机的动态性能，在过渡季节，设置常规、热管及开启单侧制冷系统4种运行模式，通过设备进出口风温的测试，探究其热安全性，并对其气流组织的效果进行分析。通过测试空调设备及通信设备的能耗，计算不同运行模式的电能利用效率(power usage efficiency，PUE)。基于实际现场测试数据的研究结果，对5G基站的安全和节能运行有一定的参考价值。

1 5G基站测试概况

1.1 5G基站概况

选取武汉市实际运行的5G基站作为实测对象，基站结构及内部的设备布置如图1所示，站内部署了两台通讯机柜，机柜的尺寸为长0.8 m、宽0.8 m、高2.2 m，总热负荷约4.65 kW。

图1 5G基站内部示意图Fig.1 The picture of 5G telecommunication base station

两台机柜并排放置如图2所示，两套蒸发器分别侧置在各自机柜内，空调系统可以互为备份，前后冷热气流通道隔离，减少冷热气流的掺混。图2(a)为正常情况下机柜内气流组织示意图，当系统运行时，机柜风扇将柜体后部的热空气吸入蒸发器进行冷却，将冷却后的空气送入柜体前部。图2(b)和图2(c)为单侧制冷系统故障时柜内气流组织示意图，当其中一台机柜的冷却系统故障时，另一台可以向故障机柜提供应急制冷，提高了系统运行的安全性，并为维护人员争取时间。

1.2 机柜式热管空调一体机系统原理

机柜式热管空调一体机的系统工作原理如图3所示，该系统由热管与机械式制冷两个相互独立工作的回路组成。两个回路并联安装，机柜内两套蒸发器共用换热翅片，被安置在机柜内部左侧，并共用8台离心风机，室外侧冷凝器也共用换热翅片及风机。机柜内右侧安装基站设备，主要由供配电装置，BBU及蓄电池组成。在常规运行时，几乎所有的热量均由BBU产生，仅在紧急断电的情况下，下部的蓄电池才产生热量。热管制冷工质依靠重力作用循环，而机械制冷的循环工质通过压缩机驱动循环。热管空调一体机有4种工作模式，如表1所示，分别为热管运行模式、热管和机械制冷混合运行模式、仅机械制冷模式及应急模式，不同工作模式的切换由蒸发器入口风温设定值Tset、室外温度T2以及其差值决定。

由于冷空气由机柜前侧冷通道送至BBU，换热后由机柜后侧热通道吸入蒸发器，但是BBU是左侧进风，右侧出风，为了保证气流组织通畅以实现通信设备的安全运行，上下两BBU之间放置导风模块，实现冷热通道的隔离。

图2 机柜内气流组织示意图Fig.2 Schematics of air distribution in cabinet

①为离心风机； ②为热管蒸发器； ③为机械制冷蒸发器； ④为节流阀； ⑤为轴流风机； ⑥为机械制冷冷凝器； ⑦为热管冷凝器； ⑧为压缩机； ⑨为配电装置； ⑩为BBU；为导风模块；为蓄电池图3 机柜式热管空调一体机系统图Fig.3 The schematic of the thermosyphon and mechanical refrigeration hybrid cabinet-cooling system

表1 机柜式空调一体机控制策略

1.3 实测内容及设备

本次测试为过渡季节，时间为2020年10月28—30日。在测试期间，室外最高、最低、平均气温分别为24.9、14.8、18.2 ℃，平均相对湿度为77%。本次测试的空调系统其风机与压缩机均是定频运行，为了研究5G机柜式热管空调一体机的性能及节能潜力，设置了4种不同运行模式，并对设备进出口的温度、空调系统耗电量进行了测试，具体运行模式如表2所示，其中运行模式1为热管空调一体机的常规运行模式，模式2及模式3为仅开启单侧机柜制冷系统的运行模式，模式4为仅开启两侧热管系统的运行模式。制冷系统测点的布置如图4所示，测试参数及仪器如表3所示。温湿度自记仪的测试精度为±0.2 ℃，数据采集时间间隔为60 s，K型热电偶的测试精度为±0.1 ℃，采用Agilent 34970A数据采集模块每10 s采集一组数据。左机柜内布置6台BBU，功率相近，右机柜布置一台分组传送网设备(packet transport network，PTN)，其余通信设备为5台BBU，PTN热负荷约为BBU的1.5倍。为了探究空调系统的冷却效果，保证机柜内功率最大的设备能够安全运行，左机柜选择一台BBU，右机柜选择PTN设备作为测试对象。根据欧洲电信标准协会的相关标准，BBU出风温度不能高于55 ℃，相对湿度应该在40%～70%[22]，并以此标准验证BBU是否处于安全的工作状态。

表2 实测机柜式热管空调一体机运行模式

图4 实测5G机柜、BBU测点布置示意图Fig.4 The pictures of measuring points of test cabinets and BBU

表3 测试参数及仪器

根据以上述测点所得的实测数据，计算回风温度指数(return temperature index，RTI)，其计算式如式(1)所示。RTI反映了机柜内冷热气流掺混程度，在理想状况下RTI=100%，越偏离100%表明气流组织越差，当RTI>100%，说明气流回流，导致回风温度升高，当RTI<100%，说明气流旁通，冷风绕过电子设备，直接返回到空气处理装置，降低了回风温度，能源利用率变低[23]。

(1)

式(1)中：RTI为回风温度指数；Treturn为蒸发器进风温度， ℃；Tsupply为蒸发器出风温度， ℃； ΔTequipmentBBU进风、出风温差， ℃。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Treturn_l与Treturn_r分别为左机柜与右机柜的蒸发器进风温度， ℃；Tsupply_l与Tsupply_r分别为左机柜与右机柜的蒸发器出风温度， ℃。

基站总耗电量、通信设备及空调系统的功率及耗电量由基站内部所带电量表读取，并通过所得数据计算基站能效评价指标PUE，计算公式为

(6)

式(6)中：Etotal为基站总耗电量；Eequipment为基站主设备(除空调外其他设备)耗电量。

2 实测结果与分析

2.1 性能分析

运行模式1下两个机柜BBU进出风温度随时间的变化情况如图5所示，可以看出，在常规运行模式下，设备出风温度T21与T23始终低于55 ℃，说明了热管空调一体机在常规运行模式下，能够保证5G通信设备的运行安全。由于PTN设备热流密度较高，T23比T21平均值高约12.7 ℃。设备的进风温度T20、T22呈周期性变化，这是因为热管系统无法提供足够的冷量来维持此设定条件下机柜内的热平衡，当蒸发段的回风温度高于设定温度Tset时，压缩机开启，制冷系统提供的总制冷量超过了设备的热负荷，设备进风温度T20、T22下降，当回风温度低于设定温度时，压缩机关闭，设备进风温度再次上升，机械式制冷间歇式开启，两次启动的平均时间间隔为310 s。从图5中可以看出，进回风温度曲线均存在波动性，回风温度波动性波幅较小，时间存在一定的滞后特性。

图5 运行模式1测点温度随时间变化示意图Fig.5 Time-varying air temperatures at several measuring points under operation mode 1

图6 运行模式2、3测点温度随时间变化示意图Fig.6 Time-varying air temperatures at several measuring points under operation mode 2 and mode 3

从图6中可以看出在模式2及模式3情况下，设备出风温度T21、T23始终低于55 ℃，说明在单侧机柜风机故障导致该侧制冷系统不能运行时，另一侧制冷系统仍可以保证两台机柜通信设备的热安全。从图6中还可以看出，在运行模式2下，机械式制冷开启时，T20的下降幅度要大于T22的幅度，在运行模式3下，T22的下降幅度要大于T20的幅度。这一现象说明了开启了单侧制冷系统时，由于BBU内置风机将冷却后的空气送出，机柜后部热通道内空气相比于前部空气呈微正压的状态，冷、热气流在未开启制冷系统侧的BBU进风处进行了掺混，导致该侧温度下降幅度较小。为了探究机械式制冷设定温度Tset对于系统性能和设备安全性的影响，分别将Tset设定为26、30、32 ℃。当Tset从26 ℃增加至32 ℃时，左柜、右柜设备进、出风温度均随着Tset上升而上升。压缩机相邻两次启动的时间间隔，模式2由186 s增加至272 s，模式3由184 s增加至240 s，这是由于传热温差的增加，增加了热管系统的制冷量，因此提高启动设定温度Tset，可以减少压缩机的启动时间，从而降低制冷系统能耗。

压缩机启动时，各测点温度平均值如表4所示。从表4中可以看出，开启单侧机柜制冷系统，当设定温度为32 ℃时，左柜BBU出风温度T21平均值分别为36.2 ℃和36.8 ℃，右柜PTN设备出风温度T23平均值分别为50 ℃与49.5 ℃，距离55 ℃仍具有一定的空间。因此可以进一步提高压缩机启动设定温度值，从而提升热管的节能潜力。

图7为两机柜仅开启热管系统时，设备进、出风温度(T20～T23)、蒸发器进风温度及室外温度随时间的变化情况。从图7中可以看出，在热管模式下，BBU的进出风温度及蒸发器的入口风温达到较为稳定的状态。左柜BBU进风温度T20平均值为40.9 ℃，左柜BBU出风温度T21平均值为47.1 ℃。右柜PTN设备进风温度T22平均值为41.8 ℃，右柜PTN设备出风温度T23平均值为55.6 ℃，略高于55 ℃。左、右柜蒸发器进风温度平均值均约为43.5 ℃。此时室外平均温度约为20.8 ℃，在热管换热温差约为22 ℃时，开启热管系统可以满足左侧机柜设备的安全运行；然而右侧机柜负荷较高PTN设备出风温度超过了欧洲电信协会标准，仍需要机械式制冷来辅助散热，使其维持在合适的工作温度。

表4 压缩机启动时各测点平均温度

图7 运行模式4测点温度随时间变化示意图Fig.7 Time-varying air temperatures at several measuring points under operation mode 4

2.2 气流组织分析

以模式4为例，计算了制冷系统气流组织的评价指标RTI，计算值如表5所示，可以看出左机柜RTI为46.6%，右机柜RTI为20.4%，均小于100%，说明机柜内气流旁通现象严重。原因在于机柜负载在垂直空间分布不均匀，位于机柜上部的配电系统和位于机柜下部的蓄电池在正常工作时几乎不产生热负荷，经过这两个部分的冷气流没有承担任何负荷，直接回到机柜背部，在机柜背部进行掺混，造成短循环现象，使得蒸发器进风温度平均值远低于 BBU出风温度平均值。因此机柜的气流组织还需要进一步优化，减少冷热气流掺混，提高蒸发器进风温度，从而更好地发挥热管系统的节能潜力。

表5 模式4下机柜内气流组织评估

2.3 能耗分析

表6给出了在不同运行模式下，制冷系统稳定状态下的PUE。在模式2与模式3的情况下，开启单侧制冷系统，不仅可以保证设备的安全运行，同时还能达到节能的效果，相比于常规运行模式，其PUE值由1.59降低至1.34，节能率约为41.7%。在模式4下仅开启热管系统，能满足大部分负载密度较低的设备安全运行，其节能率约为46.4%。