通信机房节能技术及新技术研究

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摘要:随着5G基站建设规模加大、数据机房不断扩建扩容，通信设备及周边空调的能耗占运营商支出的比例越来越高，如何有效降低通信设备机房能耗是当前研究和应用的热点。首先介绍了国内外通信机房节电新技术的应用现状，然后基于当前新材料、新设备发展的热点，对后续通信机房节能新技术进行了介绍和展望。

关键词:通信机房;节能;空调;电池

1概述

绿色环保和节能减排是我国实现可持续发展的重要手段。2020年第75届联合国大会，我国宣布将提高国家自主贡献力度，采取更有力的措施，力争使二氧化碳排放在2030年前达峰，努力争取2060年实现碳中和。有机构预测2025年通信行业将消耗全球20%的电力，随着智能生产和生活的快速发展，由海量数据传输导致的通信设备能耗越来越大［1］。除此之外，通信设备所在的机房空调、电池等周边设备耗电量也十分巨大。为了深入探讨新技术对通信机房节能降耗的推动作用，本文将结合国内外材料和能源新技术的发展，对通信机房节能技术的现状和新技术进行阐述。

2通信机房节能技术的发展现状

降低通信设备能耗的技术主要包括通信智能空调改造、引进新风空调等。

2.1智能空调

智能空调主要通过动态精确制冷技术、自动温控技术，精确送风技术等实现［2］。l)动态精确制冷技术针对被降温通信设备的不同散热要求，通过调节出风口的温度和风量来实现。例如对服务器类运行温度要求高的设备，对应出风口温度可以设定为较低、出风量较大;基站类承受运行温度较高的设备，对应出口风温度可以设定为较低、出风量较低。2)自动温控技术是通过在设备各个采样点部署多个温度传感器实现的，传感器回传信号对比预设值，自动控制出风量和温度。3)精确送风技术通过将送风口贴近或插入通信设备机柜内部实现，比如通过前进冷风、后排热风方式在周边温度较高情况下，满足送风范围内通信设备的散热要求。

2.2新风系统

新风是在机房外部环境较低时，将冷空气引入机房或间接换热进行降温的方法。新风系统在我国春秋季节适合多数区域进行换热，夏季南方地区还需要和传统空调配合使用，冬季北方地区则需要二次加热，避免产生凝露问题。新风系统分为闭式热交换新风和自然通风新风系统。2.2.1热交换新风系统热交换新风只将室外冷风作为冷源带走热量，室内空气通过换热冷却后对通信设备制冷。由于室内外空气没有直接接触，新风系统的效率主要受室内外温差的影响，适合温差较大的区域使用。热交换新风常见技术有全热交换器、热管换热技术等。2.2.2自然通风新风系统自然通风新风是直接将室外冷空气输送至室内降温。该系统安装简单快速，冷量随风量增大而增大。由于不能100%过滤室外的灰尘、硫化物等颗粒，需要考虑机房内通信设备在湿度、洁净度等方面的要求［3］，对于核心机房和基站的过滤要求应有明显区分。

3通信机房节能新技术展望

随着新材料研发及新技术的推广，许多已研发成熟或其他行业已开展应用的技术可以在通信机房节能中使用，例如外墙天空辐射制冷技术、室外自然冷源热交换技术、风光一体化发电及储能技术、动力电池梯次利用技术等等，并且各项技术可以根据当地机房条件进行综合部署，充分获取综合节能收益，如图1所示。

3.1天空表面辐射制冷节能

机房天空表面辐射制冷是将机房外墙和房顶表面的热量以电磁波的形式辐射到外太空来实现机房墙体降温，从而降低室内空调运行负荷。辐射制冷的主要优点是不需要输入其他形式的能量，是一种新兴的绿色环保制冷方式。8～13μm的红外波段可以直接穿透大气层，水蒸气、二氧化碳、臭氧在此波段基本不产生衰耗，在机房表面涂刷对应波段辐射良好的无机物或高分子聚合物可以较好地实现辐射制冷。密歇根大学上海交通大学联合工业学院鲍华课题组近期研究了以双层纳米颗粒为基础的高效地球辐射冷却涂层，采用合理设计的二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)和碳化硅(SiC)纳米颗粒，制备了具有高反射率的表面反射层和表面发射层的双层涂层，该涂层理论上可以在夜间低于环境温度17℃，在直接太阳辐射下低于环境温度5℃。这种以纳米颗粒为涂层的方法很容易实现大面积应用，是实现辐射冷却技术大规模应用的重要一步［5］。

3.2基于环境热交换节能

利用自然环境热交换进行高效和绿色制冷也是目前的研究和应用热点，目前采用自然水冷的方式比较多。如微软公司将864台服务器安装在充满氮气，类似胶囊的密封潜水器里，沉入苏格兰水深117英尺的海底稳定运行了2年，谷歌公司在芬兰实现了只使用波罗的海的海水冷却数据中心，实现了零排放制冷;阿里巴巴公司的千岛湖数据中心通过抽取湖水进行自然冷却，经测试在室外温度达40℃时仍不需要启动空调。考虑使用自然水源时受到必须临河、临海、临湖的限制，目前还有研究通过城市众多自来厂主水管道的冷水对机房进行冷却，一般自来水温度都较低，尤其是严寒、寒冷及夏热冬冷地区，这些地区的自来水中蕴藏着巨大的冷量，给通信机房进行冷却的同时相对于对自来水进行了加温，降低了居民对生活热水用电和燃气的消耗［6］，是一举多得的机房冷却节能方案。

3.3风光一体等的新能源节能

在通信机房周边或楼顶建设风光一体绿色发电系统，在风光条件较好时利用太阳能和风能供电，在夜间或风力较小无法满足通信设备负载要求时，通过电网提供不足的电能部分。新能源作为优先供电能源，尤其是太阳能发电可以直接通过适当串并联以48V直流电给基站等直流通信设备供电，节省了交直流转换设备的耗电。风光和市电互补控制需要自适应调节，考虑平滑过渡，需要精准控制。基于风光一体的新能源机房有效解决了偏远地区基站供电的稳定性，使得备用柴油发电机组可以不启动或很少启动，降低通信基站的维护成本［7］。

3.4动力电池梯次利用

目前以新能源车辆为代表的动力电池市场发展快速，2020年我国新能源汽车销量首次突破100万台，仅在12月份就销售超过22．2万台，但同时面临淘汰的动力电池数量大、回收市场分散混乱的问题。利用动力电池的剩余寿命，作为通信站房备用电源，可以代替传统的铅酸电池。另外，由于锂电池的循环次数远高于铅酸电池，对于采用阶梯供电的站点，还可以通过电源控制系统在电价高峰断开市电，单独使用锂电池供电，电价低谷时进行电池充电。

3.5各种节能方式对比

基于以上4种节能方式，通过落地情况，对相关优势和劣势进行了对比分析，如表1所示。

4结语

随着5G的广泛部署以及人机物互联的加速，通信机房的能耗将持续增加，发展和推广绿色节能降耗新技术对于通信机房的经济效益和环保意义越来越突出，因此需要积极考虑多种节能新技术，并加快相关试点和应用，将节能融入通信机房的建设、维护过程中，提高能源利用效率、实现环境友好。其中，天空辐射制冷是目前国际热门研究技术，包括材料和制备等，产业落地后适合机房墙体、房顶、基站RRU/AAU涂刷制冷;冷源直接交换制冷技术理论比较成熟，技术实验国内外也较多，后续需要在工程设计时纳入规划并进行产业化来降低落地成本，实现规模应用;风光一体化新能源节能目前技术已比较成熟，在部分区域也进行了试点，当前适合风光资源较丰富区域或陆地偏远及海岛区域落地;动力电池梯次利用技术将随着车用动力锂电池退役，对通信行业也持续产生利好，同时结合风光一体化等技术可以发挥更优的节能效果。在选择具体节能技术时需要结合机房的实际情况，充分利用本区域环境或技术优势，通过多种技术的结合实现绿色综合节能。

参考文献:

［1］龚文，杜秋．运用智慧能源破解5G基站高耗能难题［J］．国际融资，2019(8):30－32．

［2］徐慧姣．数据中心机房的节能减排技术及发展［J］．通讯世界，2019，26(3):316．

［3］蒋雅靖．电讯通信机房新风系统节能研究［D］．上海:东华大学，2011．［4］赵斌．天空辐射制冷及其与太阳能光电转换综合利用的研究［D］．合肥:中国科学技术大学，2020．

［5］BaoHua，YanChen，WangBoxiang，etal．Double-layernan-oparticle-basedcoatingsforefficientterrestrialradiativecooling［J］．SolarEnergyMaterialsandSolarCells，2017，168(168)．

［6］崔科，赵进良，付晓飞．数据中心空调冷却及余热回收系统技术分析［J］．节能技术，2020，38(4):379－384．

［7］夏威．通信基站电源系统中的节能技术研究［D］．大连:大连理工大学，2019．

作者：秦宇 周宇 王伟云 单位：诺基亚通信系统技术( 北京) 有限公司 沈阳航空航天大学能源与环境学院