中国移动通信集团广东有限公司广州分公司 郑川 杨文俊 龙智 朱海天 苏晓亮
清华大学 江亿 魏庆芃 李震 王鑫
【摘要】本项目通过对典型移动通信基站的环境控制技术及其能耗特点进行研究，提出将热管技术应用于基站的导热和温度控制，研发新型的基站环境控制设备，以此代替传统的基站空调，从而大幅降低基站空调能耗。在基站中的试运行测试结果表明，新型的热管设备能耗仅为空调的1/5，节能80％以上。
【关键词】移动通信 基站 热管 节能
一、典型基站的能耗状况和热平衡分析
1、 典型基站的能耗状况
中国移动广东广州分公司的HN基站是一个典型的移动通信基站（基站的外观和设备布置见下图），设于某高层建筑物屋顶，机房面积约为21平方米，长、宽均为4.6m，高2.8m，外墙为200厚砖墙，地面为100mm厚钢筋混凝土，天花板为50mm厚聚苯乙烯泡沫板。基站机房内安装有内设GSM900和GSM1800的机柜各4台，额定制冷量7500W的空调柜机2台，此外安装有电池组、配电箱等配套设备若干。实际测试结果显示，该基站全年耗电约5.1万KWh，其中通信设备耗电39,693KWh，占77％，空调耗电11,627KWh，占23％。空调耗电是基站耗电的重要组成部分。
2、 基站能量平衡测试分析
2007年1月8日到10日期间，对HN基站室内外多个测点进行的温度记录，并根据此计算围护结构和空调供冷量，结果如下图所示：随着室外温度和太阳辐射的变化，维护结构得热量变化较大，其平均值为-1.8kW（即围护结构以向外散热为主）；空调供冷量随着围护结构的变化而变化，其平均值为3.5kW；两者差值为5.3kW，与室内设备的平均耗电功率（4.93kW）十分接近，偏差仅7.3％。由此可见，从整个基站看，室内设备的电能输入主要转化为热能，通过围护结构和空调两个途径散发到机房外。
3、 通信机柜的热平衡分析
我们选取一个通信机柜进行热平衡分析：在稳定的状态下，机柜的蓄热变化量为零，设备输入能量（电量）等于其输出能量，其中基站发射电磁波的能量很小，可以忽略，故输入的电量主要通过循环风和机柜表面辐射两种以热量的方式输出。测试结果表明，1台机柜输入的功率约为684W，其中564W的热量通过循环风带走，120W的热量通过机柜表面辐射散出。
从以上分析可以看出，将通信机柜散发的热量传导到基站机房外是基站环境控制的核心问题，也是空调设备耗电的根本原因。
二、热管技术和基站传热过程优化
1、传统基站传热过程
在基站中，发热的电子元器件要将其发热量散发到机房外，需要通过以下途径：电子元器件－设备机箱－设备机柜－机房环境－空调风系统－空调水系统－空调制冷剂－室外空气。在这一传热过程中，机柜散热温差仅7℃，但冷源工作温差达27℃。
以上传热过程中，由于传热环节较多，室内各环节温差较大，因此不可避免发生掺混的现象，导致冷量损失；另一方面，为了得到较大的冷源工作温差，传统空调采用了压缩机技术，而压缩机正是空调机的主要耗电部件。
2、热管技术
热管是20世纪60年代宇航技术发展的突出技术成就之一。其导热能力很高，为良导热体银、铜的当量导热系数的成百上千倍，能在温差极小的情况下，传递大量的热流，故有超导热体之称。目前热管技术主要应用于航空、军事和工业导热领域。热管的基本结构如下图所示，它是由外壳容器、吸液芯（也有的热管不带吸液芯）和载热工作介质三部分构成。在轴向分为蒸发、冷凝、绝热三段（通常无绝热段）。
热管工作时，外部热源使蒸发段受热后毛细吸液芯的工质汽化，由于不断产生蒸汽，因而压力较高，依靠压差使蒸汽经热管中间通道迅速流向冷凝段，冷凝成流体释放出等量的冷凝潜热。在管芯毛细力作用下，流体又回到蒸发段，通过这种反复循环的过程，从而传输比一般方法大得多的热流。
3、基站传热过程优化
由于热管可以在较小温差下传导较大热量，我们考虑将热管技术应用到基站的传热上，对基站的传热过程进行优化。在保持模块表面温度不超过45℃前提下，将电子元器件散发的热量通过热管传导到机房室外。如下图所示，采用热管技术可以降低传热各环节之间的温差，减少掺混，并且由于热管技术不需要机械制冷，其部件耗能远远低于传统的压缩机式空调，从而达到大幅度节能的目的。
与传统空调比较，热管系统的优点在于能耗低，耗电量约为设备发热量的1/20，而传统空调耗电量占设备发热量的1/3；热管系统的缺点在于其温度控制效果受室外温度影响，在室外气温最高的时段里可能需要机械制冷补充。
三、分离式热管系统在基站环境控制中的应用实践
1、分离式热管系统设计
基于以上的研究和分析，中国移动广东广州分公司与清华大学合作进行了针对基站环境控制的热管设备研发。分离式热管系统工作原理如下图所示，通信设备发出的热量通过蒸发器传入热管系统，热管内的工质受热蒸发，将热量带到室外的冷凝器，气体的工质在冷凝器中液化，将热量释放到室外空气，液化后的工质在重力的作用下回到蒸发器，如此反复。
2、设备试运行效果
设备研制完成后，先后在清华大学的实验室和中国移动广东广州公司的HN基站中试运行了一段时间，运行结果良好。2007年9月，HN基站安装了热管系统后，在试运行的1个月时间里，空调机未再启动，仅依靠热管系统保障基站的散热。此期间，室外最高温度达35℃，但通信设备运行良好，未出现任何故障，基站室内外温差基本保持在6℃左右，热管系统能耗仅有原空调系统的1/5，环境控制能耗下降80％。
四、应用前景和效益评估
1、热管技术的普适性
根据气象局统计数据，广州温度极高年有80小时气温超过35℃。即全年8760小时中，99％的时间只利用热管系统即可满足环境控制要求，仅有不超过1％的时间需要机械制冷（压缩机式空调）作为补充。当然考虑到机房周围环境温度可能略高于气象记录，空调器实际运行时间可能略高于1％。
另一方面，基站机房只是高功率密度信息机房的一个特例，事实上，各类通信和计算机设备机房的能耗和热平衡特征与基站机房非常相似。通过进一步研究，可以将热管技术进一步应用在各类信息机房的散热上，这将大幅度降低空调的能耗。
2、效益评估
根据HN基站试运行的结果，热管系统每年可为HN基站节省耗电将近1万KWh。中国移动在广州地区建有基站超过2000个，如在广州地区的移动通信基站推广使用热管系统，每年可节省耗电约2000万KWh。如将本项技术在广州以外的地区和基站以外的信息机房使用，将产生更大的节能效益和经济效益。
3、后续工作
下一步，我们将对热管设备进行进一步优化，并逐步扩大试用范围，跟踪新设备系统的可靠性、适用性和维护便利性。同时，将对热管设备投资成本进行分析，将其与其他散热方式（如普通空调器、机械通风机等）进行技术经济分析比较，并确定推广的方式和范围。
参考资料：
[1] 王鑫、魏庆芃、江亿等，《广州移动HN基站测试报告》，内部资料，2007年1月。
[2] 王鑫、魏庆芃、江亿等，《广州移动基站节能项目第一阶段成果报告》，内部资料，2007年3月。
[3] 王鑫、魏庆芃、江亿等，《基站热管试验报告》，内部资料，2007年6月。
[4] 苏晓亮、朱海天，《移动通信基站节能技术集成研究》，内部资料，2006年9月。
[5] 朱海天、苏晓亮等，《移动通信基站与局房节能技术创新提案》，内部资料，2006年8月。
[6] 佚名，《超导热热管》，绿色建筑社区网站，http://www.igreen.cn/。
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