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  70. 我国节能节电行业的挑战与机遇
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  82. 电能质量的定义、指标、常用语
  83. 《节能节电与安全生产》专题讲座
  84. 共同开创节能节电新纪元
  85. 节能节电行业服务新模式
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  94. 第十届中国设备工程专家高峰论坛在山东淄博召开 祥和节能集团作节能经验案例报告
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  99. 爱心捐款感谢信
  100. 国家机关事务管理局权威推荐祥和中央节能保护装置成为公共机构首位配电系统节能产品
  101. 祥和节能集团发起成立全国性节电产业联盟
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  103. 祥和节能集团25周年庆典花絮
  104. 成都祥和节能集团受邀参加加州州长欢迎会
  105. 伍泽涌高级工程师当选为节电产业联盟理事长
  106. 祥和节能集团在第九届中国国际节能减排展再露锋芒
  107. 在系统节能万里行成都站报告会上 祥和节能集团向成都用户介绍 祥和中央节能保护装置的研发背景
  108. 在深圳第八届中国国际节能减排产业博览会上 祥和中央节能保护装置再次吸睛迎捧
  109. 伍泽涌董事长兼总工程师首次参加中国能源研究会理事会会议
  110. 《节能节电实用指南》公开发行 中国第一本科学、通俗、实用工具书
  111. 祥和节能集团2017年度经销商培训会成功举办
  112. 祥和节能集团推出节能稀土纳米陶化涂料新品
  113. 祥和中央节能保护装置在第四届绿博会引爆商机
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  122. 祥和中央节能保护装置入选全国电子节能重点推荐目录
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  126. 2018年四川节能环保品牌推广全川行 祥和中央节能保护装置 川南宜宾站
  127. 成都祥和节能集团向四川省图书馆捐赠《节能节电实用指南》书籍
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  130. 为我国节能节电事业贡献力量 伍泽涌先生再次聘为国家一级社团中国电子节能技术协会节能专家
  131. 祥和节能集团创新渠道合作模式
  132. 中国管理科学研究院节能研究所与成都祥和节能集团在北京举行祥和中央节能保护装置技术交流会
  133. 国务院印发《“十三五”节能减排综合工作方案》——加强重点领域节能部分内容
  134. 祥和中央节能保护装置引爆2018中国国际节能环保技术装备展示交易会
  135. 祥和节能集团主编伍泽涌先生编著 荣获中国能源研究会能源优秀科普图书奖 - 安全与系统节能工
  136. 伍泽涌常务理事兼节电产业联盟理事长在北京出席《2018中国能源研究会年会》
  137. 人民网:中核集团中核(北京)核仪器有限公司与祥和节能集团签署战略合作协议
  138. 首届高级能源管理和高级能源审计证书成都培训班成功举办
  139. “微言评”二:节能减碳 幸福相伴
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  141. “微言评”三:节能减碳 美好明天
5G基站系统节能降费&降温降噪解决方案初探

5G基站系统节能降费&降温降噪解决方案初探


伍  泽  涌


( 祥和节能集团、国家节能减碳产业创新联盟,成都610041)



摘要:5G基站作为5G网络的能耗大户,降低其能耗量、碳排放量、设备发热量、设备温度、设备噪声、运营成本等,对于5G网络的发展与应用,具有重要价值。本文首先分析了5G基站面临的主要问题,从改善和提高5G基站的电能质量角度,降能耗、降排碳、降温度、降噪声、降成本的需求出发,探讨5G/4G基站节能降费&降温降噪技术方案,服务合作模式创新,“5降”效果验证验收方式方法。
5G base station is a major contributor in terms of power consumption. Lowering power consumption, carbon emission, heat generated by devices, temperatures, and operating cost provides significant value to the development and application of the 5G base station. This article first analyzes the major problems that 5G base station is facing. From improving the power quality perspective, this article explores technical approaches that could be adopted to lower the operating cost, temperatures and noises of 5G/4G base stations, as well as service modeling innovations, and acceptance method of the “five terms lowered”.


关键词:5G基站;系统节能;降温降噪;降耗;降电费;降成本;服务模式
5G base station; systematic energy saving; lowering temperatures and noises; lowering energy consumption; lowering power cost; lowering cost.


引言


    5G以超低延迟、网速高达1Gbps以上、超多设备连接数三大公认优势,成为移动通信领域的重大变革点,已经被纳入发力于科技端的基础设施“新基建”范畴,已经被我国高层定调为“经济发展新动能”。


    专家预测,2025年通信行业的能耗,将占全球电能总量的20%,通讯基站又是通信行业中的能耗大户,大约80%的能耗来自于分布广泛的城乡基站。除了5G基站单站比4G基站单站的电能消耗量高达2.5~3.5倍之多外,再加上5G基站的密度比4G基站高1.5倍,两者叠加之后的高昂能耗费用支出,将成为压垮运营商的“稻草”,成为我国四大运营商与中国铁塔公司的沉重负担与不得不解决的难题。有专家甚至指出,同样覆盖面情况下,5G网络能耗将达到2430亿度,电费将高达2160亿元。如何降低5G基站运营维护成本,采用哪类方案解决5G基站的高能耗问题,就成为了四大运营商与中国铁塔公司,共同面对和亟待解决的课题。


    此外,因5G基站计算功耗的上升,所带来的高能耗、高排碳、高温度、高噪声、高成本问题;因设备热量增加和温度升高,所产生的5G基站建设成本增加,设备工作效率降低,使用寿命缩短问题。由此所形成的降能耗、降排碳、降温度、降噪声、降成本“5降“需求,以及提高5G基站的BBU与AAU主设备运行平稳度与可靠度,成为5G基站技改与建设的重中之重。


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5G网络已列入国家新基建范畴,将得到迅猛发展。


    在这种情况下,一方面为了降低5G基站的建设成本,大量采用NSA(非独立组网,利用现有4G设备进行5G网络的部署,即同时使用4G核心网、4G无线网及5G无线网;采用双连接方式,5G NR控制面锚定于4G LTE,并利旧4G核心网EPC)将5G基站与4G基站相结合的技改方式建设5G基站,另一方面依靠科学创新、技术创新和产品创新,在5G基站的材料研发、技术研发、产品研发、工艺研发等方面下功夫,已经寻找到了一些较为有效的降低能耗、降低噪声、降低温度、提高运行平稳度的途径与解决方案,甚至还有运营商研发机构、通讯设备上市公司、大型通信设备供应商,提出了5G设备、5G站点、5G网络的三个级别节能体系模式,大有节能降耗降本已“竭尽全力”之势。但这些措施至今仍存在着技改和建设成本偏高,投资较大,效果有限,有的还存在着影响运营连续性、平稳性风险等等不足与缺陷。


    本文在祥和节能集团(成都祥和云端节能设备集团有限公司)的《5G/4G基站节能降费&降温降噪解决方案》基础上,牢牢抓住5G/4G基站设备“吃”的就是电能这个“牛鼻子”,不仅从改善和提高电能质量入手,还与祥和涂料集团(成都祥和新代涂料集团有限公司)的《祥和节能纳米陶化涂料》相结合,标本共治,表里兼治,将传统的被动降温调整为主动被动降温相结合,探索5G/4G基站节能降费&降温降噪的新途径与解决方案,从而推动5G/4G基站节能降费&降温降噪的服务模式创新及发展。


1. 解决5G基站“5降”问题的困惑与探索


1.1 在5G基站降能耗和降排碳方面


    众所周知,5G基站的设备大部分建设在4G基站内,原基站设备老化,环境老旧,5G基站的设备,主要由主设备和辅设备两大类组成。主设备由负责5G基带数字信号处理的BBU,与将基带数字信号转换成模拟信号,然后调制成高频射频信号,再通过功放单元放大功率,通过天线发射出去的AAU组成。其中,BBU的功率比较稳定,业务负荷对其影响不大,而AAU的功率则随负荷的增加而大幅度增加,减少而大幅度减少。



图:5G基站功耗组成示意图(摘自网络)

QQ截图20200424172903.jpg


在上图中,5G基站的功耗简单计算公式为:


P5G基站=NTRX×(PPA+PRA+PBB)


    也就是说,5G基站的主设备功耗的影响因素,主要是PA功耗、漏电功耗和芯片功耗三个方面。


    就单座5G基站来说,5G基站的能耗(电费)是4G基站的2.5~3.5倍,能耗成本增加量已经很大,然而再加上因5G基站的覆益面积远小于5G基站,所增加的2~3倍5G基站数量,两者能耗数量的叠加,使5G时代的5G基站能耗增加至4G的6~12倍,致使能耗费用成为各大运营商和中国铁塔公司的沉重负担。


    面对5G基站功耗增加,而导致的电费大幅度增加问题,人们采用了更高级的工艺,更高级的制程芯片,更高效节能的器材和材料,创造性地改造设备结构,引进喷淋或浸渍的物理散热方法,AI技术动态功能功耗控制等应对措施与解决方案,已经收到了一定的效果,但总体来讲,其降低能耗,降低排碳量,减少设备发热量和降低设备温度,降低设备噪声,减少综合运营成本方面的效果,仍然十分有限。5G基站的设备高能耗问题、高排碳问题、高温度问题、高噪声问题、高成本问题、主设备BBU与AAU运行平稳度问题,仍然是摆在各大运营商及中国铁塔公司面前的严峻挑战,仍然是我国推进5G通信建设的重要障碍之一。


    由于高能耗问题一定会带来高排碳的环境污染问题,5G基站能耗大幅度增加,必然带来碳排放量的相应增加。其碳排放数量可采用两种方式衡量,一是二氧化碳排放量,二是标准煤数量。详见本文2.3.2.2的换算。


1.2 在5G基站散热降温降噪方面


    试验证明,电子元器件的温度每升高2°C时的可靠性下降10%,当温升达50°C时的寿命,仅为温升25°C时的1/6,而集成电路芯片和电子元器件的体积不断缩小,其功率密度会快速增加,从而使散热问题及降温问题,成为了直接影响和制约电子产品的性能和可靠性的痛点问题和难点问题。高温发热造成设备闪退,进而使退服率增加,影响用户对网络使用的满意度。5G基站也是如此。


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5G基站功耗示意图(摘自网络)


    5G基站的能耗,包括计算能耗(即BBU设备的耗电量)、传输能耗[即功率放大器(PA)和射频(RF)能耗、额外能耗(即直流供电的整体转换过程的额外损耗、空凋能耗、制冷设备的能耗)三大类型。其中,计算能耗的大幅度提升,必然带来散热降温问题,而传统的被动式空调散热降温,又会带来更多的电能消耗,增加更多的运营成本。况且,空调散热降温对5G基站边缘计算和高速本地缓存需求的悬挂在城市灯杆上的小基站,并不适合采用。于是人们不得在5G基站散热降温系统上下大功夫,研发散热降温效率高,节省空间的5G基站散热系统。例如,将散热结构与散热器进行热交换,使5G基站室内的发热器件散发的热量,通过导热结构传导至散热器并散发出去,从而达到散热降温的目的。这些散热降温方式的共同缺陷是,均属于在热量已经产生后的补救措施,而非从引发5G基站发热量的电能质量这个“牛鼻子”上入手,设法使5G基站设备少产生热量,从源头上降低5G基站的热量与温升的方法。降低噪声的方法也是如此。也就是说,降低温升与减少噪声的最佳方法,不是温度升高后再去降,也不是噪声产生后再去降,而是设法不让温度升那么高,不让噪声产生那么高。


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风力发电与光伏发电等“垃圾电”的并网,对5G/4G构成的不良影响,尚未引起通信行业的足够关注与重视。


    由于光伏发电(具有间歇性弱点)与风力发电(具有随机性弱点)等“垃圾电”的并网;从发电、输电、配电到用电各环节的电力电子化设备大量使用,使电能特性与惯性已经改变,以及5G基站(包括4G、3G、2G基站等)设备的非线性污染性设备特性,所存在的电能质量上的“矛与盾”问题、空调设备的启停冲击问题;5G基站附近居民和厂家、商家的用电干扰问题等等因素,导致5G基站所索取的电能质量问题十分突出,进而导致5G基站的发热量增加,其室内温度上升。若是从电能这个发热和升温的源头上解决问题,就需要设法使5G基站所索取的电能,是清洁、柔和、平稳的。


    此外,噪声污染也是人们公认的环境污染问题,5G基站的噪声问题是各方关注的话题之一,同样需要人们采取有效措施加以解决。


    需要特别重视的是,由于5G基站高能耗,所引发的高排碳问题、高热量问题、高温度问题、高噪声问题,导致的高电费支出,高散热降温投入、高噪声降噪费用,从而使5G基站的投资成本与运营费用成本大大增加。


1.3 在5G基站系统节能效果验证验收方法方面


    在5G基站问世之前,人们已经就降低通信基站的节能减碳问题,采取了许多措施。比如,采用新风系统进行基站节能技改、对基站空调进行节能技改、采用光伏发电或或风力发电进行节能技改、采用隔热保温涂膜进行主动降温的节能技改等。由于这些技改方案本身所存在的固有缺陷和不足,再加上采用挂表验收方式,而非采用查验基站的电能入口端收费电表方式确定节电效果,而时有发生“节能不一定省钱”,“减肥不称重”的节能纠纷问题,致使我国基站的节能减碳工作进展缓慢。


    在5G网络作为移动通信领域的重大变革点,列入新基建首位范畴之后,人们对5G基站系统节能效果,减少碳排放量等,就达到了前所未有的关注和重视。因为5G基站的高能耗,所导致的高运营成本,直接威胁着运营商的收益多少,甚至5G基站的建设成本高低。此外,还关注由此产生的散热、降温、降噪问题,设备使用寿命问题,设备故障率,设备运行平稳度等等。


    鉴于5G基站系统节能的效果验证验收如此重要,急需探索并寻找到以5G基站收费电表为依据的,各方都能接受的,操作简单方便的,经得起时间检验的系统节能效果、降温效果、除噪效果验收方式与方法。也就是说,急需一种以5G基站收费电表数据为依据的节能效果验证验收、降温降噪效果的标准与措施。


    值得注意的是,5G基站的系统节能效果,除了以节省的电费数量为依据外,还应关注5G基站的设备运行状况,特别是运行平稳度是提高还是降低,发热量是增加还是减少,其室内温度是上升还是下降、噪声是增加还是降低、设备运行平稳度是提高还是降低、设备维护维修费用是增多还是减少?一句话,5G基站的综合运营费用,究竞降低了多少、设备温度噪声减少了多少、设备运行平稳度提高了多少等等,才是根本。


2 技术方案和服务模式创新


2.1 5G基站的技术方案架构及特点


    随着生态文明建设的高速发展,我国通信基站正在朝着绿色、节能、减碳、永续的方向发展,5G绿色基站技改与建设是必然趋势和基本要求。根据祥和节能集团自2014年以来,先后在广东、四川、云南、江西、广西、福建、山东等省区的5G/4G基站系统节能技改经验,在当地各运营商、铁塔公司等单位的支持参与下,针对5G基站的高能耗、高排碳、高热量、高噪声、高成本“5高”难题需求,为满足降低5G基站能耗量与电费支出为核心,并兼顾降低碳排量、降低设备升温、降低设备噪声、提高主设备BBU及AAU运行平稳度需要,在不改变基站设备布局,不改变其室内设备位置的前提条件下,架构了以下两个方案:


    一是治本的仅仅在5G基站的收费电表之后的电能入口端,串联安装祥和基站型中央节能保护机方案。此方案特别适合于5G基站与4G基站融合的5G/4G基站,其优势是安装简单容易,在不改变5G/4G基站内的任何线路、设备位置的条件下,就对站内的配电系统中的主设备、辅设备、以及基站的配电系统,都具有节能减碳作用、安全保护作用、降温降噪作用、提高运行平稳度作用,且只要是持有电工证的人员,经简短培训后就可自行安装与验收。


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安装在5G/4G基站电表之后的祥和基站型中央节能护机


    二是在此方案的基础上,再对5G/4G基站的机房四周及顶部进行以祥和节能涂料为核心涂膜的标本兼治系统节能方案。此方案特别适合新建设的5G基站,是将传统的空调被动降温与室内冬暖夏凉的祥和节能涂膜的主动降温相结合,既使5G基站的能耗更低,室内温度控制效果更好,又将5G基站的防腐、防晒、防雨、防潮相统一,其综合性能优于第一个方案。


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陶瓷空心颜填料的隔热保温特性


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祥和节能稀土纳米陶化涂料节能涂装前后室内温差对比及节能原理


    5G基站的上述两个技术方案的共同特点是,将5G基站视做一个整体,动态化的考量规划与架构,牢牢抓住5G基站所有主辅设备,所“吃”的就是电能这个“牛鼻子”,通过双向阻隔、抑制、滤除、吸收电能污染,防止其相互叠加,削弱基站各设备之间的相互干扰,降低5G/4G基站的电磁辐射,使5G/4G基站所索取的电能是清洁、柔和、平稳的。第二个方案还将5G基站所在的环境、气候、介质及一年四季气温变化等因素,纳入到该技术方案之中。两个技术方案的架构,均不是从5G基站的设备上入手,而是运用系统方法、整体方法、动态方法,着力于着眼于日常运维上,实现5G/4G基站的深刻性、全面性、原始创新性的变革与突破。若是能将这两个方案或其一,与5G基站内的设备节能、站点节能、网络节能相结合,其综合节能效益,综合降温降噪效果,提高运行平温度等更佳。


2.2 三大服务模式简说


    根据各运营商和中国铁塔公司目前的运营模式与电费承担方式,结合上述5G/4G基站的技术方案特点,以及祥和基站型中央节能保护机与祥和节能稀土纳米陶化涂料的优势,推荐下列三大服务模式:


模式1:运营商或铁塔公司全额投资


    这是最简单的合作模式,由拥有该5G基站的运营商或中国铁塔公司投资购买祥和基站型中央节能保护机,然后在祥和节能集团及其合作伙伴协助下安装即可。若是采用第二个技术方案,则再订购祥和稀土纳米陶化涂料,并组织涂装施工。此服务模式的优势是合作关系简单易行,各运营商与中国铁塔公司完全自主,两个技术方案均适用。


模式2:效益分享型合同能源管理


    由祥和节能集团或祥和节能集团的合作伙伴,与各运营商或中国铁塔公司共同分享节能效益,按月结算方式每月支付节能效益。此服务模式的优势为,各运营商和中国铁塔公司不需投资,设备日常维护和保养,交由祥和节能集团或祥和节能集团的合作伙伴完成。此服务模式适合于仅仅安装祥和基站型中央节能保护机的技术方案。


模式3:融资租赁型合同能源管理


    由租赁公司向祥和节能集团或祥和节能集团的合作伙伴,订购祥和基站型中央节能保护机,租赁公司与祥和节能集团或祥和节能集团的合作伙伴《签订融资租赁合同》,再由合作的运营商或中国铁塔公司确认,祥和节能集团或合作伙伴在收到该运营商或中国铁塔公司的租赁费后,分期分批地向租赁公司支付设备款和融资费,在付清所有货款和融资费时,再将祥和基站型中央节能保护机的所有权转移到祥和节能集团或合作伙伴。此服务模式的优势是,合作的运营商或中国铁塔公司,以及祥和节能集团或祥和节能集团的合作伙伴都不用投资,租赁公司获得租赁的投资收益,实现三方共赢。


    除了以上三种服务模式外,各运营商或中国铁塔公司,还有多种其他服务模式。


2.3 关于5G基站“5降”效果验收措施


    5G基站的高能耗所导致的高排碳、高温度(高发热)、高噪声、高成本“5大”难题,5G基站系统节能降费&降温降噪方案的验收措施,就成了人们十分关注的话题。为了真正做到直观、公正、准确和可查验,根据祥和节能集团与各运营商及中国铁塔公司探索的经验,采用了下列验收措施:


2.3.1 是采用元道经纬相机记录验收现场读数照片


    各方代表共同采用安装了元道经纬相机APP的手机,对准技改或建设的基站收费电表、选择的主设备温度采集点及噪声采集点,分别对市电模式与节能模式的3~4个时段进行现场拍照,用照片记录安装前后的交费电表读数、测温仪读数、分贝仪读数。这些照片会自动生成所验收的5G基站的经度、纬度、地址、时间(精确至秒)及照片编码等现场数据。


2.3.2是计算各项指标并确定结果


2.3.2.1 关于总节电率的计算:


    由祥和节能集团或祥和节能集团的合作伙伴代表与运营商或中国铁塔公司代表,共同根据国家标准GB/T8750-2012《节能量检测与验证技术通则》,以及已申报的中国能源研究会团体标准《系统节能节电量验收方法》,在相同时间、相同环境、相同负载、相同负荷条件下,共同对准技改或建设的5G基站的多个时段逐一进行测试,并分别对各个时段的节电率进行逐一计算,取平均节电率为各方确认的总节电率,其节电率计算公式及计算过程为:


节电率(%)=(市电模式耗电度数—节电模式耗电度数)÷市电模式耗电度数X100%


2.3.2.2 关于总碳排放量减少的计算:


    采用两种方式衡量,一是减少的二氧化碳排放量,二是节约的标准煤数量。根据国家发展改革委员会[发改环资[2014]9号文件[关于印发《节能减碳推广管理暂行办法》的通知],附件5的规定为:节约1度电=二氧化碳0.75Kg/kwh。2008年全国节能量核查规定为:节约1度电=标准煤0.35kgce/kwh ,即节约1度电的减碳排放量=减排二氧化碳0.75Kg=节约标准煤0.35Kg。


2.3.2.3 关于温度总降低量的计算


    取各点位温度降低度数与温度降低率为验收结果分别计算,再取平均值为各方确认的温度降低总量及温度总降低率,其计算公式为:


温度总降低量(°C)=安装前温度(°C)一安装后温度(°C)


2.3.2.4 关于噪声总降低量的计算


    分别取各点位噪声降低度数为验收结果分别计算,再取平均值为各方确认的噪声降低总量,其计算公式为:


噪声总降低量(分贝)=安装前噪声(分贝)一安装后温度(分贝)


    关于降低的成本,除了降低的总电费外,还包括减少的散热系统费用、维护维修费用、延长的设备使用年限费用、偏远山区往来交通费用等。


3 结论


    5G网络作为我国2020疫后大力进行的“新基建”建设项目之一,必将得到迅猛发展,而5G基站包括5G/4G融合基站,又是5G网络基础和能耗大户,如何有效解决5G基站高能耗、高排碳、高温度、高噪声、高成本的“5高”问题,是制约5G网络发展与应用的重要因素。本文从5G网络及5G基站的发展面临的现实问题,解决5G基站“5高”问题探索与困惑,5G/4G基站和服务合作模式创新三个维度,提出了5G/4G基站节能降费&降温降噪降本的解决方案及服务模式,为怎样降低5G/4G基站的能耗与成本,如何降温降噪,提升5G/4G基站设备运行平稳度,提供了整体解决方案,具有重要的现实意义与价值。



作者简介


伍泽涌,(1957),男,四川资阳人,高级工程师,硕士研究生,从事以改善和提高电能质量的系统节能研究和应用研发。


参考文献:


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China Academy of Information and Communications Technology. The Ten Trends (2019-2021) of Information and Communication Industry.[J] China Information and Communications Industry Development Analysis Report (2018~2019).


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