• Новости
• Блоги
• Аналитика
• Новости компаний
• В СНГ и в мире
• Анонсы

Охлаждение базовых станций сотовой связи. Ищем оптимальное решение

Прочтя название статьи, читатель вправе впасть в недоумение: сотовая связь давно и прочно вошла в нашу жизнь, технические решения проверены не то что годами – десятилетиями, так о чем же здесь можно говорить? Прежде всего о надежности работы и снижении эксплуатационных затрат. Сегодня это главные вопросы для служб эксплуатации мобильных операторов.

Дело в том, что существенное замедление роста бизнеса мобильных операторов за счет голосовых услуг и опережающий рост затрат на передачу данных по сравнению с выручкой от этого рода деятельности вынуждают операторов все внимательнее изучать пути снижения операционных расходов для поддержания прибыльности своих предприятий.

Из-за стремительного повышения тарифов на электроэнергию (с 2006 по 2010 г. – ровно в 2 раза) ее удельный вес в общих затратах на эксплуатацию сетей с каждым годом увеличивается. Вместе с тем свыше 30% потребляемой базовыми станциями электроэнергии приходится на системы охлаждения, что заставляет операторов обращать на эту составляющую более пристальное внимание.

Каковы же современные технические решения, применяемые для охлаждения оборудования связи на базовых станциях? Как ни странно, самые эффективные технологии в этой области основываются на давно известных вещах: воздушном охлаждении и фреоновых кондиционерах, работающих по обратному циклу Карно.

К сожалению, а может, к счастью, сравниться с ними в эффективности не могут никакие другие способы охлаждения, в том числе и обсуждаемые в последнее время охладители на так называемых элементах Пельтье (термоэлектрических преобразователях, действие которых базируется на эффекте Пельтье – возникновении разности температур при протекании электрического тока). Достоинство элементов Пельтье – их небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание. Недостатком элементов Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведет к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Для сравнения можно привести следующие цифры: на 1 Вт затраченной электрической мощности элемент Пельтье вырабатывает 0,5–0,6 Вт холода, а обычный сплит – 3–3,5 Вт. Разница в эффективности огромная. Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна.

Поэтому перейдем к рассмотрению более привычных систем охлаждения.

Сплиты

Это наиболее распространенное решение для базовых станций сотовой связи, популярность которого обусловлена низкими капитальными затратами. В подавляющем большинстве случаев используются два кондиционера: один – рабочий, второй – резервный. Выравнивание времени наработки, включение резервного кондиционера в случае выхода из строя рабочего агрегата или недостаточной его холодопроизводительности производится с помощью устройств согласования.

Плюсы данного решения: низкие капитальные затраты, широкое распространение, хорошо известные, освоенные технологии.

Минусы: маленький ресурс (5–6 лет), высокое энергопотребление, трудности с мониторингом и удаленным управлением, низкая вандалоустойчивость.

Прецизионные кондиционеры

Полная противоположность сплитам по распространенности. Применяются обычно на узловых базовых станциях (контроллерах), где очень высоки требования к обеспечению работоспособности оборудования, а также в тех случаях, когда использование систем других типов вследствие каких-либо причин затруднено, например, потребовались бы очень длинные фреоновые трубопроводы и т.п.

Плюсы: высокая надежность, большой ресурс (10–12 лет), возможность мониторинга, дистанционного управления и объединения кондиционеров в сеть.

Минусы: высокие капитальные затраты, относительно высокое энергопотребление.

Энергосберегающие кондиционеры

Сочетают в себе достоинства прецизионных кондиционеров и низкое годовое энергопотребление, которое достигается применением технологий естественного охлаждения (free cooling, фрикулинг или fresh air cooling, фреш эйр кулинг). Суть этой технологии заключается в следующем: при соответствующих погодных условиях охлаждение оборудования базовой станции происходит путем подачи более холодного наружного воздуха. В жару и при теп-лой погоде фрикулинг не работает, и тогда охлаждение БС производится за счет работы холодильного контура кондиционера. Многолетняя эксплуатация кондиционеров данного типа на базовых станциях показала отличные результаты: в условиях Москвы компрессоры кондиционеров работают не более 5–10% общего времени работы энергосберегающих кондиционеров.

Низкое годовое энергопотребление оборудования этой группы обусловлено не только интегрированием в кондиционеры систем естественного охлаждения. Как правило, такие кондиционеры специально разрабатываются для применения на телекоммуникационных объектах. Они комплектуются высокоэффективными электронно-коммутируемыми вентиляторами с возможностью плавного изменения скорости вращения от 30 до 100% номинальной. А основной вклад в энергосбережение вносят оригинальные программы управления этими устройствами: включение компрессора или раскрутка вентилятора на 100% происходит лишь в случае крайней необходимости. В остальное время логика управления энергосберегающего кондиционера отдает предпочтение режиму фрикулинга с минимально возможным для текущих условий расходом воздуха.

Плюсы: высокая надежность, большой ресурс (10–12 лет), низкое энергопотребление, возможность мониторинга и дистанционного управления, простота монтажа и обслуживания.

Минусы: высокие (относительно сплитов) капитальные затраты.

Следует отметить, что в течение последнего десятилетия для охлаждения базовых станций сотовых сетей использовались только три перечисленных типа кондиционерного оборудования. В последние год-два в связи с ростом интереса к вопросам энергосбережения появились новые устройства для охлаждения, которые коренным образом отличаются от вышеописанных тем, что работают в том или ином сочетании с другими климатическими устройствами, образуя различные технические решения для поддержания климатических параметров. Рассмотрим теперь эти новые типы охлаждающего оборудования, а затем те технические решения, которые можно реализовать с их помощью.

Вентиляционные устройства для естественного охлаждения

Эти устройства, называемые также фрикулинг-боксами (free cooling box, fresh air box), являются развитием систем аварийной вентиляции, которые изначально применялись на базовых станциях только в случае пропадания основного питания, когда отключались сплиты. Принцип работы фрикулинга в них тот же, что и у энергосберегающих кондиционеров: подача холодного воздуха в помещение с улицы для охлаждения оборудования БС. По конструкции устройства могут сильно отличаться друг от друга: в одном случае это примитивный канальный вентилятор с гравитационной жалюзийной решеткой в качестве клапана для выброса воздуха из помещения, в другом – компактное моноблочное устройство, оснащенное 48-вольтовым электронно-коммутируемым вентилятором с плавно изменяемой скоростью вращения; клапаном фрикулинга с пропорциональным приводом, обеспечивающим не только открытие/закрытие вентиляционных отверстий, но и поддержание температуры приточного воздуха; электронагревателем; системой включения дополнительных внешних кондиционеров; контроллером, устройствами мониторинга и управления, в том числе дистанционного.

Фрикулинг-боксы широко используются такими компаниями как Vodafone, Orange и т.п. Однако у российских операторов оборудование этого типа встречается пока не часто, поэтому остановимся на их устройстве и принципах работы чуть подробнее.

Вентиляционное устройство для естественного охлаждения должно работать в следующих режимах обработки воздуха:

   • естественное охлаждение;

   • охлаждение с помощью дополнительного кондиционера;

   • нагрев;

   • рециркуляция;

   • ограничение относительной влажности.

В режиме естественного охлаждения (рис. 1, а) температура воздуха в помещении поддерживается за счет холодного наружного воздуха, подаваемого приточным вентилятором через открытый полностью или частично клапан естественного охлаждения. При этом наружный воздух проходит через воздушный фильтр, где очищается от пыли, а также через неиспользуемый в данном режиме электронагреватель. Избыточный теплый воздух из помещения вытесняется наружу через клапан естественного охлаждения, поддерживая избыточное давление внутри базовой станции.

Устройство может работать как отдельно, так и в сочетании с дополнительным кондиционером, который включается и выключается контроллером устройства. При этом фрикулинг-бокс параллельно реализует свои внутренние алгоритмы функционирования для достижения максимальной эффективности охлаждения.

Нагрев воздуха производится для поддержания температуры воздуха в помещении при ее снижении ниже заданной. В этом режиме (рис 1, б) клапан естественного охлаждения закрыт. Воздух поступает из помещения, проходит через воздушный фильтр, приточный вентилятор и электрический нагреватель, за счет работы которого температура воздуха повышается. Нагретый воздух подается в помещение.

Рециркуляция – режим работы устройства, при котором не требуется охлаждение или нагрев воздуха. Для контроля температуры помещения осуществляется движение воздуха с минимальным расходом по кругу: помещение – устройство – помещение. Клапан естественного охлаждения закрыт.

Ограничение относительной влажности – режим, при котором устройство работает по специальному алгоритму, управляя клапаном фрикулинга и дополнительным кондиционером таким образом, чтобы значение относительной влажности воздуха в помещении не превысило заданной величины.

Плюсы: высокая надежность, большой ресурс (10–12 лет), возможность мониторинга и дистанционного управления, низкое энергопотребление.

Минусы: в ряде случаев необходимо использовать дополнительные кондиционеры.

Кондиционеры для аккумуляторов

Это кондиционеры небольшой холодопроизводительности (300–600 Вт), специально разработанные для поддержания климатических параметров в аккумуляторных отсеках (термобоксах). Появление такого рода кондиционерного оборудования связано с тем, что несоблюдение температурного режима (20–25°С) для аккумуляторных батарей приводит к резкому сокращению срока их службы, тогда как современное оборудование связи 3G и 4G может работать в весьма широком диапазоне температур (5–50°С).

Кондиционеры для аккумуляторов монтируются непосредственно на аккумуляторном отсеке, который может располагаться как внутри базовой станции, так и снаружи, на улице. Соответственно тепло от аккумуляторов в первом случае будет сбрасываться в помещение станции, откуда его необходимо удалять системами охлаждения, а во втором случае – в атмосферу.

Плюсы: высокая надежность, большой ресурс (10–12 лет), возможность мониторинга и дистанционного управления, низкое энергопотребление.

Минусы: необходимость использования термоизолированного шкафа для аккумуляторов.

Теплообменники «воздух-воздух»

используются обычно в так называемых климатических шкафах. Принцип работы этих устройств прост, так как данное оборудование – параллельно развивающаяся ветвь по отношению к вентиляционным устройствам естественного охлаждения. Когда температура в шкафу превышает температуру окружающей среды, тепловая нагрузка рассеивается благодаря наличию алюминиевого противоточного теплообменника. Воздух из окружающей среды проходит через внешний контур теплообменника, эффективно охлаждая при этом внутренний воздушный контур (рис. 2). Два контура тщательно отделены друг от друга, что позволяет избегать попадания влаги и пыли внутрь шкафа с оборудованием. С помощью встроенных датчиков температуры контроллер теплообменного устройства в соответствии с тепловой нагрузкой и климатическими условиями автоматически регулирует скорости вращения вентиляторов внешнего и внутреннего контуров для поддержания заданной температуры в шкафу.

Плюсы: возможность эксплуатации в широком диапазоне температур и относительной влажности окружающей среды; энергосберегающая технология, обеспечивающая высокую производительность; высокая надежность и низкие эксплуатационные расходы.

Минусы: меньшая эффективность по сравнению с вентиляционными устройствами для естественного охлаждения.

Оптимальные технические решения для различных телеком-объектов

Новая базовая станция контейнерного типа (шелтер). При тепловыделении телекоммуникационного оборудования на уровне 3,5–5 кВт оптимальным с точки зрения максимальной надежности и энергосбережения вариантом является применение энергосберегающего кондиционера с системой естественного охлаждения в качестве рабочего и сплита в качестве резервного кондиционера.

Действующая базовая станция, укомплектованная сплитами. При дооснащении такой станции вентиляционным устройством для естественного охлаждения решаются сразу несколько задач. Увеличивается срок службы сплитов, поскольку они будут работать всего 5–10% времени в году. При постоянной работе сплита на базовой станции его приходится заменять уже через 5–6 лет, а то и раньше. Если же совместно со сплитом функционирует фрикулинг-бокс, то срок эксплуатации кондиционеров становится равен сроку эксплуатации шелтера. Годовое энергопотребление систем охлаждения уменьшается в 3–3,5 раза, а мгновенное значение потребляемой мощности в холодный период падает на порядок. Благодаря высокой надежности модернизированной системы охлаждения и возможности мониторинга состояния оборудования и температурного режима существенно снижаются эксплуатационные расходы при относительно небольших затратах на покупку и монтаж вентиляционных устройств.

Базовая станция с теплоизолированным аккумуляторным отсеком. Современное передающее оборудование в большинстве случаев не нуждается в поддержании узкого температурного диапазона, так как оно нормально работает в интервале от 5 до 50°С, который с небольшими затратами электроэнергии могут поддерживать вентиляционные устройства для естественного охлаждения. В этом случае в дополнение к фрикулинг-боксам целесообразно установить теплоизолированный аккумуляторный отсек со смонтированным на нем кондиционером для аккумуляторов. Внутри отсека аккумуляторы будут находиться при температуре 20–25°С, что обеспечит их заявленный ресурс. Тепло с аккумуляторов с помощью кондиционера должно отводиться в шелтер, а из него с помощью вентиляционных устройств – в атмосферу. Такая система охлаждения потребляет всего около 350–500 Вт.

Климатический шкаф без аккумуляторных батарей. В настоящее время такое решение широко применяется для построения сетей последних поколений. Поскольку для телекоммуникационного оборудования некритично поддержание узкого температурного диапазона, а сами тепловые нагрузки относительно невысоки, решение напрашивается само собой – использовать для охлаждения теплообменник «воздух-воздух». Кроме низкого энергопотребления решение характеризуется минимальными затратами на проведение периодического технического обслуживания ввиду отсутствия воздушных фильтров, которые время от времени нужно чистить или заменять.

Климатический шкаф с теплоизолированным аккумуляторным отсеком. Это решение – дальнейшее развитие предыдущего варианта посредством добавления в конфигурацию тепло-изолированного аккумуляторного отсека со встроенным кондиционером. Соответственно такой климатический шкаф обеспечивает максимальные ресурс и надежность работы всего оборудования связи, включая аккумуляторные батареи.