Журнал ИКС

Разделы сайта

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

Ближайшие события

Евгений ВИШНЕВСКИЙ  Егор БУРАКОВ

13 сентября 2011

Поддержание микроклимата на базовых станциях сотовой связи. Какая система эффективнее?

Энергопотребление базовых станций – существенная часть издержек операторов сотовой связи, особенно в условиях роста объема пропускаемого сетями трафика и количества БС. Экономия на поддержании микроклимата в помещениях базовых станций может внести серьезный вклад в снижение операционных затрат.

Основной параметр микроклимата, который нужно поддерживать на базовых станциях, – температура воздуха. Отметим, что обеспечивать должный уровень температуры необходимо главным образом для систем гарантированного энергоснабжения. Например, для устойчивой работы ИБП производства Enel, по заявлению компании, требуется температура 20±5°С, а телекоммуникационное оборудование Ericsson, по данным производителя, может работать при температурах в диапазоне от +5 до +40°С.

Для правильной оценки энергозатрат системы микроклимата БС недостаточно учитывать только обобщенные данные по температурам наружного воздуха, указанные в СНиП 23-01-99 «Строительная климатология». При моделировании, результаты которого приведены в статье, использовалась информация о почасовом распределении температуры в течение года, полученная путем длительного наблюдения на метеорологических станциях аэропортов и аэродромов. При этом взят не какой-то определенный год, а так называемый типичный метеорологический год. То есть данные, представленные на каждый час в году, были усреднены, исходя из наблюдений с 1948 по 2005 гг. Это означает, что вероятность повторения выбранных параметров очень высока. Существенна также их почасовая разбивка.

Анализ энергопотребления проведен для базовой станции, расположенной в Санкт-Петербурге. Суммарное тепловыделение БС – 2 кВт, размеры – 3200 × 2300 × 2500 мм (Д × Ш × В), температура, которую требуется поддерживать, – +25°С. Для создания моделей использован дополнительный теплофизический параметр – тепловой баланс при поддержании требуемой температуры внутри помещения. Тепловой баланс представляет собой сумму всех теплоприпотоков и теплопотерь:

Q_пом = Q_обр + Q _огр + Q _инф + Q _слрд,

где Q_пом – тепловой баланс помещения;

Q_обр – теплота, поступающая в помещение от оборудования;

Q_огр – теплота, поступающая от ограждений;

Q_инф – теплота, поступающая при инфильтрации;

Q_слрд – теплота, поступающая от солнечной радиации.

Очевидно, что в значения слагаемых Qпом помимо теплоты, выделяемой оборудованием, свой вклад вносят внешние условия (солнечная радиация, скорость ветра), температура внутри помещения и его конструктивные особенности, влияющие на теплообмен внутреннего воздуха с окружающей средой (размеры, материал и негерметичность ограждающих конструкций). Поэтому если тепловой баланс помещения при заданной внутренней температуре положителен, то теплоизбытки надо компенсировать, иначе температура внутри помещения будет расти. Если же баланс отрицателен, то без компенсации теплопотерь температура будет падать. Знак теплового баланса и значение наружной температуры принимались в модели как условия выбора режимов работы.

Сплит-системы

В настоящее время на базовых станциях чаще всего устанавливаются бытовые сплит-системы, имеющие режим нагрева воздуха или дополняемые отдельным нагревателем. Для резервирования используется вторая такая же сплит-система (direct expansion, dx, см. рис. 1).

Когда температура воздуха в помещении поднимается выше установленной, включаются вентилятор и компрессор, воздух начинает охлаждаться и циркулировать до того момента, пока температура не упадет ниже заданного значения. Схема достаточно проста, но имеет ряд недостатков. Во-первых, не у всех производителей сплит-системы обеспечивают циркуляцию воздуха в помещении при выключенном холодильном контуре, в результате чего может возникнуть локальный перегрев в «горячих» точках; во-вторых, работа сплит-системы может понадобиться в холодное время года, а пуск кондиционера при температуре ниже –10°С даже при наличии таких опций, как стандартный «зимний» комплект, чреват аварийной остановкой по низкому давлению или поломкой. В российской практике используемый «зимний» комплект обеспечивает работоспособность при температурах до –30… 40°С. Однако в этом варианте при неработающем кондиционере необходим постоянный подогрев картера, на что расходуется дополнительная электрическая мощность.

Но главное, что dx-система весьма неоптимально использует условия окружающей среды. Даже если температура наружного воздуха намного ниже уровня, который нужно поддерживать внутри БС, но тепловой баланс в помещении положителен, то сплит-система будет работать на охлаждение. Для Санкт-Петербурга, например, такие условия наблюдаются практически круглый год, что приводит к высокому энергопотреблению (рис. 2).

Естественное охлаждение

Наряду с dx-решениями для поддержания микроклимата в помещениях базовых станций сегодня начинают внедряться системы, использующие для охлаждения телекоммуникационного оборудования наружный воздух (фрикулинг, рис. 3).

Такие системы, как правило, включают в себя вентилятор, фильтр, два воздушных клапана, систему управления и бытовую сплит-систему. Сплит-система необходима не только для работы в условиях, когда температура наружного воздуха выше уставки в помещении, но и для резервирования микроклиматической системы.

Основными параметрами выбора режима работы являются температура воздуха внутри помещения и температура наружного воздуха. Ориентируясь на них, система управления принимает решение об использовании приточного вентилятора или сплит-системы. Важную роль при этом играет расход воздуха, обеспечиваемый приточным вентилятором: чем он больше, тем больше тепла можно снять, не прибегая к включению сплит-системы. Зависимость мощности системы фрикулинга от расхода наружного воздуха имеет следующий вид:

где Q_x – тепло, которое может быть компенсировано системой фрикулинга, кВт;

L – расход воздуха, м³/ч;

ρ  – плотность воздуха, кг/м³;

Δt – разница между температурой наружного воздуха и температурой воздуха внутри помещения, °С;

С_ρ – теплоемкость воздуха, кДж/(кг•К).

При температуре наружного воздуха ниже требуемой в помещении система работает, используя холод наружного воздуха. Когда температура в помещении начинает расти, а вентилятор системы фрикулинга работает на 100% своей мощности, система переходит на циркуляцию внутреннего воздуха через сплит-систему. Как правило, оборудование допускает возможность организации смешанного режима с использованием как наружного воздуха, так и сплит-системы. Целесообразность такого режима основана на том, что в определенном диапазоне температур наружного воздуха, когда мощности фрикулинга уже недостаточно для компенсации теплопритоков (Q_x < Q_пом), энергетически выгодно задействовать на 100% мощности вентилятор фрикулинга и не на полную мощность – сплит-систему. На упомянутой базовой станции, для которой проводился энергетический анализ, смешанный режим целесообразен при температурах наружного воздуха в диапазоне от 17,2 до 19,2°С.

По сравнению с dx-решением годовая экономия энергопотребления микроклиматической системы на основе фрикулинга составит примерно 72%, а применение смешанного режима позволит дополнительно сэкономить еще 3% (рис. 2). Для рассматриваемых условий львиную долю времени система работала в режиме фрикулинга (рис. 4).

Естественное охлаждение и локализация зоны поддержания параметров

Напомним, что самым чувствительным к перепаду температур блоком БС является батарея ИБП, тогда как само телекоммуникационное оборудование способно работать при температурах от +5 до +40°С. Соответственно, ограничив размерами самих батарей ИБП зону, в которой обеспечивается требуемая для них температура, можно практически на всей территории России отказаться от парокомпрессионных систем и осуществлять охлаждение только за счет наружного воздуха. Для поддержания температуры в таком небольшом объеме производители выпускают изолированные корпуса со сборками на основе термобатарей, использующих эффект Пельтье (рис. 5, 6). Это позволяет при необходимости не только охлаждать, но и нагревать воздух внутри изолированного корпуса с батареями.

При положительном тепловом балансе приточный вентилятор поддерживает температуру в помещении в пределах от +5 до +40°С, а сборка на основе термобатарей – требуемую температуру внутри изолированного корпуса с батареями ИБП.

Для расчета экономии электроэнергии, достигаемой в предложенном варианте, использовались данные по энергопотреблению термобатарей в зависимости от перепада температур внутри и снаружи корпуса для батарей ИБП. Для рассматриваемой базовой станции годовая сумма электроэнергии, потребленной системой микроклимата с фрикулингом и локализацией батарей ИБП оказалась в 15 раз (!) меньше, чем для dx-решения (см. рис. 1). Таким образом, наиболее экономично в плане потребления электроэнергии охлаждение с помощью наружного воздуха при локализованных зонах для батарей ИБП.

Также весьма важно, что, когда температуры наружного воздуха близки к температуре внутри базовой станции, единственным решением, обеспечивающим энергосбережение, является повышение уставки температуры внутри БС при наличии системы локализации батарей ИБП (рис. 7).

Уменьшение размеров оборудования и увеличение плотности теплового потока приводят к тому, что третья из рассмотренных микроклиматических систем и ее различные модификации имеют наибольшие перспективы дальнейшего применения. Достигаемое с их помощью уменьшение расхода электроэнергии однозначно указывает на экономическую выгоду сочетания локализации зоны поддержания микроклимата с расширением диапазона уставки температуры в помещениях базовых станций.  

Заметили ошибку в тексте? Выделите её мышью и нажмите Ctrl+Enter. Спасибо!