戶外電源節(jié)能減排及艾默生新一代戶外電源解決方案

一 前言

隨著通信網(wǎng)覆蓋范圍擴大，原有的機房建站模式在站點選擇，建設(shè)速度，投資等各方面不能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的要求。戶外建站方式越來越多的被廣大用戶接受，用量逐漸增多。根據(jù)北美，歐盟等發(fā)達國家的建站經(jīng)驗，超過50%的站點選用戶外建站方式。從我國的實際情況看，戶外產(chǎn)品的應(yīng)用方興未艾，目前在移動通信網(wǎng)主要應(yīng)用于偏遠地區(qū)的邊際網(wǎng)，并開始向城區(qū)發(fā)展。在固網(wǎng)建設(shè)方面，隨著寬帶建設(shè)的提速，以光進銅退為主要方向的接入網(wǎng)下移改造，也出現(xiàn)了大量的戶外柜需求。

為了進一步實施節(jié)能增效，降低企業(yè)運營成本，需要對戶外建站方式的能耗情況及節(jié)能問題進行專門研究。艾默生網(wǎng)絡(luò)能源作為全球網(wǎng)絡(luò)能源市場的領(lǐng)導(dǎo)者，在戶外產(chǎn)品方面有超過百年的技術(shù)積累和應(yīng)用經(jīng)驗，下屬的歐洲公司（原德國Knurr公司）及北美公司（原Marconi北美）均為全球頂尖的戶外產(chǎn)品供應(yīng)商。本文根據(jù)國內(nèi)市場的實際情況，淺談一下戶外產(chǎn)品的節(jié)能問題及相關(guān)技術(shù)。

二 戶外電源的節(jié)能減排

具體來說，節(jié)能減排包括節(jié)能，節(jié)地，節(jié)材，環(huán)保等諸多方面。節(jié)能可以降低能耗，對降低運營成本有直接作用。節(jié)地可以減少站點建設(shè)的投入。節(jié)材可以降低材料耗費。這幾個方面也是相輔相成的，比如設(shè)備占地面積小，相應(yīng)的會降低建站材料的耗費。此外，戶外電源直接應(yīng)用在戶外，甚至有一些直接安裝在居民區(qū)，因此，要更加重視環(huán)保的要求，比如電磁輻射，音頻燥聲，材料污染等都需要滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

三 節(jié)能減排相關(guān)技術(shù)與解決方案

1． 節(jié)能技術(shù)

戶外電源節(jié)能可以直接降低站點運營成本。此外，戶外電源多應(yīng)用于偏遠站點，供電條件較差，配電變壓器容量較小，配電線路損耗大。因此，戶外電源本身能耗的降低對降低線路損耗，保證供電質(zhì)量也有明顯意義。戶外電源的能耗主要產(chǎn)生于兩個方面，電源部分和環(huán)境控制單元，因此節(jié)能主要從兩方面入手解決。

針對電源部分的損耗，戶外電源的工作模式和室內(nèi)電源是一樣的，正常情況下為均流工作模式。市電正常時模塊負載率較低，電源系統(tǒng)大多數(shù)沒有工作在系統(tǒng)最佳效率區(qū)間，因此可以采用電源模塊休眠技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)負載狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整工作模塊數(shù)量，使系統(tǒng)始終工作在最佳效率區(qū)間，從而降低系統(tǒng)的能耗。圖1表示了電源系統(tǒng)在普通工作模式下和節(jié)能模式下的系統(tǒng)典型效率比較。從圖1可看出，采用休眠節(jié)能模式，電源系統(tǒng)的效率在整個負載范圍內(nèi)基本保持不變，有效的降低了電源系統(tǒng)在低負載條件下的能耗。另一方面，對于戶外電源來說，電源系統(tǒng)效率提高會降低設(shè)備倉的發(fā)熱量，降低設(shè)備倉的溫度。

圖1：戶外電源普通模式與休眠模式的系統(tǒng)效率比較

與室內(nèi)電源相比，戶外電源具有自身的環(huán)境控制單元，環(huán)境控制單元根據(jù)外界環(huán)境溫度和自身發(fā)熱量的情況，通過實施熱量控制，保證柜內(nèi)設(shè)備的正常工作。其功能等同于室內(nèi)站點的空調(diào)系統(tǒng)，因此環(huán)境控制單元直接影響設(shè)備的可靠性及能耗。正如機房中空調(diào)系統(tǒng)一樣，戶外電源的環(huán)境控制單元本身也會帶來一定的能耗。通過先進的技術(shù)和設(shè)計，在保證設(shè)備可靠性的前提下降低環(huán)境控制單元的能耗，對降低站點的運營成本有實際意義。

降低換熱單元能耗，首先要求機柜的良好密封，良好的機柜密封和隔熱性能一方面可以提高設(shè)備的防護能力，另外可以提高環(huán)境控制單元的效率，從而降低機柜環(huán)境控制單元的能耗。對于戶外電源來講，柜內(nèi)熱量的散發(fā)主要通過冷熱空氣之間的熱交換將熱量帶走。換熱單元的換熱量決定于選擇的熱交換器及風(fēng)扇風(fēng)量。風(fēng)扇是環(huán)境控制單元的主要耗能部件，風(fēng)扇的風(fēng)量與能耗有直接的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示，風(fēng)扇通過調(diào)速改變風(fēng)量，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與耗能呈現(xiàn)二次曲線的特征，在轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的80%條件下，風(fēng)扇的耗能處在額定能耗的60%以下。因此，風(fēng)扇在大部分調(diào)速區(qū)間可以顯著降低能耗。

圖2：風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與能耗關(guān)系

考慮戶外電源設(shè)計條件，風(fēng)扇額定風(fēng)量的選擇是按照系統(tǒng)最極端工作條件考慮的。然而戶外電源在大多數(shù)條件下，環(huán)境溫度和設(shè)備倉的發(fā)熱量均遠低于系統(tǒng)極端條件。因此，在環(huán)境溫度較低或負載較輕時，風(fēng)扇可以以較低的轉(zhuǎn)速滿足系統(tǒng)散熱的要求，同時降低換熱單元的的能耗。圖3為艾默生某型戶外產(chǎn)品采用換熱單元調(diào)速技術(shù)，環(huán)境溫度與換熱單元能耗的關(guān)系曲線：

圖3：換熱單元能耗與環(huán)境溫度關(guān)系

從圖3可看出，隨著環(huán)境溫度的降低，換熱單元的耗能隨至減少。當(dāng)環(huán)境溫度為20度時，換熱單元耗能只是滿負荷功耗的25%，日可節(jié)約電能約1.5度。

2．節(jié)地技術(shù)

節(jié)約占地是節(jié)能減排的一個重要指標(biāo)。戶外電源主要是滿足站點面積小，不方便建站的應(yīng)用，因此減少占地面積可方便站點尋址并可降低建站成本。如采用H型桿或塔架安裝時，減少占地面積可以減少配套鋼結(jié)構(gòu)的投資，在城市中樓頂或過道安裝時，減少占地面積可以減少租金和增加站點選擇靈活性。

戶外機柜采用全正面維護設(shè)計可以在較大程度上減小戶外機柜占地面積。圖4是采用不同維護方式的戶外電源占地面積的比較。從圖中可看出，雙面維護的系統(tǒng)要在兩面留足維護空間和四周的過道，最低占地面積要求也需要2.4平米，相比單面維護不到1平米的占地面積要求，雙面維護的柜體顯然會增加占地投資和站點選擇難度。

圖4：雙面維護和正面維護系統(tǒng)占地面積比較

3．環(huán)保

環(huán)保包括材料污染，音頻噪聲污染及電網(wǎng)污染等方面。

考慮當(dāng)前的電源技術(shù)水平和戶外電源應(yīng)用場合，材料污染和音頻噪聲污染在戶外電源設(shè)計時需要重點關(guān)注。因為多數(shù)戶外站點位于自然環(huán)境優(yōu)美的地區(qū)或者城市人口密集區(qū)。因此系統(tǒng)的材料污染尤其是重金屬污染對環(huán)境有較大的破壞，音頻噪音過大對居民工作生活帶來不便，從而影響設(shè)備使用。

針對材料污染，歐盟頒布了RoHS環(huán)保指令，國內(nèi)信息產(chǎn)業(yè)部頒布了《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》，要求設(shè)備不含重金屬污染并對設(shè)備污染排放控制承諾相關(guān)時間。艾默生戶外產(chǎn)品系列全面滿足歐盟及中國環(huán)保指令要求，并承諾50年的污染物排放控制時間。

音頻噪聲污染主要控制方法是選用低噪音換熱單元，同時機柜采用消音措施。研究表明，換熱單元調(diào)速可有效的降低機柜噪音。圖5是某型戶外產(chǎn)品噪音水平與環(huán)境溫度關(guān)系曲線，從曲線可看出，采用調(diào)速后，隨著環(huán)境溫度減小，戶外柜噪音明顯降低。由于夜晚時環(huán)境溫度變低，因此采用該項技術(shù)的設(shè)備晚間有更低的噪音水平，非常符合實際應(yīng)用環(huán)境的需要。

圖5：環(huán)境溫度與噪音

4. 高可靠性，降低維護成本

此外，采用戶外電源的站點多數(shù)交通不便，維護成本高。因此，通過合理的設(shè)計提高系統(tǒng)可靠性，降低站點維護成本，對提高網(wǎng)絡(luò)運營效率非常關(guān)鍵。

根據(jù)戶外電源的應(yīng)用情況，蓄電池在整個站點投資中占比重較大，同時蓄電池對環(huán)境溫度變化比較敏感，理論和經(jīng)驗表明，電池的環(huán)境溫度每升高十度，電池的壽命將減少一半。因此戶外電源設(shè)計中針對電池倉的環(huán)境控制非常關(guān)鍵。尤其在高溫環(huán)境中要有針對性的散熱措施，研究表明，傳統(tǒng)的自然開孔散熱難以滿足電池的應(yīng)用要求。在傳統(tǒng)的自然開孔散熱條件下，雖然蓄電池自身發(fā)熱量較小，但隨著環(huán)境溫度的升高，在蓄電池倉中的熱累積會逐步的升高電池倉的溫度，在太陽照射的條件下情況更為嚴重。如圖6所示，在自然散熱條件下（倉內(nèi)無主動散熱措施），電池倉內(nèi)溫度會遠高于環(huán)境溫度。在同樣的條件下，采用主動散熱技術(shù)，電池倉內(nèi)溫度基本接近于環(huán)境溫度，電池工作條件會得到極大改善。根據(jù)此項研究結(jié)果，艾默生開發(fā)了電池倉獨立風(fēng)道散熱技術(shù)，保證了電池倉的充分散熱，極大的改善了電池工作溫度，提高了電池壽命。

圖6：電池倉不同散熱方式下溫度值

同樣在低溫環(huán)境下，電池倉必須有充分的加熱和保溫措施。使電池處于可正常放電的狀態(tài)。傳統(tǒng)的加熱方式是局部加熱，利用自然對流的方式使熱量傳遞到電池倉各部分。這種加熱方式的不足之處是內(nèi)部熱量分布不均勻，靠近加熱器附近容易形成局部過熱，對電池的壽命形成不利影響。針對這種應(yīng)用，艾默生戶外產(chǎn)品的解決方案是采用PTC高質(zhì)量的加熱單元，并將加熱器離開電池組以避免局部烘烤。在加熱器工作時，通過獨特的風(fēng)道設(shè)計將熱量均勻的送到電池倉各部分，保證電池倉的加熱均勻。同時，在倉體內(nèi)部選用高質(zhì)量的保溫材料，使熱量保存持久。通過這些措施，使蓄電池在各種環(huán)境條件下有一個較適合的工作溫度環(huán)境，盡可能的延長電池壽命，提高系統(tǒng)可靠性。

此外，戶外電源在結(jié)構(gòu)設(shè)計，環(huán)境監(jiān)控，安裝等方面都充分考慮了應(yīng)用環(huán)境的要求，使系統(tǒng)的維護量降到最低。

四 結(jié)論

隨著戶外電源應(yīng)用逐漸增多和節(jié)能減排工作的不斷深入，戶外產(chǎn)品的節(jié)能問題密切關(guān)系到產(chǎn)品的客戶價值。本文從戶外產(chǎn)品的節(jié)能減排關(guān)注點出發(fā)，從節(jié)能，節(jié)地，環(huán)保，降低維護成本等角度分析了艾默生戶外產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)及其客戶價值。研究表明，艾默生戶外產(chǎn)品在節(jié)能減排方面的相關(guān)技術(shù)可以有效的降低站點的投資成本和維護成本，促進整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能增效。

編輯：博子