利用隔热节能软木板实现无线基站节能减排的试验研究

(1.江苏森之虎建设工程有限公司，江苏 南京 210000；2.南京林业大学，江苏 南京 210037)

随着近些年信息技术的发展与壮大，人们对在线通信的需求日益增多，通信设备的建设与利用尤为重要。而通信基站的建立又是通信技术实现的基础，因此对基站的合理建设成了迫在眉睫的问题。根据中国移动通信集团公司2016年和2017年可持续发展报告显示，4G基站建设总数由2014年72万个上升到2015年110万个，再上升到2016年的151万个。截止2017年底，4G基站总数已达到187万个，覆盖99%的中国人口。近四年，集团公司耗电总量由2014年176.8亿度上升到2015年206.3亿度，再到2016年200.1亿度和2017年225.7亿度，其中2016年能源消耗中不包含已移交中国铁塔股份有限公司的空调、电源等配套设备的电力等能耗。目前，公司的电费成本中，基站电费占约70%，基站主要耗电设备中传输与无线主设备和基站空调设备耗电占基站总耗电的近90%[1]。因此，随着无线业务的增长，控制基站电费是控制公司用电成本的重要途径。

移动基站以户外基站为主，基站设备全天候不停运转，因此热量也是源源不断产生。在高温天气或者太阳暴晒时，基站设备自身发热以及太阳辐射传递到基站内部的热量使基站的温度飙升，如无内置空调，温度可升高到60 ℃以上，容易引发高温警报，导致基站退服，从而严重影响基站的工作效果及效率。而基站常年适宜温度应为18～28 ℃，空调是实现此工作温度标准的主要途径。在保证通信正常的前提下，为降低基站内设备因在高温负荷下继续工作的故障率和损耗率及实现基站节省电能减排的目标，应考虑户外基站的结构材料是否满足隔热的要求。

多孔材料因其内部大量气孔的存在，使得传热能通过气相实现，从而降低整体的热导率，达到保温隔热的效果[2]。软木的结构特点便可以作为多孔材料的典型[3]。其结构是由许多呈十四面体的死细胞组成，细胞内充满空气，细胞壁外面包围着很多木栓素[4]。细胞的尺寸构造因素和细胞内充满的气体是造成软木导热系数较低的主要原因[5]。以欧洲栓皮槠软木为例，其导热系数为0.045 W/(m·K)，热扩散率为1×10-6m2/s，是一种优良的保温隔热材料[6]。对于软木来说，导热系数的影响因素很多，除软木本身的性质外，还有传热方式和工作环境等的影响[7]。软木的化学性质非常稳定，水、油脂、汽油、有机溶剂、有机酸、盐类酯类等对它都不起化学作用[8]。此外，软木在密封性、耐压缩性、耐摩擦性、抗静电性等方面均表现出了良好的性能，加上软木无毒、比重小、不易燃和经久耐用等优点，使其成为一种综合性能良好的材料[9-10]。通过研究发现，软木制品等效导热系数与软木颗粒的粒度、软木制品容重以及热处理时间呈负相关，因此在生产软木制品时要控制相关影响因素[11]。来自葡萄牙的隔热节能软木板(ICB)便是由软木经研磨、高温熏蒸、降温定型、室外风干、打磨切割后制成的天然无添加产品。基站采用软木板外覆改造后可以降低基站内置空调的工作负荷，从而减少其耗电量，保障其运行可靠、经济适用、节能和环保。

1 测试对象与仪器

1.1 测试对象

本研究对象为汕头市龙湖区珠池七天基站两个完全相同的一体化机柜和龙湖区光和街基站及龙湖完美公寓基站的两个规模及内置设备功耗基本相同的简易集装箱式机房。一体化机柜无内置空调，将其中一个机柜采用40 mm厚的软木板进行外部包覆改造。改造前机体厚度为26 mm，改造后机体厚度为66 mm。其改造前后机体结构如图1所示。

图1 一体化机柜用软木板改造前后机体结构

简易集装箱式机房内配置有同品牌同数量同功率的空调，将光和街基站处的简易集装箱式机房采用40 mm厚的软木板进行外部包覆改造，其中房顶在包覆软木板前铺设30 mm×50 mm的木龙骨进行找平。改造前墙体厚度为89 mm，改造后墙体厚度为129 mm；改造前房顶厚度为89 mm，改造后房顶厚度为179 mm。其改造前后墙体结构如图2所示，改造前后房顶结构如图3所示。

图2 简易集装箱式机房用软木板改造前后墙体结构

图3 简易集装箱式机房用软木板改造前后房顶结构

1.2 测试仪器与材料

测试仪器为无线GPRS温湿度变送记录仪，产地为山东。测试所用葡萄牙软木板由AMRIM ICB公司生产，厚度为40 mm，密度为0.118 g/cm3，导热系数为0.04 W/(m·K)，比热≥2.0 J/(g·℃)，其使用温度范围为-80～140 ℃，在高温或冷冻条件下性能保持稳定，耐候性在60年以上。

2 测试方法

2.1 测试原理

本GPRS温湿度变送记录仪的测试原理如图4所示。位于机体或墙体上的温度探头将温度参数进行测量并按照预定的时间间隔将其储存在记录仪的内部存储器中，在完成记录功能后将其联接到计算机，利用适配软件将存储的数据提出并按其数值、时间进行分析。

图4 GPRS温湿度变送记录器的测试原理框图

2.2 测试步骤

(1)将无线GPRS温湿度变送记录仪分别布置在一体化机柜的柜体和简易集装箱式机房的墙体上。

(2)测试期间，设备通过GPRS方式定时报送温度测量结果，可通过同步云控通APP远程实时观察，实现基站内部温度的监控。

(3)测试结束后，连接记录仪与计算机，利用适配软件将存储的数据提出并按其数值、时间进行分析。

3 测试结果与分析

3.1 一体化机柜测试结果与分析

以珠池七天基站的两个一体化机柜为试验对象。一个一体化机柜采用天然隔热节能软木板包裹外覆面，另一个一体化机柜不采用任何材料包裹外覆面作参考对象，监测两基站的智能温度计并进行数据采集和对比分析。

2018年6月至11月间，两基站内温度变化幅度对比如图5所示。

图5 两一体化机柜内温度变化幅度对比

因一体化机柜内无内置空调，无法调节内部温度，为判定使用期间其最高温度是否会超出相关限值，引起内部设备的损坏，对其最高温度进行数据采集。两基站最高温度对比如图6所示。

图6 两一体化机柜最高温度对比

综合图5和图6可知，采用ICB包裹外覆面的基站比不采用任何材料包裹外覆面的基站内温度变化幅度小，平均温度降低8 ℃左右且总体温度偏低并控制在40 ℃以下。尤其在6至9月高温天效果对比最明显，无改造的一体化机柜最高温度达到64.6 ℃，已超出基站设备承受范围，导致基站高温退服，经常性发出高温预警，需派驻维护人员高频率定期检查和更换故障设备。而改造后的一体化机柜最高温度只有42.8 ℃，改造后基站不再发出高温预警，无需人工撑伞或者通过外部连接风扇降温。这说明软木板具备良好的隔热性能，能让基站稳定运行，减少相关运行成本。

3.2 简易集装箱式机房测试结果与分析

以光和街基站和完美公寓基站的简易集装箱式机房为试验对象。对光和街基站采用天然隔热节能软木板包裹外覆面，直线距离相距350 m的完美公寓基站不采用任何材料包裹外覆面作为参考对象，监测两基站的智能温度计并进行数据收集和对比分析。

2018年6月至11月间，两基站内温度变化幅度对比如图7所示。由图7可知，采用软木板包裹外覆面的光和街基站比不采用任何材料包裹外覆面的完美公寓基站内温度变化幅度小，且总体温度稳定维持在26℃左右。说明软木板的隔热性能稳定，确实有助于减缓外部温度变化对基站空调运行所带来的影响，减低空调的工作负荷，提高机房内部空调、电池、基站主设备的使用寿命。

图7 两简易集装箱式机房内温度变化幅度对比

4 基站改造前后耗电量对比分析

以光和街基站的简易集装箱式机房为试验对象。采集2017年1月份至2018年12月份间每个月份基站的用电度数，其中该站于2018年6月3日完成采用软木板包裹外覆面的改造。该基站2017年和2018年用电量对比图如图8所示。

该基站在两年间1～5月平均月度用电量和6-12月平均月度用电量如表1所示。

由图8可知，光和街在2018年整体的月度用电量比2017年同期下降，这是由于2018年网络载波容量优化的关系。由表1可知，2018年网络载波容量优化使得基站在1～5月度用电量比2017年同期下降了9.45%，而基站在6～12月度用电量比2017年同期下降了23.05%，即光和街基站在使用软木板改造后月度用电量有13.6%的降幅。这说明软木板可有效降低基站空调的工作负荷，尤其在6～10月高温天，可较大幅度减少基站用电量，降低基站运行成本。

图8 光和街基站2017年和2018年用电量对比图

表1 光和街基站2017年和2018年平均月度耗电量

5 结论

对于无内置空调的一体化机柜基站，采用软木板改造后，可降低一体化机柜内温度8 ℃，有效保障基站无线设备和传送网设备正常运行。不因外部温度过高而出现高温告警，增强设备运行可靠性，从而降低基站设备维修成本，增加设备使用寿命。

对于内置空调的简易集装箱式基站，采用软木板改造的基站比无软木板改造的基站的室内温度变化幅度小，温度稳定维持在26 ℃左右，有助于减缓外部温度变化对基站空调运行所带来的影响，减低基站空调的工作负荷，增加机房内部空调、电池、基站主设备的使用寿命。

对于内置空调的简易集装箱式基站，使用软木板改造后的基站月度耗电量有13.6%的降幅，说明软木板可有效降低基站空调的工作负荷，尤其在高温天气，可大幅减少空调耗电量，降低基站运行成本。