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《储能科学与技术》推荐|朱江恬 等：基于相变材料蓄热的5G通信基站柜体优化

时间：2023-10-09 来源： 浏览：

《储能科学与技术》推荐|朱江恬 等：基于相变材料蓄热的5G通信基站柜体优化

原创 朱江恬 张圆 等 储能科学与技术
储能科学与技术

esst2012

中文核心、科技核心和cscd核心期刊，化学工业出版社和中国化工学会主办，主编黄学杰研究员。投稿及下载官网：http://esst.cip.com.cn/CN/2095-4239/home.shtml；欢迎给公众号投稿

收录于合集
#2023年第9期 12 个
#储热 31 个

作者： 朱江恬( ), 张圆, 罗意彬, 杨慧婷, 李杰( ), 孙小琴( ) 

单位： 长沙理工大学能源与动力工程学院

引用： 朱江恬, 张圆, 罗意彬, 等. 基于相变材料蓄热的5G通信基站柜体优化[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(9): 2789-2798. 

DOI： 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0293

摘 要   针对5G通信基站散热性能不佳、能耗高、过热风险大、冷却效率低等问题，本工作从优化基站柜体的角度出发，探究了相变材料相变温度(16～30 ℃)、相变材料安装位置以及相变通风对5G基站能耗的影响。以长沙地区为例，设计了20种不同相变温度、不同相变材料安装集成的相变柜体模型以及2种通风柜体模型，采用EnergyPlus软件模拟不同模型下的能耗。结果表明：传统基站年耗电量为3469.92 kWh，夏季典型日基站柜体温度由外壁至内壁呈下降趋势，冬季反之，基站全年72.75%时间均处于放热状态，基站柜体优化时需更注重冬季和过渡季节散热能力的设计，兼顾夏季隔热性能的优化；基站加入相变材料时，外侧布置均优于内侧布置；相变温度为25 ℃相变材料、相变材料外侧布置时基站节能效果最佳，全年耗电量可降低124.75 kWh，其1月份节能率最大为16.87%；在此基础上引入通风，基站年能耗由3469.92 kWh降低至2316.87 kWh，年节能率达33.22%，且1～4月和11～12月，月节能率均超过50%；相较于未加入相变材料通风，加入相变材料通风在12月份节能率最大，可达17.78%。
关键词   5G通信基站；相变材料；性能模拟；柜体结构；基站通风
5G即第五代移动通信技术，是具有高速率、低延时和大连接优势的新一代宽带移动通信技术，5G通信设施是实现人机物网络互联的基石。当前，在国家宏观政策引领下，国内通信运营商积极开展5G相关基础设施建设，我国5G基站数量呈现出爆发式增长，截至2022年9月，我国累计建成开通5G基站数量196.8万个，预计至2025年，我国5G基站数量将达797万个。伴随5G“数字化”的飞速发展，其巨大能源消耗问题也日益凸显，与4G网络相比，5G网络在设备功率密度和所需基站数量上均达到4G网络的3～4倍，同时在整个网络传输过程中，基站能耗占比为57%，空调能耗占基站总能耗的30%～50%，巨大能源消耗迫使5G基站采用各种高效节能降耗措施，为此，在当前“数字中国”背景下推动5G基站运营“绿色化”成为5G建设亟待解决的严峻问题。
以往5G基站节能研究方向主要为基站空调性能优化等，基站柜体结构优化研究有限。普通建筑围护结构能耗占建筑总能耗的60%～80%，对于单位面积产热量远高于普通建筑的5G基站，其柜体结构的节能效应更不容忽略。相变材料(phase change material，PCM)作为一种新型清洁储能材料，具备高效清洁、易于维护等优势，其在相变过程中可吸收或释放大量的热量。将相变材料应用于基站柜体结构中，可有效提升柜体结构的蓄热能力和热惰性，增强其环境适应性，减少外界热量的传入和室内气温的波动。Li等通过EnergyPlus数值模拟分析了PCM泡沫水泥墙体的温度、储能、能耗和回收期，结果表明，在五大气候分区加入PCM泡沫水泥其室内外温差均可得到有效降低；加入PCM后节能率分别为哈尔滨19.82%、北京20.17%、深圳15.87%、上海22.26%、昆明37.02%。罗振宇等对双层定型相变围护结构夏季热特性进行实验研究。结果表明：房内侧相变板相变温度为17～26 ℃，在冬季发挥保温作用；外侧相变板相变温度为26～36 ℃，在夏季发挥隔热作用。涂航等对相变混凝土墙体的传热性能展开研究，研究了PCMs-混凝土层在不同太阳辐射强度下不同位置时的热工性能。结果表明：当太阳辐射强度小于80 W/m 2 ，大于200 W/m 2 时，PCMs-混凝土层内侧布置相对导热系数最小，墙体导热性能更好。孔祥飞等对相变蓄能墙多因素热特性进行优化研究，得出夏季相变材料层设置在室内侧位置更有利；随着室内对流换热系数的增大，相变材料层的蓄热量随之增大，而延迟时间减小。Mustafa等为增强厚度为100～200 mm混凝土的热性能，在围护结构加入了相变材料。结果表明：相变混凝土厚度100 mm时，热负荷和冷负荷分别减少了71.5%和61%。Zhang等通过对广州通信基站围护结构优化设计研究，确定通风、围护结构换热系数和围护结构太阳能吸收率为基站能耗关键影响因素。通过热模拟结果表明：采用通风，基站空调冷负荷从1380 kWh/m 2 降至304 kWh/m 2 ，降低78%。Zhang等评估了相变材料在通信基站围护结构中的适用性。结果表明：随着相变温度和昼夜温差的增大以及室外温度的降低，自然冷源利用率和相变材料利用率降低，当采用相变温度为25 ℃的相变材料时，长沙地区PCM板最佳厚度为3.6 mm。He等为降低室内冷负荷，提高室内居住者的热舒适度，提出了一种采用铝板进行封装的新型全天冷墙(RC-PCM)。研究结果表明，RC-PCM墙可有效降低化石燃料消耗，具有良好的应用潜力。RC-PCM墙南墙(C室)的冷负荷分别比砖墙(A室)和PCM墙(B室)降低47.9%和23.8%。Gao等对重庆地区的住宅和办公建筑采用传统被动冷屋顶的能耗进行了研究，发现每年可节省4.1～10.2 kWh/m 2 的耗电量，平均日节能率为9%。
综上所述，相变材料可有效降低建筑能耗，但目前相变材料应用于通信基站的研究有限。与住宅建筑和办公建筑不同，5G基站含有高发热通信设备，且全年无间断运行，其传热方式与传统建筑存在较大差异，相变材料在传统建筑的节能效果并不能准确预测其在基站建筑中的应用效果。为构建绿色低碳、节能环保的5G基站，本工作从优化5G基站柜体结构角度出发，基于Crank-Nicholson方法离散墙体传热的计算方程，分析了传统基站的能耗水平和柜体结构换热情况，制定初步柜体结构优化方案；同时利用EnergyPlus软件开发了虚拟仿真平台，探究了相变材料相变温度、布置位置和相变通风对5G基站节能性的影响，为推进5G技术发展、促进我国的经济可持续发展提供保障。

1 研究方法

1.1　基站简介

实验5G基站安装在中国夏暖冬冷地区长沙，基站占地总面积为1.575 m 2 ，长×宽×高分别为1.75 m×0.9 m×2.1 m，实物如图1(a)所示，对应的基站模型如图1(b)所示。根据通信局(站)机房环境条件要求与检测方法 [ 23 ] ，按照E类机房标准，基站空调设定温度为(24±4) ℃，相对湿度为40%～70%。基站内配备有4个型号为LB-2KW-AC220V-J假负载，单个假负载发热量为500 W，总发热量为2000 W。基站柜体由外至内，由厚度为2 mm的钢板、30 mm和20 mm的聚氨酯发泡板(polyurethane foam board，PU)以及2 mm钢板组成；机柜底座采用厚度为2 mm的冷轧钢板，基站柜体为全年运行，内部无人员及灯光设备负荷，具体柜体参数如表1所示。

图1     实验和模拟用 5G 基站

表1   5G基站柜体材料和参数

1.2　模拟方案

为探讨相变材料的相变温度、相变材料布置位置以及通风对5G基站能耗影响，本工作除了传统的基站模型，还设计了20种不同相变温度、不同相变层布置位置集成的相变柜体模型以及2种通风柜体模型，具体情况如表2所示，具体布置方式如图2所示。值得注意的是，除相变温度外，其他参数均假定不变。通过加入相变材料，利用相变材料蓄热特性，降低外部热量干扰。为进一步优化基站柜体结构，在确定最优相变温度和相变布置情况下，加入通风模式，具体结构如图3所示。通过增设通风口，当室外温度低于基站内设定运行温度24 ℃时，可引入外界自然冷源对基站进行自然冷却，减少冷却空调运行时长和能耗。25 ℃石蜡PCM的热物性参数见表3，并采用DSC差示扫描法确定其热物性参数与温-焓曲线。除相变温度外，假定其他参数不变，根据25 ℃石蜡PCM焓温曲线换算得到16～30 ℃石蜡PCM的温-焓曲线，具体如图4所示。

表2   相变层模拟方案

图2     相变层布置位置示意图

图3     通风工作示意图

表3   相变材料热物性参数

图4     不同相变温度下石蜡的焓温图

1.3　模型验证

为验证模型准确性，采用T型热电偶，测取了5G基站内外壁面温度，同时测取了长沙3月8日—3月10日的气象参数，将其改写进适用于EnergyPlus软件的Epw气象参数文件，如图5所示，与模拟室外环境温度相比实验室外环境温度波动较大，实验和模拟室外环境温度平均误差为2.9%，外壁面温度受环境温度影响，实验值存在一定波动，同时在软件中建立对应的对照组模型。实验和模拟对比结果如图6～7所示，图6(a)～(c)为基站东向、南向和西向外壁面温度实验和模拟数据，其平均误差分别为5.19%、8.52%和6.05%。由于基站为侧式一体化基站，空调布置为西侧并处于封闭状态，无法测取西侧内壁面温度，测取空调与基站内环境间的隔板温度，图7(a)～(c)为基站东向和南向内壁面温度、内隔板壁面温度实验和模拟数据，其平均误差分别为6.64%、7.70%和5.10%。

图5     室外环境的实验和模拟温度对比图

图6     外壁面的实验和模拟温度对比图

图7     内壁面及隔板的实验和模拟温度对比图

2 结果与讨论

2.1　传统基站内温度分布和能耗变化

2.1.1　传统基站温度分析
图8表示的是3月13日~3月15日基站内温度分布情况，测量点上部、上中部、中下部、下部为基站内负载区域从上至下均匀分布的四个点。受假负载发热量的影响，热空气向上运动，基站内温度由下至上逐渐升高，3月13日~3月15日基站内上部测点、上中测点、下中测点、下测点的平均温度分别为24.96 ℃、24.32 ℃、22.38 ℃、17.50 ℃。图9表示的是基站内外壁面的温度分布情况，由于太阳能辐射作用，太阳直射时间长，南壁面温度高于西壁面高于东壁面，三者实验时间内的平均温度为23.99 ℃、20.55 ℃、19.98 ℃。实验时间内南内壁和东内壁向外放热时间占比分别为62.50%和73.61%，此时基站柜体结构设计中应更注重其散热能力优化，同时兼顾其隔热性能的优化。

图8     基站内温度分布图

图9     基站柜体温度变化图
2.1.2　传统基站能耗分析
图10表示的是传统基站月均能耗和长沙月均室外温度变化曲线，由图可知，随着室外平均温度的升高，基站耗电量也随之升高，即传统基站空调能耗与长沙室外温度成正比，传统基站耗电量在7月存在最大值为497.52 kWh，1月存在最小值为126.44 kWh，基站全年总能耗为3469.92 kWh。相较于冬季，夏季制冷能耗是其3倍以上，此时室外温度高，传统基站能耗大。在1~5月和9~12月室外平均气温低于基站内制冷温度24 ℃，可引入外界低温自然冷源对基站进行自然冷却，减少基站空调运行时长和运行能耗。图11表示的是传统基站月均南向柜体结构的吸放热时间占比，由图可知，基站吸热时间与室外温度增长趋势同样保持一致，基站柜体1月95%的时间均处于放热状态，而6月处于放热状态的时间为39%，吸热状态情况与之相反。基站全年72.75%时间均处于放热状态，因此在基站柜体结构设计中应更注重其散热能力的设计，同时兼顾其隔热性能的优化。为此引入相变材料，优化基站柜体结构达到降低基站能耗目的，夏季时相变材料熔化吸热，避免过多的热量传入基站，冬季时相变材料保持在固体状态，但其导热系数大于原有的保温材料的系数，更利于热量向外传递。

图10     长沙月平均室外气温和传统基站逐月能耗图

图11     传统基站柜体逐月吸放热时间对比图

2.2　优化后基站内温度分布和能耗变化

2.2.1　相变基站温度分析
图12、图13表示的是夏季典型日(8月1日和8月2日)和冬季典型日(11月22日和11月23日)的相变基站南向柜体温度变化。由图12可知，由于太阳辐射作用，夏季典型日柜体温度由外壁至内壁呈下降趋势，8月1日和8月2日传统基站外壁和内壁温度差均在11∶00达到最大，分别为24.09 ℃和25.34 ℃，相变基站的外壁和内壁温度差值分别在12∶00和11∶00达到最大，分别为10.02 ℃和15.82 ℃。除8月1日0∶00~7∶00传统基站和相变基站外部温度低于内壁温度外，其他时段外壁温度始终高于内壁温度，且此时相变基站外壁温度低于相变层温度，此时环境热量由室外向基站传递，相变材料向室外放热。相对于传统基站，相变基站的外壁和内壁温度差在日间和夜间均有所减小，日间外壁温度高于内壁温度此时基站柜体向内传热，夜间外壁温度低于内壁温度此时基站柜体向外传热，但加入相变材料柜体导热系数同时增加，具体节能效果需考虑两者综合作用。

图12     夏季典型日基站柜体逐时温度变化图

图13     冬季典型日基站柜体逐时温度变化图
由图13可知，冬季典型日柜体温度由外壁至内壁呈上升趋势，11月22日和11月23日传统基站的外壁和内壁温度差值分别在7∶00和24∶00达到最大，为14.03 ℃和15.49 ℃，相变基站的外壁和内壁温度差值分别在7∶00和8∶00达到最大，为10.34 ℃和10.48 ℃。传统基站和相变基站外壁温度始终低于内壁温度，此时热量由基站向室外传递。相对于传统基站，相变基站的外壁和内壁温差在日间和夜间均有所减小，但相变层代替原有保温层且始终处于固态，此时柜体导热系数增加，更利于传热。
2.2.2　相变基站能耗分析
图14为不同相变材料布置方式下基站全年运行能耗。相变材料外侧布置和内侧布置时，基站全年能耗均有所降低，且外侧布置耗电量均低于内侧布置，25 ℃石蜡PCM内侧布置时，年耗电量为3375.41 kWh，年节能率为2.7%，25 ℃石蜡PCM外侧布置时，年耗电量为3345.17 kWh，节能率为3.6%。图15表示25 ℃石蜡PCM外侧布置时相变基站逐月耗电量与传统基站逐月耗电量对比图，由图可知，相变基站耗电量与室外气温保持一致，呈现先上升后下降的趋势，在7月存在最大值为506.28 kWh，1月存在最小值为105.11 kWh，除7月和8月外基站耗电量均有所降低。

图14     不同相变材料布置方式下基站全年运行能耗

图15     模型 14 和模型 0 逐月能耗对比图
夏季加入相变材料日均负荷存在增大或降低情况，其取决于相变材料的相变过程以及传统基站和相变基站外壁和内壁温度差差值，图16为7月9日和8月1日逐时负荷变化图，传统基站与优化基站负荷差值受相变材料液相率和传统基站与优化后基站(模型0与模型14)外壁和内壁温度差差值影响，图中阴影部分即7月9日和8月1日0∶00~7∶00为相变层温度大于外壁面温度情况。

图16     模型 14 的 7 月和 8 月典型日逐时负荷变化图
7月9日传统基站和相变基站外壁和内壁温度差差值在0∶00~9∶00小于0，且传统基站的外壁和内壁温度差小于0、相变基站的外壁和内壁温度差大于0，传统基站热量传递方向为由室内传至室外，优化基站热量由室外传至室内，相对于传统基站，优化后基站更多热量将传递入室内。并且此时相变材料处于凝固放热状态，在0∶00~7∶00时，相变层温度高于外壁温度，相变层靠近外壁面，相变材料凝固向外放热，7∶00后相变层温度低于外壁温度，相变材料凝固向内放热。两者综合作用下，传统基站与优化基站负荷 Q 0 - Q 14 呈负值并缓慢上升。且由于相变材料在7∶00后放热方向改变为向室内传递，传统基站与优化基站负荷差值均在此时发生突降。9∶00后相变材料开始熔化吸热，此时传统基站和相变基站外壁和内壁温度差差值、传统基站的外壁和内壁温度差、优化基站的外壁和内壁温度差均大于0，由于相变材料代替原有保温层，柜体导热系数增加，虽然加入相变材料外壁和内壁温差减少，但传统基站与优化基站负荷差值仍小于0，随着传统基站和相变基站外壁和内壁温度差差值持续增大，传统基站与优化基站负荷差值缓慢上升。在11∶00后液相率达到1，随后负荷值随着温差差值变化而变化。
8月1日此时传统基站和相变基站外壁和内壁温度差差值在0∶00~7∶00小于0，且相变基站的外壁和内壁温度和传统基站的外壁和内壁温度差均小于0，传统基站和优化基站热量传递方向为由室内传至室外，相对于传统基站，优化后基站更少热量传至室外。并且在0∶00~8∶00时相变材料处于凝固放热状态，在0∶00~7∶00时，相变层温度高于外壁温度，相变层靠近外壁面，相变材料凝固向外放热。两者综合作用下，传统基站与优化基站负荷差值呈负值，由于此时液相率变化不大，传统基站与优化基站负荷差值趋于稳定。且由于相变材料在7∶00后放热方向改变为向室内传递，传统基站与优化基站负荷差值 Q 0 - Q 14 在此时发生突降。8∶00后相变材料开始融化吸热，此时传统基站和相变基站外壁和内壁温度差差值、传统基站的外壁和内壁温度差、优化基站的外壁和内壁温度差均大于0，加入相变材料后外壁和内壁温差减少，相变材料代替原有保温层，柜体导热系数增加，但传统基站与优化基站负荷差值仍小于0，随着传统基站和相变基站外壁和内壁温度差差值增大，传统基站与优化基站负荷差值呈现正值且持续上升。在13∶00后液相率达到1，随后负荷值随着温差差值变化而变化。
2.2.3　通风后基站能耗变化
图17表示的是加入通风和相变通风的逐月耗电量与传统基站逐月耗电量的对比图，加入通风后基站年耗电量由3469.92 kWh降低至2348.26 kWh，节能率为32.32%，其中1月耗电量最低降至0 kWh，除7月和8月之外，其他各月份耗电量均有所降低。加入相变通风后基站年耗电量由3469.92 kWh降低至2316.87 kWh，年节能率为33.22%，且1~4月和11~12月，月节能率均超过50%，相较于单纯通风其节省电量31 kWh。相较于未加入相变材料通风，在冬季和过渡季节，加入相变材料通风，可有效降低基站能耗，12月份节能率最大，为17.78%。由图18可知，模型21和22的月节能率与室外温度相关，随室外温度的升高而降低，当室外温度高于24 ℃即7月和8月时，由于无法引入室外自然冷源降低基站能耗，节能率为0。

图17     加入通风和相变通风的基站年能耗图

图18     长沙月均室外气温和通风节能率变化图

3 结论

本工作分析了夏热冬暖地区长沙传统基站的能耗水平、基站柜体结构换热情况，同时探究了相变材料相变温度、位置和相变通风对5G基站节能性影响，得出以下结论。
（1）传统基站总能耗为3469.92 kWh，夏季制冷能耗为冬季的3倍以上，夏季典型日基站柜体温度由外壁至内壁呈下降趋势，冬季反之，基站全年72.75%时间均处于放热状态。
（2）基站温度为24 ℃时，基站柜体的最佳相变温度为25 ℃，且相变材料外侧布置均优于内侧布置；当相变温度25 ℃、相变材料外侧布置时基站节能效果最佳，基站年耗电量降低为3345.17 kWh，其相对于传统基站其年节能率为3.6%，其中月节能率1月份达到最大，为16.87%。
（3）通风和通风墙能耗：加入相变通风后基站年耗电量由3469.92 kWh降低至2316.87 kWh，年节能率为33.22%，且1~4月和11~12月，月节能率均超过50%。相较于未加入相变材料通风，加入相变材料通风可节省电量312 kWh，其12月份的月节能率最大，为17.78%。

第一作者： 朱江恬（1999—），女，硕士研究生，研究方向为建筑节能与绿色建筑，E-mail：；

通讯作者： 李杰，讲师，研究方向为相变传热数值模拟，E-mail：lijie@csust.edu.cn

通讯作者： 孙小琴，教授，研究方向为相变储能技术，E-mail：xiaoqinsun@csust.edu.cn。

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