Холодоснабжение, кондиционирование воздуха
Coolling and air conditioning
  Энергосберегающее климатическое оборудование для объектов связи
Telecom free cooling air conditioning
 
Статьи

Решения в области охлаждения телекоммуникационных объектов базовых станций сотовой связи

П. Л. Ронжин, Е. В. Шеин
ООО «ВЕНТСПЕЦСТРОЙ»
 
Казалось бы, прочитав название этой статьи, читатель вправе впасть в недоумение: сотовая связь давно и прочно вошла в нашу жизнь, технические решения проверены не то что годами, а десятилетиями, так о чем же здесь можно говорить? Прежде всего, о надежности работы и снижении эксплуатационных затрат. На сегодняшний день 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 над выручкой от этого рода деятельности вынуждают операторов все внимательнее рассматривать пути снижения операционных затрат как средство поддержания прибыльности своих предприятий.
Из-за стремительного роста тарифов на электроэнергию (с 2006 г. по 2010 г. ровно в 2 раза) с каждым годом удельный вес расходов на нее в общих затратах на эксплуатацию сетей существенно увеличивается. Что касается базовых станций, то свыше 30% потребляемой ими электроэнергии приходится на их системы охлаждения, что заставляет операторов обратить на эту составляющую более пристальное внимание.
В настоящей статье мы рассмотрим современные технические решения, применяемые операторами сотовой связи только в области охлаждения оборудования связи на базовых станциях. Для начала мы остановимся на типах оборудования, применяемого для снятия тепловыделений на телекоммуникационных объектах.
Сразу оговоримся, что в текущий момент самые эффективные технологии охлаждения как ни странно основываются на давно знакомых вещах: фреоновых кондиционерах, работающих по обратному циклу Карно, и воздушном охлаждении. Может, к сожалению, а может и к счастью, никакие другие способы охлаждения не могут сравниться с ними в эффективности, в том числе, и обсуждаемые в последнее время охладители на так называемых элементах Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. 
Достоинством элементов Пельтье является 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 ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Для примера можно привести следующие цифры: на 1 Вт затраченной электрической мощности получается 0,5…0,6 Вт холода. Для сравнения, в обычных сплитах на каждый ватт затраченной мощности вырабатывается 3…3,5 Вт холода. Разница в эффективности огромная. 
Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. 
Далее рассмотрим более привычное всем оборудование для охлаждения.
1. Сплиты. Наиболее распространенное решение для базовых станций сотовой связи, обусловленное низкими капитальными затратами.  В подавляющем большинстве случаев используется два кондиционера, один их которых – рабочий, второй резервный. Выравнивание времени наработки, включение в работу резервного кондиционера в случае выхода из строя рабочего кондиционера или недостаточной его холодопроизводительности, производится с помощью устройств согласования.
Плюсы данного решения: низкие капитальные затраты, широкое распространение, известные хорошо освоенные технологии.
Минусы: маленький ресурс (5…6 лет), большое энергопотребление, трудности с мониторингом и удаленным управлением, низкая вандалоустойчивость.
2. Прецизионные кондиционеры. Полная противоположность сплитам по распространенности. Применяется обычно на узловых базовых станциях (контроллерах), где очень высоки требования к обеспечению работоспособности оборудования, а также в тех случаях, когда использование других типов оборудования затруднено вследствие каких-либо причин, например, очень длинные фреоновые трубопроводы и т. п.
 
Плюсы: высокая надежность, большой ресурс (10…12 лет), возможность мониторинга и дистанционного управления, объединения кондиционеров в сеть.
Минусы: высокие капитальные затраты, относительно высокое энергопотребление.
3. Энергосберегающие кондиционеры. Сочетают в себе достоинства прецизионных кондиционеров и низкое годовое энергопотребление. Низкое энергопотребление достигается за счет применения технологий free cooling (фрикулинг) или fresh air cooling (фреш эйр кулинг). В русском языке используется термин «естественное охлаждение». Как бы не называлась эта технология, ее смысл заключается в следующем: охлаждение оборудования базовой станции происходит за счет подачи снаружи более холодного наружного воздуха при соответствующих погодных условиях. В жару и при теплой погоде фрикулинг не работает, и тогда охлаждение базовой станции 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% от общего времени работы энергосберегающих кондиционеров.
Низкое годовое энергопотребление оборудованием этой группы обусловлено не только интегрированием в кондиционеры систем естественного охлаждения. Как правило, кондиционеры данной группы специально разрабатываются для применения на телекоммуникационных объектах. В качестве комплектующих изделий в них используются высокоэффективные электронно-коммутируемые вентиляторы с возможностью плавного изменения скорости вращения от 30 до 100%. Кроме того, основной вклад в энергосбережение вносят оригинальные программы управления этими устройствами: включение компрессора или раскрутка вентилятора на 100% происходит только лишь в случае крайней необходимости. В остальное время логикой управления энергосберегающего кондиционера отдается 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 капитальные затраты (относительно сплитов).
Надо отметить, что в течение последнего десятилетия для охлаждения базовых станций сотовой связи использовались только три типа кондиционерного оборудования, описанные выше. В последние год-два в связи с ростом интереса к вопросам энергосбережения появились новые устройства для охлаждения, но их коренное отличие от оборудования из первых трех пунктов состоит в том, что они работают в каком-либо сочетании с другими климатическими устройствами, образуя в зависимости от сочетания, различные технические решения для поддержания климатических параметров. Ниже мы рассмотрим другие типы охлаждающего оборудования, а далее – те технические решения, которые можно реализовать с их помощью.
4. Вентиляционные устройства для естественного охлаждения (free cooling box, fresh air box). Данный тип оборудования явился развитием систем аварийной вентиляции, которые изначально применялись на базовых станциях только в случае отключения основного питания, когда отключались сплиты. Принцип работы фрикулинга в этих устройствах такой же, как и у энергосберегающих кондиционеров: подача холодного воздуха в помещение с улицы для охлаждения оборудования базовой станции. При этом конструкция устройств может отличаться очень сильно: в одном случае - это примитивный канальный вентилятор с гравитационной жалюзийной решеткой в качестве клапана для выброса воздуха из помещения, в другом случае – это 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 поддержание температуры приточного воздуха; электронагревателем; системой включения дополнительных внешних кондиционеров; контроллером, управляющим устройством; устройствами мониторинга и дистанционного управления.
 
Несмотря на широкое использование этого типа оборудования такими компаниями как VODAFONE, ORANGE и др., фрикулинг-боксы пока еще не часто применяются российскими операторами связи, поэтому мы остановимся на их устройстве и принципе работы чуть подольше. 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) 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 составе с дополнительным кондиционером, который может включаться и выключаться в работу контроллером устройства. При этом фрикулинг-бокс параллельно реализует свои внутренние алгоритмы работы для достижения максимальной эффективности охлаждения.
Нагрев воздуха используется для поддержания температуры воздуха в помещении при ее снижении ниже заданной. В данном режиме 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: необходимость использования в ряде случаев дополнительных кондиционеров.
5. Кондиционеры для аккумуляторов. 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…25ОС) для аккумуляторных батарей приводит к резкому сокращению срока их службы, тогда как современное оборудование связи 3G и 4G может работать в весьма широком температурном диапазоне (5…50ОС).
Кондиционеры для аккумуляторов монтируются непосредственно на аккумуляторном отсеке, при этом отсек может быть расположен внутри базовой станции или находится непосредственно на улице. Соответственно сброс тепла от аккумуляторов в первом случае будет в помещение станции, откуда его необходимо удалить своими 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.
6. Теплообменники «воздух-воздух» используются обычно в так называемых климатических шкафах. Принцип работы таких устройств прост, так как в данное оборудование является параллельно развивающейся ветвью по отношению к вентиляционным устройствам естественного охлаждения. Когда температура в шкафу превышает температуру окружающей среды, для рассеивания тепловой нагрузки используется алюминиевый противоточный теплообменник. Окружающий воздух 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. Используя встроенные датчики температуры в зависимости от различной тепловой нагрузки и климатических условий контроллер теплообменного устройства 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.
 
Теперь, зная практически весь спектр климатического оборудования для телекоммуникаций, рассмотрим оптимальные технические решения для различных базовых станций.
Новая базовая станция контейнерного типа (шелтер). При тепловыделениях от телекоммуникационного оборудования на уровне 3,5…5 кВт оптимальным вариантом с точки зрения максимального обеспечения надежности и энергосбережения является применение энергосберегающего кондиционера, оснащенного системой естественного охлаждения, в качестве рабочего, и сплита, в качестве резервного кондиционера. 
Действующая базовая станция, оснащенная сплитами. При дооснащении такой станции вентиляционным устройством для естественного охлаждения одновременно решается сразу несколько задач. Увеличивается срок службы кондиционеров типа «сплит», так как они будут работать всего 5…10% времени в году. При постоянной работе сплита на базовой станции его приходится менять на новый уже через 5…6 лет, а то и раньше. При использовании фрикулинг-бокса совместно со сплитами срок эксплуатации кондиционеров становится равен сроку эксплуатации шелтера. Годовое энергопотребление систем охлаждения снижается в 3…3,5 раза, а мгновенное значение потребляемой мощности в холодный период снижается на порядок. В совокупности с высокой надежностью модернизированной системы охлаждения, а также возможностью мониторинга состояния оборудования и температурного режима, достигается существенное снижение эксплуатационных расходов 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 50ОС, который с небольшими затратами электроэнергии могут поддерживать вентиляционные устройства для естественного охлаждения. В этом случае в дополнение к фрикулинг-боксам целесообразно использовать теплоизолированный аккумуляторный отсек со смонтированным на нем кондиционером для аккумуляторов. Внутри отсека аккумуляторы будут находиться при температуре 20…25ОС, что обеспечит их заявленный ресурс. Тепло с аккумуляторов с помощью кондиционера должно отводиться в шелтер, а из него, с помощью вентиляционных устройств – в атмосферу. Ориентировочно потребляемая такой системой охлаждения мощность составит всего 350…500 Вт.
 
Климатический шкаф без аккумуляторных батарей. В настоящее время данное решение широко используется для построения сетей последних поколений. Так как для телекоммуникационного оборудования некритично поддержание узкого температурного интервала, а сами тепловые нагрузки относительно невысоки, решение напрашивается само собой – использование для охлаждения теплообменника «воздух-воздух». Кроме низкого энергопотребления решение характеризуется минимальными затратами на проведение периодического технического обслуживания ввиду отсутствия воздушных фильтров, которые в других случаях требуют время от времени чистки или замены. 
Климатический шкаф с теплоизолированным аккумуляторным отсеком. Данное решение является дальнейшим развитием предыдущего варианта за счет использования теплоизолированного аккумуляторного отсека со встроенным кондиционером. Соответственно такой климатический шкаф обеспечивает максимальные ресурс и надежность всего оборудования связи, включая аккумуляторные батареи.
Опираясь на приведенную выше классификацию объектов, можно легко выбрать вариант оснащения объекта оборудованием для охлаждения, который будет обеспечивать минимальные показатели по энергопотреблению, что приведет к снижению эксплуатационных расходов.