5GBBU竖装的可行性及竖装对降低能耗的影响
王元元
【摘要】? ? 本文将国内某5G设备的供应商设备作为研究对象进行分析，通过对其开展测试，获取相关参数数据，基于数据进行研究。同时结合理论分析，发现5GBBU竖装具备一定的可行性，能够在一定程度上控制基站能耗，改善设备的散热效能性能。
【关键词】? ? 5G基站? ? BBU安装? ? 散热能效
一、散热风道分析
分析下图1，可以得知该设备机房主要使用的是工业级精密空调制冷，制造的冷空气经由下方或前门流入机柜内部，而机器散发的热量则可以从机柜后门流出到机房中。综上所述，机房中机柜散热风道主要是前进风、后出风。
机柜内部前门部分主要是冷风区，外部冷空气从该区域流入机柜中，配合完成散热工作后，转为热空气，流出机柜。
机柜中的BBU可直接借助设备中包含的风扇完成物理散热。本项目中，风扇位于设备侧面位置，风的主要流入流出方向也是在侧面进行的。图2中表明，该设备工作过程中，冷风从右/左侧进入，待转换为热风后从左/右侧汇出，这和机柜前部进风、后部出风的气流流动方向有所不同。所以，为了保障BBU设备的散热工作正常开展，维系设备的安全，决定将进风口设置在机柜前门中进入冷空气的部位。
不仅BBU横装结构的安装方法和其竖装结构有所差异，导风组件下横装导风组件和竖装导风组件同样有所不同。但是，不管是在横装时还是竖装时，气流流动方向都将变化好几次才能到达设备进出风口，实验发现，横装时气流流动方向变化次数为4次，竖装时气流则只会变动2次。
在机柜散热风道下，若是风道较窄，则气流经由时会出现摩擦力与静压损失，从而使得压力变小、速度变小。要想计算出气流经由风道产生的损耗，可以借助下式得出结果：
P=a（Vi/1277）2
上式中，P表示风道静压损失（PA），a表示静压损失系数（具体取值视实际情况决定），Vi则表示风速（cm/s）。
Vi=Q/Ai
上式中，Q表示风量;Ai则表示风道截面积大小。
结合BBU横装、竖装实际情况可以发现，本项目中横装时a取值为5，而竖装时取值则为3。
若是环境因素保持不变，那么此时风速值大小可以设计为218cm/s。
由此可以计算出横装、竖装状态下，静压损失P的大小：
首先，横装状态下，P=5x（218/1277）2=141.7PA;其次，竖装状态下，P=3x（218/1277）2=85.3PA。
分析计算结果可以得知，相较于横装BBU，竖装BBU冷风进气效率明显偏高。
二、5GBBU设备散热分析
BBU设备工作过程中往往会散发很多热量，要想这些热量都可以完全流出设备，防止残留在设备内部对其产生危害，造成内部器件的损坏，就必须要重视BBU设备的散热性能。而影响该设备散热能力的主要因素来源于BBU的排风量，因此通过计算系统所需风量、风压、空间大小等参数即可计算出具体的风扇风量值。
具体计算公示如下所示：
Q=Wf（CPx△txP）
上式中，Q表示风量大小，单位是m3/s;W表示功耗，单位是W;CP表示空气定压比热，单位是[[J/（kg.K）];PT表示系统内部和周围环境的温度差值;A则表示空气密度。
分析上式可以发现，假设BBU的功耗值大小是600W，进出口的温度差值为10C，此时Q通过计算得出大小为0.04795m3/s。
研究表明：不管是横装BBU还是竖装BBU，Q值的大小均恒定不变，都维持在0.04795m3/s的风量。但是横装与竖装具体方式有所不同，因此通过分析散热风道的静压损失可以发现，虽然Q的大小不变，但在横装是能达到114.7PA，而竖装时则是85.3PA，這也表明，组装方式的不同会导致气流需要客服的静压损失有所差异，这也导致不同方式下风扇转速有所不同。
通过计算可以得出如下两点结论：首先，静压值P与风量Q是反向关系，随着静压值的上升，风量会随之减小;反之，静压值变小，风量会有所增加。其次，设备功率W的大小会跟随着静压P或风量Q的变化而变化。
此外，通过实验还能得出，若是环境温度控制在25℃，维持其他条件不变，此时若BBU横装，则风扇功耗将达到25W;而若是在BBU竖装情况下，功耗只有12W。
三、5GBBU竖装节能分析
节能依旧是5G时代关注的重点，随着5G建设愈发完善，设备商、通信运营商要想打造品牌核心竞争力、扩大市场份额，必须提升产品的节能属性。而不同的BBU设备安装方法将在很大程度上改变设备的节能性能，通过研究BBU设备散热状况以及机房制冷量即可得到结果。
Qt≥Q1+Q2
上式中字母含义如下：Qt表示机房工作所需要的新增制冷量总和，单位是W;Q1表示室内设备新增总负荷，单位是W;Q2则表示环境热负荷，单位同样为W。通常情况下Q2值大小维持在100-180W/耐，因为受到地区间气候不同的影响，若是设备处于南方地区，此时估算取值应为180W/mz，而北方地区则取值为100W/mz。
若是项目在北方地区试点，决定在6.5m2区域在添加1套5GBBU集中设备柜，柜中共计包含5套BBU，每套BBU基带板功耗设为600W，此时若横装，则功率值为25W;若竖装，则功率值为12W。此外，每台BBU需3台风扇。此时通过计算可以得出两种状态下分别所需的制冷量大小：
在横装状态下，具体计算方法为Qt=（600X5+25X5X3）+（100X6.5）=4025W，表示所需制冷量为4025W;而在竖装状态下，此时所需的制冷量计算方法则是Qt=（600x5+12X5X3）+（100X6.5）=3830W。
综合对比计算结果发现，两种方法下，要想节省制冷容量，可以选择竖装方法。
想要计算BBU设备的散热功耗，可以借助下式：
Wt=W1+W2-W3
该式中各个字母含义如下：Wt表示BBU设备散热工作中消耗的功耗大小（W）;W1表示风扇自身的功耗大小;W2表示新增机房部分产生的制冷量;W3表示负载功耗大小。由此可以计算出横装、竖装两种状态下设备所消耗的功耗具体值：
横装状态下，Wt=25X5X3+4025-600X5=1400W;竖装状态下，此时Wt的大小为Wt=12X5X3+3$30-600X5=1205W。对比计算结果可以得知：相较于横装方式，在竖装状态所需消耗的能耗更低，平均每个BBU设备柜能够节省将近14%的能耗，折换成电费金额可达1366元。
四、5GBBU横竖装测试
4.1测试环境搭建
5GBBU横竖装的测试主要是针对机柜功耗状态以及温度变化展开的，通过搭建测试环境，计算出真实的功耗与进出口温度数据，从而通过真实数据证明竖装方式能够明显控制能耗，达到节能效果。测试过程中，决定选择目前非常普遍的5GBBU设备，具体环境搭建方法如下所示：
1.选择安装机柜的场所必须保证室内温度稳定，周围不存在空调出风口等布置，以便干扰测试结果。
2.每个BBU竖装机框容纳BBU设备的上限为5台，因此在测试的过程中不管是横装还是竖装都选择5台设备进行研究。
3.不管是横装还是竖装的测试都应处于相同机柜，且高度要、温度等环境条件都应保持一致。
4.因为测试条件有着很大的局限性，因此测试过程中BBU设备只需要和传输设备维持连接，不需要和射频设备等连接，且相关参数均选取的是BBU设备待机情况下的指标。
4.2测试方法
4.2.1温度测试
同时在BBU设备的内外侧分别安放温度传感器，通过温度传感器实时检测设备进出风口、冷区热区、机柜整体环境等部位的温度变化情况。
1.测试人员在BBU设备进出风口5cm的位置分别摆放五个以上的传感器，以便实时监控该部位的温度变化情况;
2.对于冷区热区部位，同样在距离其5cm左右的位置摆放两个以上的传感器，以便实时监控冷区热区的温度变化情况;
3.对于机柜整体环境温度检测时，可以在机柜外侧8cm的位置安放一个温度传感器，以便实时对整体温度进行监测。
4.2.2功耗测试
测试前先开启BBU设备使其进入工作状态2小时后，观察其是否趋于稳定，稳定后即可使用钳流表测试直流开关电源部位的电流、电压值大小，通过得到的结果，进行计算则可以得到总功耗大小。进行测试过程中，要想确保测试结果真实有效，需要先分析测试获得的数据指标是否具备真实性，确保其误差低于标准的2%。
4.3测试结论
在对机房实际测试过程中，不难发现当BBU设施横向摆放的时候，其进出风口都是向着内侧的，且与内壁间隔微乎其微，根本无法让外部冷空气顺畅的流入进来，同时机器散热产生的热空气也无法在第一时间流出机柜，导致内部温度不断升高。但是，如果纵向摆放的话，即可有效避免这一问题，纵向摆放情况下，BBU处于子柜中，进风口朝向机柜底部，此时便于冷空气涌入机柜中，而出风口朝向顶部，散热完成后的空气受到热胀冷缩原理的影响，能够在第一时间涌出机柜，带走热量。
综合研究发现，BBU设备若是竖向摆放不仅阻力值变小，且转速更低、耗费的功耗更小，节能性能更佳。
五、结束语
由于5G基站相較于4G基站耗费的功耗更大，生产商对设备节能减排的性能要求更高。相较于传统横装，BBU设备竖装情况下更利于散热风道的流通，能够较好的提升设备节能效果，且对风扇等设备要求较低，生产成本、后期运维成本均得到了有效控制。
参? 考? 文? 献
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