艾默生新一代户外电源解决方案

一 前言

    随着通信网覆盖范围扩大，原有的机房建站模式在站点选择，建设速度，投资等各方面不能够适应网络建设的要求。户外建站方式越来越多的被广大用户接受，用量逐渐增多。根据北美，欧盟等发达国家的建站经验，超过50%的站点选用户外建站方式。从我国的实际情况看，户外产品的应用方兴未艾，目前在移动通信网主要应用于偏远地区的边际网，并开始向城区发展。在固网建设方面，随着宽带建设的提速，以光进铜退为主要方向的接入网下移改造，也出现了大量的户外柜需求。
    为了进一步实施节能增效，降低企业运营成本，需要对户外建站方式的能耗情况及节能问题进行专门研究。艾默生网络能源作为全球网络能源市场的领导者，在户外产品方面有超过百年的技术积累和应用经验，下属的欧洲公司（原德国Knurr公司）及北美公司（原Marconi北美）均为全球顶尖的户外产品供应商。本文根据国内市场的实际情况，浅谈一下户外产品的节能问题及相关技术。

二 户外电源的节能减排

    具体来说，节能减排包括节能，节地，节材，环保等诸多方面。节能可以降低能耗，对降低运营成本有直接作用。节地可以减少站点建设的投入。节材可以降低材料耗费。这几个方面也是相辅相成的，比如设备占地面积小，相应的会降低建站材料的耗费。此外，户外电源直接应用在户外，甚至有一些直接安装在居民区，因此，要更加重视环保的要求，比如电磁辐射，音频燥声，材料污染等都需要满足相关的标准。

三 节能减排相关技术与解决方案

1． 节能技术

    户外电源节能可以直接降低站点运营成本。此外，户外电源多应用于偏远站点，供电条件较差，配电变压器容量较小，配电线路损耗大。因此，户外电源本身能耗的降低对降低线路损耗，保证供电质量也有明显意义。户外电源的能耗主要产生于两个方面，电源部分和环境控制单元，因此节能主要从两方面入手解决。

    针对电源部分的损耗，户外电源的工作模式和室内电源是一样的，正常情况下为均流工作模式。市电正常时模块负载率较低，电源系统大多数没有工作在系统最佳效率区间，因此可以采用电源模块休眠技术根据系统负载状态，动态调整工作模块数量，使系统始终工作在最佳效率区间，从而降低系统的能耗。图1表示了电源系统在普通工作模式下和节能模式下的系统典型效率比较。从图1可看出，采用休眠节能模式，电源系统的效率在整个负载范围内基本保持不变，有效的降低了电源系统在低负载条件下的能耗。另一方面，对于户外电源来说，电源系统效率提高会降低设备仓的发热量，降低设备仓的温度。

图1：户外电源普通模式与休眠模式的系统效率比较

    与室内电源相比，户外电源具有自身的环境控制单元，环境控制单元根据外界环境温度和自身发热量的情况，通过实施热量控制，保证柜内设备的正常工作。其功能等同于室内站点的空调系统，因此环境控制单元直接影响设备的可靠性及能耗。正如机房中空调系统一样，户外电源的环境控制单元本身也会带来一定的能耗。通过先进的技术和设计，在保证设备可靠性的前提下降低环境控制单元的能耗，对降低站点的运营成本有实际意义。

     降低换热单元能耗，首先要求机柜的良好密封，良好的机柜密封和隔热性能一方面可以提高设备的防护能力，另外可以提高环境控制单元的效率，从而降低机柜环境控制单元的能耗。对于户外电源来讲，柜内热量的散发主要通过冷热空气之间的热交换将热量带走。换热单元的换热量决定于选择的热交换器及风扇风量。风扇是环境控制单元的主要耗能部件，风扇的风量与能耗有直接的对应关系，如图2所示，风扇通过调速改变风量，风扇转速与耗能呈现二次曲线的特征，在转速低于额定转速的80%条件下，风扇的耗能处在额定能耗的60%以下。因此，风扇在大部分调速区间可以显著降低能耗。

图2：风扇转速与能耗关系 

    考虑户外电源设计条件，风扇额定风量的选择是按照系统最极端工作条件考虑的。然而户外电源在大多数条件下，环境温度和设备仓的发热量均远低于系统极端条件。因此，在环境温度较低或负载较轻时，风扇可以以较低的转速满足系统散热的要求，同时降低换热单元的的能耗。图3为艾默生某型户外产品采用换热单元调速技术，环境温度与换热单元能耗的关系曲线：

图3：换热单元能耗与环境温度关系

    从图3可看出，随着环境温度的降低，换热单元的耗能随至减少。当环境温度为20度时，换热单元耗能只是满负荷功耗的25%，日可节约电能约1.5度。

2．节地技术

    节约占地是节能减排的一个重要指标。户外电源主要是满足站点面积小，不方便建站的应用，因此减少占地面积可方便站点寻址并可降低建站成本。如采用H型杆或塔架安装时，减少占地面积可以减少配套钢结构的投资，在城市中楼顶或过道安装时，减少占地面积可以减少租金和增加站点选择灵活性。
 
    户外机柜采用全正面维护设计可以在较大程度上减小户外机柜占地面积。图4是采用不同维护方式的户外电源占地面积的比较。从图中可看出，双面维护的系统要在两面留足维护空间和四周的过道，最低占地面积要求也需要2.4平米，相比单面维护不到1平米的占地面积要求，双面维护的柜体显然会增加占地投资和站点选择难度。

图4：双面维护和正面维护系统占地面积比较 

3．环保

    环保包括材料污染，音频噪声污染及电网污染等方面。

    考虑当前的电源技术水平和户外电源应用场合，材料污染和音频噪声污染在户外电源设计时需要重点关注。因为多数户外站点位于自然环境优美的地区或者城市人口密集区。因此系统的材料污染尤其是重金属污染对环境有较大的破坏，音频噪音过大对居民工作生活带来不便，从而影响设备使用。

    针对材料污染，欧盟颁布了RoHS环保指令，国内信息产业部颁布了《电子信息产品污染控制管理办法》，要求设备不含重金属污染并对设备污染排放控制承诺相关时间。艾默生户外产品系列全面满足欧盟及中国环保指令要求，并承诺50年的污染物排放控制时间。

    音频噪声污染主要控制方法是选用低噪音换热单元，同时机柜采用消音措施。研究表明，换热单元调速可有效的降低机柜噪音。图5是某型户外产品噪音水平与环境温度关系曲线，从曲线可看出，采用调速后，随着环境温度减小，户外柜噪音明显降低。由于夜晚时环境温度变低，因此采用该项技术的设备晚间有更低的噪音水平，非常符合实际应用环境的需要。

图5：环境温度与噪音

 4. 高可靠性，降低维护成本

    此外，采用户外电源的站点多数交通不便，维护成本高。因此，通过合理的设计提高系统可靠性，降低站点维护成本，对提高网络运营效率非常关键。

    根据户外电源的应用情况，蓄电池在整个站点投资中占比重较大，同时蓄电池对环境温度变化比较敏感，理论和经验表明，电池的环境温度每升高十度，电池的寿命将减少一半。因此户外电源设计中针对电池仓的环境控制非常关键。尤其在高温环境中要有针对性的散热措施，研究表明，传统的自然开孔散热难以满足电池的应用要求。在传统的自然开孔散热条件下，虽然蓄电池自身发热量较小，但随着环境温度的升高，在蓄电池仓中的热累积会逐步的升高电池仓的温度，在太阳照射的条件下情况更为严重。如图6所示，在自然散热条件下（仓内无主动散热措施），电池仓内温度会远高于环境温度。在同样的条件下，采用主动散热技术，电池仓内温度基本接近于环境温度，电池工作条件会得到极大改善。根据此项研究结果，艾默生开发了电池仓独立风道散热技术，保证了电池仓的充分散热，极大的改善了电池工作温度，提高了电池寿命。

图6：电池仓不同散热方式下温度值

    同样在低温环境下，电池仓必须有充分的加热和保温措施。使电池处于可正常放电的状态。传统的加热方式是局部加热，利用自然对流的方式使热量传递到电池仓各部分。这种加热方式的不足之处是内部热量分布不均匀，靠近加热器附近容易形成局部过热，对电池的寿命形成不利影响。针对这种应用，艾默生户外产品的解决方案是采用PTC高质量的加热单元，并将加热器离开电池组以避免局部烘烤。在加热器工作时，通过独特的风道设计将热量均匀的送到电池仓各部分，保证电池仓的加热均匀。同时，在仓体内部选用高质量的保温材料，使热量保存持久。通过这些措施，使蓄电池在各种环境条件下有一个较适合的工作温度环境，尽可能的延长电池寿命，提高系统可靠性。

    此外，户外电源在结构设计，环境监控，安装等方面都充分考虑了应用环境的要求，使系统的维护量降到最低。

四 结论

    随着户外电源应用逐渐增多和节能减排工作的不断深入，户外产品的节能问题密切关系到产品的客户价值。本文从户外产品的节能减排关注点出发，从节能，节地，环保，降低维护成本等角度分析了艾默生户外产品的相关技术及其客户价值。研究表明，艾默生户外产品在节能减排方面的相关技术可以有效的降低站点的投资成本和维护成本，促进整个网络的节能增效。■