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5G基站冷板式液冷技术分析

时间:2024-07-08 阅读量:48

摘要:阐述冷板式液冷系统节能原理、冷板式液冷基站相较于风冷基站的优势,分析冷板式液冷基站原理和结构,对风冷基站和液冷基站测试数据进行对比,包括能耗测试对比、网络和测试指标对比。

关键词:5G BBU 冷板式液冷 降低能耗 PUE

0/ 引言
5G网络以超高速率、低时延、海量大连接三大 公认优势,成为通信领域的重点发展方向。对电子信息设备性能的高要求,也意味着更高的计算能力和更多的热量,而5G设备的能耗已经达到4G设备的 2~4倍。因此,在发展5G业务的同时降低5G网络能耗,成为燃眉之急。液冷技术是通信设备冷却中的新兴技术,具有可以处理更大的功率密度,运行干净,安静,成本低等优势。液冷技术将成为同时兼顾电子设备高效计算与高效散热的解决方案。
1/  研究背景
冷板式液冷系统节能原理。

(1)风冷基站的节能瓶颈。目前,全球大多数基站采用空调制冷方 式,属于风冷式冷却,即通过向基站室内送冷风, 保持适宜的室内温度。当室外空气温度较低时,可将室外新风过滤后,直接送入基站室内。当室外新风温度不达标时,可用冷却技术降低空气温度,再将空气送入基站室内;如果上述方法都不奏效,就用空调机组降低温度,而空调冷却方案占机房总能耗的15%~50%。主动风冷使用风扇高速旋转实现通风散热,会产生令人不安的噪声, 特别是机房位于靠近居民建筑物时,容易引起投诉。现代基站设备的热密度很高, 无法将多个设备单元堆叠安装到单个机架上,对机房空间要求较高。这些局部热点导致现场机房内温度分布不均, 使得现场冷却控制更具有挑战性。基站设备产生的废热(约占使用能源 总量的90%),目前没有被再利用。

(2)冷板式液冷基站相较于风冷基站的优势。冷板式液冷技术 相较于浸没式和喷淋式液冷技术,冷却液不直接与 BBU等设备接触,而是通过装配在需要冷却的电子元器件上的冷板进行散热,因此,该方式对BBU及机柜的改动较小,可操作性更强,也是目前成熟度最高,应用最广泛的液冷散热方案。

冷板式液冷技术相较于传统风冷技术也具有明显优势:

(1)热量带走更多:同体积液体带走热量是同体积空气的近4000倍。

(2)温度传递更 快:液体导热能力是空气的25倍。

(3)静音效果更好:同等散热水平时,液冷噪音水平比风冷噪音降低20~35dB。

(4)耗电节能更省:液冷系统约比风冷系统节省电量30%~50%。

2/ 冷板式液冷基站原理和结构
冷板式5G液冷基站原理.液冷技术是指用液体取代空气作为冷媒,与发热部件进行热交换,通过液体循环带走热量起到制冷的作用。液冷基站拆除风冷用的冷却鳍和风扇,并用闭环体循环管道取代这些翅片和风扇,通过管道内流通的液体实现基站板件的散热降温。

冷板式5G液冷基站结构。基站内部液冷板卡示意图如图1所示,在器件表面布放液冷管,将器件工作产生的热量通过冷管导出。液冷基站的全景架构示意图如图2所示,系统主要包括堆叠的液冷 BBU,液冷分配单元CDU,热交换器HEX及其他配件,其中液冷分配单元实现驱动冷却液循环、保持管内压力平衡功能,热交换器HEX将设备产生的热量散出、实现室内外的冷热交换。

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液冷分配单元CDU是用来进行液冷电子设备间的冷却液体分配的系统,提供流量分配、压力控制、物理隔离、防凝露等功能。

液体-空气热交换器HEX是用于将液体回路的热量散到室外大气中的装置,一般放置在建筑物的室外。除了液体-空气热交换器,还可做成液体-液体热交换器,可实现热能的再利用,例如热水生产或者暖气系统。

3/风冷基站和液冷基站测试数据对比
3.1 能耗测试对比
将机房空调温度设置在25℃,连续记录一个月 内,5个风冷BBU和5个液冷BBU配置下机房的能耗情况,统计后的日均能耗数据、温度数据以及PUE值计算如表1所示。在相同室外温度前提下,液冷机房PUE值较风冷机房PUE降低0.2,机房整体能耗平均值降低23.1 kWh,空调设备日均能耗降低30.4kWh,CDU&HEX日 均功耗为7.2kWh,在机房能耗数据的表1中,(1)注释1:机房空调节能百分比=(风冷条件下空调耗电 量-液冷条件下空调耗电量-CDU&HEX耗电量)/风冷条件下空调耗电量。(2)注释2:PUE=机房总耗电 / IT设备耗电。
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从测试结果可以得知,在室外温度(平均值) 相当的条件下,使用液冷BBU时,机房空调节电53.24%,PUE改善0.19,机房噪音降低10dB(主要是由于配电和传输设备发出的声音)。CRAN机房集中放置的液冷BBU数量越多,机房空调节电效果, PUE改善和机房噪音改善越好。
3.2 网络和测试指标对比
根据测试要求,测试站点关键无线参数配置如 下,风冷、液冷基站测试期间参数配置保持一致。

风冷基站与液冷基站外场性能测试及关键KPI 指标,如表2所示。由表2中的对比不难发现,从改造前后的现场测试结果及关键KPI指标来看,改造前后网络指标整体稳定,液冷基站与风冷基站网络性能相当,接入性能、上下行速率、切换、覆盖性能相当,无明显差异;无线接通率、无线掉线率,切换成功率、上行平均底噪基本保持稳定。最大连接用户数、平均连接用户数、单站数据流量、PRB 利用率略有增加。所有测试指标和关键性能指标均满足5G站点的入网要求。

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4/  结语
随着5G基站大规模的建设以及对经济高效和环保的冷却解决方案的需求不断增长,液冷解决方案将成为高性能计算散热和绿色机房的未来。在建设与运营过程中,冷板式液冷技术作为液冷技术重要的实现方式之一,目前已经逐步开始在产业界进行测试和应用。未来,冷板式液冷技术除了其本身的演进外,也必将对机房、供配电、IT 设备等产生巨大的影响。业界应当高度关注液冷技术的变革,并研究其对5G建设的影响,进而推动技术的应用,实现高效能5G基站的建设。

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