张磊1，苏俊2，李佳2
(1 四川通信科研规划设计有限责任公司，成都 610000；2 中国电信股份有限公司四川分公司，成都 610000）
摘 要 本文首先对5G BBU竖装背景进行介绍，分析5G BBU竖装的可行性与必要性。接着从理论层面对5G BBU 横竖装方式进行性能对比分析，并计算出两种BBU不同安装方式对能耗和散热等因素的具体影响。通过对国内某5G设备供应商设备进行实际测试，针对测试数据进行详细分析。最后综合理论分析与实际测试结论，得出5G BBU竖装安放能够有效降低能耗，明显提升5G BBU设备散热效能的结论。 关键词 5G；BBU安装；散热能效
中图分类号 TN929.5 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2021）01-0027-06
收稿日期：2020-06-29
3G 时代，设备主流厂商推出分布式，BBU 设备的工艺设计在3G 较低功率密度的基础上，
主要考虑安装简单及维护便捷，所以选择采用侧进侧出的通风方式。分布式BBU 的设计能够很好的满足挂墙竖装、机柜横装和桁架安装等多种安装方式。所有单板、模块和光缆均支持前面板维护，同时BBU 风扇支持热插拔和前面板更换等。 5G 时代，BBU 设备功耗大幅增加，由4G 时代的150～300 W 增长到5G 的500～1 200 W，同时设备气流设计工艺并未改进。在后期5G 建设中，BBU 集中放置成为工程建设中的大趋势， 5G BBU 散热效率较低、设备散热量增加导致设备功耗上升等问题成为5G 网络建设新的挑战。
如图1所示，BBU 设备气流设计为左进右出，机柜气流设计为前进后出，传统BBU 横装风道设计与机柜的气流设计不统一，不利于5G BBU 强迫制冷散热。
曲柄销
如图2所示，热量堆积在机柜侧部区域，空间狭小散热能力不足，传统BBU 横装更易造成BBU 散热传导堆积。
当BBU 集中部署时，单机柜功率可达3～5 kW，甚至更高。对电力容量及空调制冷能力的挑战更加严峻，尤其是后者，一般的、接入机房和现有机柜条件均无法满足5G
工程建设BBU 主设备散热要求。
图1 5G BBU横装风道示意图（1）
综合考虑投资与效益，将传统横装BBU 改造为竖装BBU，在改善散热风道、降低设备功耗和减少机房制冷量等方面具有一定的积极作用。在部分场景内，能够实现增加少量改造建设投资，明显提升机房散热效率，降低机房总体功耗，达到节能减排和降本增效的目的。
1 5G BBU 竖装性能理论分析
BBU 使用过程中，散热性能和设备能耗是两个核心，对BBU 等IT 设备来说，散热性能与设备功耗关系如图3所示。
散热性能越强，所消耗的能耗越低；散热性能越弱，设备能耗越高。散热性能与设备能耗密切相关。
BBU 的散热性能包含设备本身散热性能和散热风道性能。分析BBU 竖装放置场景需要从散热风道和
BBU 设备散热性能分析。通过理论分析与实际测试相结合，对传统横装BBU 和竖装BBU 进行对比分析，从而验证BBU 竖装放置的性能。1.1 散热风道分析
如图4所示，机房内使用工业级精密空调制冷，冷空气从机柜前门（或下方）进入机柜，设备产生的热量
通过机柜后门排放到机房中。即在机房内，机柜进出风方向为前进风（下进风）、后出风。
在机柜内部，机柜前门区域为冷风区，冷空气参与设备散热后变成热空气再排放到机房中。
安装在机柜内的BBU 主要依靠设备自带风扇进行物理散热。风扇安装于设备侧面，设备进出风方向为侧进侧出。如图5所示，BBU 设备散热气流组织路由为左进冷风，右出热风，与机柜前进风后出风的气流组织方向不一致。故为满足BBU
设备的安装和使用需要配
图2 5G BBU横装风道示意图（2）
图3 设备散热性能与能耗关系图
图4 机柜内气流组织路由示意图
合导风组件，将机柜前门方向进入的冷空气引导至设备进风口。
塑料切粒机
由于BBU 横装（传统安装方式）和竖装结构不同，导风组件也分为横装导风组件和竖装导风组件两种结构。如图6所示，横装方案与竖装方案的风道都需要将气流变更几次方向到达设备进出风口，其中横装方式气流从进入机柜到出机柜需变更4次方向，而竖装方案仅需变更2次方向。
在机柜的散热风道中，气流通过不同的狭窄风道产生摩擦力和静压损失，使风压降低、风速减小。分析机柜散热风道主要考虑整个风道的静压损失，通常情况下，可以根据风道的形状进行理论估算，静压损失系数见表1。
P =α(Vi /1 277)2
其中， P 为风道静压损失（PA）；α为静压损失系
数，根据空气流经不同的风道估算；
Vi 为风速（cm/s）。Vi =Q /Ai
其中， Q 为风量（cm 3/s）；Ai 为风道的截面积（cm 2）。根据横装BBU 与竖装BBU 实际风道状况，综合评估，横装BBU 静压损失系数α≈5，竖装BBU 静压损失系数α≈3。
当环境因素一致，在相同条件下，假定风速Vi = 218 cm/s。
（1）横装BBU ：静压P 损失=5×(218/1 277)2= 141.7 PA。
（2）竖装BBU：静压P 损失=3×(218/1 277)2= 85.3 PA。
通过对比计算可以发现：竖装BBU 组件比传统横装BBU 的冷风进气效率要高40%。1.2 5G BBU 设备散热分析
BBU 在运行中将产生大量热量，为了确保BBU 产生的热量能够得到有效的散发，避免发生BBU 设备内热量堆积，影响BBU 设备内部器件正常运行，对BBU 运行时风扇散热能力有一定的要求。
BBU 设备散热主要需考虑BBU 风扇排风量，根据设备风冷系统所需风量和风压及空间大小可以确定BBU 风扇风量。
BBU 强迫冷却所需风量如下。
Q =W /(Cp ×△t ×ρ)
其中，Q 为风量（m 3/s）
；W 为功耗（W）；Cp 为空气定压比热[J /(kg·K)]；△t 为系统内温度与环境
温度之差（℃）；
ρ为空气密度（kg/m 3）。假设BBU 典型功耗为600 W，BBU 进出口温度差为10℃，移除BBU 热量所需求风量如下。
Q =600/(1.005×10×1 200)=0.047 95 m 3/s
即无论BBU 横装或竖装，移走BBU 热量都需要大小为0.047 95 m 3/s 的风量。因横竖装的方式的差异，从散热风道的静压损失分析可知，当BBU 竖装时为85.3 PA，BBU 横装时为114.7 PA，BBU 的风扇为获
风道情况
空气的进出风口
防尘网进出风机90℃拐弯进入楔型通道
系数α
1.0
变速箱取力器
1.0
1.0～
1.5
2.0
0.5
表1 静压损失系数
图5 BBU设备散热气流组织路由示意图
图6 5G BBU横竖装散热风道对比（左：横装；右：竖装）
取0.047 95 m3/s的风量，需克服不同的系统静压损失，因而BBU需加大功耗调整自身的风扇转速。
根据风机的特性，风机在某一转速下工作时，功率随静压和风量的变化而变化。5G BBU风扇特性关系曲线如图7所示。
（1）当静压P和风量Q成反比关系，静压越大，风量越小；静压越小，风量越大。
（2）功率W随着所需克服的静压P或所需的风量Q上升而上升。
通过对BBU设备进行功耗监测发现，当环境温度在25℃左右时，同等条件下，BBU横装布放，单个BBU设备风扇功耗为25 W，BBU竖装则BBU设备风扇功耗为12 W。
1.3 5G BBU竖装节能分析
5G时代，不变的是节能，随着5G建设的成熟，对通信运营商和设备商来说，节能降耗是最重要的竞争力之一。BBU不同的安装方式在节能降耗上的差异可以通过BBU设备散热分析和需新增机房制冷量进行分析研究。
Qt≥Q1+Q2
其中，Qt为机房需新增的总制冷量（W）；Q1为室内设备新增总负荷（W）；Q2为环境热负荷（W）。机房环境热负荷一般为100～180 W/m2，由于国内南北方气候存在差异，在进行机房环境热负荷估算时，建议南方地区按180 W/m2进行估算，北方地区按100 W/m2进行估算。
假设在试点机房内（北方）局部6.5 m2区域内新增1套5G BBU集中设备柜，设备柜内装5套BBU，单台BBU基带板典型功耗为600 W时，BBU横装单个风扇功率为25 W，竖装时功率为12 W，单台BBU 一般设置3个风扇。根据设备参数可计算出BBU横装和竖装时所需要新增的制冷量分别如下。
（1）BBU横装时，需新增制冷量Qt=(600×5+ 25×5×3)+(100×6.5)=4 025 W。
（2）BBU竖装时，需新增制冷量Qt=(600×5+ 12×5×3)+(100×6.5)=3 830 W。
通过对比计算可以发现：BBU竖装时相对于传统横装方式，单柜可减少新增制冷容量4.8％。
ip网络电话系统
BBU设备散热需消耗的功耗如下。
Wt≥W1+W2-W3
其中，Wt为BBU设备散热需消耗的功耗（W）；W1为风扇的功耗（W）；W2为新增机房制冷量（W）；W3为负载（基带板）功耗（W）。BBU横装和竖装时设备散热需消耗的功耗分别如下。
（1）BBU横装时，Wt=25×5×3+4 025-600×5= 1 400 W。
（2）BBU竖装时，Wt=12×5×3+3 830-600×5= 1 205 W。原水管
通过对比计算可以发现：BBU竖装时相对于传统横装方式，单柜可节省消耗约13.9％的能源消耗，换算成实际每年的电费差异为1 366.6元。
年电费计算原则如下。
年电费=(Wt/1 000)×h×t×y
其中，Wt为BBU设备散热需消耗的功耗（W）；h为BBU每天工作的时间（h）；t为BBU每年工作的天数（d）；y为每kW·h电能的成本价格（元)，因地区和高低峰时间电费有差异，按0.8元每kW·h计算。BBU横装和竖装时年电费分别如下。
（1）BBU横装时，年电费为=(1 400/1 000)×24× 365×0.8=9 811.2元。
（2）BBU竖装时，年电费为=(1 205/1
000)×24× 图7 5G BBU风扇特性关系曲线图
365×0.8=8 444.6元。
2 5G BBU 横竖装测试
2.1 测试环境搭建
5G BBU 横竖装实测主要对机柜进行功耗和温度测量，以获得机柜和BBU 的功耗、进出风口温度数据，为验证5G BBU 竖装节能降耗提供数据支撑。
测试选用国内主流5G BBU 设备，在某市某运营商汇聚机房开展测试验证工作。测试环境搭建如图8所示，具体搭建原则如下。止推片
（1） 机柜安装要求机房内温度相对稳定，远离空调出风口，避免空调出风对测试结果造成影响。（2） 由于BBU 竖装机框单个最多同时部署5台BBU 设备，所以BBU 横装与BBU 竖装测试时均以5台BBU 设备为标准进行测试。
（3） BBU 横装测试与BBU 竖装测试均在同一机柜，同一高度，同等温度条件下分别进行测试。（4） 由于测试条件受限，BBU 设备测试时仅与传输设备连接，未连接远端射频设备，测试结果仅为BBU 设备待机状态下相关参数。
2.2 测试方法
2.2.1 温度测试
对BBU 设备对应的机柜内侧和外侧空间部署温度传感器，主要用于对BBU 设备进出风口、BBU 设备冷区热区及机柜环境温度进行24 h 动态监测。
（1）BBU 设备散热温度监测采用距BBU 设备进出风口5 cm 处机柜内侧分别布置不少于5个温度传感器，对BBU 设备进出风口进行动态温度监测。
（2）BBU 设备冷区热区温度监测采用距BBU 设备左右两侧5 cm 处机柜内侧分别布置不少于2个温度传感器，对BBU 设备冷区热区进行动态温度监测。（3）机柜环境温度监测选择距机柜外侧8 cm 处部署不少于1个温度传感器，对机柜环境温度进行动态监测。
2.2.2 功耗测试
当BBU 设备工作趋于稳定时（测试时选择BBU 上电工作2 h 后），在直流开关电源熔丝输出端利用钳流表对电流和电压进行测试，通过实时测试数据计算，能够得出整个机柜测试设备总功耗。
将测试电流、电压数据与直流开关电源显示屏实时数据进行对比。在开展测试中，测试数据与直流开关电源显示数据误差低于2%时认为测试数据有效。2.3 测试结论
通过对机房进行实际测试，从表2测试数据中可以看出在5G BBU 设备横向放置时，其进出风口朝向机
柜内侧壁，进出风口与内壁之间的空间很小，设备进风无法吸取充足的冷空气进行散热，设备出风也无法快速有效的排出机柜外部，热量在机柜内堆积，导致设备进风也抽取了部分堆积在机柜内的热量。
5G BBU 设备纵向放置时，设备放在子柜内，子柜
下端中空，直接对着下进风的机柜底部，因此冷空气直
测试项机柜总功耗单BBU 功耗环境温度机柜前端BBU 进风口BBU 出风口机柜后端BBU 横向部署 2 381.4 W 476.3 W 24.3℃28.3℃30.5℃54.5℃39.4℃BBU 纵向部署
2 284.2 W
456.84 W
25.2℃
28.5℃
29.2℃
48.3℃
30.5℃
注：以上数据是根据测试数据提取的平均值
表2 5G BBU横竖装测试结果图8 BBU 横竖装测试环境
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