Климатизация базовых станций сотовой связи

Сотовая связь проникает сегодня даже в самые отдаленные уголки и веси нашей планеты

За два десятилетия мобильная связь в России превратилась из дорогостоящей услуги в доступный и массовый сервис. Не только в столицу, но и в самые отдаленные уголки страны уже пришли сети второго и третьего поколений, ключевыми узлами которых являются базовые станции сотовой связи (Base Station System), осуществляющие прием звонков абонентов и передачу данных по радиоканалу. Чтобы высокотехнологичное оборудование базовых станций работало без сбоев, необходимо поддерживать определенные параметры микроклимата. Для этого используется разнообразная климатическая техника.

Сети развиваются, климат обновляется

Рынок климатической техники для базовых станций сотовой связи продолжает развиваться. В первую очередь это связано с модернизацией уже существующих сетей. Увы, тарифы на электроэнергию растут, с 2006 по 2011 год они увеличились более чем в 2 раза. В таких условиях для поддержания прибыльности бизнеса на привычном уровне операторы сотовой связи вынуждены искать новые энергоэффективные и низкозатратные технические решения для климатизации базовых станций.

Ключевой узел сотовой сети – базовая станция сотовой связи

Одновременно с модернизацией имеющегося оборудования продолжает увеличиваться и количество новых базовых станций, каждая из которых нуждается в собственной климатической системе. Только за первую неделю февраля 2012 г. в Москве и Подмосковье было построено более 60 базовых станций.

Эксперты говорят о неизбежном увеличении количества базовых станций в связи с расширением Москвы в юго-западном направлении. Если новые территории будут застраиваться не менее активно, чем сама Москва, то для нормального уровня связи там понадобится в общей сложности около 18 тысяч базовых станций.

В поисках компромисса

В этой статье речь пойдет о поддержании заданных параметров микроклимата в автономных автоматизированных базовых станциях контейнерного типа, используемых в сетях 2G. Как объекты для климатизации, они представляют собой теплоизолированные металлические контейнеры, устанавливаемые вне здания, чаще всего — на небольшом фундаменте прямо в чистом поле (в тайге, тундре, степи, на болоте) или же на крышах зданий. Размеры контейнеров обычно не превышают 5×3 м.

Практически всю свою «сознательную жизнь» базовые станции работают без присутствия человека. Тепловыделения установленного там телекоммуникационного оборудования обычно не превышают 2–5 кВт. Причем наибольшая интенсивность тепловой эмиссии приходится на часы пик (примерно с 8 утра до 18 вечера), когда нагрузка на сотовую сеть максимальна. В ночные же часы тепловыделения минимизируются, так как звонки через станцию практически не идут.

Особенно жарко в контейнерах бывает летом. Этому способствуют не только внутренние источники тепла, но и интенсивное солнечное излучение, и если не принимать никаких мер по организации теплоотвода, телекоммуникационное оборудование неизбежно начнет давать сбои, что приведет к перебоям в связи и вызовет справедливые нарекания со стороны абонентов. Зимой же нельзя допускать промерзания контейнеров.

Исходя из этого, климатические системы автономных автоматизированных базовых станций сотовой связи должны отвечать достаточно жестким техническим требованиям:

• круглосуточно и круглогодично функционировать в автоматическом режиме, поддерживая заданную температуру;
• сохранять работоспособность в достаточно широком диапазоне температур наружного воздуха;
• быть надежными и иметь большой ресурс;
• иметь возможность удаленного контроля и управления;
• иметь антивандальное исполнение или надежную антивандальную защиту.

Климатическое оборудование базовой станции сотовой связи поддерживает температуру, необходимую для нормальной работы телекоммуникационного оборудования

С другой стороны, первостепенное значение для заказчика — оператора сотовой связи — имеют цена закупки климатического оборудования и сумма эксплуатационных расходов на поддержание его в работоспособном состоянии за весь срок службы. На климатическую технику приходится около 30% от общего энергопотребления базовой станции, и обслуживание такой техники также недешево.

Так какие же климатические системы выбирают для базовых станций операторы сотовой связи России на практике?

Прецизионные кондиционеры

По мнению опрошенных нами экспертов, с сугубо технической точки зрения наилучшим устройством для кондиционирования базовых станций сотовой связи следует признать прецизионные кондиционеры. Эти устройства предназначены для поддержания в заданных пределах температуры, влажности, объемов и чистоты воздушного потока в различных технологических помещениях, в том числе со значительными тепловыми нагрузками. Поставляться прецизионные кондиционеры могут как в моноблочном исполнении, так и, например, в виде сплит-системы.

Классические прецизионные кондиционеры способны:

• работать круглосуточно, 8760 часов в год, при этом срок их службы должен составлять не менее 10–12 лет;
• поддерживать температуру с точностью до 1°C, а также относительную влажность воздуха 45–55% с точностью до 1%;
• работать в режиме охлаждения при температуре наружного воздуха до –60°C;
• реализовывать практически любые типы управления и мониторинга.

Однако из-за достаточно больших размеров классический прецизионный кондиционер можно разместить далеко не в каждой базовой станции. Да и цена закупки и эксплуатации такого рода устройств зачастую запредельно высока. Именно поэтому область применения классических прецизионных кондиционеров сегодня ограничена разве что некоторыми узловыми базовыми станциями (контроллерами), оборудование которых имеет повышенное тепловыделение и требует точного поддержания параметров микроклимата.

Наряду с классическими прецизионными кондиционерами на рынке предлагаются более дешевые так называемые прецизионные кондиционеры для телекоммуникаций. Данные устройства адаптированы к специфическим требованиям телекоммуникационных объектов.

Прецизионный кондиционер для телекоммуникаций Emerson HPV

Конструктивно прецизионный кондиционер для телекоммуникаций почти всегда выполняется в виде моноблока с системой фрикулинга (от англ. «free cooling» — «естественное охлаждение»). Такой кондиционер устанавливается внутри контейнера (сообщение с окружающей средой происходит через антивандальные настенные вентрешетки) и держит под контролем только температуру внутри базовой станции, причем делает это с минимальными энергозатратами. Парокомпрессионный цикл задействуется в случае крайней необходимости, а в остальное время логика управления отдает предпочтение режиму фрикулинга с минимально возможным для текущих условий расходом воздуха. Например, на одной из базовых станций «Билайн» в Подмосковье, оборудованной прецизионным кондиционером для телекоммуникаций, за последние 27000 часов его работы холодильная установка была востребована только 1700 часов!

Автоматика прецизионных кондиционеров для телекоммуникаций адаптирована для мониторинга и дистанционного управления. В случае отключения основного электропитания соответствующий модуль подаст необходимый сигнал службе эксплуатации, после чего кондиционер будет автоматически переведен в аварийный режим, при котором вплоть до приезда ремонтной бригады температура внутри базовой станции будет обеспечиваться системой естественного охлаждения, запитанной от аккумуляторных батарей.

Среди техники европейских производителей, которая используется сегодня для климатизации базовых станций сотовой связи, отметим приборы серии Danline от Dantherm HMS, Hiline и HPW от Emerson, Enertel DX от RC Group, TEL-AIR от Stulz, Monoblock от Uniflair. Следует отдельно упомянуть прецизионные кондиционеры для телекоммуникаций компании Blue Box. Российская техника представлена моделью «Мистраль-Телеком» компании «Вентспецстрой». Прецизионные кондиционеры для телекоммуникаций установлены, в частности, на базовых станциях «Билайн» и «МегаФон» в Москве, Подмосковье, Новосибирске, а также на объектах «Енисейтелеком» и других операторов во многих городах России.

Комфортные кондиционеры

Комфортные (бытовые) кондиционеры предназначены для создания и поддержания комфортных условий для находящихся в кондиционируемых помещениях людей. Использование таких устройств в тех или иных технологических процессах осуществляется на страх и риск заказчика. Однако для поддержания температуры внутри станции операторы сотовой связи сегодня чаще всего применяют именно комфортные кондиционеры, так как их закупочная цена существенно (в 3–6 раз) ниже, чем у аналогичных по холодопроизводительности прецизионных кондиционеров для телекоммуникаций.

Обычно используются комфортные сплит-системы с настенным внутренним блоком. Их внешние блоки закрепляются на стене или на крыше контейнера, в котором установлено телекоммуникационное оборудование.
С климатизацией базовых станций комфортные кондиционеры, как показала практика, справляются, технологии их монтажа и техобслуживания хорошо известны даже монтажникам не самой высокой квалификации.

Для обеспечения необходимого уровня надежности климатической системы на базе комфортных кондиционеров в базовых станциях монтируется не менее 2 сплит-систем

К сожалению, в отличие от прецизионных комфортные кондиционеры рассчитаны на периодическое функционирование, в течение календарного года их обычно используют не более 1200 часов. При эксплуатации в режиме 24 часа в сутки 365 дней в году свой ресурс комфортные кондиционеры вырабатывают меньше чем за 5–6 лет. После этого их приходится менять. Затраты на поддержание комфортного кондиционера в работоспособном состоянии во время эксплуатации могут составлять от 50% до 100% его закупочной стоимости.

Для повышения надежности климатической системы на основе комфортных кондиционеров в базовых станциях обычно предусматривается 100% резервирование: используются два кондиционера, один их которых рабочий, второй — резервный. Выравнивание времени наработки, а также включение в работу резервного кондиционера при возникновении неисправности рабочего кондиционера производится с помощью так называемого устройства согласования.

Прежде чем попасть в руки комплектовщиков базовых станций, комфортные кондиционеры обычно подвергаются доработке силами и средствами производителя или дистрибьютора. Как правило, на сплит-системы устанавливается зимний комплект. Ведь никто из производителей не даст гарантии исправности комфортного кондиционера в стандартной комплектации при работе в режиме охлаждения, когда температура на улице ниже –15оС или –25оС. Кроме того, доработки может потребовать и штатная система автоматики. Она должна предусматривать режим автоматического рестарта (при возобновлении электроснабжения кондиционер базовой станции должен тут же включаться в работу с первоначальными установками), передавать оператору сигнал об аварии, выходе температуры внутри станции за пределы критического диапазона и, возможно, другую информацию.

Качественная антивандальная защита – необходимая опция оснащенной сплит-системами базовой станции, эксплуатируемой в неблагополучных районах

Так, для выполнения всех обязательств по контракту с компанией «ВымпелКом» компания «Биоконд» расширила производственный участок для доработки сплит-систем MHI низкотемпературными комплектами и модулями аварийной сигнализации. Также было расширено и производство на заводе-изготовителе, который будет осуществлять поставки по этому контракту в режиме спецзаказа в жестко обозначенные сроки и в точно требуемом объеме.

К неприятным особенностям использования комфортных сплит-систем некоторые эксперты причисляют беззащитность внешних блоков перед лицом вандалов и жуликов. В некоторых неблагополучных районах, несмотря на сигнализацию и окружающий базовую станцию тройной ряд колючей проволоки, внешние блоки регулярно похищаются неизвестными для последующей перепродажи или иного коммерческого использования.

Для кондиционирования базовых станций сотовой связи обычно используются сплит-системы проверенных, хорошо известных торговых марок, собранные из качественных комплектующих. Так, в большинстве осмотренных нами базовых станций, расположенных в Москве и в ближайшем Подмосковье, мы обнаружили технику Mitsubishi Electric, Mitsubishi Heavy и Daikin. По мнению специалистов, отвечающих за комплектование базовых станций климатической техникой, дешевые кондиционеры азиатского происхождения неизвестных в России марок рынка сбыта в телекоммуникационном секторе сегодня практически не находят.

Вентиляция станций

Надо отметить, что в базовых станциях сотовой связи комфортные кондиционеры зачастую вынуждены работать на охлаждение при температуре наружного воздуха существенно более низкой, чем температура, которую надо поддерживать внутри станции. Это приводит к ничем не оправданному росту энергопотребления и снижению ресурса климатического оборудования. При установке вместе с комфортными кондиционерами приточно-вытяжной вентиляции холодный воздух с улицы используется для охлаждения станции в прохладную погоду, а кондиционеры в это время «отдыхают». При этом суммарное годовое энергопотребление климатической системы порой снижается в 3–3,5 раза по сравнению с использованием для климатизации базовой станции только комфортных кондиционеров!

Фрикулинг-боксы от Dantherm HMS

В простейших вентиляционных установках воздух подается в станции с помощью стандартных настенных вентиляторов, которые создают внутри контейнеров небольшое избыточное давление (подпор, чтобы не допустить подсоса пыли из окружающей среды через щели и неплотности), а на вытяжные отверстия устанавливают, например, гравитационные жалюзи. К примеру, получила распространение система на базе бытового канального вентилятора RUCK RS315L с тиристорным регулятором частоты вращения. Приточный воздух проходит через решетку для забора воздуха, смонтированную на отверстии в стене контейнера, клапан с электроприводом, приточный вентилятор и воздушный фильтр. Удаление теплого воздуха производится методом вытеснения через обратный клапан, соединенный воздуховодом с выбросной решеткой.

Применяется также конструкция на базе двух вентиляторов ВЕНТС 160 VKMzn, в которой один вентилятор работает на приток, другой — на вытяжку. Когда система не работает, поступление воздуха снаружи перекрывается обратными клапанами на приточном и вытяжном воздуховодах.

Простейшие системы проветривания контейнеров низкозатратны. Но зимой их работа не всегда стабильна, поддерживать температуру в заданном диапазоне затруднительно. В районах, где возможны пылевые бури (степь, пустыня), а также там, где присутствуют мошкара, гнус и комары, фильтры вентиляции засоряются буквально на глазах. Непросто реализовать с помощью подобной техники и систему аварийной защиты станции в отсутствие электропитания, так как стандартные настенные вентиляторы работают от сети переменного тока с напряжением 220 В.

В то же время на рынке представлены и более совершенные устройства — так называемые фрикулинг-боксы, лучшие из которых в условиях средней полосы России позволяют поддерживать температуру в станции в пределах 5–40оС за счет строго дозированного использования уличной прохлады, режима рециркуляции и при необходимости, электроподогрева воздуха на протяжении 300–320 дней в году. Фрикулинг-боксы оснащаются электронно-коммутируемыми вентиляторами постоянного тока с возможностью плавного изменения частоты вращения, которые могут достаточно долго (до 3–4 часов) работать от аккумуляторных батарей, что позволяет реализовать функцию аварийной защиты телекоммуникационного оборудования в случае отказа сплит-систем.

Схема установки фрикулинг-бокса Stulz

Конструктивно фрикулинг-бокс выполняется в виде моноблока, монтируемого внутри станции, или же в виде приточного вентиляционного блока наружной или внутренней установки и обратного клапана, монтируемого на противоположной стене контейнера. Установки могут быть оснащены высокоэффективными фильтрами, клапанами с электроприводами, перекрывающими доступ воздуха в станцию в холода и не допускающими тем самым промерзания контейнеров, электроуправляемыми клапанами фрикулинга, обеспечивающими смешение теплого и холодного воздуха для предотвращения образования конденсата на выходе из устройства.

Автоматика фрикулинг-боксов позволяет не только поддерживать необходимую для функционирования основного технологического оборудования температуру, но и управлять работой сплит-систем, включая и выключая кондиционеры в жаркий период, а также производя их ротацию с целью выравнивания ресурса. «Источниками информации» для контроллеров являются датчики температуры внутри и снаружи станции, а также датчики относительной влажности внутреннего воздуха.

Фрикулинг-боксы широко применяются в Европе, например, операторами связи VODAFONE и ORANGE. Интерес к устройствам проявляют и российские операторы «большой тройки», осуществляющие сегодня модернизацию своих станций стандарта 2G. Среди импортных моделей фрикулинг-боксов, несомненно, заслуживает внимания FLEXIBOX FREE COOLING от Dantherm HMS, а также FREE-AIR от STULZ. Совсем недавно на базовых станциях поволжского филиала «МегаФон» были введены в эксплуатацию многофункциональные фрикулинг-боксы «ЕНИСЕЙ-2000» производства российской фирмы «Вентспецстрой». В этих установках предусмотрены режимы охлаждения приточным воздухом, рециркуляции, нагрева и даже режим ограничения относительной влажности. При его активации управление клапаном фрикулинга и активной сплит-системой осуществляется таким образом, чтобы значение относительной влажности воздуха в помещении станции даже в сырую погоду не превышало заданного максимума — 85%.

Материал предоставлен Творческой мастерской Владислава Балашова