电气室内环境智能调控系统的设计及实现

电气室内环境智能调控系统的设计及实现

汪洋徐劲林钟实何可

（武钢有限公司湖北武汉430080）

摘要：本文重点介绍电气室内环境智能调控系统设计思想，引入集检测、空调、自动化、计算机网络等技术于一体的新风智能调控概念，从室内物理空间的整体上预防因不同区域温湿度差致使的电气设备故障，甚至引发跳闸停电事故的发生。

关键词：智能调控；检测；自动化；温湿度；跳闸

1、概述

变电所高压室、主控室等电气室的环境温湿度，对设备的安全运行有着重要的影响。如果环境温度本身就较高，再加上内部电器部件发热，使得室内环境温度较高，从而使设备超高温运行。如果设备长时间运行在超高温状态下，容易发生的事故，且加速设备的老化，缩短设备的使用寿命。因此，必须使室内通风降温。

如果湿度过低易产生静电，静电的积累及放电可能使二次设备的电子元件直接损坏，甚至引起保护或控制元件误动。过高有利于霉菌的生长，霉菌分解出的酸性物质与绝缘材料长期相互作用会极大降低设备的绝缘性能并且当湿度达到凝露点时湿空气会凝结成水滴，引起短路或直流接地等故障的发生，严重威胁设备的安全运行，因此，我们需要保持室内湿度在一个正常的范围内，当室内低温干燥时，必须对室内增温通风，而当室内湿度过高时，我们需要对室内采取除湿措施。

为确保电气室内环境获取符合相关标准的温湿度，有效避免环境因素引发的电气故障，本文提出一种基于数值传热学、流体力学等理论，结合传感检测、计算机自动控制、物联网等应用技术相结合的智能化调控系统的设计理念，即基于气流置换原理的气流组织和空气调节的技术手段，大胆突破传统通风降温模式的局限，率先引入“变电站环境控制”的新概念，本着智能化、一体化的设计方向，从电气室内空间的整体上为电器设备系统地打造一个干燥、洁净、温度适宜、均衡稳定的运行环境。

2、系统设计

2.1设计原理

该系统主要通过引入处理过的新鲜室外空气对室内的污浊空气进行置换同时整合变电站的现有的排风机、空调系统以及除湿机来调节室内温湿度。系统能实现对各个调控设备（空调、风机、除湿机）实现自动化控制（开/关机、模式调节等），达到优化配合，合理使用、节能高效的目的。

2.1.1新风

该系统中的主要设备“智能新风处理机”是专门为机房设计制造的专业新风处理机。它集组合过滤段、温湿度预处理段（可选功能）、风机段以及新风智能控制器于一身，可满足机房内通风换气的需要，保持洁净、维持微正压的需要。此款新风机带有温湿度预处理功能，通过对新风进行主动的降温、升温、除湿等处理，确保新风送风温度与室内空调回风温度相近，在夏季高湿季节将新风内的水分除去，完美解决新风引进带来的新风结露、温度梯度等问题。同时通过三层粉尘过滤系统，能有效的过滤掉室外空气中的PM2.5等颗粒物，这对于室内空气的洁净度有非常大的提升，同时对预防凝露有很好的帮助作用。

智能新风处理机配备有大功率可调风机，可以根据系统的各种传感器的反馈来智能调节进入室内的空气的进入量，维持室内的微正压。

2.1.2排风

根据热空气上升的原理，排风机安装在变电所的3米左右的高度。变（配）电站室内环境智能控制系统可以根据设定的温度限值、湿度限值以及室内室外的温湿度差值来自动开启或关闭风机系统，并能够实现延时保护。

我们通过在室内安装高精度、高稳定性的温湿度传感器采集空气中的温湿度，在通过系统的软件比较，根据比对结果，以最优的方式自动控制风机的开启、关闭以及延时开启。即达到了控制温湿度的目的，又可以有效地节约能源，延长风机使用寿命。

另外，风机开启与关闭联动电动进气窗的开闭；状态与空调及除湿机的开闭相反。

考虑到武钢厂区的大气中灰尘比较多，对室外空气的进入必须比较谨慎。所有排风机只从室内抽取热空气到室外，不从室外进空气。

2.1.3除湿

结合南方潮湿气候特性，环境智能调控系统通过加装除湿机增强除湿能力，降低室内空气湿度。除湿原理即当湿度达到设定目标值时，系统自动开启除湿机；当湿度下降到设定目标值时，系统将自动关闭其电源。针对南方的气候特点，通常电气室的湿度设定值70%作为判断除湿机开启条件，65%则是其关闭条件。

图1除湿开闭条件对照

如图1所示，室内环境湿度处于A区域时关闭除湿机；处在B区域时保持环境进入该区域之前的除湿机状态；处在C区域时开启除湿机。

2.1.4纠错

环境智能调控系统运行过程中难免出现极端情况、或者偶发异常发生，为有效避免突发状况的出现，保证系统连续稳定运行，设计中增设纠错功能。具体如下：

（1）坏值处理

坏值的出现大多是温湿度传感器损坏，或者数据采集偏差大引起。系统通过设定阈值，判性确定坏值后，相对应采取丢弃坏值。其中判性的方式采取增加室内外温湿度传感模块，提供多个测量值完成判别比较。

（2）并行调控

空调通过制冷和加热集中于温度调节；除湿集中于湿度调控。并行的控制方式可以防止彼此的干扰，甚至是阻碍单项功能的运行。

（3）自动复位

温湿度等传感器故障，以及空调系统通讯中断的前提下，主控模块可以实现自动复位，不影响整体系统的正常运行。

2.2调控原理

温湿度智能调控原理等同普通空调风机，即根据设定温湿度限值自动开启或关闭智能调控系统，同时自动切换其工作模式。具体的调控方式严格按照表1的规则执行。

IT：室内温度；TXH：室内温度默认上限；TXL：室内温度默认下限；IH：室内湿度；HXH：室内湿度默认上限；HXL：室内湿度默认下限；OT：室外温度；OH：室外湿度；X1，X2，X3：设定值；

从表1可知，高温环境下仅通过制冷可以本身可以调控温湿度，其原因在于制冷具有一定的除湿功能；除此之外，通常，空调制冷、制热模式默认25℃，高压室、主控室默认值TXL=0℃;TXH=35℃;X1=25℃;X2=25℃;X3=0℃;HXL=30%;HXH=70%（根据现场情况参照标准可调整设置），如国标GB2887－89计算机站场地技术条件中4.4.1.3条规定开机时机房内的环境温度、湿度标准，其中环境温度为：A级22±2℃，B级15～30℃，C级10～35℃；环境湿度为：A级45％～65％，B级40％～70％，C级30％～80％。

环境智能调控系统中温湿度调控具体运行机理以电气高压室为例，即当室内的温度或者湿度超出环境所需的设定上限，方能开启相对应的制冷、制热、除湿功能，实现室内环境温湿度的有效控制。假如设定高压室温度上限为35度下限为0度，湿度70%，其相应具体系统调控模式规则详见图2。

图2高压室环境调控模式规则

如图2所示，当高压室内环境：A区域，系统制热；B区域，关闭系统；处在C区域不处理（即保持环境温湿度进入该区域之前的系统状态）；D区域，设置除湿模式；E、F区域设置制冷模式。

2.4系统构成

环境智能调控系统组成主要根据电气室的实际环境而制定，整个构架依据模块搭建方式拼装，通常主要有智能新风处理机、温湿度传感器、PM2.5粉尘传感器、大功率空调、除湿机、风机、普通空调红外控制模块及其他附属设备组成。其各个部分系统实现网络图如下：

图3系统基本构架

温湿度传感器采集电气室内外的实时温湿度数据至智能控制模块，同步根据其预先设计的温湿度上下限，实时调整送入室内的新风量，同时启停空调、除湿机、风机、进气窗等调节装置，实现室内空气动态调节，以满足电气设备运行环境的要求。其中智能控制模块是整套系统的核心装置，主要按设定要求完成各装置的调控，以及数据处理、数据通讯等功能。

2.5系统功能

环境智能调控系统主要针对国家对电气室的环境标准，同时鉴于南方湿度大的气候特点以及结合电气设备冶金工业现场环境的实际，现已设计的主要基本功能如下：

（1）自动除湿

环境智能控制系统通过引入室外的空气降温、除湿、除尘后进入室内，同时将室内不符合需要的高温空气通过排风系统排出室外。如果现行处理的空气湿度依然保持于不合格区域，则通过自动开启除湿机对室内空气再次进行二次除湿处理，直到满足室内空气相应设定指标为止，重点防止电气设备上的凝露发生。

（2）环境监测

电气室内通过安装各类环境指标检测传感器（包含温湿度传感器、.烟雾传感器、水浸传感器、PM2.5粉尘传感器）实现环境综合监测，同时提供环境异常报警功能，如出现失火、淹水等事故发生，输出报警提示，及时告知管理人员，快速响应生产安全事故的处理。

（3）设备电源监测

电气室内各配电箱均安装电源数据（包括UPS的数据）采集装置，监测电源装备运行。如果当实际电源电压超高或过低、缺相等故障现象发生时均可以声光告警或短信方式提醒管理人员。

3、系统应用

3.1系统配置

环境智能调控系统已在武钢四氧高压室予以应用，根据四氧高压室面积为46米*12米*4.5米，即面积约550平方米，空间体积约2400立方米，为此在现有2台10匹柜式空调，1台2匹柜式空调的基础之上，增设2台智能新风新，2台10匹除湿机，4台排风扇，3台圆筒抽风机，2个系统电源箱，8个温湿度传感器，4个电动窗，4个通风风机弯头罩。其中主要涉及到新风处理机、除湿机、排风扇等控制装置，和温湿度检测装置的选位安装，具体安装位置平面见图4所示。

图4环境智能调控系统安装平面布置

3.2设计能力

依据武钢四氧高压室现有的实际面积，按照如图4的系统配置，预计环境调控能力指标具体如下：

（1）除湿效率

原每台空调每天除湿量可达到110升，除湿机除湿量可达到480升，总共每天可除湿量810升，大约可满足1000平方米的空间除湿（即使按照标准层高3.3米计算，同样可以满足现场需要）。

（2）制冷效率

根据制冷功率以及制冷效率计算，现场的每台空调大约可满足100平方米的制冷效果，而该高压室除去屏柜所占位置，不到300平方米，可以满足制冷需求（由于高压室对温度要求并不高，所以其实按照高压室层高4.5米计算，基本可以满足需求）。新增加的2台智能新风处理机虽然会从室外引入大量新风，但是进入室内的空气已经被温湿度预处理过，不会对室内的空调增加负荷。

（3）空气循环效率

每台风机每小时抽风量1800立方米，每台空调每小时抽风量3300立方米，每台智能新风处理机的出风量为3000立方米，高压室整个空间出去屏柜所占位置，空间容积不到2000立方米，所以该高压室内的空气理论上不到20分钟就可以跟室外交换一次。

3.2运行结果

如图4所示的武钢四氧高压室内设置5个区域监测点A、B、C、D、E点，并同时分别在空高1.5米和3.0米处检测。具体监测结果如表2所示。

注：监测时间为：2015年8月18日上午10点。室外温度：32.5℃；湿度:72%；PM2.5:44ug/m³；PM10：52ug/m³。

从表2显示的环境指标检测结果可知，无论从除湿效率、制冷效率、空气循环效率完全满足电气设备运行要求，达到预期设计效果。