变频柜室通风空调设计方案选择

裴 泽 任兆成 程 文

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

变频柜室是铅冶炼厂常见且重要的配套用房，常设有高低压变频柜。变频柜在运行过程中会散发大量热量，若不及时消除会影响机柜的正常运行，从而对冶炼厂的正常生产造成影响。因此，保证变频柜室的环境条件极其重要。

变频柜室内环境温度夏季不宜高于35 ℃，冬季不应低于5 ℃。对于相对湿度，则没有特别严格的要求，一般5%～85%RH[1]、无凝露，即可满足使用要求。在消除变频柜散热的方案中，从节能角度出发，要充分利用自然通风，当自然通风无法满足要求时，应设置机械通风。在通风条件受限时，可设空调机组对变频柜室冷却降温。

本文以3个配置相似、处于不同地区的铅冶炼厂的变频柜室为例，介绍不同室外环境条件下的通风空调设计方案。

1 分析对象

本文选取了3个不同地区的铅冶炼厂变频柜室，设计要求变频柜室温度不超过35 ℃，相对湿度无特殊要求。房间内的变频柜布置、设备发热量、房间面积、朝向等相关条件基本类似。为了凸显不同室外环境条件的影响，把3个相似的变频柜室简化为1个研究对象。

该变频柜室是一幢长×宽×高为18 m×9 m×5 m的建筑。室内布置有4台变频柜，机房布置如图1所示。

变频柜发热量可由生产厂家提供，在没有相关发热量资料时，可按照变频柜容量的2%～4%估算[2]。本文取机柜容量的3%作为设备发热量。具体变频柜容量及发热量见表1。

表1 变频柜容量及发热量

变频柜配套有冷却风机，采用强制风冷的冷却方式，一般为柜体下部进风，上部出风。出风口可连接风管，将变频柜排风直接引至室外。

2 案例分析

2.1 乌兰察布地区的某铅冶炼厂

乌兰察布位于内蒙古自治区中部，属严寒C区，年平均温度4.3 ℃。夏季相关气象参数[3]见表2。

表2 乌兰察布夏季室外空气计算参数

由于夏季通风室外计算温度较低，采用全面通风方式来消除室内多余的热量。消除余热的通风量按式(1)[4]计算。

(1)

式中，L为通风量，m3/h；Q为变频柜散热量，kW；ρ为排风密度，kg/m3；tp为排出空气温度，℃；tj为进入空气温度，℃；Cp为空气的定压比热容，kJ/(kg·℃)。

在室内温度不高于35 ℃时，通过计算得到通风量L=16 472 m3/h。

因此，在房间设机械送、排风系统，设置3台排风量为5 500 m3/h的边墙式排风机，以及2台送风量为5 500 m3/h的边墙式送风机，在夏季就可消除室内余热。在过度季，室外温度降低，送、排风温差加大，通过调节风机开启数量，降低室内送、排风量来达到室内环境要求。在冬季，室外温度较低，可关闭风机，利用变频柜散热，保证室温不低于最低温度要求。

2.2 吐鲁番地区的某铅冶炼厂

吐鲁番位于新疆维吾尔自治区中部，属于寒冷B区，年平均温度为14.4 ℃。夏季相关气象参数[3]见表3。

表3 吐鲁番夏季室外空气计算参数

该地区夏季通风室外计算温度高于室内设计温度，且夏季干球温度高，湿球温度低，因而可采用蒸发式冷气机对新风进行降温，把处理后得到的低温空气送至室内，用以消除室内余热。

蒸发式冷气机的蒸发效率要求不低于65%[5]。目前市场上常用的直接蒸发式冷气机可根据气液比来控制出风的湿度状态，最大可将空气湿度处理到80%RH左右。空气处理过程如图2所示，空气状态参数见表4。

表4 空气状态参数

当室温不超过35 ℃时，由式(1)可计算出蒸发式冷气机送风量L=17 680 m3/h。

因此在夏季,选配1台风量20 000 m3/h、显热制冷量85 kW、耗水量120 kg/h的蒸发式冷气机就可消除室内余热。在过度季，随着室外温度降低，可关闭供水管，通过调节送风量来满足室内环境要求。在冬季，室外温度较低时，关闭送风机组，利用变频柜散热，保证室温不低于5 ℃。

2.3 河池地区的某铅冶炼厂

河池位于广西壮族自治区西北部，属于夏热冬暖地区，年平均温度为20.5 ℃。夏季相关气象参数[3]见表5。

表5 河池地区夏季室外空气计算参数

设计要求室内温度不超过35 ℃，当地夏季通风室外计算温度31.7 ℃，若采用全面通风方式消除余热，由式(1)可计算出所需通风量L=49 095 m3/h。

因此在夏季，房间需设置4台排风量为12 500 m3/h的边墙式排风机，以及3台送风量为11 500 m3/h的边墙式送风机，才能消除室内余热。此时，风机的耗电量以及噪音都较大。由于通风量大，室内的风噪明显，且吹风感大大提高。

由于当地夏季通风室外计算温度较高，采用全面通风消除余热可利用的温差小，为减少通风量，可针对变频柜采用局部通风方式。在变频柜排风口处接风管,把热量直接排至室外，同时对室内进行自然补风。

变频柜在40 ℃以上可降频使用，最高运行温度不超过50 ℃。夏季时，取变频柜进出口空气温差Δt=10 ℃。由式(1)可得机柜排风量L=16 055 m3/h。通过风管将变频柜散热排至室外后，采用自然进风方式，当进风口风速取1 m/s时，设置2个面积为4.5 m2的百叶进风口，即可满足设计要求。

在其他季节，将散热排至室外，通过自然进风，即可满足变频柜对室温的要求。

3 运行表现及注意事项

3.1 乌兰察布地区的某铅冶炼厂

夏季，变频柜室的送、排风机全部开启，可使室内温度不超过35 ℃；冬季，关闭风机，利用变频柜散热，可维持室温不低于5 ℃；过度季，室外温度降低，送、排风温差变大，调节开启的送、排风机数量，降低送、排风量，可满足设计要求。由于风机功率较低，所以通风系统全年能耗很低。

3.2 吐鲁番地区的某铅冶炼厂

吐鲁番地区的夏季和冬季时间较长，过度季较短。夏季，冷气机全负荷运行，可以保证变频柜室温度不超过35 ℃；冬季，室外温度较低，关闭冷气机，利用变频柜散热，可维持室温不低于5 ℃。过度季，关闭冷气机供水管，通过调节冷气机送风量，将室外空气直接送至室内，可满足设计要求。

夏季，由于采用了蒸发冷却技术，冷气机运行时需消耗一定量的水。冬季，为防止水管结冻，需对供水管增加保温设施。此外，当地风沙较大，需对蒸发式冷气机定期维护。

3.3 河池地区的某铅冶炼厂

由于河池地处夏热冬暖地区，冬季不会出现低温现象。将变频柜散热直接排至室外后，通过自然进风，可保证室内温度全年满足设计要求。

由于变频柜采用局部通风方式，增加了排热风管，当风管阻力较大，变频柜配套风机风压不够时，热量会堆积在风管中。若出现该情况，则需增加接力风机，确保热量能排至室外。

4 结论

通过以上分析，变频柜室的通风空调设计方案与室外环境紧密相关。采取通风方式消除室内余热时，主要是控制通风总量。根据通风量的不同，可选取全面通风方式或局部通风方式。

1)当夏季通风室外计算温度与室内设计温度相差较大时，例如严寒地区等，可采取全面通风方式来满足设计要求。

2)当夏季通风室外计算温度与室内设计温度温差较小时，例如我国南方地区，可针对变频柜采用局部通风方式，将散热直接排至室外来满足设备对室内环境的要求。

3)当夏季通风室外计算温度高于室内设计温度时，可采取降温送风的方式，适当加大送排风温差，减少送风量，消除室内余热。

4)采取局部通风方式虽然能把变频柜散热直接排至室外，也增加了管道阀门等设备的安装以及后期的维护管理工作。在冬季需供暖的地区，若采取局部通风方式，管道需增加排风口，利用散热满足最低室温要求。此外，排热管道系统越复杂，系统阻力越大。热量越容易积累到管道中，增设接力风机的可能性也就越大。

5)采取降温送风方式时，要充分利用环境条件，如我国西北地区，在水资源较为丰富或者用水成本低于用电成本时，可采用蒸发冷却降温送风的方式来满足设备对环境的要求。

6)在电力成本较低的地区，可采取分体空调方式冷却室内循环空气。

在具体设计中，要综合考虑室内环境要求、室外环境变化、各种能源消耗量，以及系统后期运维情况，使设计方案更加合理和节能。