機架式預制艙環境溫控效果提升方案探討分析

常州博瑞電力自動化設備有限公司 吳俊輝 李雪城 劉廣州 袁孟佼 陸朝陽

隨著城市化進程速度的加快，以及國家基礎設施建設的不斷發展，電力工程建設進入了一個快速發展時期，電力工程建設離不開變電站的建設，而由于預制艙“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”的特性，其又是變電站的快速建設中重要的一個環節。

自2013年國網預制艙試點工程建設以來，后續在國網企標《Q/GDW 11157—2017預制艙式二次組合設備技術規范》、國網企標《Q/GDW 11882—2018預制艙式10kV～35kV一二次組合設備技術規范》和國家標準《GB/T 36283—2018智能變電站二次艙通用技術條件》等標準規范的支持下[1-3]，預制艙的生產技術已日臻成熟，但是機架式預制艙目前卻處于起步階段，還沒有大范圍普及。

機架式預制艙由預制艙艙體、機架、消防輔控、照明、暖通等部分組成，而機架的特點是整體由框架構成，取消柜門和隔板結構，機架式結構開放空間的特性得到利用，能夠擴展預制艙內運維空間，單個機架整體寬度為700mm，可進一步提升預制艙空間利用率，因此機架式預制艙將會在不久的將來得到廣泛推廣。機架式預制艙的使用，首先需保證艙內環境的適宜[4-5]，因此本文主要針對機架式預制艙環境溫控效果提升方案進行探討分析，以找到合理高效的溫控方案。

1 預制艙環境溫控效果影響因素

對于預制艙而言，當預制艙艙門關閉后，其便是一個密閉的空間環境，而艙內又有一定數量的發熱元器件，因此要想保住艙內環境溫控效果，就需要設置一些發熱和散熱元器件。對于預制艙，如圖1所示，一般會配置兩臺制冷量5kW的工業空調分別放置到艙體兩端，在艙體一端放置一個風機，另一端開設一個排風口，對于一些高寒地區，可以在艙內配置一定數量的壁掛式加熱器以保證艙內環境，其中風機和加熱器為輔助環境溫控保證手段，空調是艙內環境溫控效果的主要手段，要想保證艙內環境溫控效果的良好，就需要充分利用好空調，使其制熱制冷功效得以充分利用。

圖1 預制艙及艙內元器件分布示意圖

2 預制艙環境溫控方案設計

對于預制艙環境溫控方案的設計，主要是對艙內空調使用方案的設計，而預制艙內空調的使用及其效果提升，主要有空調直吹、增加風道和機架增加風扇三種方案。

2.1 空調直吹方案

空調直吹方案，就是空調產生的冷熱空氣直接吹到艙內，在艙內通過自然對流的方式，擴散到艙內各個角落，以達到保證艙內環境溫控效果的目的。

2.2 增加風道方案

增加風道方案，分為增加頂風道、增加底風道和增加分層式風道三種方案。

2.2.1 增加頂風道方案

增加頂風道方案，是采用在機架頂部增加通風風道，空調和風道之間增加一個連接風管，在通風風道和每個機架頂部接觸的地方開設通風孔，以保證空調產生的冷熱風能夠通過通風孔進入到每個機架中。采用頂風道方案，能夠將原本在遠端的空調出風引入到發熱裝置更近的位置，這樣可以實現直接而精準的溫控目的，以求在較短時間內達到溫度平衡，減少在公共空間的集聚，從而提高溫控效率。

圖2 頂風道方案示意圖

2.2.2 增加底風道方案

增加底風道方案，是采用在機架底部增加通風風道，空調和風道之間增加一個連接風管，在通風風道和每個機架底部接觸的地方開設通風孔，以保證空調產生的冷熱風能夠通過通風孔進入到每個機架中。采用底風道方案，也能夠將原本在遠端的空調出風引入到發熱裝置更近的位置，這樣可以實現直接而精準的溫控目的，以求在較短時間內達到溫度平衡，減少在公共空間的集聚，從而提高溫控效率。

圖3 底風道方案示意圖

2.2.3 增加分層式風道方案

增加分層式風道方案，是采用在機架頂部和機架后面同時增加通風風道，空調和機架頂部風道之間增加一個連接風管，對于機架頂部風道和機架后面的風道，在每個機架位置處分別開設通風孔，保證空調冷熱風能夠通過頂部風道分流至每個機架后面的風道中，在機架后面的通風風道正對機架內部，需要散熱的元器件位置處分別開設通風孔。當空調運行時，空調產生的冷熱風，經過連接風管進入到機架頂部的風道中，然后在通過機架頂部和后面風道的通風孔，進入到每個機架后面的風道中，最后在通過機架后面風道上開設的通風孔，進入到機架中每個需要溫控的元器件位置處。采用分層式風道方案，更加能夠將原本在遠端的空調出風引入到發熱裝置更近的位置，這樣可實現直接而精準的溫控目的，以求在較短時間內達到溫度平衡，減少在公共空間的集聚，從而提高溫控效率。

圖4 分層式風道方案示意圖

2.3 機架增加風扇方案

圖5 機架增加風扇方案示意圖

對于機架增加風扇方案，是指直接在現有機架結構的頂部安裝一個通風風扇，風扇向上抽風，在機架底部面板上開設有一定數量的小通風孔，當風扇開啟時，可以引導空調出風從機架底部進入到機架內部，在從機架頂部排出去，從而充分利用設備通道、空氣動力原理，實現局部循環，實現熱交換效率提升。

3 預制艙環境溫控方案對比分析

對于空調直吹方案，是常見的一種艙內環境溫控方案，總體來說，可滿足預制艙內環境溫控要求，實施起來簡單易行。但是，因機架內設備密度大，艙內過道空間比較長，空調吹出來的冷熱風，僅靠自然對流的方式傳遞，熱交換充分性較差，會導致艙內不同位置有一定的溫度差，即艙體中間和端部溫度有一定偏差，機架內部和過道之間會有一定溫度偏差。

對于增加頂風道方案，風道在機架頂部，施工相對簡單，相對容易實施，因為設置了風道，可以實現直接精準送風，達到快速熱交換的目的。但是此種方案需要選用內循環為上出風下進風的工業空調，對空調種類有一定的要求限制；從空調到頂風道的連接風管是外露的，美觀性上來說，相對不足；空調出風直接引到機架內部，削弱了過道等公共操作空間的溫控效果；風道在機架頂部，風從風道往機架內吹時，容易在通風孔處形成冷凝水，冷凝水有滴落到電氣設備上的風險，容易引發事故。

對于增加底風道方案，也可以實現直接精準送風，達到快速熱交換的目的，而因為風道在機架底部，風往上吹，不會出現冷凝水往上滴落到設備的情況，可以避免因冷凝水出現而引發的風險。但是因為風道在機架底部，需要選用內循環為下出風上進風的工業空調，對空調種類有一定的要求限制；為了保證工作人員的操作高度不增加，需要把底風道設置在艙底夾層內，這樣就增加艙體夾層的總高度，同時底風道和機架底部進線存在一定的沖突，因此常規艙體設計的底部框架結構就需要大改，結構將更加復雜；從空調到底風道的連接風管是外露的，美觀性上來說，相對不足；空調出風直接引到機架內部，也是削弱了過道等公共操作空間的溫控效果。

對于增加分層式風道方案，因風道吹風直接到機架內發熱元器件，機架內設備溫控效果更加有效，可有效實現熱交換的目的，因為豎向風道的作用，也不會出現冷凝水危害的問題。但是風道分級有頂風道和豎向風道，兩級風道需要對接，操作上相對較難；從空調到頂風道的連接風管是外露的，美觀性上來說，相對不足；因豎向風道的存在，導致艙內過道空間尺寸的縮小，操作空間也就減小了；空調出風直接引到機架內部，也是削弱了過道等公共操作空間的溫控效果。

對于機架增加風扇方案，因直接在現有機架結構的頂部安裝一個通風風扇，對現有結構沒有較大改變，操作起來簡單易行；空調排風是直接排放到過道空間的，過道內的溫控效果相對較好；在風扇的作用下，可以充分利用設備通道、空氣動力原理，實現局部循環，實現熱交換效率提升，達到很好的溫控效果。

表1 機架式預制艙內環境溫控效果對比

4 結語

在預制艙的使用過程中，預制艙內的環境溫控效果對艙內設備的性能和工作人員的感受有著至關重要的影響，只有在一個良好的環境下，設備才能發揮出其完美的作用。因此，本文針對機架式預制艙環境溫控效果提出了一些可行的方案，并針對這些方案進行對比分析，指出每種方案的優點和不足。