引言2019年1月19日，中国电力企业联合会发布的年度统计公报显示，截至2018年底，我国变压器容量达40.2亿kVA，增长了6.2%左右[1]。由于电力建设投资的不断增加，电力系统的安全性和稳定性变得尤为重要。变压器作为电力系统中最重要的电气设备之一，其安全及可靠的运行将直接影响电力系统的安全性及稳定性。高层建筑或有地下室的建筑物的变配电房一般设在地下室，变压器运行时，其绕组和铁芯等发热部件产生的磁滞损耗、漏磁通以及涡流损耗在钢结构件中杂散损耗而发热[2]；而绝缘材料的寿命与热点温度密切相关，因此进行通风或空调散热以保证变压器在安全工作温度范围内正常运转具有重要的研究意义。近年来，国内外学者对此展开了一系列科学研究，Arifianto等[3]介绍了高温对变压器寿命的影响，长时间在高热压状态下工作，会减少变压器的使用寿命，通过改善优化变压器通风冷却系统，可降低其工作温度，延长变压器的使用寿命。彭金能[4]分析了变压器室通风降温效果没有达到理想状态的原因，采用自然通风与机械通风相结合的混合通风方式效果显著，可使变压器在其正常安全温度范围内工作等。但由于夏季室外温度较高，自然通风与机械通风相结合的方式显然已无法维持变压器正常稳定的工作。结合上海市某大型公共建筑地下变配电室实例，分析配电室内机械通风和空气处理机组制冷循环等变压器通风制冷的两种常用方式。文章提出对变配电室内变压器散发的热量采用机械通风和空气处理机组制冷循环组合使用的方式，并依据在不同室外气象参数下产生的能耗，对机械通风和空气处理机组制冷循环的组合结构进行优化，以降低在不同室外气象参数情况下变配电室内变压器通风制冷能耗。最后使用文中所述计算方法，简要计算黑龙江省及海南省变配电房通风制冷能耗及节能方式。1变压器室通风制冷的两种基本方式1.1机械通风一般配电室应尽可能地优先采用自然通风的形式来排除热量，当自然通风无法维持变压器正常稳定工作时，可采用机械通风方式散热。机械通风是利用电机设备的运转产生动力使空气不断流动，达到流通换气的目的。电机设备可选择不同的风量及压力，因此通风量不同。通过控制空气流动路线及速度，降温效果显著。与自然通风方式相比其能耗较高，在自然通风不能满足通风要求情况下使用较为经济[5]。变压器室机械通风设计，通过送风口送入低于30 ℃的空气。目前，一般规定变压器正常使用时周围的温度不得超过40 ℃[6]。因此设定通过排风口带走低于40 ℃的空气，送、排风口之间空气流通且空气对流路径经过变压器，进而带走变压器工作运转散发的热量，提高对变压器通风散热效果。送风口设置在近变压器一侧，应有一定高度且中心高度宜控制在变压器的中心高度附近，不宜过高；排风口宜设在变压器的另一侧上方，使冷空气与变压器充分接触，提高通风散热效率[7]。变压器室机械通风原理图如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.F001图1变压器室机械通风原理图机械通风风机的耗功率：WS=L/3 600×P/1 000ηF (1)式中：WS——风机耗功率，kW；L——风量，m3/h；P——空调机组的余压或通风系统机组的风压，Pa；ηF——风机效率。根据热平衡公式计算确定，变压器发热量Q可由设备厂商提供或可计算为：Q=(1-η1)⋅η2⋅φ⋅W (2)式中：η1——变压器效率，取0.98；η2——变压器负荷率，取0.70～0.80；φ——变压器功率因数，取0.90～0.95；W——变压器功率，W。带入数据，得：Q=(0.012 6~ 0.015 2)W。消除变压器余热所需通风量为：L=Q0.337×(tp-ts) (3)式中：L——通风换气量，m3/h；Q——空气显热发热量，W；tp——室内排风设计温度，℃；ts——送风温度，℃。上海夏季室外温度普遍集中在30 ℃至40 ℃之间，地下配电室内设计温度为40 ℃，若室外进风温度超过30 ℃采用机械通风。因变压器室内外温差较小，风机为带走变压器正常工作运转产生的热量，需要很大的通风量，则会导致送风口面积过大，因此当室外送风温度超过30 ℃时，需采用空气处理机组制冷循环来降低变压器室的温度。1.2空调制冷降温空气经风机送到冷却器进行降温，以达到使变压器稳定、正常工作的温度，然后送入变压器室。简单对比空气处理机组和机械通风风机的能耗，如：若消除1 kW余热，对于空气处理机组则需要1 kW的制冷量。一般地，假定空气处理机组的制冷性能系数(COP)为3，可算出空气处理机组功率0.33 kW；根据式(2)、式(3)可得到机械通风风机所需风量为197 m3/h，假定通风系统的风压为450 Pa，根据式(1)可得机械通风风机的耗功为0.035 kW。由此可看出，同样消除 1 kW的余热，使用空气处理机组进行制冷降温的能耗远大于使用机械通风风机的能耗。因此在此基础上，设计研究针对不同的室外送风温度将机械通风风机和空气处理机组组合协调散热，以进一步达到节能降耗的目的。2机械通风与空调制冷循环组合2.1基本原理机械通风和空调制冷降温组合有两种方式，一种是机械通风风机与空气制冷机组分别独立工作，如图2所示；另一种是室外空气先经过空气处理机组中压缩机制冷降温，再经过空气处理机组中离心风机送入变压器室内，如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.F002图2空气处理机组与机械通风风机分别独立工作示意图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.F003图3空气处理机组“直流”工作2.2能耗计算以上海某大型公共建筑的地下一层变压器室为例，变压器室内设计温度为40 ℃，面积为80.5 m2，高度为6.1 m，变压器功率为10 000 kVA。据上文已知30 ℃为开启空气处理机组开始制冷的起始温度。假定上海夏季室外进风温度，一种方法是空气处理机组和机械通风风机分别独立，当室外进风温度低于30 ℃时，仅有机械通风风机工作来维持变电室所需温度；当室外进风温度超过30 ℃时，仅有空气制冷机组制冷循环。另一种方法是使用空气处理机组中压缩机使室外进风温度降至30 ℃，再通过空气处理机组中离心风机将30 ℃空气吹进室内，以此提供变压器正常工作的温度环境。针对室外进风温度为30 ℃至40 ℃时，对这两种方式分别计算耗功率。第一种方式为空气处理机组和机械通风风机分别独立工作以维持室内变压器正常工作所需温度。变压器散热量为：Q=(0.012 6～0.015 2)W=0.014 0×10 000=140 kW。室外进风温度为30 ℃时，只通过机械通风对变压器室散热，通风量为:L=Q0.337×(tp-ts)=1400.337×40-30=11.54。此方法下，该设计机械通风风机效率为70%，风压为300 Pa，机械通风风机功率为：WS=2×L/3 600×P/1 000ηF=2×11.54×0.30.7=9.9。当室外进风温度超过30 ℃时，这时开启空气处理机组，关闭机械通风风机。变压器散热量既为空气处理机组的制冷量。根据空气处理机组的制冷量选型，文中选择某品牌环绕出风天花板嵌入式空气处理机组，台数为10台，额定电压为220 V，额定电流为1.3 A，随室外温度升高，COP如图4所示[8]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.F004图4空调压缩机COP随室外温度变化规律由图4可看出随着室外温度升高，空调压缩机COP值下降，具体数据如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.T001表1室外温度升高后空调压缩机COP室外温度t/℃COP室外温度t/℃COP313.70363.10323.60373.00333.50382.80343.40392.60353.30402.40空气处理机组中压缩机的功率为该空气处理机组的制冷量与COP的比值，如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.T002表2压缩机功率室外温度t/℃功率/kW室外温度t/℃功率/kW3137.843645.163238.893746.673340.003850.003441.183953.853542.424058.33此种方法下，循环风机的效率为55%，风压为50 Pa，送风量为9.17 m3/s。该空气处理机组中循环风机的功率为：WS=L/3 600×P/1 000ηF=9.17×0.050.55=0.83。此种方式在不同进风温度时总耗功率为不同进风温度下空气处理机组中压缩机、循环风机的功率之和，具体如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.T003表3在不同进风温度时空气处理机组总功率室外温度t/℃功率/kW室外温度t/℃功率/kW309.903645.983138.673747.503239.723850.833340.833954.683442.014059.163543.25第二种方式：空气处理机组中压缩机先使室外进风温度降至30 ℃，再通过空气处理机组中离心风机将30 ℃的空气吹进室内。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定变压器室排风温度不宜超过40 ℃[9]，为了防止夏季室外实际温度过高导致变压器室排风温度高于规范值，致使变压器无法正常工作，本文变压器室排风温度定为40 ℃。上海市处在夏热冬冷地区，夏热供冷地区的气候特点是夏季炎热冬季湿冷。根据国家气象局统计的2019年上海市夏季高温天室外气象参数，具体如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.T004表42019年上海市夏季高温天室外气象参数室外温度t/℃RHU/%室外温度t/℃RHU/%3186366532753763336738633465396335654060当室外空气温度为30 ℃时，空调处理机组压缩机不开启，只用机械通风风机将30 ℃室外空气吹入室内。若经由空气处理机组降温空气不发生相变，这时温度降低所需的热仅为显热；若经由空气处理机组降温空气发生相变，空气达到露点温度有冷凝水析出，这时温度降低所需的热为显热与潜热。由表4温度及相对湿度查焓湿图可得，在室外温度处于31 ℃至37 ℃之间时，降低温度所需的热仅为显热；在室外温度处于38 ℃至40 ℃之间时，降低温度所需的热为显热与潜热。空调处理机组中压缩机功率分为以下有无潜热负荷产生两种情况。有潜热负荷产生:W=全热QFCOP=m•ΔhFCOP=ρ•ν•ΔhFCOP (4)无潜热负荷产生:W显热=QFCOP=m•Cp•ΔtFCOP=ρ•ν•Cp•ΔtFCOP (5)式中：ρ——密度，kg/m3；v——体积，m3；Δh——焓差，kJ/kg；Fcop——压缩机能效比；CP——比热容，J/(kg·℃)；Δt——温差，℃。38 ℃至40 ℃空气焓差分别为8.5 kJ/kg、10 kJ/kg、15 kJ/kg。此种方式下，空气处理机组制冷量如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.T005表5空气处理机组制冷量室外温度t/℃制冷量/kW室外温度t/℃制冷量/kW3003679.723113.293793.013226.5738118.233339.8639131.563453.1540197.333566.44空气处理机组压缩机制冷性能系数(COP)如表1所示，则其功率可算出，如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.T006表6空气处理机组压缩机功率室外温度t/℃功率/kW室外温度t/℃功率/kW3003625.72313.593731.00327.383842.233311.393950.603415.634078.933520.13空气处理机组中离心风机及机械排风风机功率之和为：WS=2×L/3 600×P/1 000ηF=2×11.54×0.30.7=9.9 kW。此种方式在不同进风温度时总耗功率为不同进风温度下机械通风风机耗功率与空气处理机组中压缩机的功率之和，如表7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.T007表7不同进风温度下机械通风风机总功率室外温度t/℃W/kW室外温度t/℃W/kW309.903635.623113.493740.903217.283852.133321.293960.503425.534088.833530.03两种方式能耗对比如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.F005图5机械通风风机能耗对比由图5可以看出，两条曲线交点为(38 ℃, 51 kW)，在30 ℃至38 ℃之间，通过空气处理机组先降温再吹入变压器室内要比空气处理机组在变压器室内循环制冷降温节能；在38 ℃至40 ℃之间，空气处理机组在变压器室内循环制冷降温要比通过空气处理机组先降温再吹入变压器室内节能。综合上述两种方式能耗对比的结论设想：在室外进风温度处于30 ℃至38 ℃之间时，打开室外进风管上的截止阀，关闭排风口循环风管上的截止阀，采用室外进风空气通过空气处理机组降温再吹入变压器室内，经变压器室升温的空气通过排风口直接排入室外；当室外进风温度高于38 ℃时，关闭室外进风管及排风口接室外风管上的截止阀，打开排风口循环风管上的截止阀，采用空气处理机组在变压器室外循环制冷降温。其工作原理如图6所示，功率如表8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.F006图6空气处理机组降温与制冷循环结合工作原理10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.T008表8气处理机组降温与制冷循环结合总功率室外温度t/℃功率/kW室外温度t/℃功率/kW309.903635.623113.493740.903217.283852.133321.293954.683425.534059.163530.03将上述3种变压器室通风降温方式的能耗进行曲线对比，如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.F007图73种能耗对比由能耗曲线对比可清晰看出，在上海市室外进风温度处于30 ℃至38 ℃之间时，采用通过空气处理机组先降温再吹入变压器室内，室外进风温度高于38 ℃时，采用空气处理机组在变压器室内循环制冷降温，更加节能。3讨论在全国范围内，气候存在显著差异，北方夏季室外温度较低，湿度较小；南方夏季天气温度较高，湿度较大。文中上述计算方法适用于任何室外气候参数，这里使用上述计算方法对黑龙江某市和海南省某市夏季变压器室的通风制冷能耗做简要分析计算进而对比降温方式。根据中国气象数据网给出的黑龙江省夏季气象参数，可知黑龙江省夏季气温不高于30 ℃，因此夏季黑龙江省变压器室可采用机械通风。根据中国气象数据网给出的海南省气象参数如表9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.T009表9海南省气象参数室外温度t/℃RHU/%室外温度t/℃RHU/%3190368332903783338838823491398135854080假定变压器室基础参数均与上述变压器室基础参数一致，当采用空气处理机组和机械通风风机分别独立工作以维持室内变压器正常工作所需温度时，压缩机功率应不变（见表3）。采用第二种方式维持变压器正常工作温度的压缩机功率如表10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.002.T010表10采用第二种方式维持变压器正常工作温度的压缩机功率室外温度t/℃W/kW室外温度t/℃W/kW309.93686.23113.537135.13217.338158.93321.339207.93467.240241.73573.1对比表3与表10可得出：在海南省室外进风温度处于30 ℃至33 ℃之间时，采用通过空气处理机组先降温再吹入变压器室内，室外进风温度高于33 ℃时，采用空气处理机组在变压器室内循环制冷降温，更加节能。4结语在变压器室内2种传统通风降温方式基础上，提出机械通风风机与空气制冷机组分别独立工作与空气处理机组“直流”工作两种组合方式，并计算其能耗，结合实例优化组合方式。最后使用文中所述计算方法及通风降温组合优化方式分别对夏季气候参数有着显著差异的黑龙江省和海南省某变压器室内通风降温能耗进行简要计算分析得出节能组合优化方案。