摘? 要：針對當(dāng)前新風(fēng)節(jié)能設(shè)備普遍存在的空氣過濾器影響機(jī)房潔凈度、過濾網(wǎng)需要人工更換或清潔、濾網(wǎng)更換周期短、維護(hù)工作量大、維護(hù)成本高等諸多弊端，研究新風(fēng)節(jié)能設(shè)備基于過濾網(wǎng)自動化清潔技術(shù)的智能免維護(hù)實現(xiàn)方法，通過將空氣過濾器免維護(hù)技術(shù)與新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)一體化方案設(shè)計，有效解決了當(dāng)前傳統(tǒng)新風(fēng)節(jié)能設(shè)備存在的技術(shù)缺陷，拓展了新一代智能新風(fēng)節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用價值，在國家推行綠色節(jié)能、低碳環(huán)保方面擁有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：新風(fēng)節(jié)能；自動化清潔；空氣過濾器；壓差變送器；PLC；免維護(hù)

中圖分類號：TP368.1；TU83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）23-0181-05

Research and Application of Maintenance-free Technology for

Fresh Air Energy-saving Air Filters

BI Yanguang

（China Telecom Yan'an Branch Network Operation and Maintenance Center， Yan'an? 716000， China）

Abstract： In view of the common disadvantages existing in current fresh air energy-saving equipment of air filters affecting the cleanliness of machine rooms， the need for manual replacement or cleaning of filters， short filter replacement cycles， high maintenance workload and costs， the method of intelligent maintenance-free implementation for fresh air energy-saving equipment based on automatic filter cleaning technology is researched. Through the integration of air filter maintenance-free technology and fresh air energy-saving system design， it effectively solves the technical shortcomings of the current traditional fresh air energy-saving equipments， expands the promotion and application value of the new generation of intelligent fresh air energy-saving technology. It has a broad application prospect in the national promotion of green energy-saving and low-carbon environmental protection.

Keywords： fresh air energy-saving; automatic cleaning; air filter; differential pressure transmitter; PLC; maintenance-free

0? 引? 言

新風(fēng)節(jié)能設(shè)備充分利用自然冷源的環(huán)境優(yōu)勢，減少機(jī)房空調(diào)設(shè)備的運行時長，具有顯著的節(jié)能降耗作用[1]。但是，新風(fēng)節(jié)能設(shè)備影響機(jī)房潔凈度、空氣過濾器濾布更換周期短、維護(hù)工作量大、購買過濾器成本投入高等諸多問題一直是困擾我們的難題，這些問題的存在與當(dāng)今機(jī)房無人、少人維護(hù)工作模式極不協(xié)調(diào)，嚴(yán)重影響機(jī)房新風(fēng)節(jié)能設(shè)備的推廣應(yīng)用。在當(dāng)今積極推行節(jié)能降耗、實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)要求的大環(huán)境下，解決這一難題無疑具有重要的現(xiàn)實意義。

1? 機(jī)房新風(fēng)節(jié)能設(shè)備現(xiàn)狀分析

目前，智能新風(fēng)節(jié)能技術(shù)在我國經(jīng)歷了20多年的發(fā)展歷程已逐步趨于成熟，根據(jù)陜西電信2005年、2011年分別對延安、西安、榆林、寶雞、渭南等地不同生產(chǎn)廠家的智能新風(fēng)節(jié)能設(shè)備的節(jié)能效果進(jìn)行評估試驗，設(shè)備散熱量不大的接入網(wǎng)機(jī)房、C網(wǎng)基站安裝新風(fēng)節(jié)能設(shè)備，其節(jié)能效果普遍較差；而對于設(shè)備散熱量大的機(jī)房使用新風(fēng)節(jié)能設(shè)備，則更能充分發(fā)揮其利用室外低溫冷源的節(jié)能優(yōu)勢。實踐證明，對于設(shè)備發(fā)熱量大、密封性好的機(jī)房，在相對涼爽的季節(jié)及時段使用智能通風(fēng)節(jié)能設(shè)備，有顯著的節(jié)電效果。

由于新風(fēng)節(jié)能設(shè)備空氣過濾器特別容易臟堵，為不影響節(jié)能效率，一般要求至少每半個月就應(yīng)更換一次空氣過濾器濾布，所以維護(hù)人員更換及清潔空氣過濾器的維護(hù)工作量大、濾布購買投入成本高的問題非常突出；同時新風(fēng)節(jié)能設(shè)備在利用室外冷源發(fā)揮節(jié)能降耗作用的同時對機(jī)房潔凈度的影響也很大[2]，這些問題嚴(yán)重影響智能新風(fēng)節(jié)能設(shè)備的推廣應(yīng)用價值。因此，有效解決新風(fēng)節(jié)能設(shè)備影響機(jī)房潔凈度問題、解決過濾網(wǎng)更換維護(hù)工作量大和購買濾網(wǎng)投入費用過高等問題[3]，對于提高智能新風(fēng)節(jié)能設(shè)備的市場應(yīng)用價值至關(guān)重要。

2? 空氣過濾器免維護(hù)技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計

為確保機(jī)房潔凈度達(dá)標(biāo)，新風(fēng)系統(tǒng)過濾網(wǎng)需要多層設(shè)置，一般設(shè)置三層過濾基本能滿足機(jī)房潔凈度的要求[4]。第一層過濾網(wǎng)是與室外接觸的第一道關(guān)鍵防塵屏障，如果把第一層過濾網(wǎng)由目前的人工更換濾布方式設(shè)計為免維護(hù)的全自動清潔模式，既可以大幅度減輕維護(hù)人員更換或清洗濾網(wǎng)的維護(hù)工作量，又可以極大地節(jié)省更換第二、第三層過濾網(wǎng)的成本費用。按照此思路，我們對機(jī)房新風(fēng)節(jié)能空氣過濾器自動化清潔裝置的架構(gòu)設(shè)計如下。

空氣過濾器自動化清潔裝置其基本結(jié)構(gòu)按照三層過濾網(wǎng)設(shè)計，第一層過濾網(wǎng)選用表面光滑、不易黏附灰塵的尼龍材質(zhì)過濾網(wǎng)，密度與普通空調(diào)可水洗過濾網(wǎng)相同；同時應(yīng)設(shè)計加強(qiáng)筋，強(qiáng)度應(yīng)具有足夠的抗風(fēng)力、抗變形能力；機(jī)組新風(fēng)入口還應(yīng)當(dāng)設(shè)置防盜、防小動物侵入防護(hù)裝置。第一層過濾網(wǎng)按照免維護(hù)全自動清潔的結(jié)構(gòu)方式設(shè)計，第二、第三層過濾網(wǎng)為傳統(tǒng)的濾布過濾方式。整體應(yīng)便捷維修、維護(hù)，三層過濾網(wǎng)均為抽插式結(jié)構(gòu)、室內(nèi)維護(hù)操作。機(jī)房新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)新風(fēng)入口尺寸根據(jù)窗戶或大樓外墻結(jié)構(gòu)因地制宜定制，機(jī)組新風(fēng)風(fēng)道通過風(fēng)筒及軟連接方式連接到室外。

自動清潔裝置的基本組件包括：過濾網(wǎng)（三層）、大功率軸流風(fēng)機(jī)（正反轉(zhuǎn)）、電動百葉窗（隔離、排風(fēng)）、電動刮塵毛刷、步進(jìn)驅(qū)動器[5]、步進(jìn)電機(jī)、PLC可編程控制器、室內(nèi)外溫度傳感器、壓差變送器等。過濾網(wǎng)自動化清潔智能新風(fēng)機(jī)組基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為提高濾網(wǎng)自動清潔時的受風(fēng)面積，風(fēng)機(jī)安裝位置正對第一層過濾網(wǎng)；軸流風(fēng)機(jī)選用大風(fēng)量、低噪音、進(jìn)排風(fēng)正反轉(zhuǎn)雙向控制，機(jī)組采用三相五線制電源。為防止風(fēng)機(jī)自動除塵工作時灰塵污染第二、第三層過濾網(wǎng)，在第一層與第二、第三層過濾網(wǎng)之間安裝隔離用電動百葉窗，在風(fēng)機(jī)開始除塵工作前通過隔離電動百葉窗將第一層與第二、第三層過濾網(wǎng)以及新風(fēng)出風(fēng)口完全隔離，同時為確保密封效果應(yīng)安裝橡膠密封條。

過濾網(wǎng)自動化清潔配置電動刮塵毛刷，刮塵刷安裝在第一層空氣過濾器內(nèi)外兩側(cè)，刮塵毛刷通過步進(jìn)電機(jī)控制，平行掃描方式除塵，借助于軸流風(fēng)機(jī)大廣角、強(qiáng)風(fēng)力的作用將灰塵吹到室外，實現(xiàn)自動清潔過濾網(wǎng)的目的。為提高電動刮塵毛刷的清潔效率，在清掃工作時內(nèi)外對稱的兩個電動刮塵毛刷應(yīng)采用彈壓方式緊密貼合第一層過濾網(wǎng)正反面，清掃時電動刮塵毛刷在水平運動中通過滾珠軸承或直流電機(jī)形成360度旋轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了清潔的效率。

清潔/排風(fēng)流程：過濾網(wǎng)自動清潔與新風(fēng)節(jié)能設(shè)備的自動排風(fēng)同屬一個工作流程。排風(fēng)百葉窗設(shè)計在機(jī)柜的兩側(cè)，清潔/排風(fēng)工作時，排風(fēng)百葉窗打開，隔離百葉窗關(guān)閉，形成相對密封的靜壓箱，風(fēng)機(jī)風(fēng)葉逆時針反向旋轉(zhuǎn)，風(fēng)吹向室外方向的第一層過濾網(wǎng)，配合絲桿電機(jī)電動刮塵刷的清掃運動，對過濾網(wǎng)進(jìn)行全方位自動清潔，同時排風(fēng)通風(fēng)換氣工作同步進(jìn)行。

新風(fēng)工作流程：新風(fēng)工作時排風(fēng)百葉窗關(guān)閉，隔離百葉窗打開，開通室外新風(fēng)通道，軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)葉順時針正向旋轉(zhuǎn)，室外空氣經(jīng)過三層空氣過濾器的凈化過濾后引入室內(nèi)。

新風(fēng)機(jī)組面板設(shè)計有自動/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)、人工操作按鈕及人機(jī)操作觸摸屏。在手動模式下，可以通過人工按鈕操作進(jìn)入強(qiáng)制新風(fēng)工作模式或強(qiáng)制排風(fēng)及濾網(wǎng)自動清潔工作狀態(tài)。在自動模式下，PLC控制器按照自動新風(fēng)節(jié)能及過濾網(wǎng)自動清潔維護(hù)周期自動運行。

新風(fēng)系統(tǒng)遵循大風(fēng)量微正壓的設(shè)計思想[6]。PLC控制器通過室內(nèi)外空氣壓差變送器對室內(nèi)外壓力進(jìn)行邏輯比對，當(dāng)機(jī)房室內(nèi)氣壓值低于室外氣壓（負(fù)壓），新風(fēng)系統(tǒng)啟動運行，給室內(nèi)補(bǔ)充新風(fēng)以確保室內(nèi)微正壓的要求。

PLC控制器通過室內(nèi)外溫度傳感器對室內(nèi)外溫度進(jìn)行邏輯比對，由于室內(nèi)外溫差大于3 ℃時室內(nèi)顯熱才能被帶走[7]，即當(dāng)室外溫度小于室內(nèi)溫度（溫差3 ℃），新風(fēng)系統(tǒng)啟動運行，將凈化過的室外冷空氣通過風(fēng)管引入室內(nèi)，代替空調(diào)或縮短空調(diào)壓縮機(jī)的運行時間，起到節(jié)能降耗的作用[8]。

過濾網(wǎng)壓差變送器通過對過濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)壓力進(jìn)行檢測來確定過濾網(wǎng)堵塞程度，壓差超出閥值啟動清潔模式，如清潔模式下壓差仍超出閥值，PLC控制器發(fā)出過濾網(wǎng)臟堵告警。

為防止風(fēng)機(jī)頻繁啟動，在PLC控制器上對室內(nèi)外溫度、室內(nèi)外空氣壓差要設(shè)定合適的回差值，在偏離回差值時風(fēng)機(jī)才啟停動作。

軸流風(fēng)機(jī)通過熱繼電器對電機(jī)進(jìn)行過載、缺相保護(hù)，風(fēng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)運行狀態(tài)通過電流互感器測量電流，由電流變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號送到PLC控制器[9]，以實時檢測其運行工作狀態(tài)。

基于過濾網(wǎng)自動化清潔技術(shù)的新風(fēng)節(jié)能一體機(jī)，配置智能接口以實現(xiàn)遠(yuǎn)程動環(huán)監(jiān)控功能。通過PLC控制器實時查看電機(jī)工作狀態(tài)、環(huán)境溫濕度、實時告警、歷史告警等信息。通過PLC可編程控制器對通風(fēng)節(jié)能及空氣過濾器自動化清潔裝置的延時參數(shù)、運行參數(shù)、告警參數(shù)、維護(hù)周期等進(jìn)行便捷設(shè)置。

3? 空氣過濾器免維護(hù)技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)方案

新一代新風(fēng)節(jié)能設(shè)備最重要的特點是在實現(xiàn)傳統(tǒng)新風(fēng)節(jié)能設(shè)備基本功能的基礎(chǔ)上植入空氣過濾器免維護(hù)自動化清潔功能，根據(jù)空氣過濾器免維護(hù)技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計思路，結(jié)合新風(fēng)節(jié)能設(shè)備的多元化功能要求，我們從解決傳統(tǒng)新風(fēng)節(jié)能設(shè)備所存在的諸多弊端出發(fā)，在維護(hù)工作實踐中經(jīng)過反復(fù)試驗，研究開發(fā)出了新一代新風(fēng)節(jié)能空氣過濾器免維護(hù)技術(shù)方案，其控制電路如圖2所示[10]。

3.1? 自動工作過程

閉合新風(fēng)機(jī)組QF開關(guān)，AC/DC電源模塊給PLC控制器提供DC24 V工作電源。將自動/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動檔，PLC控制器對室內(nèi)外溫度、氣壓進(jìn)行邏輯比對，當(dāng)室外溫度小于室內(nèi)溫度（溫差3 ℃）或室內(nèi)氣壓值低于室外大氣壓（負(fù)壓），PLC控制器內(nèi)置K1觸點閉合，接通了KM1交流接觸器220 V工作電源，KM1得電吸合。KM1-2互鎖常閉觸點斷開，切斷KM2工作電源。常開觸點KM1-4閉合，接通了新風(fēng)/隔離電動百葉窗執(zhí)行器內(nèi)部M2電機(jī)正轉(zhuǎn)端工作電源，M2電機(jī)得電正轉(zhuǎn)，新風(fēng)/隔離電動百葉窗打開，電機(jī)內(nèi)部自帶限位開關(guān)，百葉窗完全打開后電機(jī)自動斷電；同時KM1-3互鎖常閉觸點斷開，斷開執(zhí)行器關(guān)窗電源。由于新風(fēng)/隔離電動百葉窗位于機(jī)柜內(nèi)部，需要在機(jī)柜面板設(shè)置開關(guān)窗指示燈，排風(fēng)/清潔百葉窗設(shè)置于機(jī)柜外兩側(cè)，能觀測到開關(guān)窗狀態(tài)，故無須配置開關(guān)窗指示燈。在完全開窗后開窗指示燈亮，指示百葉窗已完全打開。KM1-5常開接點閉合接通了時間繼電器KT1的工作電源，KT1的設(shè)定時間大于百葉窗開窗運轉(zhuǎn)的時間，在百葉窗完全打開后，KT1時間繼電器常開接點閉合，接通了KM3接觸器工作電源，KM3主觸點閉合，軸流風(fēng)機(jī)得電工作（正轉(zhuǎn)），室外新風(fēng)經(jīng)三層空氣過濾器凈化后引入室內(nèi)。

當(dāng)室外溫度大于室內(nèi)溫度或室內(nèi)氣壓值高于室外大氣壓（正壓），PLC控制器內(nèi)置K1觸點斷開，KM1交流接觸器斷電釋放，常開觸點KM1-4斷開，切斷M2正轉(zhuǎn)端電源，常閉觸點KM1-3閉合，接通新風(fēng)/隔離電動百葉窗執(zhí)行器內(nèi)部M2電機(jī)反轉(zhuǎn)端工作電源，M2電機(jī)得電反轉(zhuǎn)，新風(fēng)/隔離電動百葉窗關(guān)閉，完全關(guān)窗后通過電機(jī)自帶限位開關(guān)自動斷開M2電源，關(guān)窗指示燈亮。KM1-5常開接點斷開，KT1時間繼電器、KM3接觸器斷電釋放，軸流風(fēng)機(jī)停止工作。

PLC控制器通過人機(jī)界面可設(shè)定空氣過濾器自動清潔的工作周期、每次清潔的工作時長。新風(fēng)機(jī)組的排風(fēng)工作與過濾網(wǎng)自動化清潔同屬一個工作流程，即排風(fēng)工作時過濾網(wǎng)自動清潔同步進(jìn)行。人機(jī)界面通過PLC控制器內(nèi)置K2接點的通斷控制排風(fēng)/清潔工作周期，根據(jù)設(shè)定的維護(hù)周期，在排風(fēng)/清潔工作時，K2接點閉合，KM2交流接觸器得電吸合，KM2-4常開接點接通M1電機(jī)正轉(zhuǎn)端電源，排風(fēng)電動百葉窗打開，即軸流風(fēng)機(jī)的排風(fēng)通道打開，同時KM2-3互鎖常閉接點斷開，切斷關(guān)窗端電源。排風(fēng)/清潔工作階段新風(fēng)/隔離百葉窗是保持關(guān)閉的，確保自動清潔工作時有效隔離第一層過濾網(wǎng)與第二、第三層過濾網(wǎng)。與此同時，PLC控制器控制步進(jìn)驅(qū)動器，通過步進(jìn)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)式刮塵毛刷對第一層空氣過濾器進(jìn)行無死角除塵操作。同時，KM2-5常開接點閉合，接通了時間繼電器KT2的工作電源，KT2的動作設(shè)定時間大于排風(fēng)電動百葉窗電機(jī)開窗運轉(zhuǎn)時間，在百葉窗完全打開后，KT2時間繼電器常開接點閉合，接通了KM4接觸器工作電源，KM4主觸點閉合，軸流風(fēng)機(jī)得電工作（反轉(zhuǎn)）。軸流風(fēng)機(jī)正對第一層過濾網(wǎng)，配合絲桿步進(jìn)電機(jī)的毛刷清潔運動，將灰塵吹到室外，達(dá)到自動清潔過濾網(wǎng)的目的，同時將室內(nèi)空氣引流至室外，進(jìn)行通風(fēng)換氣的。

空氣過濾器自動清潔周期及排風(fēng)工作流程結(jié)束，PLC控制器K2觸點斷開，KM2交流接觸器斷電釋放，常開觸點KM2-4斷開，切斷風(fēng)閥執(zhí)行器開窗端電源，常閉觸點KM2-3閉合，接通了排風(fēng)/清潔百葉窗執(zhí)行器M1電機(jī)反轉(zhuǎn)端的工作電源，M1電機(jī)得電反轉(zhuǎn)至排風(fēng)/清潔電動百葉窗關(guān)閉，百葉窗完全關(guān)閉后執(zhí)行器限位開關(guān)自動斷開M1電源。同時，KM2-5常開接點斷開，KT2時間繼電器、KM3接觸器斷電釋放，軸流風(fēng)機(jī)停止工作，完成空氣過濾器的自動清潔及排風(fēng)工作流程。

3.2? 手動工作過程

將自動/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)置于手動檔，在新風(fēng)機(jī)組操作面板按下SB1按鈕，KM1得電工作，自保接點KM1-1閉合，保持KM1工作狀態(tài)，通過輔助接點自動打開新風(fēng)/隔離百葉窗；KT1、KM3依次工作，機(jī)組進(jìn)入強(qiáng)制新風(fēng)工作狀態(tài)。按下SB2停止按鈕，KM1、KT1、KM3失電，強(qiáng)制新風(fēng)工作停止。手動模式下，按下SB3按鈕，KM2得電工作，自保接點KM2-1閉合，保持KM2工作狀態(tài)，通過輔助接點自動打開排風(fēng)/清潔百葉窗；KT2、KM4依次工作，機(jī)組進(jìn)入空氣過濾器強(qiáng)制清潔及排風(fēng)工作狀態(tài)。按下SB2停止按鈕，KM2、KT2、KM4失電，強(qiáng)制清潔/排風(fēng)工作停止。

在電動百葉窗執(zhí)行器上配有機(jī)械手動開關(guān)窗解鎖裝置，按下解鎖按鈕可隨時機(jī)械手動進(jìn)行開關(guān)窗操作。

3.3? 應(yīng)用實例

新風(fēng)節(jié)能空氣過濾器免維護(hù)技術(shù)在節(jié)能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值，延安電信分公司技術(shù)人員在維護(hù)工作實踐中，通過對空氣過濾器自動化清潔技術(shù)進(jìn)行深入研究及反復(fù)試驗，于2022年8月將研究成果應(yīng)用在延安“雪亮工程”IDC機(jī)房新風(fēng)機(jī)組上，機(jī)房安裝實例照片如圖3所示。運行8個多月以來，新風(fēng)機(jī)組過濾網(wǎng)自動化清潔運行穩(wěn)定正常，第二、第三層過濾網(wǎng)也一直保持干凈而無須更換，從而免去了維護(hù)人員更換濾網(wǎng)及購買濾網(wǎng)的費用。

4? 結(jié)? 論

空氣過濾器自動化清潔技術(shù)有效解決了當(dāng)前傳統(tǒng)新風(fēng)節(jié)能設(shè)備存在的技術(shù)缺陷，在機(jī)房新風(fēng)節(jié)能、BBU機(jī)房精準(zhǔn)排熱、IDC機(jī)房新風(fēng)控制等方面具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。新風(fēng)節(jié)能空氣過濾器免維護(hù)技術(shù)是我們在優(yōu)化節(jié)能產(chǎn)品方面進(jìn)行的有益探索，隨著新風(fēng)節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的不斷開拓創(chuàng)新，新風(fēng)節(jié)能產(chǎn)品一定會越來越完善，一定會在國家推行綠色節(jié)能、低碳環(huán)保方面擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡介：畢延光（1962—），男，漢族，陜西延安人，高級工程師，本科，研究方向：電氣自動化、通信電源技術(shù)。