新風節能空氣過濾器免維護技術的研究及應用

摘? 要：針對當前新風節能設備普遍存在的空氣過濾器影響機房潔凈度、過濾網需要人工更換或清潔、濾網更換周期短、維護工作量大、維護成本高等諸多弊端，研究新風節能設備基于過濾網自動化清潔技術的智能免維護實現方法，通過將空氣過濾器免維護技術與新風節能系統一體化方案設計，有效解決了當前傳統新風節能設備存在的技術缺陷，拓展了新一代智能新風節能技術的推廣應用價值，在國家推行綠色節能、低碳環保方面擁有廣闊的應用前景。

關鍵詞：新風節能；自動化清潔；空氣過濾器；壓差變送器；PLC；免維護

中圖分類號：TP368.1；TU83 文獻標識碼：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

新風節能設備充分利用自然冷源的環境優勢，減少機房空調設備的運行時長，具有顯著的節能降耗作用[1]。但是，新風節能設備影響機房潔凈度、空氣過濾器濾布更換周期短、維護工作量大、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今機房無人、少人維護工作模式極不協調，嚴重影響機房新風節能設備的推廣應用。在當今積極推行節能降耗、實現“雙碳”戰略目標要求的大環境下，解決這一難題無疑具有重要的現實意義。

1? 機房新風節能設備現狀分析

目前，智能新風節能技術在我國經歷了20多年的發展歷程已逐步趨于成熟，根據陜西電信2005年、2011年分別對延安、西安、榆林、寶雞、渭南等地不同生產廠家的智能新風節能設備的節能效果進行評估試驗，設備散熱量不大的接入網機房、C網基站安裝新風節能設備，其節能效果普遍較差；而對于設備散熱量大的機房使用新風節能設備，則更能充分發揮其利用室外低溫冷源的節能優勢。實踐證明，對于設備發熱量大、密封性好的機房，在相對涼爽的季節及時段使用智能通風節能設備，有顯著的節電效果。

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

2? 空氣過濾器免維護技術的架構設計

為確保機房潔凈度達標，新風系統過濾網需要多層設置，一般設置三層過濾基本能滿足機房潔凈度的要求[4]。第一層過濾網是與室外接觸的第一道關鍵防塵屏障，如果把第一層過濾網由目前的人工更換濾布方式設計為免維護的全自動清潔模式，既可以大幅度減輕維護人員更換或清洗濾網的維護工作量，又可以極大地節省更換第二、第三層過濾網的成本費用。按照此思路，我們對機房新風節能空氣過濾器自動化清潔裝置的架構設計如下。

空氣過濾器自動化清潔裝置其基本結構按照三層過濾網設計，第一層過濾網選用表面光滑、不易黏附灰塵的尼龍材質過濾網，密度與普通空調可水洗過濾網相同；同時應設計加強筋，強度應具有足夠的抗風力、抗變形能力；機組新風入口還應當設置防盜、防小動物侵入防護裝置。第一層過濾網按照免維護全自動清潔的結構方式設計，第二、第三層過濾網為傳統的濾布過濾方式。整體應便捷維修、維護，三層過濾網均為抽插式結構、室內維護操作。機房新風節能系統新風入口尺寸根據窗戶或大樓外墻結構因地制宜定制，機組新風風道通過風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（三層）、大功率軸流風機（正反轉）、電動百葉窗（隔離、排風）、電動刮塵毛刷、步進驅動器[5]、步進電機、PLC可編程控制器、室內外溫度傳感器、壓差變送器等。過濾網自動化清潔智能新風機組基本結構如圖1所示。

為提高濾網自動清潔時的受風面積，風機安裝位置正對第一層過濾網；軸流風機選用大風量、低噪音、進排風正反轉雙向控制，機組采用三相五線制電源。為防止風機自動除塵工作時灰塵污染第二、第三層過濾網，在第一層與第二、第三層過濾網之間安裝隔離用電動百葉窗，在風機開始除塵工作前通過隔離電動百葉窗將第一層與第二、第三層過濾網以及新風出風口完全隔離，同時為確保密封效果應安裝橡膠密封條。

過濾網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外兩側，刮塵毛刷通過步進電機控制，平行掃描方式除塵，借助于軸流風機大廣角、強風力的作用將灰塵吹到室外，實現自動清潔過濾網的目的。為提高電動刮塵毛刷的清潔效率，在清掃工作時內外對稱的兩個電動刮塵毛刷應采用彈壓方式緊密貼合第一層過濾網正反面，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形成360度旋轉效應進一步增強了清潔的效率。

清潔/排風流程：過濾網自動清潔與新風節能設備的自動排風同屬一個工作流程。排風百葉窗設計在機柜的兩側，清潔/排風工作時，排風百葉窗打開，隔離百葉窗關閉，形成相對密封的靜壓箱，風機風葉逆時針反向旋轉，風吹向室外方向的第一層過濾網，配合絲桿電機電動刮塵刷的清掃運動，對過濾網進行全方位自動清潔，同時排風通風換氣工作同步進行。

新風工作流程：新風工作時排風百葉窗關閉，隔離百葉窗打開，開通室外新風通道，軸流風機風葉順時針正向旋轉，室外空氣經過三層空氣過濾器的凈化過濾后引入室內。

新風機組面板設計有自動/手動轉換開關、人工操作按鈕及人機操作觸摸屏。在手動模式下，可以通過人工按鈕操作進入強制新風工作模式或強制排風及濾網自動清潔工作狀態。在自動模式下，PLC控制器按照自動新風節能及過濾網自動清潔維護周期自動運行。

新風系統遵循大風量微正壓的設計思想[6]。PLC控制器通過室內外空氣壓差變送器對室內外壓力進行邏輯比對，當機房室內氣壓值低于室外氣壓（負壓），新風系統啟動運行，給室內補充新風以確保室內微正壓的要求。

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

過濾網壓差變送器通過對過濾網內外側壓力進行檢測來確定過濾網堵塞程度，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控制器發出過濾網臟堵告警。

為防止風機頻繁啟動，在PLC控制器上對室內外溫度、室內外空氣壓差要設定合適的回差值，在偏離回差值時風機才啟停動作。

軸流風機通過熱繼電器對電機進行過載、缺相保護，風機、步進電機運行狀態通過電流互感器測量電流，由電流變送器轉換為標準信號送到PLC控制器[9]，以實時檢測其運行工作狀態。

基于過濾網自動化清潔技術的新風節能一體機，配置智能接口以實現遠程動環監控功能。通過PLC控制器實時查看電機工作狀態、環境溫濕度、實時告警、歷史告警等信息。通過PLC可編程控制器對通風節能及空氣過濾器自動化清潔裝置的延時參數、運行參數、告警參數、維護周期等進行便捷設置。

3? 空氣過濾器免維護技術的設計與實現方案

新一代新風節能設備最重要的特點是在實現傳統新風節能設備基本功能的基礎上植入空氣過濾器免維護自動化清潔功能，根據空氣過濾器免維護技術的架構設計思路，結合新風節能設備的多元化功能要求，我們從解決傳統新風節能設備所存在的諸多弊端出發，在維護工作實踐中經過反復試驗，研究開發出了新一代新風節能空氣過濾器免維護技術方案，其控制電路如圖2所示[10]。

3.1? 自動工作過程

閉合新風機組QF開關，AC/DC電源模塊給PLC控制器提供DC24 V工作電源。將自動/手動轉換開關置于自動檔，PLC控制器對室內外溫度、氣壓進行邏輯比對，當室外溫度小于室內溫度（溫差3 ℃）或室內氣壓值低于室外大氣壓（負壓），PLC控制器內置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/隔離電動百葉窗執行器內部M2電機正轉端工作電源，M2電機得電正轉，新風/隔離電動百葉窗打開，電機內部自帶限位開關，百葉窗完全打開后電機自動斷電；同時KM1-3互鎖常閉觸點斷開，斷開執行器關窗電源。由于新風/隔離電動百葉窗位于機柜內部，需要在機柜面板設置開關窗指示燈，排風/清潔百葉窗設置于機柜外兩側，能觀測到開關窗狀態，故無須配置開關窗指示燈。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的設定時間大于百葉窗開窗運轉的時間，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，軸流風機得電工作（正轉），室外新風經三層空氣過濾器凈化后引入室內。

當室外溫度大于室內溫度或室內氣壓值高于室外大氣壓（正壓），PLC控制器內置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正轉端電源，常閉觸點KM1-3閉合，接通新風/隔離電動百葉窗執行器內部M2電機反轉端工作電源，M2電機得電反轉，新風/隔離電動百葉窗關閉，完全關窗后通過電機自帶限位開關自動斷開M2電源，關窗指示燈亮。KM1-5常開接點斷開，KT1時間繼電器、KM3接觸器斷電釋放，軸流風機停止工作。

PLC控制器通過人機界面可設定空氣過濾器自動清潔的工作周期、每次清潔的工作時長。新風機組的排風工作與過濾網自動化清潔同屬一個工作流程，即排風工作時過濾網自動清潔同步進行。人機界面通過PLC控制器內置K2接點的通斷控制排風/清潔工作周期，根據設定的維護周期，在排風/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電機正轉端電源，排風電動百葉窗打開，即軸流風機的排風通道打開，同時KM2-3互鎖常閉接點斷開，切斷關窗端電源。排風/清潔工作階段新風/隔離百葉窗是保持關閉的，確保自動清潔工作時有效隔離第一層過濾網與第二、第三層過濾網。與此同時，PLC控制器控制步進驅動器，通過步進電機控制旋轉式刮塵毛刷對第一層空氣過濾器進行無死角除塵操作。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的動作設定時間大于排風電動百葉窗電機開窗運轉時間，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，軸流風機得電工作（反轉）。軸流風機正對第一層過濾網，配合絲桿步進電機的毛刷清潔運動，將灰塵吹到室外，達到自動清潔過濾網的目的，同時將室內空氣引流至室外，進行通風換氣的。

空氣過濾器自動清潔周期及排風工作流程結束，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，切斷風閥執行器開窗端電源，常閉觸點KM2-3閉合，接通了排風/清潔百葉窗執行器M1電機反轉端的工作電源，M1電機得電反轉至排風/清潔電動百葉窗關閉，百葉窗完全關閉后執行器限位開關自動斷開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，軸流風機停止工作，完成空氣過濾器的自動清潔及排風工作流程。

3.2? 手動工作過程

將自動/手動轉換開關置于手動檔，在新風機組操作面板按下SB1按鈕，KM1得電工作，自保接點KM1-1閉合，保持KM1工作狀態，通過輔助接點自動打開新風/隔離百葉窗；KT1、KM3依次工作，機組進入強制新風工作狀態。按下SB2停止按鈕，KM1、KT1、KM3失電，強制新風工作停止。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，通過輔助接點自動打開排風/清潔百葉窗；KT2、KM4依次工作，機組進入空氣過濾器強制清潔及排風工作狀態。按下SB2停止按鈕，KM2、KT2、KM4失電，強制清潔/排風工作停止。

在電動百葉窗執行器上配有機械手動開關窗解鎖裝置，按下解鎖按鈕可隨時機械手動進行開關窗操作。

3.3? 應用實例

新風節能空氣過濾器免維護技術在節能領域具有廣泛的應用價值，延安電信分公司技術人員在維護工作實踐中，通過對空氣過濾器自動化清潔技術進行深入研究及反復試驗，于2022年8月將研究成果應用在延安“雪亮工程”IDC機房新風機組上，機房安裝實例照片如圖3所示。運行8個多月以來，新風機組過濾網自動化清潔運行穩定正常，第二、第三層過濾網也一直保持干凈而無須更換，從而免去了維護人員更換濾網及購買濾網的費用。

4? 結? 論

空氣過濾器自動化清潔技術有效解決了當前傳統新風節能設備存在的技術缺陷，在機房新風節能、BBU機房精準排熱、IDC機房新風控制等方面具有廣泛的推廣應用價值。新風節能空氣過濾器免維護技術是我們在優化節能產品方面進行的有益探索，隨著新風節能技術領域的不斷開拓創新，新風節能產品一定會越來越完善，一定會在國家推行綠色節能、低碳環保方面擁有更加廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 侯士彥，劉希禹，程勁暉，等.通信電源供電及節能技術 [M].北京：人民郵電出版社，2016.

[2] 高景，張軍甫，潘慶瑤，等.貴州信息園數據中心智能新風系統的設計與應用 [J].暖通空調，2016，46（10）：27-32.

[3] 黃群驥.數據中心新風的重要性及設計 [J].智能建筑電氣技術，2016，10（6）：17-20.

[4] 黃慶河，曹連華，馬春霞.數據中心空調系統新風節能設計研究 [J].暖通空調，2020，50（3）：53-56.

[5] 蒙臻.電氣設計創新實踐 [M].西安：西安電子科技大學出版社，2022.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.數據中心設計規范：GB 50174—2017 [S].北京：中國計劃出版社，2017.

[7] 中國電信集團公司，中國電信股份有限公司廣州研究院.通信機房節能技術應用綜述 [M].北京：人民郵電出版社，2010.

[8] 婁小軍.機房新風系統節能技術 [J].建筑節能，2009，37（12）：24-26.

[9] 鐘景華.中國數據中心技術指針 [M].北京：機械工業出版社，2014.

[10] 景守文.電氣制圖及電子產品圖樣繪制規則應用指南 [M].北京：人民郵電出版社，1994.

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。