基于“双碳”目标下的智慧节能散热装置的开发与研究

基于“双碳”目标下的智慧节能散热装置的开发与研究

赵江华,邓福斌,阙开从,杨兴晨,乔琳,王家陈,李星源

云南经济管理学院 云南省昆明市 650304

摘要：本作品基于嵌入式技术原理、电力系统自动装置原理和电力通信基础等课程的学习，设计了一种智慧节能散热装置。本作品装置由温度传感检测模块、控制模块、继电器、显示屏和电源模块组成。其中温度传感模块和检测模块能实时采集机柜内温度变化的情况，并将温度反馈至控制模块；控制模块内嵌入有温度闭环控制程序，并支持温度定值输入设定功能，当检测反馈温度高于设定温度时，向继电器发出合闸指令驱动冷却系统运行；显示屏可实时显示柜内温度和风扇运行状态。本装置基于柜内温度的闭环控制程序自适应控制风扇的运行，使散热风扇由被动运行转为智能化运行，可减少62%的不必要运行时间，有效减少耗电量和维护成本，满足了柜内设备的运行温度标准。大规模推广后，可节省大量电能，间接减少二氧化碳的排放量和化石能源的燃烧率，以实际行动助力实现“双碳”目标。

关键字：智慧节能散热、实时采集、智能化运行。

Development and research of intelligent energy-saving heat dissipation device based on "double carbon" target

Zhao Jianghua, Deng Fubin, Que Kaicong, Yang Xingchen, Qiao Lin, Wang Jiachen

Yunnan University of Economics and Management, Kunming 650304

Abstract: This work is based on the embedded technology principle, the principle of power system automatic device and the basis of power communication courses, designed a smart energy-saving heat dissipation device. This device is composed of temperature sensing and detection module, control module, relay, display screen and power module. The temperature sensing module and detection module can collect real-time temperature changes in the cabinet and feedback the temperature to the control module. The temperature closed-loop control program is embedded in the control module, and supports the function of temperature setting input. When the detected feedback temperature is higher than the set temperature, the closing instruction is issued to the relay to drive the cooling system. The display screen can display the temperature and fan running status in the cabinet in real time. The device adaptively controls the operation of the fan based on the closed-loop control program of the temperature in the cabinet, so that the cooling fan can be converted from passive operation to intelligent operation, which can reduce the unnecessary operation time by 62%, effectively reduce the power consumption and maintenance cost, and meet the operating temperature standard of the equipment in the cabinet. After large-scale promotion, it can save a lot of electricity, indirectly reduce carbon dioxide emissions and the burning rate of fossil energy, and help realize the "double carbon" goal with practical actions.

Keywords: intelligent energy-saving heat dissipation, real-time collection, intelligent operation.

一、引言

电力、电气设备运行过程中会产生能量的损耗，从而导致设备发热和电能的损失。若不有效散热，则会导致设备温度过高，严重时会造成设备控制失灵、通信系统瘫痪或引起重大社会经济损失。传统电力二次设备与通信装置散热主要以自然通风型和风扇型为主。自然通风型，机柜外部空气与机柜设备舱内部空气进行对流结构，利用自然风对柜内设备进行换热的方式。该方式散热效率较低，成本较高；风扇型，机柜外部空气与机柜设备舱内部空气进行对流的结构，利用风扇强迫对流进行换热方式。该方式风扇无智能控制模块，采用风扇不间断运行的方式来降低柜内温度，无论柜内温度是否超标，都需要风扇长期带电运行。上述两种散热方式存在耗能较大、成本高和不环保等问题。本作品智慧节能散热装置能够有效解决机柜散热的不合理设计，可根据柜内温度要求自适应控制风扇的运行，使散热风扇由被动运行转为智能化运行，可减少散热风扇约62%的运行时间，有效减少耗电量和维护成本。

同时，我国110kV及以上变电站与通信机房高达数万个，按一座110kV变电站中的电气机柜（20面）与通信机柜（10面）的配置为例，按主流散热风扇（德力西G12038HA2SL）功率21W计算：单个散热风扇年耗电约183.96kW.h，折算电费约为82.7元；变电站全部散热风扇总耗电约5518.8kW.h，总电费约2483元。采用该装置后，每个散热风扇可减少约62%的运行时长。折算为年节能电量为110.376kW.h，年节省电费49.67元，年减排二氧化碳110kg,年节煤44.15kg,全站年减排二氧化碳约3311kg。

二、研究设计方案

2.1 系统设计

本装置集成了温度检测、温度闭环控制和自适应控制等硬件模块，通过嵌入式micropython语言编写程序控制实现机柜内温度的节能控制。使散热风扇由传统被动运行方式转为智能化运行，可减少62%的不必要运行时间，有效减少耗电量和维护成本，减少二氧化碳的排放量和化石能源的燃烧率，满足节能减排要求。

2.2 机械部分

该智慧节能散热装置由温度传感和检测模块、控制模块、继电器、显示屏和电源模块组成，其中温度传感和检测模块能实时采集机柜内温度，并将温度反馈至控制模块；控制模块内嵌入有温度闭环控制程序，并支持温度定值输入设定功能，当检测反馈温度高于设定温度时，向继电器发出合闸指令驱动风扇或空调装置运行；显示屏可实时显示柜内温度和风扇运行状态。 该智慧节能散热装置内部模块及回路配置如下图1所示，该智慧节能散热装置内部硬件设计如图2所示：

图1 该智慧节能散热装置内部模块及回路配置

设计时考虑的主要问题：

（1）温度测量值的精准性和偏差，以防止输出继电器频繁动作；

（2）该节能装置自身的耗电功率和发热量，防止增加柜内温度；

（3）该装置软、硬件配置功能的合理性与正确性，防止功能失效。

2.3程序部分

本智慧节能散热装置通过嵌入式micropython语言编写了控制程序，以实现柜内温度的闭环控制程序自适应控制风扇的运行，当柜内温度超过设定要求时可快速控制风扇进行散热；当柜内温度未超过预设值时风扇不运行，不耗电。控制逻辑流程示意如图3所示。

图3 控制逻辑及流程

控制程序如下所示：

（1）主程序段1

（2）主程序段2

三、理论设计计算

3.1理论设计标准要求

3.1.1机房的温度控制标准

根据《GB 2887-89 IT机房的温度与湿度控制》国家标准要求：计算机机房一般分为A类、B类和C类，对三类机房的温度要求具体标准如下：

（1）A类机房，正常温、湿度范围为温度10至25摄氏度；

（2）B类机房，正常温、湿度范围为温度10至28摄氏度；

（3）C类机房：正常温、湿度范围为温度10至30摄氏度。

3.1.2数据中心的温度控制标准

根据《数据处理环境热准则》的建议，温度范围为20-25℃(68-75℉)，湿度范围为40-55%，适宜数据中心环境的最大露点温度是17℃。

3.1.2电力机柜的温度控制标准

国家标准GB 50059-2011《35kV～110kV变电站设计规范》、GB 50016《建筑设计防火规范》、GB 50019《采暖通风与空气调节设计规范》和GB 50229《火力发电厂与变电站设计防火规范》等有关规定，电力二次机柜或蓄电池组控制机柜在夏季，室内温度应小于或等于30℃。

3.2主流散热器的功耗理论计算

（1）该作品应用前功耗及碳排放量计算

我国变电站、配电房、通信机房和控制中心数量较多，规模庞大。按一座110kV变电站中的电气机柜（20面）与通信机柜（10面）的配置为例，按主流散热风扇（德力西G12038HA2SL）功率

21W计算。

则单个散热风扇日消耗电能量=(24h*21W)/1000=0.504kW.h;

故有单个散热风扇年消耗电能量=0.504×365=183.96kW.h；

则整个变电站所有散热器日消耗电能量=0.504×30=15.12kW.h；

故整个变电站所有散热器年消耗电能量=15.12×365=5518.8kW.h；

按市场电价0.45元/kW.h计算，则单个散热风扇的年电费约为82.7元；变电站全部散热风扇年电费约为2483元。

按1度电≈0.997kg二氧化碳计算，则单个散热风扇的年折算碳排放量约为183.41kg；变电站全部散热风扇年年折算碳排放量约为5502.2kg。

（2）该装置应用后功耗及碳减排计算

根据电力与通信机柜中二次设备和通信装置的发热量及散热风扇的散热功率进行实验，结果表明散热风扇有效运行时间总和9.12小时；夏季有效运行时间偏长，冬季偏低。

初略计算：采用该装置后，每个散热风扇可减少约62%的运行时长。折算为年节能电量为110.376kW.h，年节省电费49.67元，年减排二氧化碳110kg,年节煤44.15kg,全站年减排二氧化碳约3311kg。

四、工作原理及性能分析

4.1该作品工作原理

该智慧节能散热装置温度闭环控制原理，温度传感和检测模块能实时采集机柜内温度，并将温度反馈至控制模块；控制模块内嵌入有温度闭环控制程序，并支持温度定值输入设定功能，当检测反馈温度高于设定温度时，向继电器发出合闸指令驱动风扇或空调装置运行；显示屏可实时显示柜内温度和风扇运行状态。如图3所示：

图3 散热智能节电装置温度闭环控制原理

4.2该装置性能

为了验证该装置的功能和性能，采用信号发生器加量对本装置散热智能节电装置进行温度响应和风扇动作情况进行了检测，结果如下表1所示。

表1 温度控制功能校验记录

4.3完成制作后，装置实物外形照片见图4。

图4 作品实物外形

五、结束语

本装置基于嵌入式技术原理、电力系统自动装置原理和电力通信基础等课程的学习，设计了一种机柜散热智能节电装置。可根据柜内温度要求自适应控制风扇的运行，当柜内温度超过设定要求时可快速控制风扇进行散热；当柜内温度未超过预设值时风扇不运行，不耗电。该设计既节省了电能和电费，又满足了柜内设备的运行温度标准。

1）适用于电力系统中的火力发电厂DCS控制机柜、水电厂LCU机柜、直流蓄电池系统机柜、励磁调节机柜、调速器控制机柜；风电场、光伏电站二次系统控保机柜，变电站计量、测控和继电保护机柜，配电室控制机柜，通信机房，数据中心等场所的机柜散热控制机柜等。

2）该装置结构简单，体积较小，研制成本较低，可大规模生产和推广应用。

3）本装置基于柜内温度的闭环控制程序自适应控制风扇的运行，使散热风扇由被动运行转为智能化运行，较传统方式可减少62%的不必要运行时间，有效减少耗电量和维护成本。

随着国家双碳政策和我国能源架构的重大调整，绿色电力、清洁能源和节能减排技术及应用越来越备受关注。电力和通信一方面保障了国民经济的高速、高质量发展，另一方面电力和通信也是响应和支撑碳中和的强力支柱。但电力和通信行业及系统运行过程中，仍需要注重节能和能效提升，间接减少碳排放量。电力二次设备和通信装置运行过程中会散发出一定热量，若不有效散热，则会导致通信自动化机柜柜内温度过高或超标，严重时会造成电气设备控制失灵、通信系统瘫痪或引起重大社会经济损失。传统电力二次设备与通信装置的机柜，主要采用风扇不间断运行的方式来降低柜内温度，无论柜内温度是否超标，都需要风扇长期带电运行。既不合理、节能和环保，又耗费大量电能和经济成本。

节能增效是实现碳中和的重要举措，目前我国70%以上电力生产主要依靠火电燃烧化石原料，节电举措也是变相的节能减排。随着社会用电量增加，信息化技术应用的深入，电力系统和通信行业自身的电损同样值得关注。本作品散热智能节电装置能够有效解决机柜散热的不合理设计，还能减少62%非必要运行时间，单个散热器折算为年节能电量为110.376kW.h，年节省电费49.67元，年减排二氧化碳110kg，年节煤44.15kg。同时，据网络资料不完全统计，我国类似本文所述传统运行方式的散热机柜数量高达数十万，因此该作品装置的应用前景和范围较广，节能减排效果将更明显。

参考文献：

[1]付同福，陈刚．一种变电站后台监控机柜散热除尘系统的设计与实践

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[2]陈普．Z煤矿小型变配电所通风设计改造[J]. 煤炭与化工, 2015, 38(8):6．

[3]林宏书，江康贵．配电设备机柜通风散热结构, CN208299253U[P]. 2018．

[4]唐玛丽,汤钟才．某机的通风散热设计[J]．计算机研究与发展, 1977(09):17-23．

作者简介：

赵江华：男，云南大理，云南经济管理学院，信息与智能工程学院2020级电气工程及其自动化专业的本科生。

邓福斌: 男，云南曲靖，云南经济管理学院，信息与智能工程学院2021级电气工程及其自动化专业的本科生。

阙开从：男，云南德宏，云南经济管理学院，信息与智能工程学院2020级电气工程及其自动化专业的本科生。

杨兴晨：男，云南红河，云南经济管理学院，信息与智能工程学院2020级电气工程及其自动化专业的本科生。

乔琳：女，教授，云南经济管理学院，长期从事电工电子技术研究。

王家陈：男，副教授，云南经济管理学院，长期从事电力系统分析与技术研究。

李星源：女，讲师，云南经济管理学院，长期从事嵌入式技术研究。