舒健，李光

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

1　通風(fēng)系統(tǒng)（HVAC）節(jié)能改進的目的、意義

隨著汽車消費量的快速提升，汽車制造業(yè)能源消耗量也隨之提升。據(jù)文獻[1,3]統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年整車制造行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)數(shù)已超過400家（圖1），年能源消費總量已超過3200萬噸標準煤。提升能源利用率降低單車制造能耗，不僅整車制造企業(yè)降本增效的目標，更是社會責(zé)任的體現(xiàn)。

圖1　整車制造行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)數(shù)增長趨勢

據(jù)文獻[1]數(shù)據(jù)，我國汽車制造業(yè)的能源與產(chǎn)出能耗數(shù)據(jù)，見圖2：2012年至2015年汽車年產(chǎn)量從1927萬提升至2450萬臺，每萬臺消耗標準煤由1.44萬下降為1.30萬噸，年均下降3.4%?？梢?012至2015年汽車制造業(yè)的能源利用效率穩(wěn)步提升，這得益于新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用。

圖2　汽車制造業(yè)能源消耗量

涂裝車間作為整車制造工廠里的耗能大戶，是影響單車成本一個最重要的因素。以上汽通用為例（4地9廠），據(jù)文獻[4]統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年涂裝車間的能源消耗約占整車制造的75%，而其中通風(fēng)系統(tǒng)的能耗又占到了涂裝車間總能耗的50%。如通風(fēng)系統(tǒng)能效提升10%，則CPV（單車成本）可下降約10元，這對于一家年產(chǎn)200萬輛的大型整車制造企業(yè)而言，所獲得的效益非?？捎^。

影響涂裝車間能耗的主要因素有：環(huán)境、產(chǎn)量、生產(chǎn)模式、設(shè)備工藝、系統(tǒng)控制等，其中設(shè)備工藝、系統(tǒng)控制是車間現(xiàn)場通過設(shè)備改造及技術(shù)改進可實施度較高的因素。本文以上汽通用車間內(nèi)已實施的通風(fēng)系統(tǒng)改進實例，來介紹循環(huán)風(fēng)利用、PID控制改進等成熟有效的節(jié)能措施，為涂裝車間通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能改進提供參考依據(jù)。

2　通風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)利用

國內(nèi)2010年前所建立的涂裝車間多采用3C3B（3次涂層3次烘干）的傳統(tǒng)工藝，各通風(fēng)系統(tǒng)（人工工位、車間、濕式噴房）均采用全新風(fēng)模式，循環(huán)利用很少，存在大量的能源浪費。2010年后主流涂裝車間逐步采用3C1B (non-com-pressed 3-wet、semi 3-wet)工藝取代傳統(tǒng)的3C2B模式，其特點是取消了中涂噴房和中涂打磨，并在噴房內(nèi)大量使用內(nèi)噴機器人全面替代人工。

相比人工噴涂，使用噴漆機器人可減少送風(fēng)量，增加循環(huán)風(fēng)比例，溫濕度控制范圍也更大。根據(jù)文獻[5]涂裝技術(shù)規(guī)范，機器人噴漆室的供風(fēng)量要求比人工噴漆低40%，其循環(huán)風(fēng)量一般可達到50%以上，從而節(jié)約電、冷熱水、天然氣等能耗。

除了新工藝涂裝車間建設(shè)之初所運用的通風(fēng)循環(huán)技術(shù)外，上汽通用近年來還在推進人工工位排風(fēng)利用及傳統(tǒng)濕式噴房的回用改造。

2.1　人工工位通風(fēng)循環(huán)利用

根據(jù)通用汽車最新的規(guī)范，涂裝車間內(nèi)除噴房以外的區(qū)域分為四級，如圖3：Zone 1-潔凈間；Zone 2-人工工位區(qū)域；Zone 3-前處理、電泳、烘房、排空區(qū)、噴房等區(qū)域；Zone 4-調(diào)漆間、儲漆間。并規(guī)定Zone 2的排風(fēng)經(jīng)過濾之后可以作為Zone 3的供風(fēng)。

圖3　GM涂裝車間通風(fēng)分區(qū)

以上汽通用武漢工廠為例，其涂裝車間Zone 2人工工位區(qū)域主要包括：電泳打磨、底部密封、密封線、裙邊密封、精飾、報交、點修補等。其中電泳打磨、密封線及精飾報交已回用至車間的烘房區(qū)域，進一步的循環(huán)改造主要考慮底部密封、裙邊密封區(qū)域，表1。

改造方案主要包括：增加風(fēng)管將底部密封工位的排風(fēng)引至車間供風(fēng)機組2的進風(fēng)口，將裙邊密封供風(fēng)引至工位供風(fēng)機組 3，并增加過濾裝置及調(diào)節(jié)風(fēng)閥。改造后兩組供風(fēng)的部分新風(fēng)被部分循環(huán)風(fēng)替代，有效降低冷凍水、天然氣的消耗。

改造回用的風(fēng)量占涂裝車間總供風(fēng)量的 10.3%，年節(jié)約能耗37.7萬元。改造投資約95萬元，2.5年后可收回全部投資，改造回報可觀。

2.2　濕式噴房排風(fēng)回用

采用傳統(tǒng)工藝的涂裝車間目前仍占國內(nèi)涂裝車間總數(shù)量的6成以上，其全新風(fēng)模式存在大量能源浪費。同時，隨著國家和地方環(huán)保排放標準的提升，為噴房排風(fēng)安裝 VOC廢氣處理裝置已經(jīng)是大勢所趨。應(yīng)用濕式噴房排風(fēng)回用可顯著降低能耗，減少總排風(fēng)處理量，降低 VOC處理設(shè)備投資成本。

根據(jù)濕式噴房供風(fēng)特點所設(shè)計的排風(fēng)回用方案，如圖4：將噴房手工區(qū)及觀察區(qū)的排風(fēng)回用到噴房機器人區(qū)，減少送入噴房系統(tǒng)的新風(fēng)量以及送入 VOC處理系統(tǒng)的廢氣量（減少量為噴房機器人區(qū)的供風(fēng)量），從而節(jié)約HVAC及VOC處理系統(tǒng)的能耗。

圖4　濕式噴房排風(fēng)回用方案

以上汽通用金橋工廠為例，對比濕式噴房排風(fēng)回用改造與VOC處理設(shè)備的投資費用，如表2。雖然排風(fēng)回用改造需要增加部分額外的投資，但運行1年后即可收回投資成本。

表2　金橋北廠濕式噴房排風(fēng)回用方案分析

濕式噴房循環(huán)風(fēng)技術(shù)已在GMNA得到應(yīng)用并驗證，相對比較成熟。目前國內(nèi)外涂裝車間總包商：四院、東風(fēng)設(shè)計院、DURR等也開始在國內(nèi)改造項目中應(yīng)用該技術(shù)方案。濕式噴房循環(huán)風(fēng)技術(shù)作為一項節(jié)能方案，將在使用濕式噴房的涂裝車間中逐步得到推廣。

3　通風(fēng)系統(tǒng)控制優(yōu)化

除了對通風(fēng)的硬件系統(tǒng)進行回用優(yōu)化外，對通風(fēng)控制的軟件優(yōu)化也是一種比較有效地節(jié)能措施。

涂裝車間的通風(fēng)系統(tǒng)普遍采用PID控制，系統(tǒng)根據(jù)已設(shè)定的PID參數(shù)對冷、熱水閥門，增濕泵頻率等元件進行控制，達到設(shè)定的溫濕度目標，如圖 5。因控制系統(tǒng)普遍存在的熱慣性，為響應(yīng)外界的溫濕度變化，系統(tǒng)往往采取過盈控制來增強控制目標的工藝魯棒性（圖5控制路徑1），過度的能源消耗也因此產(chǎn)生。

圖5　通風(fēng)系統(tǒng)溫濕度控制

3.1　智能PID控制模式

為了改善過盈控制造成的能耗損失，對PID控制方式進行優(yōu)化，形成智能PID參數(shù)控制模式。智能PID控制模式通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整（圖5控制路徑2），主要包括兩部分內(nèi)容：

理論計算：建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算初步確定控制器參數(shù)。

工程整定：在理論參數(shù)基礎(chǔ)下，通過控制系統(tǒng)實際運行進行調(diào)整和修改。

利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟，如圖6。

1）對外界環(huán)境、目標控制的實時數(shù)據(jù)進行采樣。

2）對狀態(tài)進行分析，確定系統(tǒng)控制元素（加熱、制冷、增濕）矢量。

3）通過預(yù)設(shè)公式計算得到PID控制參數(shù)的偏差修正量。

4）對系統(tǒng)PID參數(shù)進行偏差修訂。

圖6　智能PID參數(shù)設(shè)定

智能PID參數(shù)控制程序可寫入通風(fēng)系統(tǒng)的控制PLC中，實現(xiàn)實時調(diào)整。因系統(tǒng)個體的差異，每個系統(tǒng)的參數(shù)和程序都需要經(jīng)過計算，然后按照系統(tǒng)的實際運行情況進行整定。

智能 PID控制模式主要在通風(fēng)系統(tǒng)的夏季模式（5～10月）下產(chǎn)生較大收益，根據(jù)文獻[4]數(shù)據(jù)，采用智能PID控制后供風(fēng)系統(tǒng)能耗可以下降15%，涂裝車間單車能耗下降7%。

3.2　智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)（EcoSmart）

無論是PID控制還是智能PID參數(shù)控制，其控制目標都是固定的，是在工藝范圍內(nèi)預(yù)先設(shè)定的不變值。針對這種情況，一種目標設(shè)定值可變的智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)（EcoSmart）被涂裝車間引入，其特點如下：

（1）EcoSmart實際調(diào)節(jié)過程由加熱、制冷、增濕三個矢量合成。

（2）EcoSmart計算出到達目標區(qū)域所需最小能耗值，并確定目標點（可變）。

（3）EcoSmart計算從實際點到目標點需要的能量和控制矢量，并執(zhí)行。

圖7　PID控制與EcoSmart控制

EcoSmart系統(tǒng)已在上汽通用最新的武漢涂裝車間進行應(yīng)用，根據(jù)設(shè)備試運行數(shù)據(jù)，使用智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，能耗可以進一步降低5%。

4　結(jié)束語

供風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)利用、控制優(yōu)化等設(shè)備層級的節(jié)能措施已逐步在各涂裝車間進行實施。同時，隨著互聯(lián)網(wǎng)+、工業(yè)4.0以及AI技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，能源管理系統(tǒng)也在涂裝車間被越來越多的開發(fā)和應(yīng)用。

能源管理系統(tǒng)將能源消耗點的數(shù)據(jù)進行采集、分析、監(jiān)控，實現(xiàn)能源管理動態(tài)化、系統(tǒng)化、精細化、數(shù)據(jù)化，并推動設(shè)備改進和控制優(yōu)化，這是涂裝車間節(jié)能改進在今后的發(fā)展契機。

[1] 中華人民共和國國家統(tǒng)計局，http://data.stats.gov.cn/.

[2] 田文彪,魏明,尹娟等.汽車制造企業(yè)能耗分析及節(jié)能新技術(shù).節(jié)能.2017 (11) :21-23.

[3] 智研咨詢集團.2016-2022年中國汽車市場研究及發(fā)展趨勢研究報告.Email電子版.2016年4月.

[4] 上汽通用汽車.能源環(huán)境管理工作匯報.2012～2016年.

[5] 中國國家標準化管理委員會.涂裝作業(yè)安全規(guī)程、噴漆室安全技術(shù)規(guī)定.GB14444-2006.

[6] 張雨婷.汽車制造業(yè)節(jié)能減排對企業(yè)績效影響研究.碩士學(xué)位論文.江蘇大學(xué).2016年6月.

[7] 肖宏偉.2015年能源形勢分析及2016年預(yù)測.發(fā)展研究.2016 (4) :24-27.

[8] 馮愛偉.關(guān)勇.基于自適應(yīng) PID 控制算法的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)控制.煤礦機械.2015,36 (3) :265-267.