宋昊鵬，劉巖，嚴杰

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

節(jié)能減排、降低能耗，是當代浪潮中重要的內容。為響應國家碳中和的節(jié)能減排政策、貫徹企業(yè)綠色理念，企業(yè)涂裝車間針對工藝設備的水、電、氣等方面進行了節(jié)約能源的改進措施。

涂裝車間的送排風系統(tǒng)，設備需消耗使用大量的水電氣資源來提供熱水、冷水從而精確實現恒溫恒濕的環(huán)境要求。然而調研發(fā)現，車間環(huán)境與工作區(qū)的送排風系統(tǒng)已經嚴重造成不必要的能源浪費。理論研究表明，此類送排風設備的溫濕度，控制在人體適宜的溫濕度范圍即可。

實際情況中，往往將這些送排風目標溫濕度設置成了一個固定的點，不具備最佳經濟性。例如，夏天外界溫度較高，溫度目標設定值為23℃；冬天外界溫度較低，溫度目標設定值依然為23℃，帶來了電力及燃氣等能源的浪費?；谏鲜鲈蛟O計與應用高效的窗口溫濕度控制的送排風系統(tǒng)是一項重要的課題。

2 可行性分析

首先，取證工作區(qū)人體最適溫濕度范圍：通過查閱資料，試驗驗證及現場溝通反饋，確定了溫濕度的“窗口”范圍為溫度18～26℃、相對濕度20%～65%。

根據人體最適溫濕度將濕度和溫度各分成3個區(qū)間：低溫、適宜、高溫；低濕度、適宜、高濕度。

焓濕圖表現溫度、相對濕度和含水量之間的關系。此前設備的邏輯控制原理中對溫濕度的調控為23℃、65%相對濕度的點控制。項目目的在于將溫濕度設置范圍擴展成一個窗口區(qū)間，將此窗口區(qū)間最近似受控工質的值作為系統(tǒng)的設置值。

為在系統(tǒng)內實現自動化應用此窗口模式，硬件上新增“氣象站”實時采集系統(tǒng)風廊通道處的溫濕度值，并將采樣的溫濕度數值定期傳輸至送排風系統(tǒng)；軟件上通過對PLC邏輯的算法優(yōu)化，計算最適溫濕度數值，并將溫濕度窗口內的最佳能效數值設置為系統(tǒng)的設定值。通過PID運算控制的結果控制冷水、熱水、增濕以及燃氣的執(zhí)行器的啟?；蜷_啟度，實現送風系統(tǒng)溫濕度的調控與進風口處環(huán)境自適應。

3 “窗口模式”節(jié)能原理簡介

3.1 溫差與空氣比熱容

比熱容是熱力學中常用的一個物理量，表示物質提高溫度所需熱量的能力。它指單位質量的某種物質升高（或下降）單位溫度所吸收（或放出）的熱量。其國際單位制中的單位是焦耳每千克開爾文[J/(kg·K)]。

送排風系統(tǒng)將室外的空氣抽入風房的過程接近于定壓，定壓比熱容Cp：是單位質量的物質在壓力不變的條件下，溫度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量，可使用上述公式分析。加熱或制冷空氣所消耗的理論能耗受空氣的溫差影響。

3.2 高溫低濕時換熱制冷與加濕制冷的能耗對比

汽化潛熱，即溫度不變時，單位質量的某種液體物質在汽化過程中所吸收的熱量。汽化潛熱的單位為“千焦/千克(kJ/kg)”。水的汽化熱為40.8kJ/mol，相當于2260kJ/kg，1t水約為2260000kJ，轉化電能約為627.78kW·h電能。

依靠制冷循環(huán)吸收上述純水汽化潛熱同等的熱量理論上需要大量的電能，經濟性不及使用水汽化吸熱。故進風口處環(huán)境溫度較高，且濕度在“窗口范圍”內，使用增濕的方式降低送風溫度的方式，經濟性高于使用冷水降低送風溫度的方式。

4 安裝及配置

4.1 傳感器選型、安裝及配置

采集室外溫濕度需使用溫濕度傳感器，如圖1。根據室外溫濕度的范圍（溫度范圍-20～50℃、濕度范圍0～100%RH），使用4～20mA的模擬量I/O實現實時數據獲取，成本低廉、操作及維護方便簡單等因素。

溫濕度傳感器在安裝上需要避免熱源干擾。如圖2，打開溫濕度傳感器接線盒，通過接線和撥碼開關配置模擬量信號以直流24V、4～20mA的形式輸出，接線方式為4線制4～20mA模擬量輸出。

使用串口將溫濕度傳感器與電腦相連，登錄調試軟件配置模擬量量程。如圖3，將通道1和通道2分別定義為相對濕度和攝氏溫度，并分別設置最小值、最大值。故最低-20℃時為4mA，最高100℃為20mA，電流與攝氏溫度成線性關系；同理，最低0%RH時為4mA，最高100%RH時為20mA，電流與相對濕度成線性關系。

4.2 電氣安裝、配置、通訊及調試

送排風系統(tǒng)的I/O模塊品牌為羅克韋爾，溫濕度傳感器將4～20mA信號傳遞至I/O模塊。如圖4為4通道4～20mA的模擬量輸入模塊。接線采用4線制電流型模擬量輸入，經過適配器實現數據采集。

I/O完成組態(tài)配置后，通過PLC在線編程。溫濕度的數據的范圍為0～32767，與4～20mA成線性關系，其中0對應圖8定義的最小值，32767對應定義的最大值。溫濕度通過Scale運算塊，運算實時的溫濕度。

4.3 “窗口模式”節(jié)能型溫濕度調節(jié)程序

PLC采集了溫濕度數據后具備了“窗口模式”溫濕度調節(jié)的基礎，可定義低溫、適宜、高溫；低濕度、適宜、高濕度區(qū)間。其中18℃為低溫線，26℃為高溫線；20%RH為低濕度線，65%RH為高濕度線。

以高溫高溫工況為例，高溫高濕時最接近“窗口”范圍（溫濕度適宜）的焓濕圖的點為26℃、65%RH，將此溫濕度值作為送排風系統(tǒng)的溫濕度設定值。高溫時最接近“窗口”范圍（溫濕度適宜）的焓濕圖的點為26℃、實時進風口處濕度，理論上應將此溫濕度值作為送排風系統(tǒng)的溫濕度設定值。高溫工況下，高溫低濕時最接近“窗口”范圍（溫濕度適宜）的焓濕圖的點為26℃、20%RH，理論上應將此溫濕度值作為送排風系統(tǒng)的溫濕度設定值。

常溫工況時溫度控制為實時進風口處溫度；低溫工況時溫度控制為實時進風口處溫度最接近“窗口”溫度范圍為18℃。

4.4 “窗口模式”的人機交互工程界面

“窗口模式”控制的人機交互界面包含風房的進風口處溫濕度值、設定溫濕度值、實際溫濕度值以及制冷、加熱、增濕設備啟停用狀態(tài)，調試完成后高溫低濕、高溫高濕、常溫、低溫情況下能夠顯示系統(tǒng)設備狀態(tài)。

5 實效與分析

5.1 經濟效益

綜上因素，排除生產日差值的影響，項目在2021年度節(jié)約電能0.79%、水21.1%、燃氣2.26%。

5.2 社會效益

燃氣的節(jié)約能夠大幅減少廢氣排放，一定程度上緩解了空氣的污染；水和電的節(jié)約，可以大幅緩解城市用水、用電的壓力，符合綠色節(jié)能的理念，追隨節(jié)能減排的時代潮流。

6 結語

通過感知不同外界環(huán)境的溫濕度狀態(tài)，運用PLC來進行高精度的自動調節(jié)，成功實現了通過窗口模式下車間送排風節(jié)能模式的搭建為企業(yè)節(jié)約能源，符合企業(yè)綠色節(jié)能的理念，滿足了世界節(jié)能減排的要求。經過數據分析對比，本項目效果比較顯著且已得到了涂裝車間同行的好評，此系統(tǒng)的成功應用可為同行業(yè)提供一定參考。