宋昊鵬，劉巖，嚴(yán)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(dāng)代浪潮中重要的內(nèi)容。為響應(yīng)國(guó)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(duì)工藝設(shè)備的水、電、氣等方面進(jìn)行了節(jié)約能源的改進(jìn)措施。

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

實(shí)際情況中，往往將這些送排風(fēng)目標(biāo)溫濕度設(shè)置成了一個(gè)固定的點(diǎn)，不具備最佳經(jīng)濟(jì)性。例如，夏天外界溫度較高，溫度目標(biāo)設(shè)定值為23℃；冬天外界溫度較低，溫度目標(biāo)設(shè)定值依然為23℃，帶來(lái)了電力及燃?xì)獾饶茉吹睦速M(fèi)?；谏鲜鲈蛟O(shè)計(jì)與應(yīng)用高效的窗口溫濕度控制的送排風(fēng)系統(tǒng)是一項(xiàng)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(guò)查閱資料，試驗(yàn)驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)溝通反饋，確定了溫濕度的“窗口”范圍為溫度18～26℃、相對(duì)濕度20%～65%。

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

焓濕圖表現(xiàn)溫度、相對(duì)濕度和含水量之間的關(guān)系。此前設(shè)備的邏輯控制原理中對(duì)溫濕度的調(diào)控為23℃、65%相對(duì)濕度的點(diǎn)控制。項(xiàng)目目的在于將溫濕度設(shè)置范圍擴(kuò)展成一個(gè)窗口區(qū)間，將此窗口區(qū)間最近似受控工質(zhì)的值作為系統(tǒng)的設(shè)置值。

為在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化應(yīng)用此窗口模式，硬件上新增“氣象站”實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)風(fēng)廊通道處的溫濕度值，并將采樣的溫濕度數(shù)值定期傳輸至送排風(fēng)系統(tǒng)；軟件上通過(guò)對(duì)PLC邏輯的算法優(yōu)化，計(jì)算最適溫濕度數(shù)值，并將溫濕度窗口內(nèi)的最佳能效數(shù)值設(shè)置為系統(tǒng)的設(shè)定值。通過(guò)PID運(yùn)算控制的結(jié)果控制冷水、熱水、增濕以及燃?xì)獾膱?zhí)行器的啟?；蜷_(kāi)啟度，實(shí)現(xiàn)送風(fēng)系統(tǒng)溫濕度的調(diào)控與進(jìn)風(fēng)口處環(huán)境自適應(yīng)。

3 “窗口模式”節(jié)能原理簡(jiǎn)介

3.1 溫差與空氣比熱容

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

送排風(fēng)系統(tǒng)將室外的空氣抽入風(fēng)房的過(guò)程接近于定壓，定壓比熱容Cp：是單位質(zhì)量的物質(zhì)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(shí)換熱制冷與加濕制冷的能耗對(duì)比

汽化潛熱，即溫度不變時(shí)，單位質(zhì)量的某種液體物質(zhì)在汽化過(guò)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(dāng)于2260kJ/kg，1t水約為2260000kJ，轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)性不及使用水汽化吸熱。故進(jìn)風(fēng)口處環(huán)境溫度較高，且濕度在“窗口范圍”內(nèi)，使用增濕的方式降低送風(fēng)溫度的方式，經(jīng)濟(jì)性高于使用冷水降低送風(fēng)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(jù)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取，成本低廉、操作及維護(hù)方便簡(jiǎn)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(kāi)溫濕度傳感器接線盒，通過(guò)接線和撥碼開(kāi)關(guān)配置模擬量信號(hào)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(diào)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(duì)濕度和攝氏溫度，并分別設(shè)置最小值、最大值。故最低-20℃時(shí)為4mA，最高100℃為20mA，電流與攝氏溫度成線性關(guān)系；同理，最低0%RH時(shí)為4mA，最高100%RH時(shí)為20mA，電流與相對(duì)濕度成線性關(guān)系。

4.2 電氣安裝、配置、通訊及調(diào)試

送排風(fēng)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(hào)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(jīng)過(guò)適配器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

I/O完成組態(tài)配置后，通過(guò)PLC在線編程。溫濕度的數(shù)據(jù)的范圍為0～32767，與4～20mA成線性關(guān)系，其中0對(duì)應(yīng)圖8定義的最小值，32767對(duì)應(yīng)定義的最大值。溫濕度通過(guò)Scale運(yùn)算塊，運(yùn)算實(shí)時(shí)的溫濕度。

4.3 “窗口模式”節(jié)能型溫濕度調(diào)節(jié)程序

PLC采集了溫濕度數(shù)據(jù)后具備了“窗口模式”溫濕度調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，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(shí)最接近“窗口”范圍（溫濕度適宜）的焓濕圖的點(diǎn)為26℃、65%RH，將此溫濕度值作為送排風(fēng)系統(tǒng)的溫濕度設(shè)定值。高溫時(shí)最接近“窗口”范圍（溫濕度適宜）的焓濕圖的點(diǎn)為26℃、實(shí)時(shí)進(jìn)風(fēng)口處濕度，理論上應(yīng)將此溫濕度值作為送排風(fēng)系統(tǒng)的溫濕度設(shè)定值。高溫工況下，高溫低濕時(shí)最接近“窗口”范圍（溫濕度適宜）的焓濕圖的點(diǎn)為26℃、20%RH，理論上應(yīng)將此溫濕度值作為送排風(fēng)系統(tǒng)的溫濕度設(shè)定值。

常溫工況時(shí)溫度控制為實(shí)時(shí)進(jìn)風(fēng)口處溫度；低溫工況時(shí)溫度控制為實(shí)時(shí)進(jìn)風(fēng)口處溫度最接近“窗口”溫度范圍為18℃。

4.4 “窗口模式”的人機(jī)交互工程界面

“窗口模式”控制的人機(jī)交互界面包含風(fēng)房的進(jìn)風(fēng)口處溫濕度值、設(shè)定溫濕度值、實(shí)際溫濕度值以及制冷、加熱、增濕設(shè)備啟停用狀態(tài)，調(diào)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(shè)備狀態(tài)。

5 實(shí)效與分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

綜上因素，排除生產(chǎn)日差值的影響，項(xiàng)目在2021年度節(jié)約電能0.79%、水21.1%、燃?xì)?.26%。

5.2 社會(huì)效益

燃?xì)獾墓?jié)約能夠大幅減少?gòu)U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(shí)代潮流。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)感知不同外界環(huán)境的溫濕度狀態(tài)，運(yùn)用PLC來(lái)進(jìn)行高精度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了通過(guò)窗口模式下車間送排風(fēng)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(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)比，本項(xiàng)目效果比較顯著且已得到了涂裝車間同行的好評(píng)，此系統(tǒng)的成功應(yīng)用可為同行業(yè)提供一定參考。