基于窗口模式控制的送排风系统节能项目应用

宋昊鹏，刘岩，严杰

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

1 前言

节能减排、降低能耗，是当代浪潮中重要的内容。为响应国家碳中和的节能减排政策、贯彻企业绿色理念，企业涂装车间针对工艺设备的水、电、气等方面进行了节约能源的改进措施。

涂装车间的送排风系统，设备需消耗使用大量的水电气资源来提供热水、冷水从而精确实现恒温恒湿的环境要求。然而调研发现，车间环境与工作区的送排风系统已经严重造成不必要的能源浪费。理论研究表明，此类送排风设备的温湿度，控制在人体适宜的温湿度范围即可。

实际情况中，往往将这些送排风目标温湿度设置成了一个固定的点，不具备最佳经济性。例如，夏天外界温度较高，温度目标设定值为23℃；冬天外界温度较低，温度目标设定值依然为23℃，带来了电力及燃气等能源的浪费。基于上述原因设计与应用高效的窗口温湿度控制的送排风系统是一项重要的课题。

2 可行性分析

首先，取证工作区人体最适温湿度范围：通过查阅资料，试验验证及现场沟通反馈，确定了温湿度的“窗口”范围为温度18～26℃、相对湿度20%～65%。

根据人体最适温湿度将湿度和温度各分成3个区间：低温、适宜、高温；低湿度、适宜、高湿度。

焓湿图表现温度、相对湿度和含水量之间的关系。此前设备的逻辑控制原理中对温湿度的调控为23℃、65%相对湿度的点控制。项目目的在于将温湿度设置范围扩展成一个窗口区间，将此窗口区间最近似受控工质的值作为系统的设置值。

为在系统内实现自动化应用此窗口模式，硬件上新增“气象站”实时采集系统风廊通道处的温湿度值，并将采样的温湿度数值定期传输至送排风系统；软件上通过对PLC逻辑的算法优化，计算最适温湿度数值，并将温湿度窗口内的最佳能效数值设置为系统的设定值。通过PID运算控制的结果控制冷水、热水、增湿以及燃气的执行器的启停或开启度，实现送风系统温湿度的调控与进风口处环境自适应。

3 “窗口模式”节能原理简介

3.1 温差与空气比热容

比热容是热力学中常用的一个物理量，表示物质提高温度所需热量的能力。它指单位质量的某种物质升高（或下降）单位温度所吸收（或放出）的热量。其国际单位制中的单位是焦耳每千克开尔文[J/(kg·K)]。

送排风系统将室外的空气抽入风房的过程接近于定压，定压比热容Cp：是单位质量的物质在压力不变的条件下，温度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量，可使用上述公式分析。加热或制冷空气所消耗的理论能耗受空气的温差影响。

3.2 高温低湿时换热制冷与加湿制冷的能耗对比

汽化潜热，即温度不变时，单位质量的某种液体物质在汽化过程中所吸收的热量。汽化潜热的单位为“千焦/千克(kJ/kg)”。水的汽化热为40.8kJ/mol，相当于2260kJ/kg，1t水约为2260000kJ，转化电能约为627.78kW·h电能。

依靠制冷循环吸收上述纯水汽化潜热同等的热量理论上需要大量的电能，经济性不及使用水汽化吸热。故进风口处环境温度较高，且湿度在“窗口范围”内，使用增湿的方式降低送风温度的方式，经济性高于使用冷水降低送风温度的方式。

4 安装及配置

4.1 传感器选型、安装及配置

采集室外温湿度需使用温湿度传感器，如图1。根据室外温湿度的范围（温度范围-20～50℃、湿度范围0～100%RH），使用4～20mA的模拟量I/O实现实时数据获取，成本低廉、操作及维护方便简单等因素。

温湿度传感器在安装上需要避免热源干扰。如图2，打开温湿度传感器接线盒，通过接线和拨码开关配置模拟量信号以直流24V、4～20mA的形式输出，接线方式为4线制4～20mA模拟量输出。

使用串口将温湿度传感器与电脑相连，登录调试软件配置模拟量量程。如图3，将通道1和通道2分别定义为相对湿度和摄氏温度，并分别设置最小值、最大值。故最低-20℃时为4mA，最高100℃为20mA，电流与摄氏温度成线性关系；同理，最低0%RH时为4mA，最高100%RH时为20mA，电流与相对湿度成线性关系。

4.2 电气安装、配置、通讯及调试

送排风系统的I/O模块品牌为罗克韦尔，温湿度传感器将4～20mA信号传递至I/O模块。如图4为4通道4～20mA的模拟量输入模块。接线采用4线制电流型模拟量输入，经过适配器实现数据采集。

I/O完成组态配置后，通过PLC在线编程。温湿度的数据的范围为0～32767，与4～20mA成线性关系，其中0对应图8定义的最小值，32767对应定义的最大值。温湿度通过Scale运算块，运算实时的温湿度。

4.3 “窗口模式”节能型温湿度调节程序

PLC采集了温湿度数据后具备了“窗口模式”温湿度调节的基础，可定义低温、适宜、高温；低湿度、适宜、高湿度区间。其中18℃为低温线，26℃为高温线；20%RH为低湿度线，65%RH为高湿度线。

以高温高温工况为例，高温高湿时最接近“窗口”范围（温湿度适宜）的焓湿图的点为26℃、65%RH，将此温湿度值作为送排风系统的温湿度设定值。高温时最接近“窗口”范围（温湿度适宜）的焓湿图的点为26℃、实时进风口处湿度，理论上应将此温湿度值作为送排风系统的温湿度设定值。高温工况下，高温低湿时最接近“窗口”范围（温湿度适宜）的焓湿图的点为26℃、20%RH，理论上应将此温湿度值作为送排风系统的温湿度设定值。

常温工况时温度控制为实时进风口处温度；低温工况时温度控制为实时进风口处温度最接近“窗口”温度范围为18℃。

4.4 “窗口模式”的人机交互工程界面

“窗口模式”控制的人机交互界面包含风房的进风口处温湿度值、设定温湿度值、实际温湿度值以及制冷、加热、增湿设备启停用状态，调试完成后高温低湿、高温高湿、常温、低温情况下能够显示系统设备状态。

5 实效与分析

5.1 经济效益

综上因素，排除生产日差值的影响，项目在2021年度节约电能0.79%、水21.1%、燃气2.26%。

5.2 社会效益

燃气的节约能够大幅减少废气排放，一定程度上缓解了空气的污染；水和电的节约，可以大幅缓解城市用水、用电的压力，符合绿色节能的理念，追随节能减排的时代潮流。

6 结语

通过感知不同外界环境的温湿度状态，运用PLC来进行高精度的自动调节，成功实现了通过窗口模式下车间送排风节能模式的搭建为企业节约能源，符合企业绿色节能的理念，满足了世界节能减排的要求。经过数据分析对比，本项目效果比较显著且已得到了涂装车间同行的好评，此系统的成功应用可为同行业提供一定参考。