汽車工廠建筑空調(diào)系統(tǒng)的智慧設(shè)計優(yōu)化

何秋菊　李明宇　成世良　姬青峰　趙軍

摘 要：汽車工廠的夏季空調(diào)主要是為了滿足生產(chǎn)工藝需求兼顧人員勞動環(huán)境，夏季空調(diào)系統(tǒng)用電量占汽車工廠公共設(shè)施能源消耗的34%，是汽車工廠重點管控的能源設(shè)備?？照{(diào)系統(tǒng)應(yīng)用智能合理的控制策略是實現(xiàn)設(shè)備節(jié)能運行的重要管理手段，也是汽車工廠降低單車能耗的重要途徑。傳統(tǒng)的空調(diào)自控系統(tǒng)主要通過冷凍水回水溫度和壓力反饋信號對末端冷凍水管上的電磁閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過冷凍水變流量實現(xiàn)節(jié)能控制。本文結(jié)合工程改造實例，利用車間工藝設(shè)備運行狀態(tài)和辦公區(qū)智能照明系統(tǒng)的人體感應(yīng)器，對空調(diào)設(shè)備進(jìn)行精益化的時間管理，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和AI技術(shù)，從而實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)智慧節(jié)能運行，消除了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)依靠溫度和壓力反饋信號控制的延遲性?？照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化方法具有簡單、有效、準(zhǔn)確的優(yōu)勢，推廣應(yīng)用簡單。

關(guān)鍵詞：空調(diào) 物聯(lián)網(wǎng) AI 節(jié)能設(shè)計

1 項目背景

項目位于北京經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)，廠區(qū)主要建筑物共有21棟，包括14棟車間及附屬辦公用房、1棟辦公樓、1棟研發(fā)中心、1棟員工活動中心、1棟培訓(xùn)中心、1棟試裝車間、2棟能源中心（含1個制冷站、2個鍋爐房、1個空壓站）等。生產(chǎn)車間每日三班制生產(chǎn)倒班，人員總計約16500人。辦公區(qū)域人員正常白班，總計約2500人。廠區(qū)地上建筑總面積約120萬平米，其中設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)的建筑面積約54萬平米。空調(diào)系統(tǒng)每年運行時間約150天，空調(diào)系統(tǒng)電能消耗占公共設(shè)施能耗的34%。各建筑內(nèi)均設(shè)有EMS（能源計量系統(tǒng)）、BMS（遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)）系統(tǒng)，可以在能源中心或中控室遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉設(shè)備，以及在線監(jiān)測設(shè)備運行狀況。所有設(shè)備統(tǒng)一由工廠能源供應(yīng)部門負(fù)責(zé)維護(hù)和運行管理，所有設(shè)備均運行正常，保養(yǎng)良好。

汽車工廠是訂單式、柔性化生產(chǎn)，能源供應(yīng)要做到及時供應(yīng)保障生產(chǎn)。設(shè)備的精益管理、系統(tǒng)的效率提高、運行的節(jié)能優(yōu)化是工廠“雙碳”工作的重點部分。

2 系統(tǒng)分析

2.1 空調(diào)系統(tǒng)簡介

汽車工廠建筑空調(diào)系統(tǒng)有以下幾種類型：

1、總裝車間選用組合式空調(diào)機(jī)組，組合式空調(diào)機(jī)組包括有送風(fēng)機(jī)段、表冷段、加熱段、熱轉(zhuǎn)輪段、中間段、初效過濾段等。

2、沖壓車間選用組合式空調(diào)機(jī)組和新風(fēng)式空調(diào)機(jī)組，新風(fēng)式空調(diào)機(jī)組包括有送風(fēng)機(jī)段、表冷段、加熱段、初效過濾段等。

3、裝焊車間選用組合式空調(diào)機(jī)組和工藝空調(diào)機(jī)組，工藝空調(diào)機(jī)組包括有送風(fēng)機(jī)段、表冷段、加熱段、初效過濾段等。

4、辦公樓和培訓(xùn)中心選用組合式空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)式空調(diào)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。

5、數(shù)據(jù)中心、測量室、電池實驗室等選用恒溫恒濕工藝空調(diào)。

6、車間辦公區(qū)和一些輔助用房變頻多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組。

2.2 主要的負(fù)荷影響因素

1、汽車工廠生產(chǎn)車間的特點是建筑面積大、空間高，沖壓車間20m，涂裝車間18m，裝焊車間15米。車間設(shè)有幾個物流門，物流門因為運輸車輛頻繁通行，長期處于開啟狀態(tài)，對負(fù)荷影響較大。

2、工藝設(shè)備發(fā)熱量較大，比如沖壓車間壓機(jī)生產(chǎn)線電機(jī)額定功率1760kw，車間有2條產(chǎn)線。

3、工藝設(shè)備散濕量較大，比如涂裝生產(chǎn)線前處理工藝水槽全部敞開，工藝熱水溫度達(dá)85℃，室內(nèi)環(huán)境濕度達(dá)到75%，工藝空調(diào)負(fù)擔(dān)除濕降溫功能。

4、工藝設(shè)備排風(fēng)量較大，比如裝焊車間的機(jī)器人焊接區(qū)域，局部排風(fēng)次數(shù)為12次/h。

5、總裝車間涂膠工藝要求室內(nèi)溫度24℃，且生產(chǎn)線裝配人員較多。

2.3 設(shè)備運行現(xiàn)狀

經(jīng)與能源供應(yīng)部門了解，節(jié)能管理困難主要有兩個方面：一是工廠BMS系統(tǒng)可以人工輸入時間表，在能源中心或中控室可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備啟停，但生產(chǎn)計劃頻繁變更，周一下方本周生產(chǎn)計劃，周四下發(fā)本周末加班計劃。靠人工無法及時響應(yīng)和調(diào)整設(shè)備運行時間表。二是廠區(qū)面積大，供冷距離長，必須優(yōu)先保證工藝空調(diào)的冷凍水溫度工況參數(shù)，各個車間生產(chǎn)有兩班制、三班制、9小時延時、11小時延時，靠人工無法及時響應(yīng)和調(diào)整設(shè)備，無法滿足柔性化生產(chǎn)的能源需求。

現(xiàn)有EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括各車間空調(diào)系統(tǒng)、冷凍水泵、制冷站用電量以及各設(shè)備工況參數(shù)。選取部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由圖1可知，某車間空調(diào)系統(tǒng)每日電能消耗數(shù)據(jù)呈水平直線狀，在高溫檢修周、周末等非生產(chǎn)日看不到變化。根據(jù)數(shù)據(jù)可分析得出：空調(diào)系統(tǒng)基本無負(fù)荷調(diào)節(jié)，在非生產(chǎn)日空調(diào)設(shè)備一直在運行。

由圖2可知，某車間冷凍水泵每日電能消耗數(shù)據(jù)呈曲線變化狀，冷凍水泵在高溫檢修周、周末等非生產(chǎn)日有變化明顯。根據(jù)數(shù)據(jù)可分析得出：冷凍水泵變頻，在非生產(chǎn)日電能消耗降低，但沒有停止運行。

由圖3可知，制冷機(jī)每日電能消耗數(shù)據(jù)呈曲線變化狀，與某車間冷凍水泵每日電能消耗數(shù)據(jù)曲線變化趨同，在高溫檢修周、周末等非生產(chǎn)日有變化明顯，制冷機(jī)變頻，在非生產(chǎn)日電能消耗降低，但沒有停止運行。

綜上所述可以分析得出，工廠設(shè)備的運行管理涉及的方方面面因素很多，本文主要從通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計優(yōu)化方向進(jìn)行技術(shù)探討。

3 系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

1、車間物流門節(jié)能設(shè)計優(yōu)化。

原設(shè)計：車間物流門處設(shè)置有風(fēng)幕風(fēng)機(jī)，風(fēng)幕風(fēng)機(jī)與物流門同時開啟。由于物流車輛頻繁進(jìn)出，物流門基本處于常開狀態(tài)，造成大量熱空氣進(jìn)入車間。

優(yōu)化設(shè)計：在車間物流門外增加室外門斗和折板式工業(yè)門，門斗處設(shè)置攝像頭，車輛進(jìn)入門口監(jiān)控區(qū)域，圖像識別到車輛準(zhǔn)備進(jìn)入車間；車輛接近門口，室外門斗的工業(yè)門感應(yīng)開啟，風(fēng)幕風(fēng)機(jī)聯(lián)動送風(fēng)；車輛進(jìn)入門斗區(qū)域，工業(yè)門關(guān)閉，物流門開啟；車輛駛?cè)胲囬g，物流門關(guān)閉，風(fēng)幕風(fēng)機(jī)聯(lián)動停止送風(fēng)。

節(jié)能改造：第一批12個物流門改造后，效果顯著，熱空氣進(jìn)入車間風(fēng)量大幅降低，門口區(qū)域溫度波動較小。

1、裝焊車間空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計優(yōu)化

原設(shè)計：裝焊車間工藝空調(diào)按規(guī)范和生產(chǎn)工藝要求采用全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，配置的獨立補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)；公共設(shè)施通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用組合式空調(diào)機(jī)組，按送風(fēng)量：20m3/h.m2、送風(fēng)溫度：低于室外6℃送風(fēng)、冷指標(biāo)：110W/m2設(shè)計。

優(yōu)化設(shè)計：

①在機(jī)器人焊接區(qū)域設(shè)置擋煙（焊煙）垂簾，用物理方法防止焊煙向外蔓延。

②基于物聯(lián)網(wǎng)提取工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)Iportal中的生產(chǎn)計劃和實際生產(chǎn)線運行狀態(tài)，自動控制工藝空調(diào)的啟停。

③在公共區(qū)域空調(diào)機(jī)組在回風(fēng)段設(shè)置CO2監(jiān)測探頭，根據(jù)CO2濃度控制新風(fēng)和回風(fēng)比例。

節(jié)能改造：利用車身一、二工廠現(xiàn)有生產(chǎn)Iportal和BMS系統(tǒng)，如圖4所示，借助物聯(lián)網(wǎng)，用Node-RED語言打通系統(tǒng)之間的節(jié)點，實現(xiàn)空調(diào)智慧控制。

2、總裝車間空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計優(yōu)化

原設(shè)計：總裝車間轉(zhuǎn)轂間工藝排風(fēng)按規(guī)范和生產(chǎn)工藝要求設(shè)置獨立的排風(fēng)系統(tǒng)；公共設(shè)施通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按6次/h換氣次數(shù)設(shè)計，采用組合式空調(diào)機(jī)組。總裝涂膠工藝要求室內(nèi)溫度24℃，總裝生產(chǎn)線是汽車工廠裝配人員最多的車間。車間通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷非常大，每天電能消耗較大。

優(yōu)化設(shè)計：基于物聯(lián)網(wǎng)提取工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)Iportal中的生產(chǎn)計劃和實際生產(chǎn)線運行狀態(tài)，自動控制工藝空調(diào)的啟停。

節(jié)能改造：利用總裝車間現(xiàn)有生產(chǎn)Iportal和BMS系統(tǒng)，如圖4所示，借助物聯(lián)網(wǎng)，用Node-RED語言打通系統(tǒng)之間的節(jié)點，實現(xiàn)空調(diào)智慧控制。

4、總裝車間附屬辦公區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

原設(shè)計：總裝附屬辦公區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)是多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)，按照工位數(shù)和人體舒適度設(shè)計。

優(yōu)化設(shè)計：基于物聯(lián)網(wǎng)提取生產(chǎn)Iportal生產(chǎn)計劃，利用BMS系統(tǒng)自動控制多聯(lián)機(jī)室外主機(jī)的啟停。辦公區(qū)域的智能照明系統(tǒng)設(shè)有的人體感應(yīng)器，燈具的設(shè)計和空調(diào)室內(nèi)機(jī)的分布很有規(guī)律。利用智能照明系統(tǒng)的人體感應(yīng)器自動控制每個室內(nèi)機(jī)的單獨啟停，真正做到了人走燈滅空調(diào)關(guān)。表1是總裝車間空調(diào)機(jī)組的狀態(tài)統(tǒng)計。

節(jié)能改造：利用現(xiàn)有生產(chǎn)Iportal和BMS系統(tǒng)，如圖4所示，借助物聯(lián)網(wǎng)，用Node-RED語言打通系統(tǒng)之間的節(jié)點，實現(xiàn)空調(diào)智慧控制。

4 效益對比

從EMS系統(tǒng)提取總裝車間能源數(shù)據(jù)，對2022/2023年度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，空調(diào)機(jī)組周用電量同比平均每天降低9000kW，總裝車間總用電量同比每天降低10000kw。通過（圖5）2022/2023年度總裝車間空調(diào)機(jī)組生產(chǎn)周用電量分析可以看出系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計優(yōu)化后的節(jié)電效果明顯。改造完成的3個車間和附屬辦公區(qū)域全年能源成本將節(jié)約電費四千余萬元。

5 結(jié)束語

空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用智能合理的控制策略是實現(xiàn)設(shè)備節(jié)能的重要管理手段，也是汽車工廠降低單車能耗的重要途徑。傳統(tǒng)的空調(diào)自控系統(tǒng)主要通過冷凍水回水溫度和壓力反饋信號對末端冷凍水管上的電磁閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過冷凍水變流量實現(xiàn)節(jié)能控制。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和AI技術(shù)，從而實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)智慧節(jié)能運行，消除了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)依靠溫度和壓力反饋信號控制的延遲性?？照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化方法具有簡單、有效、準(zhǔn)確的優(yōu)勢，推廣應(yīng)用簡單。

基于汽車工廠的生產(chǎn)特點，本項目整體規(guī)劃、分步實施，在不影響生產(chǎn)的前提下，抓住非生產(chǎn)時間窗口進(jìn)行節(jié)能改造?；谖锫?lián)網(wǎng)提取生產(chǎn)Iportal生產(chǎn)計劃，利用BMS系統(tǒng)將實現(xiàn)了工廠20棟建筑的空調(diào)自動化運行，通過AI自學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行節(jié)能挖潛和提高設(shè)備運行管理水平。物聯(lián)網(wǎng)和AI技術(shù)未來將推動汽車工廠部能源管理數(shù)字化變革，落地設(shè)備智慧運行，實現(xiàn)雙碳目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)，作者：李聯(lián)友，中國電力出版社出版，2013年出版.