通風系統（HVAC）節能改進在涂裝車間的應用

舒健，李光

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

1　通風系統（HVAC）節能改進的目的、意義

隨著汽車消費量的快速提升，汽車制造業能源消耗量也隨之提升。據文獻[1,3]統計數據，2016年整車制造行業規模以上企業數已超過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，不僅整車制造企業降本增效的目標，更是社會責任的體現。

圖1　整車制造行業規模以上企業數增長趨勢

據文獻[1]數據，我國汽車制造業的能源與產出能耗數據，見圖2：2012年至2015年汽車年產量從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%。可見2012至2015年汽車制造業的能源利用效率穩步提升，這得益于新技術、新工藝的應用。

圖2　汽車制造業能源消耗量

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），據文獻[4]統計數據，2016年涂裝車間的能源消耗約占整車制造的75%，而其中通風系統的能耗又占到了涂裝車間總能耗的50%。如通風系統能效提升10%，則CPV（單車成本）可下降約10元，這對于一家年產200萬輛的大型整車制造企業而言，所獲得的效益非常可觀。

影響涂裝車間能耗的主要因素有：環境、產量、生產模式、設備工藝、系統控制等，其中設備工藝、系統控制是車間現場通過設備改造及技術改進可實施度較高的因素。本文以上汽通用車間內已實施的通風系統改進實例，來介紹循環風利用、PID控制改進等成熟有效的節能措施，為涂裝車間通風系統的節能改進提供參考依據。

2　通風系統循環利用

國內2010年前所建立的涂裝車間多采用3C3B（3次涂層3次烘干）的傳統工藝，各通風系統（人工工位、車間、濕式噴房）均采用全新風模式，循環利用很少，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，并在噴房內大量使用內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量，增加循環風比例，溫濕度控制范圍也更大。根據文獻[5]涂裝技術規范，機器人噴漆室的供風量要求比人工噴漆低40%，其循環風量一般可達到50%以上，從而節約電、冷熱水、天然氣等能耗。

除了新工藝涂裝車間建設之初所運用的通風循環技術外，上汽通用近年來還在推進人工工位排風利用及傳統濕式噴房的回用改造。

2.1　人工工位通風循環利用

根據通用汽車最新的規范，涂裝車間內除噴房以外的區域分為四級，如圖3：Zone 1-潔凈間；Zone 2-人工工位區域；Zone 3-前處理、電泳、烘房、排空區、噴房等區域；Zone 4-調漆間、儲漆間。并規定Zone 2的排風經過濾之后可以作為Zone 3的供風。

圖3　GM涂裝車間通風分區

以上汽通用武漢工廠為例，其涂裝車間Zone 2人工工位區域主要包括：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域，進一步的循環改造主要考慮底部密封、裙邊密封區域，表1。

改造方案主要包括：增加風管將底部密封工位的排風引至車間供風機組2的進風口，將裙邊密封供風引至工位供風機組 3，并增加過濾裝置及調節風閥。改造后兩組供風的部分新風被部分循環風替代，有效降低冷凍水、天然氣的消耗。

改造回用的風量占涂裝車間總供風量的 10.3%，年節約能耗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　濕式噴房排風回用

采用傳統工藝的涂裝車間目前仍占國內涂裝車間總數量的6成以上，其全新風模式存在大量能源浪費。同時，隨著國家和地方環保排放標準的提升，為噴房排風安裝 VOC廢氣處理裝置已經是大勢所趨。應用濕式噴房排風回用可顯著降低能耗，減少總排風處理量，降低 VOC處理設備投資成本。

根據濕式噴房供風特點所設計的排風回用方案，如圖4：將噴房手工區及觀察區的排風回用到噴房機器人區，減少送入噴房系統的新風量以及送入 VOC處理系統的廢氣量（減少量為噴房機器人區的供風量），從而節約HVAC及VOC處理系統的能耗。

圖4　濕式噴房排風回用方案

以上汽通用金橋工廠為例，對比濕式噴房排風回用改造與VOC處理設備的投資費用，如表2。雖然排風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回用方案分析

濕式噴房循環風技術已在GMNA得到應用并驗證，相對比較成熟。目前國內外涂裝車間總包商：四院、東風設計院、DURR等也開始在國內改造項目中應用該技術方案。濕式噴房循環風技術作為一項節能方案，將在使用濕式噴房的涂裝車間中逐步得到推廣。

3　通風系統控制優化

除了對通風的硬件系統進行回用優化外，對通風控制的軟件優化也是一種比較有效地節能措施。

涂裝車間的通風系統普遍采用PID控制，系統根據已設定的PID參數對冷、熱水閥門，增濕泵頻率等元件進行控制，達到設定的溫濕度目標，如圖 5。因控制系統普遍存在的熱慣性，為響應外界的溫濕度變化，系統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生。

圖5　通風系統溫濕度控制

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控制方式進行優化，形成智能PID參數控制模式。智能PID控制模式通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現PID控制器參數的自動調整（圖5控制路徑2），主要包括兩部分內容：

理論計算：建立系統的數學模型，經過理論計算初步確定控制器參數。

工程整定：在理論參數基礎下，通過控制系統實際運行進行調整和修改。

利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟，如圖6。

1）對外界環境、目標控制的實時數據進行采樣。

2）對狀態進行分析，確定系統控制元素（加熱、制冷、增濕）矢量。

3）通過預設公式計算得到PID控制參數的偏差修正量。

4）對系統PID參數進行偏差修訂。

圖6　智能PID參數設定

智能PID參數控制程序可寫入通風系統的控制PLC中，實現實時調整。因系統個體的差異，每個系統的參數和程序都需要經過計算，然后按照系統的實際運行情況進行整定。

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

3.2　智能調節系統（EcoSmart）

無論是PID控制還是智能PID參數控制，其控制目標都是固定的，是在工藝范圍內預先設定的不變值。針對這種情況，一種目標設定值可變的智能調節系統（EcoSmart）被涂裝車間引入，其特點如下：

（1）EcoSmart實際調節過程由加熱、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，并執行。

圖7　PID控制與EcoSmart控制

EcoSmart系統已在上汽通用最新的武漢涂裝車間進行應用，根據設備試運行數據，使用智能調節系統后，能耗可以進一步降低5%。

4　結束語

供風系統循環風利用、控制優化等設備層級的節能措施已逐步在各涂裝車間進行實施。同時，隨著互聯網+、工業4.0以及AI技術的快速發展和應用，能源管理系統也在涂裝車間被越來越多的開發和應用。

能源管理系統將能源消耗點的數據進行采集、分析、監控，實現能源管理動態化、系統化、精細化、數據化，并推動設備改進和控制優化，這是涂裝車間節能改進在今后的發展契機。

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

[2] 田文彪,魏明,尹娟等.汽車制造企業能耗分析及節能新技術.節能.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.涂裝作業安全規程、噴漆室安全技術規定.GB14444-2006.

[6] 張雨婷.汽車制造業節能減排對企業績效影響研究.碩士學位論文.江蘇大學.2016年6月.

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

[8] 馮愛偉.關勇.基于自適應 PID 控制算法的煤礦通風系統控制.煤礦機械.2015,36 (3) :265-267.