基于細紗車間全年逐時負荷計算的紡織廠空調自控調節

屈鑫凱 顏蘇芊 李斌 程源

摘 要：探討基于全年逐時負荷計算下紡織空調PLC自控系統的節能效果。夏季、過渡季節車間逐時負荷由室外空氣空調計算逐時綜合溫度，冬季逐時負荷根據室外溫度計算。在全年逐時負荷基礎上計算出車間全年逐時送風量，對風機運行頻率進行變頻調節，利用PLC步進算法對循環水泵變頻調節，并結合新風窗比例控制算法合理利用室外新風。系統在徐州某紡織車間運行穩定，車間溫度誤差控制在±0.7℃，相對濕度誤差控制在3%以內，平均節電率在6.36%。該系統對紡織車間溫濕度控制精度較高，節能效果顯著，實際應用價值較大。

關鍵詞：全年逐時負荷;PLC自控;變頻調節;比例控制算法;節電率

Abstract：This article discusses the energy-saving effect of the textile air-conditioning PLC automatic control system based on the hourly load calculation throughout the year. The hourly load of the workshop in summer and transition seasons was calculated by the outdoor air conditioner and the hourly integrated temperature was calculated. The hourly load in winter was calculated according to the outdoor temperature. Based on the hourly load of the whole year， the hourly air output of the workshop throughout the year was calculated for variable frequency regulation of the fan operation frequency. The PLC stepping algorithm was used to adjust the frequency of the circulating water pump， and the proportional control algorithm of new wind window was combined to rationally utilize the outdoor fresh air. The system was running stably in a textile workshop in Xuzhou. The temperature error of the workshop was controlled within ±0.7 ℃. The relative humidity error was controlled within 3%， and the average power saving rate was 6.36%. Therefore， it is believed that the system has high precision in temperature and humidity control in the textile workshop， significant energy saving effect， and great practical application value.

Key words：hourly load throughout the year; PLC self-control; frequency conversion regulation; proportional control algorithm; power saving rate

紡織廠車間由于生產設備數量多、裝機功率大、發熱量高，導致了紡織廠空調設備能耗較大，造成空調設備的運行費用增加[1]。紡織空調能耗占紡織廠總能耗的30%左右，因此對紡織空調自控系統運行的策略優化是紡織廠空調系統節能的關鍵[2]。目前國內外紡織廠空調系統存在的問題：首先是對車間負荷進行估算，缺乏全年詳細的逐時負荷和風量計算，導致設備運行時與車間的負荷不夠匹配;其次空調自控系統在運行的過程中，對風機、水泵的調節策略靈活性不夠，不僅造成車間的溫濕度控制不夠穩定，還增加了空調系統的能耗。

本文通過對徐州某紡織廠細紗車間夏季和過渡季節室外空氣空調計算逐時綜合溫度與全年逐時負荷和風量的詳細計算，完成設備的選型，并對風機、水泵在運行過程中的變頻調節進行研究，優化紡織空調自控系統的策略，降低紡織廠空調系統的能耗，最大限度節約空調用電量。

1 細紗車間全年逐時負荷計算

細紗車間空調負荷主要由外圍護結構負荷、人員負荷、照明負荷和機器負荷四部分組成，其中機器負荷占比最大，全年車間逐時負荷的變化主要由室外溫度不同時刻的變化所引起。

1.1 車間空調設計參數及車間設備

根據紡織生產工藝對于細紗車間不同季節車間空調設計要求參數如表1。

細紗車間空調區域面積為3 825.9 m2，有78臺細紗機，每臺細紗機額定功率為16.5 kW，總錠數為50 000錠。細紗車間的空調區域分別由三套空調系統進行調節，并且3個空調室送風主風道連通。

1.2 夏季、過渡季室外空氣空調計算逐時綜合溫度

夏季、過渡季節，外墻、屋頂逐時冷負荷采用室外空調計算逐時綜合溫度，冬季逐時負荷利用室外溫度計算。室外空氣空調計算逐時綜合溫度twz是根據2018年徐州地區室外逐時溫度和一天不同時刻、不同朝向的外墻、屋頂太陽輻射照度進行計算，具體計算如式（1）：

以8月1日為例，由式（1）得外墻、屋頂空調計算逐時綜合溫度結果見表2。

8月1日逐時綜合溫度變化情況如下圖1所示，一天中由于太陽輻射照度的變化，外墻、屋頂綜合溫度最高時刻為中午12時，在夜間0時左右其綜合溫度最低。

根據式（1）計算出最熱月8月份整月的外墻、屋頂逐時綜合溫度如圖2所示。由圖2可以看出，8月車間外墻、屋頂綜合溫度的波動幅度較大，但整體變化規律基本相同，受室外溫度和太陽輻射照度的影響，每天最高空氣綜合溫度外墻、屋頂都在中午12時左右，最低溫度在夜間21時至0時，但外墻逐時空氣綜合溫度均低于屋頂逐時空氣綜合溫度。

1.3 全年逐時負荷計算

細紗車間全年逐時負荷主要由外墻、屋頂逐時冷負荷的變化引起，因此在室外空氣空調計算逐時綜合溫度的基礎上，對車間夏季和過渡季節的圍護結構冷負荷采用太陽輻射的圍護結構得熱量，冬季根據室外溫度采用穩態法計算負荷。

以8月1日為例，由式（2）對細紗車間逐時冷負荷計算結果如表3所示。

由表3可以看出，車間逐時冷負荷的變化主要由外墻、屋頂負荷變化引起。一天中，外墻、屋頂冷負荷最大值在中午12時，占總負荷的8.8%，此時機器負荷占總負荷的88.5%，車間由外向內傳熱，車間總負荷為一天中最大。外墻、屋頂形成的冷負荷在夜間21時至0時最小，此時形成的冷負荷為負值，表明此時室外溫度低于車間溫度，車間由內向外散熱，車間總負荷此時也為一天中最低。

圖3為最熱月8月份細紗車間冷負荷變化情況，8月份車間冷負荷最高時由外墻、屋頂形成的冷負荷約占總負荷的8.8%，機器負荷占比88.5%;整月中車間總負荷最低時在夜間并接近于機器負荷，車間向外散熱最大，此時可適當利用室外新風冷量來消除車間負荷。

全年車間逐時負荷變化情況如圖4所示，由于機器負荷較大，車間全年都存在冷負荷，但室外溫度的變化導致車間總負荷波動較大。夏季由于室外溫度較高，由外墻、屋頂形成的冷負荷也為全年最大，因此夏季夜間部分時間可以利用室外新風冷量降低車間負荷;由圖4看出冬季和過渡季節部分時間車間總負荷低于機器負荷，表明此時車間通過外墻、屋頂向外散熱量較大，可以考慮利用全部或部分新風冷量來消除車間負荷。

2 細紗全年風量、空調阻力計算和設備選型

車間全年逐時風量是在全年逐時冷負荷的基礎上進行計算，再計算出空調系統各段的送風阻力。根據車間送風量和阻力計算的結果，選出與車間負荷相匹配的空調設備。

2.1 車間送風量和阻力計算

圖5以8月1日為例細紗車間送風量，由圖5可以看出一天中由于車間逐時冷負荷的變化導致車間所需風量最大時為中午12時，最小值在夜間21時至0時之間。

圖6為最熱月8月份細紗車間送風量的變化情況，車間逐時送風量變化是由于外墻、屋頂形成的冷負荷變化所引起，故整月送風量變化規律與車間逐時冷負荷變化規律基本相同。

2.2 空調設備的選型

根據車間風量和空調阻力的計算，在考慮15%設備富裕系數的情況下，選出與車間負荷相匹配的空調設備。徐州紡織廠共3個空調室，空調室1的空調區域為細紗車間26臺細紗機和絡筒車間;細紗空調室2所負責的空調區域為細紗車間的26臺細紗機;空調室3的空調區域為細紗車間26臺細紗機和開清棉車間。

通過車間空調系統平面圖對空調阻力計算，細紗空調室2各段阻力計算結果如表4。

由車間全年風量計算結果得到全年所需的最大送風量和空調系統阻力計算結果，對細紗空調室2進行設備選型，表5為細紗空調室2設備選型結果。

3 空調設備運行的理論變頻調節

紡織空調設備運行的變頻調節是紡織空調自控系統策略優化的關鍵。通過對設備的變頻調節，既要滿足車間一年中不同季節下的車間溫濕度要求，保證車間空調區域的溫濕度穩定，還要在最大程度上降低空調系統的能耗，節約紡織空調運行的成本。

3.1 風機運行頻率調節

風機的變頻調節是通過加裝變頻器改變輸入風機電機的頻率及電機轉速，從而改變風機送風量。電機轉速與電機頻率的關系見式（4）：

由式（4）可以看出，當轉差率基本不變時，轉速與電機頻率成正比，改變電機頻率即可改變電動機的轉速。根據風機的性能曲線，風機的風量與轉速成正比，即n1/n2=Q1/Q2，通過改變輸入電機頻率改變風機的轉速，從而實現對風機風量的調節。圖7是以8月1日為例通過風量計算對細紗空調室2風機頻率進行變頻調節的結果。

風機變頻調節具體過程為：根據室外的實時溫度得到車間的逐時冷負荷，再根據風量計算式（3）得到車間實時所需風量，再由式（4）得到此時風機的運行頻率，通過PLC自控系統發出調節指令，對變頻器進行調節，控制風機的風量，滿足車間的風量需求。

3.2 加濕系統計算、運行頻率調節

3.2.1 加濕系統加濕量計算

通過車間送風量計算的結果，對加濕量進行確定，加濕系統計算見式（5）：

3.2.2 水泵運行頻率調節

紡織廠空調系統為工藝性空調，對濕度要求嚴格，為保證車間的濕度穩定，該車間通過PLC自控系統對車間的實時濕度進行監測，再根據循環水泵控制算法對變頻器進行控制，及時地調節車間濕度，保證車間濕度的穩定性。循環水泵PLC步進算法如式（6）：

圖8為一天中不同時間段循環水泵頻率與車間濕度的變化。由圖8可以看出，當車間濕度大于設定濕度54.0%時，下一時刻循環水泵的頻率減小，使車間濕度下降;反之，車間濕度低時，則下一時刻循環水泵頻率加大，以增大車間的濕度。

循環水泵的的運行調節過程為：通過車間溫濕度探頭監測車間實時濕度，傳回PLC控制柜中，PLC根據式（5）計算出下一時刻循環水泵的運行頻率，發出調節指令至循環水泵變頻器，調節水泵的轉速變大或者變小，改變噴淋室的噴水量，來調節送至車間空氣的濕度。

3.3 全年室外新風利用

根據負荷計算結果可以看出車間全年逐時冷負荷受室外溫度影響較大，因此室外新風的合理利用是車間空調自控系統節能的關鍵。車間新風窗開度的控制通過比例調節算法，計算如式（7）：

由車間送風量計算式（3）可知，在車間負荷和溫、濕度不變的情況下，車間送風機器露點焓值的降低可以使車間送風量減少，以過渡季節車間要求的溫濕度范圍為例，車間目標機器露點焓值hmb如圖9所示，k1點的焓值為hmin，k4點的焓值為hmax，取k1、k4兩點焓差的20%，再與k1點處的焓值hmin相加即可得到目標機器露點焓值hmb。

新風窗的控制調節過程為：比較車間實時溫度和車間設定溫度值的大小，若此時車間溫度高于設定的車間溫度，通過溫濕度探頭測出室外溫度，在PLC中計算出此時的室外空氣焓值，再根據式（7）計算出在此溫度下的新風窗開度，通過PLC控制系統發出命令增加新風窗的開度，在運行一段時間后若車間溫度還是偏高，再通過PLC自控系統增加送風機的頻率來降低車間溫度;反之，若車間溫度低于設定溫度值，則先降低送風機的頻率，再通過式（7）減小新風窗的開度。

4 自控系統介紹

系統硬件部分由某型號PLC可編程控制器、觸摸屏、空氣參數檢測裝置和空調系統執行裝置四部分組成。空氣參數檢測裝置檢測車間內外溫濕度、噴淋水池溫度工藝回風溫濕度等，將檢測的實時溫濕度參數傳回PLC根據算法進行計算，根據計算結果通過空調系統執行裝置改變風窗開度，調節風機、水泵的頻率，穩定車間溫濕度，降低空調系統的能耗。

5 自控系統改造及回報分析

自控系統的改造成本包括了溫濕度探頭、自控裝置、空調系統執行裝置等設備的采購和安裝以及運輸費，總計約2.1萬元。此系統在徐州某紡織車間運行以來，系統整體運行平穩，車間溫濕度調節及時，空調系統耗電量明顯減少。取自控系統運行前后同期車間用電量進行對比如表6，與2018年3、4、5月份相比，2019年3、4、5月份空調用電量明顯下降，平均每月節電量2 983 kW·h，平均每月節電率6.36%，根據2019年全國平均工業用電價格每千瓦時1元計算，此改造項目的成本回收時間約7個月。隨著自控系統策略的進一步優化，節電效果也會更加明顯。

6 結 語

根據2018年徐州室外逐時溫度對細紗車間全年逐時負荷進行了詳細計算，并對各部分負荷占比進行分析。通過負荷計算的結果，計算出全年不同時刻下的車間風量，對送風機頻率進行控制調節，實現車間溫度的變頻控制;將車間濕度與水泵頻率通過具體算法進行聯系，對車間濕度進行變頻調節。根據車間逐時負荷計算的結果，在保證車間溫濕度的前提下，對室外新風進行合理的利用，通過對新風窗的變頻調節，降低空調系統的能耗，提高紡織廠車間的經濟效益。

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