技術▎空調自控系統能耗與空調設備運行狀況的分析及改進措施
文/韓曉磊 顏蘇芊 余國妮 西安工程大學
摘要：探討紡織空調自控系統在實際應用中存在的問題。結合空氣處理過程焓濕圖，當室外新焓值低於車間空氣焓值，且室外新風相對濕度較高時，對新風或者混合風進行加濕降溫處理時，還需要新風或者混合風進行再熱處理，造成能源浪費。在某些工況下，不對新風或者混合風加濕處理，也能滿足送風需求。此外，在對新風或者混合風進行處理過程中，風機和水泵的配比不當也會造成能源損耗。提出一種新的自控思路，能夠進一步降低空調運行能耗。
關鍵詞：空調自控系統；空氣處理；變頻調節；運行工況；自控思路；節能高效
引言
自動控制系統是以計算機技術為基礎，為滿足工業生產需求而出現的控制系統。工業生產過程中用感測器、調節器、控制器以及控制對象構成工業自動控制系統。紡織廠空調系統與自動控制技術相結合，一方面提高了空調系統對車間的調節精度，降低了空調系統的運行能耗。但另一方面由於技術和設備等的原因，使用了自控技術的空調系統在運行過程中，會存在調節過程有一定時間的延遲，運行過程中存在節能效果不明顯等問題。討論空調系統節能與否，要從空調系統設備的實際能耗數據，來分析對設備是否變頻以及變頻運行特性進行有效判斷。本文結合山東某紡織廠的空調自控系統在運行中能耗和工況進行分析，並對系統提出整改措施。以達到空調系統能夠高效節能地運行。
1 山東某紡織廠能耗分析
山東某紡織廠的紡紗車間主要由前紡車間、細紗車間和後紡車間等組成。每個車間有相應的空調室來滿足車間的環境需求。在控制室計算機上安裝自控軟體系統，採用溫濕度測試儀收集室外新風和車間環境參數，以每個單獨的空調室為單位控制對象，通過在風機、水泵和風窗處加裝變頻器和調節閥對空調設備運行工況進行調節，來滿足生產車間的空氣品質需求。下面從空調系統耗電量和空調自控系統的運行兩個方面進行介紹。山東某紡織廠的空調系統由於設備、經濟等因素制約，在夏季並沒有採用冷凍水，而是採用地下深井水作為空調水系統用水。以2014年山東某紡織廠耗電量的百分比為例，如圖1所示。
通過圖1可以了解到廠區耗電主要可以分為空壓機用電、主機設備用電、照明系統用電、空調系統用電以及生活區用電五個部分。其中，空調系統在沒有使用冷凍水系統的運行狀況下，年耗電量仍佔到總耗電量的6.42%。由此，可以看出空調系統的耗電量是除了生產設備以外耗電量最大的部分，空調系統的運行能耗不容忽視，如何讓空調系統更加節能高效的運行，對降低紡織行業生產成本來說尤為重要。
2 空調自動控制系統在應用中的概況和設備運行工況分析
2.1山東某紡織廠自控系統的概況
該紡織廠空調系統由一期、二期和三期，共42個空調室組成。對於每一個空調室來說，既可以看做是一個相對獨立的空調自動控制系統，也是整個紡織廠空調自控系統的單位組成部分。自控系統的硬體部分由變頻器、風量調節閥和溫濕度測試儀等組成。變頻器作為自動控制設備的核心，分別安裝在送風風機、迴風風機和循環水泵等空調系統設備上，其運行模式有自動和手動兩種，自動模式即受控於每個獨立空調室的自控子系統，又受控於控制室的自控軟體系統；手動模式可以在控制室的自控軟體上進行調節，也可以在每個空調室進行調節。自控軟體系統根據設定每個生產車間所需要的溫度和濕度等環境參數，通過接受室外和車間內迴風的溫度、濕度測試儀所採集到的溫度、濕度等參數信息，執行內部程序運行。當某一車間環境參數不在設定範圍內時，自控系統通過內部程序的運行，發出指令信息，通過調節新風、迴風窗閥門的開度，以及風機、水泵的頻率，改變空調設備的運行工況，來滿足車間環境參數要求。同時，將這些信息匯總到計算機自控軟體系統上，操作人員可以及時詳細地了解到車間環境狀況。
2.2山東某紡織廠自控系統設備運行工況分析
紡織廠車間環境屬於高濕度、高熱度環境。在夏季其車間的冷負荷有圍護結構傳熱、車間內機器設備發熱、照明設備發熱、人體散熱等；其車間濕負荷為某些工藝設備所散發的水汽和人體散濕等。紡織空調作為工藝性空調，一方面由於生產工藝的限制，車間環境對空氣的濕度要求較高，如果在車間中濕度調節不當或濕度不穩定，將會引起棉卷、粗紗等的回潮率不穩定，從而影響成紗質量並增加紗線斷頭；另一方面生產設備的長期運行會造成車間環境溫度較高，不利於工人生產，但由於濕度與溫度存在一定的耦合關係，如果空調系統只是單純的降低車間溫度，會影響車間的生產工藝。所以，紡織空調要做的就是在滿足車間生產環境需求的基礎上，儘可能的為工人提供適宜的工作環境。以山東某紡織廠的空調自控系統細紗車間所對應的10#空調室在夏季一天（2014年8月10號）中的運行狀況為例，細紗車間設定溫度為32℃，相對濕度為52%，如下表1所示，進行詳細說明。
表1 10#空調室2014年8月10號一天內運行情況匯總
山東某紡織廠細紗車間的空調系統由四個空調室組成，10#空調室對應處理的面積為細紗車間的四分之一。該車間夏季冷負荷由圍護結構、生產設備、人體散熱和照明等組成，10#空調室對應處理區域的冷負荷為453.86（kW）；對應的濕負荷為4.31×10-4（kg/s），主要來源是紡織工人散濕。由此可知該車間熱濕ε=Q/W=105.3×104趨近於∞，採用噴水室對空氣進行處理，所以，在空氣處理過程中要考慮d=0.5（g/kg干空氣）的擋水板過水量。
針對該紡織廠，細紗車間的新型生產原料對濕度要求比一般生產原料對濕度的要求低。所以根據其特性將該紡織廠細紗車間的溫濕度設定為：車間溫度範圍為30℃-32℃，相對濕度範圍為50%-55%，如下圖2陰影區域所示。即只要是車間環境參數在此範圍之內，就可以認為該狀態下的空調系統運行狀況滿足工藝需求。
2.2.1空調自控系統中水泵運行狀況的分析
該紡織廠空調系統在夏季使用深井水作為冷源，通過噴水室對空氣進行處理。
水泵作為噴水室動力源，在空氣處理過程中非常重要。而自控系統能否合理的調節水泵的運行，是空調系統能夠更加精準處理空氣和空調設備節能運行的關鍵。在12：00時刻，空調系統採用全新風系統，室外空氣狀態點W：t=27.1℃，Φ=60.1%；h=62.3kJ/kg干空氣。車間狀態點N：t=31.3℃，Φ=51%，h=67kJ/kg干空氣。其空氣的處理過程為：室外空氣W進入噴水室，經過減焓加濕到狀態點0，送風風機將其送入車間，該部分空氣沿熱濕比線，到達室內狀態點N，如下圖2所示（圖中0A段為d=0.5g/kg干空氣）。0點即為送風狀態點，查焓濕圖可知，送風狀態點0：t=20.6℃，Φ=93.5%，h=57.8kJ/kg干空氣；考慮到在該時刻，室外新風溫度較低且室外新風空氣相對濕度適中，所以為了減小水泵的運行能耗，驗證在此狀態下水泵停止運行，能否滿足送風需求。對於該空調系統，當水泵停止運行時，室外新風狀態點W，即為送風狀態點，送風風機將其送入生產車間，該部分空氣沿熱濕比線ε=105.3×104與圖2中陰影區域相交，即可以保證車間溫度tn在30.0℃～30.8℃範圍內，相對濕度Φn在50.0%～52.7%範圍內。而此時，只要車間送風量滿足需求，空調系統在不使用水泵情況下，就可滿足送風需求。雖然，在此狀態下，會造成風機送風量的增加，但由於深井水的製取比較困難，水泵停止運行，節約了深井水。總體來說，還是節約了能源。
圖2 12：00時段空氣處理過程
2.2.2空調自控系統中風機運行狀況的分析
在紡織廠空調設備中，一般風機的功率都比較大，同時風機運行的能耗也比較高。如何在保證生產工藝要求的基礎上，降低風機的運行能耗，是空調自控系統能否節能的關鍵。針對該紡織廠空調系統來說，取表1中的16：00時刻空調系統的運行狀況，進行分析。
在16：00時刻，室外空氣狀態點W：t=29℃，Φ=54.3％，h=65.8kJ/kg干空氣。車間狀態點N：tn=31.7℃，Φn=50.6%，hn=70.5kJ/kg干空氣。其空氣處理過程為：室外空氣W進入噴水室，經過減焓加濕到狀態點0，由送風風機將其送入車間，經過吸收車間的餘熱、余濕，該部分空氣沿熱濕比線到達車間狀態點N，如下圖3所示（圖中OA段為d=0.5g/kg干空氣）。狀態點0點，即為此狀態下的送風狀態點。查焓濕圖可知，送風狀態點O：t=20.6℃，Φ=95.6%，
h=58.6kJ/kg干空氣。對應的該狀態下送風風機的送風量為：
該紡織廠選用的送風風機為軸流風機，型號為YFZ40-Y250M-6，對應的送風量為177264m3/h。根據該風機性能參數和表1可知，在16：00時刻送風風機頻率為33Hz時，對應的送風量為132307m3/h。即實際送風量比需求送風量多17890m3/h，此時風機電機實際耗電量比理論耗電量高3.73kWh，該紡織廠空調自控系統在運行過程中，風機送風量比需求風量大，造成不必要的能源浪費。按該紡織廠所在地電價0.7元/kWh來計算，該空調室風機按需求送風狀態運行一個小時，可節約2.62元。
圖3 16：00時段空氣處理過程
2.3空調自控系統中風機、水泵運行工況分析
根據表1可知，隨室外和車間環境的不斷變化，風機和水泵的頻率會隨之變化。但是空調系統中風機和水泵的運行，是否在高效節能狀態下運行，根據上述判斷風機和水泵的運行分析方法，將表1中系統一天運行的狀況進行分析，整理結果如下表2所示
根據表2可知，對於該空調自控系統，在實際運行中能夠很好地調節車間溫度和車間相對濕度，滿足生產需求：但同時，也存在風機和水泵的運行頻率與所需頻率不匹配的問題，這樣就會造成空調系統運行能耗的增加。以空調系統在12：00到20：00時段內調節為例，考慮空調設備運行的能耗高低從兩個方面入手：一方面使用該自控系統風機運行頻率比筆者計算出來的所需頻率低，風機運行能耗較低，節約了成本；另一方面對於該紡織廠在夏季使用深井水作為冷源，對空氣進行處理，而深井水比較難製取，花費成本高。綜合上述兩方面因素，在外界新風滿足送風所需溫度和相對濕度要求時，可以考慮不使用水泵，增加風機頻率，即增大車間送風量能夠更加有效地降低生產成本。
3 對空調自控系統的改進措施
空調自控系統，不但要準確快速地對車間環境進行調節，而且還要使得空調設備在運行過程中耗電量、耗水量等較低。為了滿足這種需求，除了要在空調系統中使用更加先進的空調設備，還要從自控系統的程序入手，也就是自控系統的控制思路。現代化的自控方式的應用，近年來模糊控制理論、PID演算法、神經元控制等控制方法的交叉應用，產生了多種新的控制方式，也為自控技術的發展提供了新的發展。提出一種新的控制方法，即利用「濕度優先」原則、「增小減大」原則的控制方法，對空調設備進行調節，其中PLC與空調系統的連接組合，如下圖4，結合PLC自控系統調節的具體方式進行說明。
TE、HE：溫濕度感測器；
M2風量調節閥：VF：變頻器；
PLC：可編程邏輯控制器。
圖4 PLG與空調系統結合示意圖
由於紡織廠生產車間對濕度要求較高，所以把車間空氣含濕量作為首要對象
進行調節，即為「濕度優先」原則。其次，由於送風風機、循環水泵、新風窗調節器和迴風窗調節器等設備運行時的耗電量依次降低，所以當車間空氣的濕度低於設定的標準時，通過依次增大耗電量小設備的頻率進行調節來滿足生產需求，當車間濕度高於設定的標準時，通過依次減小耗電量大設備的頻率進行調節來滿足生產需求，即為「增小減大」原則。結合「增小減大」原則和「濕度優先」原則，以車間的相對濕度為控制目標，調節送風風機、循環水泵、新迴風窗的執行部件構成主控制迴路，即為濕度控制路線。在濕度控制的基礎上，進一步控制車間溫度，即為溫度控制路線。
對於細紗車間來說，用於生產的材料不同對溫濕度的要求也不同，本文謹以比較常用的材料對溫濕度的要求，設定車間濕度範圍55%≤Φ≤65%，具體設定值為中57%；溫度範圍30℃≤t≤35℃，具體設定值為tn=31.7℃對於車間濕度調節，根據車間實際相對濕度與設定相對濕度的關係分為四個濕度範圍，其控制路線分別為：
（1）50%
（2）55%
（3）60%
（4）Φ＞65%，此時送風風機頻率直接以每20秒減小5hz，達到最小送風量（根據實際車間生產情況確定）所對應的頻率；循環水泵和冷凍水泵在原來頻率基礎上每出20秒減小5hz，直到車間濕度滿足生產需求並保持此頻率繼續運行。若是還不能滿足車間生產要求，就根據60%
對於車間的溫度調節，根據「濕度優先」原則、在滿足車間濕度要求的基礎上，通過調節新風窗和迴風窗的開度、循環水泵和冷凍水泵的運行頻率以及送風風機的運行頗率，使得車間溫度滿足設定要求。在這裡筆者不再詳細敘述。
4 結論
（1）就山東某紡織廠空調自控系統，分別從水泵的運行情況、風機的運行情和
空調設備整體的運行工況等方面進行了分析。通過對空調設備在運行時的能耗分析，結合室外新風空氣參數和車間空氣參數，確定水泵和風機的運行頻率。
（2）結合紡織廠空調系統在實際運行中的特點，根據「濕度優先」原則和「增小減大」原則，提出了一種新的自控系統控制思路，使得紡織廠空調自控系統的運
行更加節能有效。
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