汽车工厂建筑空调系统的智慧设计优化

何秋菊　李明宇　成世良　姬青峰　赵军

摘 要：汽车工厂的夏季空调主要是为了满足生产工艺需求兼顾人员劳动环境，夏季空调系统用电量占汽车工厂公共设施能源消耗的34%，是汽车工厂重点管控的能源设备。空调系统应用智能合理的控制策略是实现设备节能运行的重要管理手段，也是汽车工厂降低单车能耗的重要途径。传统的空调自控系统主要通过冷冻水回水温度和压力反馈信号对末端冷冻水管上的电磁阀进行调节，通过冷冻水变流量实现节能控制。本文结合工程改造实例，利用车间工艺设备运行状态和办公区智能照明系统的人体感应器，对空调设备进行精益化的时间管理，结合物联网和AI技术，从而实现空调系统智慧节能运行，消除了传统空调系统依靠温度和压力反馈信号控制的延迟性。空调系统设计优化方法具有简单、有效、准确的优势，推广应用简单。

关键词：空调 物联网 AI 节能设计

1 項目背景

项目位于北京经济开发区内，厂区主要建筑物共有21栋，包括14栋车间及附属办公用房、1栋办公楼、1栋研发中心、1栋员工活动中心、1栋培训中心、1栋试装车间、2栋能源中心（含1个制冷站、2个锅炉房、1个空压站）等。生产车间每日三班制生产倒班，人员总计约16500人。办公区域人员正常白班，总计约2500人。厂区地上建筑总面积约120万平米，其中设有空调系统的建筑面积约54万平米。空调系统每年运行时间约150天，空调系统电能消耗占公共设施能耗的34%。各建筑内均设有EMS（能源计量系统）、BMS（远程控制系统）系统，可以在能源中心或中控室远程开启或关闭设备，以及在线监测设备运行状况。所有设备统一由工厂能源供应部门负责维护和运行管理，所有设备均运行正常，保养良好。

汽车工厂是订单式、柔性化生产，能源供应要做到及时供应保障生产。设备的精益管理、系统的效率提高、运行的节能优化是工厂“双碳”工作的重点部分。

2 系统分析

2.1 空调系统简介

汽车工厂建筑空调系统有以下几种类型：

1、总装车间选用组合式空调机组，组合式空调机组包括有送风机段、表冷段、加热段、热转轮段、中间段、初效过滤段等。

2、冲压车间选用组合式空调机组和新风式空调机组，新风式空调机组包括有送风机段、表冷段、加热段、初效过滤段等。

3、装焊车间选用组合式空调机组和工艺空调机组，工艺空调机组包括有送风机段、表冷段、加热段、初效过滤段等。

4、办公楼和培训中心选用组合式空调机组、新风式空调机组和风机盘管系统。

5、数据中心、测量室、电池实验室等选用恒温恒湿工艺空调。

6、车间办公区和一些辅助用房变频多联式空调机组。

2.2 主要的负荷影响因素

1、汽车工厂生产车间的特点是建筑面积大、空间高，冲压车间20m，涂装车间18m，装焊车间15米。车间设有几个物流门，物流门因为运输车辆频繁通行，长期处于开启状态，对负荷影响较大。

2、工艺设备发热量较大，比如冲压车间压机生产线电机额定功率1760kw，车间有2条产线。

3、工艺设备散湿量较大，比如涂装生产线前处理工艺水槽全部敞开，工艺热水温度达85℃，室内环境湿度达到75%，工艺空调负担除湿降温功能。

4、工艺设备排风量较大，比如装焊车间的机器人焊接区域，局部排风次数为12次/h。

5、总装车间涂胶工艺要求室内温度24℃，且生产线装配人员较多。

2.3 设备运行现状

经与能源供应部门了解，节能管理困难主要有两个方面：一是工厂BMS系统可以人工输入时间表，在能源中心或中控室可以远程控制设备启停，但生产计划频繁变更，周一下方本周生产计划，周四下发本周末加班计划。靠人工无法及时响应和调整设备运行时间表。二是厂区面积大，供冷距离长，必须优先保证工艺空调的冷冻水温度工况参数，各个车间生产有两班制、三班制、9小时延时、11小时延时，靠人工无法及时响应和调整设备，无法满足柔性化生产的能源需求。

现有EMS系统数据包括各车间空调系统、冷冻水泵、制冷站用电量以及各设备工况参数。选取部分数据进行分析。

由图1可知，某车间空调系统每日电能消耗数据呈水平直线状，在高温检修周、周末等非生产日看不到变化。根据数据可分析得出：空调系统基本无负荷调节，在非生产日空调设备一直在运行。

由图2可知，某车间冷冻水泵每日电能消耗数据呈曲线变化状，冷冻水泵在高温检修周、周末等非生产日有变化明显。根据数据可分析得出：冷冻水泵变频，在非生产日电能消耗降低，但没有停止运行。

由图3可知，制冷机每日电能消耗数据呈曲线变化状，与某车间冷冻水泵每日电能消耗数据曲线变化趋同，在高温检修周、周末等非生产日有变化明显，制冷机变频，在非生产日电能消耗降低，但没有停止运行。

综上所述可以分析得出，工厂设备的运行管理涉及的方方面面因素很多，本文主要从通风空调系统节能设计优化方向进行技术探讨。

3 系统设计优化

1、车间物流门节能设计优化。

原设计：车间物流门处设置有风幕风机，风幕风机与物流门同时开启。由于物流车辆频繁进出，物流门基本处于常开状态，造成大量热空气进入车间。

优化设计：在车间物流门外增加室外门斗和折板式工业门，门斗处设置摄像头，车辆进入门口监控区域，图像识别到车辆准备进入车间；车辆接近门口，室外门斗的工业门感应开启，风幕风机联动送风；车辆进入门斗区域，工业门关闭，物流门开启；车辆驶入车间，物流门关闭，风幕风机联动停止送风。

节能改造：第一批12个物流门改造后，效果显著，热空气进入车间风量大幅降低，门口区域温度波动较小。

1、装焊车间空调系统节能设计优化

原设计：装焊车间工艺空调按规范和生产工艺要求采用全新风空调系统，配置的独立补风系统；公共设施通风空调系统采用组合式空调机组，按送风量：20m3/h.m2、送风温度：低于室外6℃送风、冷指标：110W/m2设计。

优化设计：

①在机器人焊接区域设置挡烟（焊烟）垂帘，用物理方法防止焊烟向外蔓延。

②基于物联网提取工厂生产管理系统Iportal中的生产计划和实际生产线运行状态，自动控制工艺空调的启停。

③在公共区域空调机组在回风段设置CO2监测探头，根据CO2浓度控制新风和回风比例。

节能改造：利用车身一、二工厂现有生产Iportal和BMS系统，如图4所示，借助物联网，用Node-RED语言打通系统之间的节点，实现空调智慧控制。

2、总装车间空调系统节能设计优化

原设计：总装车间转毂间工艺排风按规范和生产工艺要求设置独立的排风系统；公共设施通风空调系统按6次/h换气次数设计，采用组合式空调机组。总装涂胶工艺要求室内温度24℃，总装生产线是汽车工厂装配人员最多的车间。车间通风空调系统冷负荷非常大，每天电能消耗较大。

优化设计：基于物联网提取工厂生产管理系统Iportal中的生产计划和实际生产线运行状态，自动控制工艺空调的启停。

节能改造：利用总装车间现有生产Iportal和BMS系统，如图4所示，借助物联网，用Node-RED语言打通系统之间的节点，实现空调智慧控制。

4、总装车间附属办公区域空调系统节能优化设计

原设计：总装附属办公区域空调系统是多联式空调系统，按照工位数和人体舒适度设计。

优化设计：基于物联网提取生产Iportal生产计划，利用BMS系统自动控制多联机室外主机的启停。办公区域的智能照明系统设有的人体感应器，灯具的设计和空调室内机的分布很有规律。利用智能照明系统的人体感应器自动控制每个室内机的单独启停，真正做到了人走灯灭空调关。表1是总装车间空调机组的状态统计。

节能改造：利用现有生产Iportal和BMS系統，如图4所示，借助物联网，用Node-RED语言打通系统之间的节点，实现空调智慧控制。

4 效益对比

从EMS系统提取总装车间能源数据，对2022/2023年度数据进行对比分析，空调机组周用电量同比平均每天降低9000kW，总装车间总用电量同比每天降低10000kw。通过（图5）2022/2023年度总装车间空调机组生产周用电量分析可以看出系统节能设计优化后的节电效果明显。改造完成的3个车间和附属办公区域全年能源成本将节约电费四千余万元。

5 结束语

空调系统应用智能合理的控制策略是实现设备节能的重要管理手段，也是汽车工厂降低单车能耗的重要途径。传统的空调自控系统主要通过冷冻水回水温度和压力反馈信号对末端冷冻水管上的电磁阀进行调节，通过冷冻水变流量实现节能控制。结合物联网和AI技术，从而实现空调系统智慧节能运行，消除了传统空调系统依靠温度和压力反馈信号控制的延迟性。空调系统设计优化方法具有简单、有效、准确的优势，推广应用简单。

基于汽车工厂的生产特点，本项目整体规划、分步实施，在不影响生产的前提下，抓住非生产时间窗口进行节能改造。基于物联网提取生产Iportal生产计划，利用BMS系统将实现了工厂20栋建筑的空调自动化运行，通过AI自学习技术进行节能挖潜和提高设备运行管理水平。物联网和AI技术未来将推动汽车工厂部能源管理数字化变革，落地设备智慧运行，实现双碳目标。

参考文献：

[1]建筑物联网技术，作者：张振亚、王萍、张红艳、王菲露著，中国建筑工业出版社，2022年出版.

[2]智慧建造-物联网在建筑设计与管理中的实践，作者：周晨光（美），译者：段晨东、柯吉，清华大学出版社，2020年出版.

[3]暖通空调节能技术，作者：李联友，中国电力出版社出版，2013年出版.