冰蓄冷空調在礦用救生艙中的應用

肖 濤，徐 鋒，劉利云，阮 煒

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

礦用救生艙是解決礦難事故的一個重要手段，通常情況下，救生艙應具備安全防護、氧氣供給保障、空氣凈化與溫濕度調節、環境監測、通訊、照明、動力供應、人員生存保障等基本功能。其中，空氣凈化與溫濕度調節主要依靠空調系統。由于礦難事故往往伴隨著電力中斷，為保證救生艙內具有適宜的空氣質量和溫濕度，一般采用被動冷卻方式的空調系統來實現艙內生存環境的調節。在眾多被動冷卻方式的空調系統中，冰蓄冷空調系統因其技術成熟、節能環保等特點，在歐美發達國家得到了廣泛的應用，在中國各大商場、食品行業的應用也日趨廣泛。

在礦用救生艙的空調系統研究中，關于冰蓄冷空調的應用鮮有文獻述及。本文借鑒冰蓄冷空調的一些技術特點，將其應用于礦井救生艙。通過對多種空調系統的分析比較，對冰蓄冷空調應用于礦用救生艙的合理性進行了分析。然后，對冰蓄冷空調的工作原理、結構形式進行了詳細介紹，通過試驗數據的對比，對一次循環形式的冰蓄冷空調的有效性進行了驗證。

1 礦井空調系統應用

現有礦井下應用的空調系統冷卻方式根據原理可分為兩種：被動冷卻方式和主動冷卻方式[1]。

主動冷卻方式均需持續的電力供應，由于礦難發生時隨即必然伴隨著電力供應的缺失，因此該種冷卻方式不宜應用于在礦用救生艙制冷方式。

被動冷卻方式可分為蓄能、蓄冷和強制換熱三種方式。由于礦難發生時，多伴有礦井救生設備(硐室和救生艙)外部的持續高溫，故強制換熱通常不宜作為礦井救生設備的制冷方式。蓄能方式主要通過電力或高壓氣體驅動冷卻系統實現降溫功能，其優點在于艙內占用體積小，結構緊湊，技術成熟，但是該方式需一定量的儲備電源供電，且設備冷凝器在艙外易在礦難發生時就被破壞致使空調系統無法使用。蓄冷方式主要利用預先儲蓄的冷量實現降溫功能，雖然該方式需要較大體積的蓄冷設備，以及間歇性通電制冷，但它可以實現“零”電力需求，并可通過艙內送風系統達到制冷效果，無需額外電力驅動，因此具有相對較高的可靠性，對于處理礦難事故具有一定的優越性。

蓄冷方式主要是利用預先存貯的制冷劑進行制冷，從而達到避難硐室內或救生艙內空氣冷卻的目的[2-4]。蓄冷可采用蓄冷劑(如液氮、液態二氧化碳、R744、R22、R134a 等) 、蓄冰等。這種降溫方式優點是不帶電，設備全在避難硐室或救生艙內，系統安全可靠，適于我國礦井井下環境；缺點是需要高壓空氣作動力，需要存貯大量制冷劑。蓄冰制冷，日常需要通電保持空調柜里蓄冰不被融化，日常維護費用較高。

2 冰蓄冷空調應用

冰蓄冷空調系統分為一次循環形式和二次循環形式兩種，筆者結合礦井救生艙研制過程中的兩種冰蓄冷空調系統的應用實例，對礦用救生艙空調系統的結構形式、工作原理進行分析比較，并通過試驗數據對兩種空調系統的有效性進行驗證。

2.1 二次循環形式

由于《礦井救生艙試用標準》對于救生艙內人員的凈容積提出了一定的要求，在考慮盡量大的提高人員在救生艙內所擁有的凈體積，我們設計了一種為節約生活艙內人員的凈占體積而形成的二次循環冰蓄冷空調系統形式。其原理如圖1所示。

圖1 二次循環形式原理圖

二次循環形式可將蓄冰槽與生活艙隔離，制冰機組管路布置于蓄冰槽內循環制冰形成一次循環，乙二醇水溶液循環管路不至于蓄冰槽及生活艙內，通過電機帶動形成二次循環，將蓄冷量帶至生活艙內，艙內換熱管路依靠艙內風機形成艙內環境溫度換熱效果，從而控制艙內環境溫濕度在一個合理范圍內。

該方式的優勢十分明顯，不僅極大地節約了生活艙內人員的活動空間，其艙內換熱器體積較蓄冰槽小很多，而且在一次循環管路出現故障的情況下，制冷介質的泄露對艙內人員的安全沒有任何影響。但是，它也存在一定的缺陷，比如爆炸時的高溫環境將加速消耗蓄冰槽內的冷量，這些損失的能量極大的降低了空調系統的效率；另外，二次循環形式的雙換熱形式也極大降低了空調系統的效率；再者，通過實際系統試驗我們發現，乙二醇水溶液配比不恰當致使二次循環管路中冷媒水循環回路冷媒水介質無法滿足在低溫環境下仍處于液態的情況，從而無法通過艙內電機而形成二次循環，無法達到艙內冷量供應的目的。

2.2 一次循環形式

為提升系統效率，在綜合考慮各相關設備性能(配電系統設備，電氣系統設備)的情況下，同時在保證艙內人員凈體積的前提下，形成了一種將蓄冰槽放置于生活艙內的一次循環形式的空調系統，通過蓄冰槽內部換熱風道與外部供風系統結合，將冰槽內蓄冷量帶到艙內環境，從而達到控制艙內溫濕度環境的目的。其原理見圖2。

一次循環空調系統的設計，由于蓄冰槽處于生活艙內，不受到外界高溫環境的影響，同時，一次循環的效率較二次循環效率高，從而極大提高了整體空調系統的換熱效率；相對二次循環形式，該形式的空調系統有效避免了二次循環換熱管道堵塞而無法完成系統功能的問題；由于蓄冰槽處于艙室內，該方式的自然換熱也是形成的艙內溫度控制，通風形式下的強制換熱形式是為完全滿足艙室內的環境溫濕度控制，蓄冰槽內蓄冷量基本全部完成了其實用價值，極大提高了系統環境溫度控制的效率；其次該種循環方式相對于二次循環形式設備及管系更加簡約，極大的節約了系統成本并提高了設備安全性；由于蓄冰槽在人員生活艙內，當儲備水資源不足的情況下，冰槽內的蓄水可滿足避難礦工相對長時間內的水資源供應。

圖2 一次循環形式原理圖

同時，一次循環也存在其缺點，較二次循環形式，一次循環形式將蓄冰槽置于艙內極大占用了艙內空間，致使艙內人員的凈體積大幅減少，同時制冷循環管路的破壞也存在一定的危險性，需要對該制冷循環管路的艙內部分進行適量的保護。

考慮經濟性方面的因素，由于一次循環的效率較低，在同等需求冷量的情況下需要的蓄冰槽體積更小，內部銅管布置量更少；同時，一次循環形式采用無電力驅動形式，較二次循環形式的艙內電機的電力驅動形式耗能方面更加低廉；另外，一次循環形式蓄冰槽處于生活艙內，冰槽內水可做應急水源，較二次循環所需應急水需另行儲備在艙內。以上對比表明一次循環形式較二次循環形式的空調系統在建造成本上的經濟性更好。

2.3 系統試驗

基于一次循環形式的冰蓄冷空調，筆者在試驗室進行多次空調系統的制冷及放冷試驗。在試驗中，設定外部環境為50°左右的高溫環境。對救生艙內溫度和濕度的控制效果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出，在一次循環形式的冰蓄冷空調系統的調節下，艙內溫度基本控制在26～37°之間，變化比較平緩，且大部分時間保證在30～34°之間，僅略高于正常的室內常溫，一直處于人體可承受范圍之內；艙內濕度由于間接性的進入艙內調節加濕器加適量造成其波動較大，基本維持在30%到60%之間，由于人體可承受濕度范圍較大，艙內濕度也處于可接受范圍。

圖3 一次循環空調系統第三次試驗圖表

3 總結

本文對冰蓄冷空調在礦用救生艙中的應用進行了闡述，詳細介紹了一次循環形式和二次循環形式的冰蓄冷空調的結構形式和工作原理，對兩種循環形式的冰蓄冷空調的優缺點進行了深入分析。分析結果表明一次循環形式的冰蓄冷空調具有更高的可靠性、經濟性和實用性，并通過系統試驗驗證了一次循環形式的冰蓄冷空調系統的有效性。該研究對礦用救生艙的空調系統設計具有一定的指導和借鑒意義，下一步的工作將重點提高一次循環形式的效率，優化該形式空調系統的制冷及放冷形式，努力控制整體系統設備的成本。

圖4 一次循環空調系統第五次試驗圖表

[1] 李立剛.礦井緊急避險設施降溫方式的選擇[J].煤，2013(1):30-31.

[2] 胡鳴若，余國和，顧安忠.蓄冷率與冰蓄冷空調經濟性諸因素的關系[J].上海理工大學學報，2002，24(2):113-117.

[3] 陳小雁，李蘇瀧，代焱.冰蓄冷空調系統經濟性分析[J].制冷與空調，2007(1):82-84.

[4] 趙育川.冰蓄冷裝置的設計應用及研究[J].冷藏技術，1995(1):2-5.