美海軍新型熱管理控制系統及在現役航母上的應用

胡　亮

（海軍裝備研究院，北京 100073）

美海軍新型熱管理控制系統及在現役航母上的應用

胡亮

（海軍裝備研究院，北京 100073）

隨著技術的不斷發展，現代艦船的能量消耗越來越大，艦上的節能問題日益凸顯。用于暖通制冷的能量在艦船總能量消耗中占據很大比例。艦上熱管理系統可有效監控艙室溫度和環境，并進行控制調節，對艦上節能有重要意義。本文介紹了美國“尼米茲”級航母引入的新型熱管理控制系統，對其系統組成、功能實現及發展應用情況進行了詳細分析，可為相關設計提供參考。

熱管理；艙室溫度；航母

1　概　述

隨著技術的不斷發展，現代艦船的能量消耗越來越大，艦上的節能問題日益凸顯。艦上的能量消耗包括動力推進、電子武器系統運行、艙室溫度控制等多個方面。其中，主要用于維持艙室溫度的暖通制冷用能在艦船總能量消耗中占據很大比例。艦船熱管理的概念在近年來得到越來越多的重視。通過艦上熱管理系統，可有效監控艙室溫度和環境，并進行控制調節，對艦上節能有重要意義，在艦船上得到越來越廣泛的應用。本文分析了美國“尼米茲”級航母艙室溫度控制情況，并介紹了其正在發展并得到應用的新型熱管理控制系統，對該套系統的組成、功能及發展應用情況進行了詳細分析。

2　“尼米茲”級航母艙室溫度控制現狀

2008 年，為考察現役航母在當前部署環境中的艙室冷卻能力，以及現有冷卻能力是否滿足未來部署要求，美國海軍水面戰中心卡德羅克分部工作人員在“林肯”號航母上安裝數據采集裝置，可記錄航母一年來空調設備和冷卻水設備參數的變化情況?！傲挚稀碧柡侥干峡照{系統和冷卻水系統總重 363 t，功率密度約為1.2 kW/t，空調系統采用內置微處理器記錄狀態參數。熱管理工作組在“林肯”號航母上選取了 10個目標艙室，利用遠程數據采集器，每間隔 30 min 采集一次該艙室及相鄰艙室的溫度和相對濕度，以及風機盤管進出口空氣的相對濕度；每間隔 15 min 采集一次目標艙室通風系統中冷卻盤管內冷卻水的進出口溫度。此外，還對航母上存在組件冷卻問題的約 25個艙室進行溫度采集，間隔時間為30 min。在所有采集艙室中，2個恒溫艙室設定溫度為23.9 ℃，51個恒溫艙室設定溫度為26.7 ℃，其余艙室設定溫度更高，或與外界相通而不恒溫。除“林肯”號航母外，美國海軍熱管理工作組還采集了“艾森豪威爾”號航母和“杜魯門”號航母的部分艙室溫度。一般情況下，寒冷環境下的航母艙室溫度設定為26.7 ℃，炎熱環境下的航母艙室溫度設定為18.3 ℃。

根據測溫結果推算，“尼米茲”級航母上約25%～40% 的恒溫艙室比設定溫度低 5.6 ℃ 以上。根據諾?？撕＼姶瑥S的研究結果，當某艙室溫度維持在低于設定溫度 5.6 ℃ 時，空調負荷將增加 2 冷噸。受此影響，空調機組配電電流將會增大，導致某些需要制冷的艙室無法充分冷卻。每艘“尼米茲”級航母上有超過 600個空調艙室，假定其中 30% 的艙室溫度低于設定值 5.6 ℃，若通過熱管理系統使這些艙室溫度恢復設定值，則可減少 360 冷噸的空調負荷。

為此，美國海軍開發了新型熱管理控制系統，可有效減少艙室過度冷卻情況，降低能源消耗。部分“尼米茲”級航母已安裝通風控制子系統。

3　美海軍新型熱管理控制系統組成

美海軍新型熱管理控制系統（TMCS）主要通過對艦上暖通空調系統（HVAC）相關參數進行監測和控制，來實現熱量管理的目的。

參數監測方面，熱管理控制系統主要包括空調控制系統、冷卻水控制系統、通風控制系統以及加熱和冷卻控制系統，可對暖通空調系統的各部分參數進行監測。監測的參數包括各冷卻水監測站的溫度、壓力和流速（2 組），冷卻水主管道的進出口溫差（3 組），空氣過濾器壓差（1 組），再循環空氣溫度（1 組），艙室傳感器（3 組），艦外環境溫度，以及艙室溫、濕度等。

系統控制方面，熱管理控制系統與艦上機械控制系統（MCS）、綜合狀態評估系統（ICAS）、綜合損管系統（IDCS）相連接，可快速計算艦上冷卻需求，并對制冷量進行合理分配。同樣，艦上供電系統中的電能可給根據需要分配至作戰或自防御系統中，滿足其瞬時大功率的制冷要求。

熱管理控制系統可確定滿足艦上制冷要求的空調機組最佳數量和位置，調整系統設定值并減少人為操控。此外，熱管理控制系統還可根據航母狀態（在港、海上或作戰）分別控制各艙室，減少無人活動或少有人活動艙室的制冷量和通風量。

使用熱管理控制系統后，可有效減少艦上無人艙室的制冷量，減少人為控制的空調開關個數防止過度制冷，提供對溫度的集中控制，進而降低能量消耗和維護成本。

3.1暖通空調系統參數監測組件

1）智能恒溫器

熱管理控制系統將不再采用傳統上僅具開關功能的恒溫器，而采用可連網的智能恒溫器，并通過中央控制站對恒溫器進行控制。采用的是羅基研究公司研發的智能恒溫器，不僅具有調溫作用，還可滿足海軍艦艇調濕要求。智能恒溫器有本地和遠程 2種控制方法，本地控制可根據需要禁用。溫度監測系統受用戶口令保護，并與人機界面間通過獨立的光纖網絡進行通信。目前美國海軍水面戰中心卡德羅克分部-艦船系統工作站（NSWCCD-SSES）正在研究將溫度監測系統網絡與艦上光纖數據多路傳輸系統（FODMS）相連接的方法。

智能恒溫器有 110 V 交流和24 V 直流 2種型號，支持 UDP 組播和傳輸控制及網絡通訊協議（TCP/IP），通過風機盤管和再熱控制器控制。目前美國 DDG 級驅逐艦上使用的為110 V 交流智能恒溫器，顯示溫度范圍為-17.8 ℃～88.9 ℃，消耗功率僅為5 W，已通過美國海軍 MIL-S-901D A 級沖擊測試、MIL-STD-167-1 振動測試和MIL-STD-461E 電磁兼容性測試等。

圖1　智能恒溫器Fig. 1　The intelligent thermostat

2）天花板傳感器

精密的傳感器可準確采集艙室溫、濕度信息，通過相應控制系統進行溫濕度控制，進而減少過度制冷，降低空調系統負荷。目前熱管理控制系統中的傳感器是美國路創公司生產的天花板安裝雙配置 LOSCDT 系列傳感器。LOS-CDT 系列傳感器采用自適應技術，自動調節靈敏度并可定時，防止出現誤開和誤關。該傳感器采用 20～24 V 直流低壓接線，可安裝在2.4～3.7 m 高的天花板上，覆蓋面積范圍達 46～186 m2，工作環境溫度為0～40 ℃，相對濕度不超過 95%。

圖2　天花板安裝雙配置 LOS-CDT 系列傳感器Fig. 2　The LOS-CDT series sensor installed on the ceiling

3）冷卻水監測站

冷卻水監測站可對冷卻水系統進行監測，以發現潛在節能空間，進一步降低空調系統負荷。目前美國每艘 DDG 級驅逐艦上均有 2個冷卻水監測站，每個監測站均裝有冷卻水開關，可本地測量溫度和壓力。在冷卻水系統最高點安裝超聲速流量計，可監測冷卻水流量。冷卻水流率過低時，系統將報警。為了便于診斷，熱管理系統人機界面處將顯示 2個冷卻水監測站的溫度、壓力、流率，以及冷卻水主管道上 3個測量點的進出口溫度。

4）空氣溫度測量

熱管理控制系統采用熱電阻測量再循環空氣溫度，在出現通風問題時進行報警。

5）空氣壓差測量

美國海軍水面戰中心卡德羅克分部-艦船系統工作站正在發展新型暖通空調機組樣機，利用空氣過濾器間的壓差讀數及監測再循環供氣溫度，提高視情維修能力?？諝膺^濾器上的壓差裝置為軍標組件，當過濾器需更換時將會報警。

3.2與艦上其他系統間的連接

暖通空調系統可通過網絡與艦上其他系統相連接，具體做法是通過可編程邏輯控制器收集各傳感器的數據，而后通過網絡傳輸至人機界面。人機界面可顯示并遠程控制包括暖通空調系統在內的艦上所有系統。

1）人機界面

人機界面（HMI）可顯示所有監測參數，并對所有恒溫器進行遠程控制。人機界面為美國軍標觸屏電腦，用戶界面采用 C++ 語言開發。目前，美國海軍水面戰中心卡德羅克分部-艦船系統工作站正在開發可管理所有系統的用戶界面（UI）軟件。用戶界面可顯示所有系統數據，并允許用戶與系統間的交互。

2）可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（PLC）可從各傳感器收集數據，并傳輸至人機界面。熱管理控制系統采用美國羅克韋爾自動化公司生產的可編程高性能自動化控制器。

3）連接網絡

可編程邏輯控制器和人機界面間由網絡連接，并對所有相關系統進行控制。熱管理控制系統中所有智能恒溫器都將通過網絡連接至人機界面和集體防護系統（CPS）。

3.3系統優點

熱管理控制系統可有效減少過度制冷情況，降低能耗?？刂葡到y可對艦上各空間溫度進行監測和控制，在艦員不經?；顒拥呐撌彝ㄟ^智能恒溫器進行溫度調節，減少空調本地控制開關數量。

此外，使用熱管理控制系統可進一步提高系統安全性，在故障情況下優先減少非重點艙室的制冷量；并增強空氣過濾器和再循環空氣溫度等系統的維護和診斷能力，增強冷卻水系統診斷能力，降低維護成本。

4　美海軍新型熱管理控制系統的發展和應用

4.1美國海軍熱管理控制系統實施步驟

由于完整的熱管理控制系統較為復雜，美國海軍水面戰中心卡德羅克分部計劃分階段開展熱管理系統上艦工作，階段性安裝熱管理子系統，且各階段都將進一步集成在上一階段的系統中，最終可形成完整熱管理系統。

第 1 階段：艙室溫度控制。發展相關軟、硬件，可在中央控制室監測和控制艦上所有獨立艙室的溫度。包括安裝新型控制閥和連網的智能恒溫器。系統可在必要時直接冷卻部分關鍵系統。

第 2 階段：冷卻水控制及改道。發展控制系統軟件，在故障情況下自動改變冷卻水流道，包括可從中央控制站控制或自動修正冷卻水給水系統的智能冷卻水控制閥，保證在故障情況下最大程度地維持作戰能力。

第 3 階段：發展新型高效壓縮機。壓縮機上配置磁軸承、變速傳動裝置及永磁電機，可安裝在傳統交流系統中，增大發電能力并減少能量和維修要求。

第 4 階段：通風系統控制。開發軟件算法及測試設備，利用可控阻尼器和變速傳動裝置改變通風量，控制獨立艙室的通風情況。安裝風機盤管組件變速傳動裝置，減少能量消耗。

2012 年 10 月美海軍首先在 DDG 100 驅逐艦上進行熱量管理控制系統第 1 階段測試，包括更換 129個恒溫器，測試、維修 67個電磁閥等。目前美國海軍正在研發使用新型磁軸承、變速傳動和永磁電機的下一代暖通空調機組。這些新技術可增加發電能力，減少約 25% 的能量消耗，并顯著縮小相應發電系統基礎設施尺寸。

4.2在現役航母上的應用

“尼米茲”級較新的幾艘航母上安裝了通風控制系統，該系統在所有風機處均配置了數字化啟動裝置。通風控制系統通過調節風機速度，可改變各系統的冷空氣量。風機是艦上機械控制系統的一部分，當其他系統需要較大瞬時制冷量時，風機速度可調整至最小電能消耗狀態，最大限度地節約能源。通風啟動裝置同樣與艦上機械控制系統相連，可利用中央控制站進行遠程控制。這種通風控制系統要求風機在損管模式下可迅速隔離。

熱管理系統與艦上機械控制系統（MCS）、綜合條件評估系統（ICAS）等已有系統相連接。目前美國針對現役“尼米茲”級航母開發了“智能航母”機械控制系統，在 CVN 70～CVN 75 航母上使用。此外，美國海軍在 CVN 70，CVN 72，CVN 73和CVN 74 等航母上安裝了綜合狀態評估系統，可有效進行系統診斷。由此看來，“尼米茲”級航母已具有逐步安裝熱管理控制系統的基礎。隨著大功率武器逐步上艦，航母上設備冷卻需求逐步增加，預測未來“尼米茲”級航母及未來航母將會逐步安裝熱管理控制系統。

5　結　語

隨著艦船技術的發展，高能武器、大功率電子設備等高耗能武器的上艦，艦上能量消耗越來越大，艦船節能技術受到越來越多的重視。作為控制艦船能耗的有效手段，基于網絡傳感器和控制器的熱管理控制系統已成為一個必然的發展趨勢，并顯現了良好的效果。

［1］MC CUNNEY. Electric machines technology symposium presentation［R］， 2010.

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The new shipboard thermal management system developed by US navy and its employment on the active aircraft carriers

HU Liang
（Naval A cademy of Armament， Beijing 100073， China）

With the development of technology， the energy consumption of modern ships increases continuously， the shipboard energy saving is becoming more and more importance. Shipboard HVAC system is one of the major energy consumers. The thermal management system can effectively monitor and control the temperature and environment of the ship cabins， resulting energy saving. This paper introduces the new thermal management system developed by the U.S. navy which has been employed on the Nimitz-class aircraft carriers. The system composition， functions and employment of this system are introduced and analyzed in details， which would offer reference to the design of domestic system.

thermal management；cabin temperature；aircraft carrier

U664.5

A

1672-7619（2016）09-0154-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.032

2016-06-10

胡亮（1965-），男，高級工程師，研究方向為火控與制導。