豪華客船陽臺房空調系統的節能設計

謝旭晨 劉 芳 張朝霞 于延玲 張堂德

（上海外高橋造船有限公司 上海 200137）

引 言

豪華客船作為休閑、娛樂和觀光的移動載體，空調系統的舒適程度將直接影響乘客的乘坐體驗。同時空調系統也是能耗大戶，一般約占客船運營總能耗的30%。隨著乘客對居住環境舒適性的要求以及船東對船舶運營節能增效的要求越來越高，實現兼顧舒適性和節能性的空調系統的重要性日益突顯。

豪華客船陽臺房由于直接面向室外，其熱濕負荷較大，目前多采用新風+風機盤管的空調系統，即通過集中式空調箱僅送入滿足衛生要求的新風，房間的負荷由風機盤管處理，屬于典型的半集中式空調系統。由于陽臺房空調系統總耗能占整個居住艙室空調系統的絕大部分，所以陽臺房空調系統的節能設計是客船空調系統節能設計的最重要內容之一。

1 陽臺房空調系統組成及主要部件功能

1.1 陽臺房空調系統組成簡述

豪華客船陽臺房空調系統如圖1所示。首先，新風到焓回收轉輪式空調箱進行獨立集中處理；然后，通過定風量閥或變風量閥被分配至各陽臺房風機盤管（FCU）；在風機盤管混合后，最后將經風機盤管處理過的回風通過布風器送入房間。

圖1 陽臺房空調系統示意圖

變風量閥一般用于大于2人的房間，閥的開度根據實際入住人員數量在乘客辦理入住時自動調節。

各陽臺房的抽風口設在衛生單元，艙室門上不設回風格柵，衛生單元回風經焓回收轉輪式空調箱進行熱量或冷量回收后直接排出室外。

1.2 陽臺房空調系統主要部件功能

1.2.1 焓回收轉輪式空調箱

（1）制冷

在夏季模式下，外界新鮮空氣通過焓回收轉輪進行預冷，焓回收轉輪將熱量和濕氣從進入的室外空氣轉移到回風空氣中，并在進入送風系統之前通過冷媒水盤管進行進一步冷卻和除濕。

（2）加熱

在冬季模式下，通過焓回收轉輪將回風中的熱量和濕氣轉移到進入的室外空氣中，對新風進行預熱和加濕，然后通過安裝在空調箱內或主風管內的再熱熱水盤管進行再加熱。

（3）焓回收器

將排風中的熱（冷）量傳遞給送風的熱轉移設備，習慣稱焓回收器，也稱能量回收部件，滿足以下條件之一即可運行：

① 手動開啟。

② 如果外界溫度低于10℃或外界溫度高于回風溫度（回風溫度一般設定為24℃，豪華客船外界設計溫度一般為：夏季+35℃/冬季0℃），則自動開啟，見表1。

表1 自動模式下焓回收轉輪開關對應溫度表

③ 如果轉輪停止運行1 h，會自動運行2 min進行自潔凈。

1.2.2 風機盤管

（1）風機

風機采用直流無刷電機驅動，風機轉速可進行無極調節并一直處于運行狀態，一般不允許停止風機運轉。

（2）制冷

室內回風經過冷媒水盤管進行制冷，制冷量的調節由安裝在風機盤管內的電動二通閥控制。

（3）加熱

室內回風經過電加熱器進行加熱，加熱器一般使用脈沖調制技術來調節加熱量。

2 陽臺房空調系統的節能設計

由于陽臺房空調系統采用新風+風機盤管的空調系統，所以節能設計的重點是新風段即空調箱和室內風機盤管段這兩個分段如何實現節能，以及這兩個分段如何整體實現系統節能。系統設計時，空調箱處理新風段的熱濕負荷，而房間風機盤管是處理其房間的所有熱濕負荷，基于先決條件，節能設計的2條基本思路是，空調箱處理新風時要隨外界溫度變化而變化；室內風機盤管要隨室內溫度以及人員活動狀態的變化而變化。

2.1 空調箱的節能設計

空調箱的節能靠空調箱的控制系統及其相關部件來完成，控制系統通過感知各點溫度傳感器的信號來調節冷/熱媒水閥的開度，從而保證一定的送風溫度，具體設計如下：

2.1.1 制冷盤管的能量調節

空調箱內位于制冷盤管的下風位置安裝一個溫度傳感器TT1，如圖2所示。

圖2 制冷盤管的能量調節示意圖

系統控制器根據TT1實測數據和設定值的比較按照下頁圖3的調節線對電動二通閥CV1進行調節來控制冷媒水的流量，從而完成空調系統的制冷節能控制。

圖3 制冷盤管的能量調節線

2.1.2 加熱盤管的能量調節

在空調箱內每個區域再熱器（再熱器也可以安裝在從空調箱出來的每根總送風管內）下風位置安裝送風溫度傳感器TT和新風口的位置安裝室外溫度傳感器OT，控制系統通過溫度的變化對電動二通閥CV進行調節來控制熱水的流量，從而完成空調系統的加熱調節控制。加熱盤管的能量調節示意圖見圖4。

圖4 加熱盤管的能量調節示意圖

2.1.3 送風溫度的調節

送風溫度即進入風機盤管之前的新風溫度.通常在控制器中會設定一個固定值，假設固定值設定為24℃，當新風進口的室外溫度傳感器OT探測到這個設定值時，熱水系統上的電動二通閥CV將完全關閉。當室外溫度低于這個設定值時，送風溫度將如圖5的函數線，隨著外界溫度呈線性自動調節，加熱盤管電動二通閥CV將隨著外界溫度降低而開度變大，制冷盤管電動二通閥CV1仍然按照圖3來自動調節開度。

圖5 送風溫度傳感器設定點調節線

2.2 風機盤管節能設計

風機盤管節能靠風機盤管控制系統及其相關部件完成，各陽臺房風機盤管與艙室風機盤管控制系統相連，用于監測、記錄和管理各運行參數。每臺風機盤管都配有一個插件連接，用于檢查數據、進行故障排除和更改參數設置，包括恒溫器的全范圍不工作區設置。控制系統檢測和管理以下輸入/輸出，并把如下數據通過通訊協議傳輸到工作站。

（1）艙室溫度；

（2）室內溫控器設定值；

（3）陽臺門打開/關閉；

（4）門卡插入/拔出；

（5）冷媒水電動二通閥指令；

（6）電加熱器開關指令；

（7）電加熱器安全開關報警；

（8）艙室送風溫度；

（9）風機盤管空氣過濾器壓差報警。

風機盤管控制系統能自動感知陽臺門開閉以及門卡抽插狀態，并通過時間設置來自動進入節能模式，具體設計如下：

2.2.1 風機盤管正常運行模式

當陽臺門處于關閉以及門卡處于插入狀態時，控制系統控制風機盤管進入正常運行模式，假設乘客通過室內溫控器設定室內溫度為24℃時，風機盤管運行規則見圖6。

圖6 正常模式風機盤管運行規則

（1）當室內溫度處于22.5℃以下時（一般在控制系統設定為低于不工作區下限溫度1℃），風機處于最大轉速，電加熱器處于最大開度，制冷盤管電動二通閥關閉。

（2） 當室內溫度處于22.5~23.5℃時（22.5℃到不工作區下限溫度），隨著室內溫度的升高，風機轉速線性降低，電加熱器開度同時線性變小，制冷盤管電動二通閥仍處于關閉狀態。

（3）當室內溫度處于23.5~24.5℃（不工作區溫度范圍，一般在控制系統設定為室內設定溫度±0.5℃），風機處于最小轉速，制冷盤管電動二通閥及電加熱器都處于關閉狀態，此時處于最佳室溫狀態，系統的能耗也是最低。

（4）當室內溫度處于24.5~25℃（不工作區上限溫度到制冷盤管電動二通閥全開溫度，一般設定高于不工作區上限溫度0.5℃），隨著溫度升高，風機轉速線性升高，制冷盤管電動二通閥開度同時線性變大，加熱器處于關閉狀態。

（5）當室內溫度處于25~25.5℃（制冷盤管電動二通閥全開溫度到風機最大轉速溫度，一般設定高于不工作區上限溫度1℃），隨著溫度繼續升高，風機轉速繼續線性升高，制冷盤管電動二通閥開度處于全開狀態，加熱器仍處于關閉狀態。

（6）當室內溫度處于25.5℃以上時，風機轉速保持最大的同時制冷盤管電動二通閥開度處于全開狀態，加熱器仍處于關閉狀態。

2.2.2 風機盤管節能運行模式

當陽臺門開啟或者門卡拔出超過60 ~120 s后（時間可以在控制系統中設定），控制系統控制風機盤管進入節能運行模式，控制系統會根據客人在艙內恒溫器上選擇的設定值，將不工作區擴大±2℃（夏季升溫/冬季降溫）。假設乘客通過室內溫控器設定室內溫度為24℃時，風機盤管運行規則如下頁圖7。

圖7 節能模式風機盤管運行規則

（1）當室內溫度處于20.5℃時（一般在控制系統設定為低于不工作區下限溫度1℃），風機處于最大轉速，電加熱器處于最大開度，制冷盤管電動二通閥關閉。

（2） 當 室 內 溫 度 處 于20.5~21.5℃以 下 時（20.5℃到不工作區下限溫度），隨著室內溫度的升高，風機轉速線性降低，電加熱器開度同時線性變小，制冷盤管電動二通閥仍處于關閉狀態。

（3）當室內溫度處于21.5~26.5℃（不工作區溫度范圍，一般在控制系統設定為相對正常運行模式擴大±2℃），風機處于最小轉速，制冷盤管電動二通閥及電加熱器都處于關閉狀態，此時處于最佳室溫狀態，系統的能耗也是最低。

（4）當室內溫度處于26.5~27℃（不工作區上限溫度到制冷盤管電動二通閥全開溫度，一般設定高于不工作區上限溫度0.5℃），隨著溫度升高，風機轉速線性升高，制冷盤管電動二通閥開度同時線性變大，加熱器處于關閉狀態。

（5）當室內溫度處于27~27.5℃（制冷盤管電動二通閥全開溫度到風機最大轉速溫度，一般設定高于不工作區上限溫度1℃），隨著溫度繼續升高，風機轉速繼續線性升高，制冷盤管電動二通閥開度處于全開狀態，加熱器仍處于關閉狀態。

（6）當室內溫度處于27.5℃以上時，風機轉速保持最大的同時制冷盤管電動二通閥開度處于全開狀態，加熱器仍處于關閉狀態。

當陽臺門關閉以及門卡插入超過60 ~120 s后（時間可以在控制系統中設定），控制系統控制風機盤管恢復正常運行模式。

3 結 語

新風+風機盤管的空調系統由于具備空調箱設備容量小、風管尺寸小和個性化調節能力強等特點，是豪華客船目前常用的陽臺房空調系統。

在新風段的處理中，通過焓回收轉輪的設置不僅能回收回風的大部分能量而且減少了污濁回風污染新風，同時通過自動調節冷/熱媒水閥的開度來保證送入風機盤管前的新風溫度，能有效避免先加熱后制冷或先制冷后加熱等浪費能量的情況出現。

在風機盤管階段的處理中，在節能模式下通過擴大風機盤管不工作區溫度范圍的方式，能使在房間無人或人員處在陽臺活動的情況下，在夏季時風機盤管主要運行在不工作區及房間高溫區間，在冬季時風機盤管主要運行在不工作區及房間低溫區間，在春秋季節時風機盤管主要運行在不工作區。

通過以上設計方法能有效節能并降低船舶運營成本，同時系統具備極強的個性化調節手段，使乘客獲得舒適的空間環境體驗。