船用定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)的研究與應(yīng)用

魏文俊，王 柳，陳 威

（1. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129；2. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引言

目前大部分船舶的中央空調(diào)系統(tǒng)多采用定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，利用空調(diào)器對(duì)新風(fēng)和回風(fēng)進(jìn)行過濾、降溫和除濕等處理[1]，為人員住艙和部分工作艙室提供具有一定溫濕度和潔凈度的新鮮空氣[2]?？紤]到實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性等因素，大型船舶中常用集中式空調(diào)系統(tǒng)中的一次回風(fēng)系統(tǒng)作為船用定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)[3-6]，主要通過回風(fēng)口設(shè)置的溫濕度傳感器反饋的溫度信號(hào)，來控制空調(diào)器的能量調(diào)節(jié)。然而，在傳統(tǒng)的集中式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，每臺(tái)空調(diào)器需對(duì)多個(gè)艙室提供空調(diào)風(fēng)，因此，其主要存在的缺點(diǎn)是：回風(fēng)溫度受到外界干擾時(shí)，將反饋給空調(diào)器錯(cuò)誤的信息，不能及時(shí)調(diào)整空調(diào)的功率，引起部分艙室溫度偏低；艙內(nèi)人員數(shù)量變化時(shí)，不能及時(shí)反饋給空調(diào)器進(jìn)行功率調(diào)整[7]；當(dāng)多個(gè)艙室的末端風(fēng)量被調(diào)節(jié)時(shí)，將破壞其他艙室的風(fēng)量平衡，導(dǎo)致最不利管段的末端艙室風(fēng)量減小，引起該艙室溫濕度和新風(fēng)量不符合設(shè)計(jì)需求。

本文結(jié)合某外貿(mào)船集中式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和實(shí)際使用情況，分析部分艙室的實(shí)際溫度不滿足設(shè)計(jì)需求的原因，并結(jié)合其后續(xù)船的設(shè)計(jì)改進(jìn)和使用效果，提出一種利用回風(fēng)控制和典型艙室控制相結(jié)合的使用方法，通過船員對(duì)不同工況的自主判斷和切換使用，使空調(diào)器的能量調(diào)節(jié)更為靈活、方便，有效解決上述各種原因引起的艙內(nèi)溫度不穩(wěn)定的情況。

1 某船集中式空調(diào)系統(tǒng)的介紹和分析

1.1 本船的設(shè)計(jì)狀態(tài)介紹

某外貿(mào)船是依據(jù)GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》設(shè)計(jì)的系列產(chǎn)品（簡(jiǎn)稱“本船”），其設(shè)計(jì)原型是參考了國(guó)內(nèi)的某型成熟產(chǎn)品（簡(jiǎn)稱“母船”），兩型船在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)上的制冷量和風(fēng)量等配置基本相同。本船的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要采用了一次回風(fēng)系統(tǒng)，通過回風(fēng)溫度控制能調(diào)，且根據(jù)人員數(shù)量和艙內(nèi)設(shè)備的散熱量等，對(duì)各艙室的空調(diào)通風(fēng)的冷量負(fù)荷、風(fēng)量和換氣次數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算[8]，每個(gè)艙室都配有若干臺(tái)風(fēng)量為0～250 m3/h的布風(fēng)器用于滿足循環(huán)風(fēng)量的分配（見表1）。其中，本船空調(diào)器的新風(fēng)比是40%。

表1 空調(diào)通風(fēng)的冷量負(fù)荷和風(fēng)量計(jì)算表

上述艙室都配有各自功能所需的設(shè)備、電氣設(shè)備、文件柜和書桌等，航行試驗(yàn)是外界環(huán)境溫度接近于設(shè)計(jì)溫度34 ℃的夏季工況[1]，根據(jù)理論計(jì)算，現(xiàn)有的空調(diào)器功率、風(fēng)量和各艙配置的布風(fēng)器及其數(shù)量，可以滿足艙內(nèi)溫度(27±2) ℃和每個(gè)人員新風(fēng)量不小于25 m3/h的設(shè)計(jì)要求[9]。然而，參考母船的試航經(jīng)驗(yàn)可知，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的航行，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)住艙的溫度會(huì)逐漸降低；當(dāng)其他艙室因生活和工作需要，調(diào)節(jié)布風(fēng)器開啟度后，會(huì)導(dǎo)致2號(hào)工作室的溫度逐漸升高，且無法通過調(diào)節(jié)艙內(nèi)布風(fēng)器開啟度來改善工作環(huán)境。母船的空調(diào)器采用了回風(fēng)溫度控制的能量調(diào)節(jié)方式，為了防止出現(xiàn)上述艙室溫度不穩(wěn)定、不可調(diào)等情況，本船在設(shè)計(jì)之初，將空調(diào)器的能量調(diào)節(jié)方式改為回風(fēng)溫度控制和典型艙室溫濕度控制相結(jié)合的方案。

1.2 案例分析和負(fù)荷計(jì)算

經(jīng)勘驗(yàn)，母船在試航期間，空調(diào)器的能量調(diào)節(jié)主要受到3種因素的影響：回風(fēng)溫度受到干擾、艙內(nèi)人員數(shù)量變化、多個(gè)艙室的末端風(fēng)量被調(diào)節(jié)。因兩型船的船人員數(shù)量相同、艙室分布基本相同，兩型船空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)上的制冷量、風(fēng)量分配、設(shè)備和管附件等配置也基本相同，因此將直接參考母船的試航經(jīng)驗(yàn)，對(duì)本船的空調(diào)器能調(diào)方式進(jìn)行分析，見圖1。

圖1 本船的空調(diào)艙室分布

1.1.1 回風(fēng)溫度受到外界干擾的情況

如圖1所示，本船的空調(diào)器室靠近外界環(huán)境，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的回風(fēng)方式采用了走道回風(fēng)，且因本船空間有限，沒有設(shè)置集中回風(fēng)圍井，回風(fēng)主要來源于1甲板的居住艙室，1甲板、2甲板和3甲板的回風(fēng)則通過梯道逐層送回到空調(diào)器。

為滿足艙內(nèi)溫度(27±2) ℃的設(shè)計(jì)需求，回風(fēng)溫濕度傳感器的感應(yīng)溫度一般設(shè)為27 ℃。因工作需要，空調(diào)器室附近對(duì)外的艙門長(zhǎng)時(shí)間處于開啟狀態(tài)，導(dǎo)致空調(diào)器的回風(fēng)同時(shí)包含了走道回風(fēng)和外界新風(fēng)。因此，感應(yīng)的回風(fēng)溫度始終是超過27 ℃的狀態(tài)，使空調(diào)器一直處于較高功率的運(yùn)行狀態(tài)，引起艙室溫度逐漸偏低。當(dāng)各艙室均開始調(diào)小末端布風(fēng)器時(shí)，1甲板的住艙和活動(dòng)室會(huì)因管道阻力最小的特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)量難以大幅度調(diào)小、溫度逐漸降低、風(fēng)速過高和噪聲超標(biāo)等問題。

1.1.2 人數(shù)變化和風(fēng)量被調(diào)節(jié)的情況

2號(hào)工作室的標(biāo)配工作人員是2人（見表1），而在試航期間，艙內(nèi)的實(shí)際人數(shù)約為10人。按每個(gè)人員新風(fēng)量不小于25 m3/h的設(shè)計(jì)要求[9]，及本船空調(diào)器40%的新風(fēng)比，2號(hào)工作室此時(shí)的所需風(fēng)量為625 m3/h，大于該艙室的分配風(fēng)量600 m3/h（見表1）。此外，由于艙內(nèi)人員數(shù)量的變化，引起艙室顯熱相應(yīng)改變，其艙室顯熱[6]和冷量負(fù)荷計(jì)算如下：

式中：qs為艙室內(nèi)總得熱量，W；qt為艙室的傳入熱量，W；qp為艙室內(nèi)計(jì)算人數(shù)人體發(fā)熱量，W；ql為艙室內(nèi)照明熱量，W；qe為艙室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量，W；qf為食物熱，W；np為每個(gè)艙室內(nèi)的計(jì)算人數(shù)；qps為每個(gè)艙室內(nèi)計(jì)算人數(shù)人體散發(fā)顯熱量，W；qpL為每個(gè)艙室內(nèi)計(jì)算人數(shù)人體散發(fā)潛熱量，W。

由于艙內(nèi)僅人員數(shù)量發(fā)生了變化，因此除人體發(fā)熱量qp外，其他參數(shù)與原設(shè)計(jì)相同。將新增人數(shù)代入式（1）和式（2）得到：qs'=qs+8×(65+155)=9 044 kcal/h[6]，即2號(hào)工作室的實(shí)際艙室顯熱為9 044 kcal/h。因輔助設(shè)備冷量沒有改變（見表1），該艙室的多余艙室顯熱為2 164 kcal/h。用于該艙室的空調(diào)器的理論送風(fēng)溫度為16.5 ℃，夏季工況下設(shè)計(jì)溫度為(27±2) ℃。艙內(nèi)設(shè)備散熱量較大時(shí)按極限溫升計(jì)算通風(fēng)量[2,6,8]如下：

式中：Q為艙室通風(fēng)量，m3/h；Ht為艙內(nèi)設(shè)備散熱量，kW；Δt為允許極限溫升，℃；ρ空氣密度，取為1.2 kg/m3；Cp為空氣比熱，取為1 kJ/(kg·K)。

2號(hào)工作室已配有6 880 kcal/h的柜式空調(diào)機(jī)作為輔助空調(diào)設(shè)備，因此可理解為艙內(nèi)需要靠空調(diào)送風(fēng)帶走的艙內(nèi)得熱量為2 164 kcal/h，即2.517 kW。又因集中式空調(diào)器的理論送風(fēng)溫度為16.5 ℃，本艙需要達(dá)到的溫度為(27±2) ℃，則艙內(nèi)的允許極限溫升可以計(jì)為12.5 ℃。將上述參數(shù)代入公式（3）得到：Q=604.08 m3/h，大于該艙室的分配風(fēng)量600 m3/h（見表1）。

從新風(fēng)量和艙室冷量負(fù)荷的計(jì)算可知，試航期間2號(hào)工作室的所需風(fēng)量比分配風(fēng)量?jī)H大了25 m3/h。理論上，在外界氣候環(huán)境不超過設(shè)計(jì)要求的34°C和65%相對(duì)濕度[8]的前提下，艙內(nèi)僅會(huì)產(chǎn)生些許悶熱和不適的工作環(huán)境，而不應(yīng)發(fā)生溫度逐漸升高的情況。因此，對(duì)于試航期間2號(hào)工作室的溫度逐漸升高的原因分析如下：

1）試航期間，船員和參試人員的總數(shù)遠(yuǎn)超過了實(shí)際營(yíng)運(yùn)時(shí)的船員總數(shù)，使各工作艙室和活動(dòng)室的人員數(shù)量超過了標(biāo)配人數(shù)。如圖2所示，因2號(hào)工作室的位置和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的綜合布置等因素，該艙室的風(fēng)管是整個(gè)空調(diào)區(qū)域中的最不利管段，導(dǎo)致各工作艙室在調(diào)大末端風(fēng)量時(shí)，2號(hào)工作室的風(fēng)量基本沒有變化，或發(fā)生風(fēng)量減少的情況，引起溫度逐漸升高的情況。

2）工作期間，工作人員都集中在各工作艙室，各住艙的實(shí)際艙室顯熱遠(yuǎn)小于理論計(jì)算，將比工作艙室優(yōu)先達(dá)到(27±2) ℃的設(shè)計(jì)要求。此時(shí)，當(dāng)與外界環(huán)境相通的艙門關(guān)閉時(shí)，空調(diào)器的回風(fēng)主要來源于1甲板住艙（見圖1和圖2），而人數(shù)超標(biāo)的工作艙室的溫度尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，空調(diào)器的電子三通閥已經(jīng)開始調(diào)節(jié)開度、減載運(yùn)行，導(dǎo)致各送風(fēng)管的送風(fēng)溫度大于16.5 ℃的理論值，則上述理論計(jì)算不成立，引起2號(hào)工作室分配風(fēng)量的換熱量不足以帶走多余得熱量，艙室溫度超標(biāo)。

圖2 本船的風(fēng)管走向示意

2 空調(diào)系統(tǒng)的能調(diào)優(yōu)化、分析和應(yīng)用

2.1 能量調(diào)節(jié)形式的優(yōu)化

針對(duì)上述情況，本船采用回風(fēng)溫度控制和典型艙室溫度控制相結(jié)合的能量調(diào)節(jié)形式。在空調(diào)器可編程邏輯控制器（PLC）中增加回風(fēng)溫度控制和典型艙室溫度控制2個(gè)選項(xiàng)，根據(jù)實(shí)船情況，人為選擇運(yùn)行模式。其中，回風(fēng)溫度控制是傳統(tǒng)的集中式空調(diào)器的能量調(diào)節(jié)形式；典型艙室溫度控制是在最不利管段的末端艙室增設(shè)溫度傳感器，并將此類艙室的溫度均值作為反饋信號(hào)，控制空調(diào)器的能量調(diào)節(jié)。本船將2號(hào)工作室和機(jī)組室定義為典型艙室，則2種運(yùn)行模式的使用方法如下：

1）對(duì)于回風(fēng)溫度受到外界干擾的情況，選擇典型艙室溫度控制的運(yùn)行模式，則空調(diào)器接收的溫度信號(hào)來源于2號(hào)工作室和機(jī)組室。由于2個(gè)艙室處于最不利管段的末端，當(dāng)這兩個(gè)艙室的溫度均值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，其他艙室的溫度均能滿足（或略低于）設(shè)計(jì)溫度，空調(diào)器開始減載運(yùn)行。即便存在部分艙室因溫度偏低，而人為調(diào)小末端風(fēng)量的情況，也會(huì)因總風(fēng)量基本恒定的特點(diǎn)，引起其他管道阻力較小的艙室風(fēng)量略微增大，不會(huì)導(dǎo)致上述2個(gè)艙室風(fēng)量大幅減小的問題。

2）對(duì)于人數(shù)變化和風(fēng)量被調(diào)節(jié)的情況，在不同的時(shí)間段，船員主要集中在不同的艙室，因此分為工作期間和非工作期間2種工況。工作期間，主要選擇典型艙室溫度控制的運(yùn)行模式，則空調(diào)器接收的溫度信號(hào)同樣來源于2號(hào)工作室和機(jī)組室。由于此時(shí)住艙的船員數(shù)量較少，主要集中在各工作艙室，因此，當(dāng)兩個(gè)處于最不利管段的末端艙室均能標(biāo)時(shí)，其他艙室均已滿足設(shè)計(jì)溫度。同1）所述，此時(shí)即便其他艙室存在調(diào)小末端風(fēng)量的情況，也不會(huì)導(dǎo)致上述2個(gè)艙室風(fēng)量大幅減小和溫度不穩(wěn)定的問題。

3）非工作期間，主要選擇回風(fēng)溫度控制的運(yùn)行模式，則空調(diào)器接收的溫度信號(hào)來源于1甲板走道。由于此時(shí)工作艙室沒有工作人員，或僅有1名值班人員，且艙內(nèi)散熱設(shè)備處于較低功率的工作狀態(tài)，對(duì)分配風(fēng)量和冷量負(fù)荷的需求大幅度減少，因此，無論與外界環(huán)境相通的艙門是否開啟，都不會(huì)產(chǎn)生2號(hào)工作室的溫度逐漸升高的情況。

如上所述，雖然定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到回風(fēng)溫度受到外界干擾、艙內(nèi)人員數(shù)量變化和多個(gè)艙室的末端風(fēng)量被調(diào)節(jié)3種因素的影響，但主要可以歸納為工作時(shí)間和非工作時(shí)間兩種，因此，實(shí)際的運(yùn)行模式選擇可總結(jié)為：針對(duì)性選用回風(fēng)溫度控制和典型艙室溫度控制之一的能調(diào)方式（見表2）。

表2 本船空調(diào)系統(tǒng)的主要運(yùn)行模式選擇

2.2 新形式的分析和應(yīng)用

對(duì)于只采用回風(fēng)溫度控制的定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，需船員盡量按照設(shè)計(jì)要求使用：嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行各艙室的風(fēng)量調(diào)試和分配（見表1）、實(shí)際營(yíng)運(yùn)中人員進(jìn)出空調(diào)區(qū)域及時(shí)關(guān)閉艙門、各艙室人員數(shù)量不超過設(shè)計(jì)要求、不人為調(diào)整艙內(nèi)的末端風(fēng)量等。因此，該能調(diào)形式的空調(diào)系統(tǒng)適用于與外界相通的艙門無需經(jīng)常開啟、艙內(nèi)人員數(shù)量變化不大、不利管段較少、無需經(jīng)常調(diào)節(jié)末端風(fēng)量等情況的船舶。

對(duì)于只采用典型艙室溫度控制的定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，需在設(shè)計(jì)中確定最不利管段的末端艙室，同樣需船員在實(shí)際營(yíng)運(yùn)中盡量不大范圍調(diào)節(jié)艙內(nèi)的末端風(fēng)量。因此，該能調(diào)形式的空調(diào)系統(tǒng)適用于回風(fēng)溫度準(zhǔn)確性較差、無法設(shè)置集中回風(fēng)圍井、不利管段較明顯等情況的船舶。

然而，本船的特點(diǎn)在于：船舶空間狹小，無法設(shè)置集中回風(fēng)圍井、存在風(fēng)管布設(shè)較難的不利管段；實(shí)際營(yíng)運(yùn)中，為方便船員工作，與外界環(huán)境相通的艙門會(huì)處于常開狀態(tài)；根據(jù)不同的營(yíng)運(yùn)狀態(tài)，實(shí)船人員數(shù)量會(huì)有超過設(shè)計(jì)要求的情況。鑒于本船存在特殊的工作環(huán)境和需求，采用上述2種控制方法相結(jié)合的能調(diào)方式，可以根據(jù)實(shí)際營(yíng)運(yùn)狀態(tài)，更為靈活地切換空調(diào)器的運(yùn)行模式（見表3），達(dá)到各艙室的新風(fēng)量和溫度適宜、空調(diào)系 統(tǒng)的使用效果良好的目的。

表3 3 種運(yùn)行模式的對(duì)比

對(duì)于配備定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的船舶，只要存在表3中對(duì)空調(diào)器的能量調(diào)節(jié)產(chǎn)生干擾的情況，均可以采用回風(fēng)溫度控制和典型艙室溫度控制相結(jié)合的能調(diào)形式。然而，本船在采用該能調(diào)形式前，主要是借鑒了母船的航行試驗(yàn)和交付后的營(yíng)運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，通過實(shí)船的航行經(jīng)驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)的問題及其原因分析，確定了本船的2個(gè)典型艙室、進(jìn)行了能調(diào)形式的優(yōu)化。對(duì)于新建船舶，為了便于采用上述方案，可在空調(diào)系統(tǒng)的施工設(shè)計(jì)和風(fēng)管的生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，從空調(diào)艙室布局、風(fēng)管走向和布設(shè)等方面確定船舶的典型艙室，并在艙內(nèi)裝焊溫濕度傳感器的底座、預(yù)留電纜接口、預(yù)留空調(diào)器PLC控制接口等。在航行試驗(yàn)中驗(yàn)證典型艙室的正確性，并在船舶交付前，在實(shí)際的典型艙室中安裝溫濕度傳感器、完善空調(diào)器PLC的控制程序及相關(guān)動(dòng)作試驗(yàn)，以確?？照{(diào)系統(tǒng)的使用效果良好。實(shí)際營(yíng)運(yùn)中的運(yùn)行模式選擇以表2為準(zhǔn)，也可根據(jù)船員的實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)整，而使用的原則參考表3所述的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

3 結(jié)論

空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是用于保證工作艙室內(nèi)部溫度適宜，為船員提供舒適工作環(huán)境的船舶輔助系統(tǒng)。傳統(tǒng)的定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是采用回風(fēng)溫度控制的能量調(diào)節(jié)方式，局部艙室的調(diào)節(jié)和溫控能力較弱、能調(diào)形式單一、需船員盡量按照設(shè)計(jì)要求使用，存在一定的局限性。而回風(fēng)溫度控制和典型艙室溫度控制的結(jié)合使用，及空調(diào)器PLC控制中增設(shè)運(yùn)行模式的選擇，使定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行更靈活、適用范圍更廣，能保障各空調(diào)艙室的新風(fēng)量和溫度適宜、空調(diào)系統(tǒng)的使用效果良好。