深海载人平台空调系统的研究与设计

王博，郭昂，周鑫涛，徐蒙

(中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082)

0 引 言

深海载人平台是一种可以搭载科学家和作业人员抵达深海开展科学考察或工程作业的海洋装备。“蛟龙”号、“深海勇士”号等载人潜水器是深海载人平台的典型代表，但其下潜作业时间仅数小时[1]，作业效能有限。更长的连续水下作业时间是深海载人平台的发展趋势，而功能完备的舱室大气环境控制系统则是实现这一目标的基本保证。在众多受控的舱内环境参数中，空气的温度与湿度对人体的生理健康、工作效率以及设备性能和可靠性的影响最显而易见的。舱室空气温湿度的调节通常依靠空调系统实现，但目前尚无可以直接指导深海载人平台空调系统设计的标准规范，相关研究也主要集中于舱内气流组织优化、围护结构传热特性分析等方面[2～4]。本文首先对深海载人平台舱室热环境特点开展分析，结合平台的特点提出空调系统的设计要求，对主要技术途径进行比选，给出空调装置的设计方案，最后总结空调系统的功能流程。

1 舱室热环境特点

对于深海载人平台这类特殊的建筑结构物，在开展其舱内空调系统设计前首先要对其舱室热环境特点进行分析，以明确系统的功能需求及划分设计工况。从物理空间的角度，舱室的热环境可分为外界环境条件、舱内热源以及舱室围护结构三方面。

1.1 外界环境条件

外界环境条件是影响空调系统设计工况的主要因素之一。水面船舶的空调工况主要由其航区及相应季节条件决定，通常分夏季和冬季工况。与之相比，深海载人平台的空调工况除受航区与季节影响外，更主要由其使用状态决定。深海载人平台的使用状态包括母船搭载状态、水面航行状态、深海作业状态、上浮与下潜状态四类。其中，母船搭载状态主要通过母船的保障设施提供平台舱室的温湿度调节，空调系统设计时无须考虑该状态。其余三类状态下，深海载人平台的舱内均没有外界新风的引入，主要的外界环境因素是海水温度，空调工况由海水温度变化范围的极限决定，由于海水温度随深度的增加会逐渐降低，通常近水面时下降较快，大深度时下降平缓，到达一定深度时接近稳定。因此根据海水温度的变化情况深海载人平台的空调工况可分为夏季水面工况、冬季水面工况和深海工况。由于水面航行主要用于下潜前姿态调整、设备状态检查或上浮后等待母船回收，在整个潜次中所占时间较小，因此深海工况为主工况，水面工况为次要工况。

1.2 舱内热源

图1为某深海载人平台载人舱室的布置情况。舱室为独立密闭空间，用于平台的驾驶以及人员的生活起居。舱内除人员外，还布置有操控、供配电、计算、环控生保等设备设施。

图 1 深海载人平台载人舱室布局Fig. 1Layout of manned cabin of deep-sea manned platform

与陆地建筑及水面船舶空调舱室相比，深海载人平台舱内的热源的特点包括：1）舱内热源种类繁多，由于舱室功能的多样性，除人体的散热散湿外，还有电子电气设备散热、机械设备散热、高低温容器及管路散热、化学反应散热等；2）单位面积散热量大，为提高舱室的空间利用率，舱内热源设备布置密集，舱内散热占舱室总得热的比例高，对空调负荷计算结果影响大；3）热源散热工况复杂，深海载人平台全天连续不间断航行与作业，舱内热源设备的使用不呈现明显的周期性。为精确计算舱内热源引起的空调负荷，应逐一梳理热源设备的散热机理与使用方式，为避免空调系统容量过大，除采用逐时冷负荷系数外，还可以参考电力系统负荷统计的方法，根据设备的开启运行情况，将不同种类设备的同时使用系统考虑在内。

1.3 舱室围护结构

和其他海洋结构物类似，深海载人平台空调舱室的围护结构也为金属材料，金属的导热性能良好，需要在围护结构内表面敷设一定厚度的隔热层，被动地以控制舱室的渗入渗出热，降低空调系统能耗。对于水面船舶而言，空调系统主要用于夏季和冬季，由于新风负荷的存在，系统功能通常是夏季制冷、冬季制热，围护结构隔热性能与空调能耗的关系必然是隔热性越好，空调能耗越低。因此，传统的设计流程是“先设计、后计算”，即首先根据标准规范确定隔热材料种类与厚度，再计算渗入渗出热。而对于深海载人平台，这种“先设计、后计算”是不合适的，其原因在于平台空调系统的设计主工况是深海工况，外界是低温海水，由于没有外界新风负荷，空调系统的工作模式是不确定的，系统制冷还是制热完全取决于舱内热源散热量与舱室通过围护结构向外界海水渗出热的差值。如果差值为零，则无须空调系统制冷或制热即可以将舱内温度控制在适宜的范围之内。此时应采用的方式是“先计算、后设计”，先根据舱内散热量的精确计算确定渗出热的大小，再以此为目标进行舱室围护结构的隔热设计。

2 空调系统的设计要求

2.1 系统功能要求

深海载人平台空调系统的主要功能包括舱内空气温湿度控制与舱内气流组织。空气温湿度控制功能与系统设计工况相对应，深海工况是系统设计主工况，通过2.3节中所述的舱室围护结构热平衡设计可保证在该工况下无须制热或制冷，但由于舱内存在人员等持续性的湿源，连续的除湿功能就成为空调系统的主要功能。夏季水面工况时，舱内热源及外界渗入热均会使舱内空气温度上升，因此需配备制冷功能。冬季水面是否需要制热则取决于冬季水面工况与深海工况两者海水温度的差值。舱内气流组织功能除保证人员所处位置的风速适宜，提高人体舒适性外，另一项重要任务是均匀全舱各处的空气组分，防止局部热量或有害气体组分聚集，并提高舱内空气再生与空气净化装置的工作效能。

2.2 系统指标要求

舱内空气温湿度和空气噪声是空调系统最主要的设计指标，这2项指标又直接或间接影响了空调制冷量、功率、设计风量及管内风速等设计参数以及系统类型与配置方案。对于深海载人平台，在确定系统设计指标时，如果将长时间的深海工况与短时间的水面工况一视同仁，则会为系统设计带来较大的负担。就温度而言，夏季或冬季水面工况的温度指标越苛刻，则空调负荷计算时夏季渗入渗出热越大，空调设计制冷量和制热量越大，空间需求和噪声均会增大，但在深海工况时制冷与制热功能却并不需要。空气噪声指标亦同，水面工况空调系统噪声指标越高，则在送风量一定的条件下管内风速越低，相应的风管尺寸越大，风管布置难度大大提高，但在深海工况下，舱内除湿或循环通风所需要的风量则远小于水面工况，也造成了明显的空间浪费。本质上，系统指标的确定是系统功能完好性与系统设计负担之间的权衡。对于深海载人平台，不妨采用分级的思想，优先保证深海主工况，适当降低水面工况的指标要求，从而尽量求得两种工况下系统设计参数要求的一致。

参考文献[5]，为充分保证人员舒适性，深海工况舱室空气的温湿度指标可按照热舒适性等级I级设计。而夏季和冬季水面状态则在热舒适性等级II级的基础上，按人员短期逗留区域的处理方式，将温度指标相应提高（夏季）或降低（冬季）2 ℃，如表1所示。对于兼具人员工作和休息功能的舱室，水面的短时工况人员处于工作状态，舱室空气噪声指标参考文献[6]对开敞式办公环境的要求为不高于55 dB（A），深海状态人员处于轮休状态，考虑人员的安静休息需要，空气噪声应不高于50 dB（A）。

表 1 空调系统温湿度指标Tab. 1Temperature and humidity index of air conditioning system

2.3 适装性要求

2.3.1 冷却形式

对于仅在水面或近水面工作的海洋建筑物，空调系统通常将海水引入机舱，再直接通过换热器或通过淡水媒介对制冷单元进行冷却。但对深海载人平台，总体设计的重要原则之一是尽可能减少甚至避免在耐压壳体上开设管路通海口，最大可能降低深海状态下通海管路破损导致的高压海水进入舱室这类灾难性事故。因此，为实现空调系统热量向外界海水传递的功能，只能采用将金属耐压壳体作为换热构件一部分的设计方式。根据换热级数的不同有2种形式：一种是两级换热，空调制冷单元是常规形式，在舱内设置换热水舱，水舱的底面由耐压壳体构成，水舱的其余舱壁采用隔热层包覆，利用淡水作为媒介实现空调系统热量向换热水舱的传递，再通过耐压壳舱壁将热量传递至舷外海水，如图2所示。第二种是单级换热，即直接将空调制冷单元的换热器与耐压壳舱壁共形设计并贴覆到舱壁之上，直接通过金属导热将热量传递到外界。

图 2 换热水舱的冷却方式Fig. 2Cooling method of heat exchange tank

2.3.2 安全性

对于水下密闭空间，制冷单元必须布置于舱室内，如果采用含制冷剂的空调系统，则制冷剂的泄漏是比较大的安全隐患。由于无法与外界通风，制冷剂大量泄漏会降低人员吸入空气中的氧分压从而造成人员窒息。即便只发生微量泄漏，但制冷剂一旦进入基于高温催化燃烧原理的空气净化装置就会发生高温分解而生成氟化氢、氯化氢等剧毒气体[7]，对人员安全也构成严重威胁。因此，从安全性角度，空调系统应优先考虑不使用制冷剂的方式，若无法避免，则应严格保证其气密性，并设置制冷剂检漏装置和人员应急呼吸装置。

2.3.3 尺寸与外形

深海载人平台不仅人均净舱容十分有限，而且为了承受巨大的海水压力，其耐压壳常采用为环肋圆柱壳形式，空间可利用性差。为提高空间利用率并保证施工可行性，空调设备应尽量紧凑，其整体或可拆部件的尺寸应不大于人员进出通道的尺寸，风管应采用与耐压壳轮廓相匹配的异形风管，充分利用舱室顶部空间，提高舱室整体可用高度，降低人员的心里压迫感。

3 技术途径的选择

3.1 制冷方式

目前较为成熟的空调制冷技术主要包括机械压缩制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和热电制冷，如表2所示。其中，机械压缩式制冷技术应用最广泛，制冷效率最高，但该方式存在制冷剂泄漏问题，并且压缩机运行时噪声较高。吸收式和吸附式制冷需依托于低品位热源，且组成部件多，占据空间大。热电制冷的原理是基于帕尔帖效应，与其他制冷技术相比，结构简单，布置灵活，无运行部件，不产生机械噪声，不存在制冷剂泄漏风险，比较适合在特殊的密闭空间采用[8]。热电制冷的主要问题是受限于半导体材料的优值系数，制冷效率较低。综合各类制冷技术的特点，考虑到深海载人平台空调系统的制冷工况主要是持续时间较短的夏季水面状态，热电制冷是最合适的制冷方式。

表 2 不同制冷方式的对比Tab. 2Comparison of different refrigeration modes

3.2 除湿方式

深海载人平台可采用的方式包括固体吸湿和冷凝除湿。载人潜水器常携带一定量的固体吸湿剂，如硅胶、氯化钙等，来吸附舱内空气中的水蒸气，这种方式虽不消耗能量，但在湿度较低的情况下吸湿速度较慢，难以将舱内湿度控制在最舒适的范围，并且由于不具备再生条件，水下作业时间延长时固体吸湿剂的携带量非常大[9]。冷凝除湿是指将高湿空气冷却到其露点温度以下使水蒸气析出，对于深海载人平台，可采用的冷凝除湿方式有3种，一是采用机械压缩式除湿机进行除湿，连续运行时设备能耗较大；二是在舱室围护结构上划出部分区域不敷设隔热材料，利用深海状态下的低温舱壁冷凝空气中的水蒸气，这种方式虽不耗能，但除湿速度不可控，舱壁凝水易落到电气设备上引起安全性问题，大面积的低温舱壁会使人员产生冷感而引起不适；三是配备风机盘管除湿装置，采用两级冷却方式，利用低温淡水作为媒介实现舱内的除湿，这种方式能耗较低，除湿速度可控，合适采用。

3.3 制热方式

空调的制热方式主要包括加热介质制热（如动力装置冷却水、蒸汽等）、电加热和热泵制热（机械压缩式和热电式）。加热介质制热的方式需要加热介质充足且稳定。机械压缩式的热泵制热通过转换制冷系统制冷剂流向从外界海水吸热并向室内放热，当外界海水温度较低时，制热效率显著下降甚至无法使用。电加热和热电制热方式均可为深海载人平台所采用，相较而言热电制热方式效率更高，热电堆由制冷模式切换至制热模式仅需切换电流方向，是最合适的制热方式。

4 空调系统设计

4.1 空调装置的设计

结合舱室内环肋耐压圆柱壳的结构形式，设计出一种利用耐压壳传热的共形式热电空调装置，如图3所示。在相邻的肋骨之间铺设内围板和上、下围板构成空气处理的风道，内围板的上部和下部分别开设通风口作为空调装置的进风口和回风口。热电堆分组布置于风道内，其热端直接与金属舱壁内表面接触，两者之间的间隙使用导热硅脂填充以减小导热热阻，冷端采用换热翅片的形式强化与空气间传热性能。除与热端接触的舱壁内表面位置外，其他构成风道舱壁、肋骨及围板均铺设隔热隔声材料。风机布置于热电堆上方的风道内，其出口与空调装置出风口通过变径风管连接，装置制冷时产生的冷凝水通过下围板上的开孔流入底部的凝水收集舱中。

图 3 共形式热电空调装置示意Fig. 3Conformal thermoelectric air conditioning device

4.2 空调系统功能流程

深海载人平台空调系统的功能流程如图4所示。采用主动与被动调节相结合的方式，夏季或冬季水面工况，利用热电空调装置提供制冷与制热功能。深海工况利用隔热层的精细化隔热设计实现被动控温，通过风机盘管除湿装置实现舱内的连续除湿。

5 结 语

空调系统是实现深海载人平台长时间连续水下作业的重要系统。本文从外界环境条件、舱内热源和舱室围护结构三方面分析了其舱室热环境的特点，提出空调系统功能、指标和适装性要求，选择了最佳的制冷、除湿和制热方式。在此基础上设计了一种共形式热电空调装置，并形成了空调系统的总体功能流程，为深海载人平台空调系统的详细设计提供了基础。