船用定风量空调系统能量调节的研究与应用

魏文俊，王 柳，陈 威

（1. 沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129；2. 江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引言

目前大部分船舶的中央空调系统多采用定风量空调系统，利用空调器对新风和回风进行过滤、降温和除湿等处理[1]，为人员住舱和部分工作舱室提供具有一定温湿度和洁净度的新鲜空气[2]。考虑到实用性和经济性等因素，大型船舶中常用集中式空调系统中的一次回风系统作为船用定风量空调系统[3-6]，主要通过回风口设置的温湿度传感器反馈的温度信号，来控制空调器的能量调节。然而，在传统的集中式空调系统的设计中，每台空调器需对多个舱室提供空调风，因此，其主要存在的缺点是：回风温度受到外界干扰时，将反馈给空调器错误的信息，不能及时调整空调的功率，引起部分舱室温度偏低；舱内人员数量变化时，不能及时反馈给空调器进行功率调整[7]；当多个舱室的末端风量被调节时，将破坏其他舱室的风量平衡，导致最不利管段的末端舱室风量减小，引起该舱室温湿度和新风量不符合设计需求。

本文结合某外贸船集中式空调系统的设计、调试和实际使用情况，分析部分舱室的实际温度不满足设计需求的原因，并结合其后续船的设计改进和使用效果，提出一种利用回风控制和典型舱室控制相结合的使用方法，通过船员对不同工况的自主判断和切换使用，使空调器的能量调节更为灵活、方便，有效解决上述各种原因引起的舱内温度不稳定的情况。

1 某船集中式空调系统的介绍和分析

1.1 本船的设计状态介绍

某外贸船是依据GJB 4000—2000《舰船通用规范》设计的系列产品（简称“本船”），其设计原型是参考了国内的某型成熟产品（简称“母船”），两型船在空气调节系统上的制冷量和风量等配置基本相同。本船的空气调节系统主要采用了一次回风系统，通过回风温度控制能调，且根据人员数量和舱内设备的散热量等，对各舱室的空调通风的冷量负荷、风量和换气次数进行了理论计算[8]，每个舱室都配有若干台风量为0～250 m3/h的布风器用于满足循环风量的分配（见表1）。其中，本船空调器的新风比是40%。

表1 空调通风的冷量负荷和风量计算表

上述舱室都配有各自功能所需的设备、电气设备、文件柜和书桌等，航行试验是外界环境温度接近于设计温度34 ℃的夏季工况[1]，根据理论计算，现有的空调器功率、风量和各舱配置的布风器及其数量，可以满足舱内温度(27±2) ℃和每个人员新风量不小于25 m3/h的设计要求[9]。然而，参考母船的试航经验可知，经过长时间的航行，1号、2号、3号住舱的温度会逐渐降低；当其他舱室因生活和工作需要，调节布风器开启度后，会导致2号工作室的温度逐渐升高，且无法通过调节舱内布风器开启度来改善工作环境。母船的空调器采用了回风温度控制的能量调节方式，为了防止出现上述舱室温度不稳定、不可调等情况，本船在设计之初，将空调器的能量调节方式改为回风温度控制和典型舱室温湿度控制相结合的方案。

1.2 案例分析和负荷计算

经勘验，母船在试航期间，空调器的能量调节主要受到3种因素的影响：回风温度受到干扰、舱内人员数量变化、多个舱室的末端风量被调节。因两型船的船人员数量相同、舱室分布基本相同，两型船空气调节系统上的制冷量、风量分配、设备和管附件等配置也基本相同，因此将直接参考母船的试航经验，对本船的空调器能调方式进行分析，见图1。

图1 本船的空调舱室分布

1.1.1 回风温度受到外界干扰的情况

如图1所示，本船的空调器室靠近外界环境，空气调节系统的回风方式采用了走道回风，且因本船空间有限，没有设置集中回风围井，回风主要来源于1甲板的居住舱室，1甲板、2甲板和3甲板的回风则通过梯道逐层送回到空调器。

为满足舱内温度(27±2) ℃的设计需求，回风温湿度传感器的感应温度一般设为27 ℃。因工作需要，空调器室附近对外的舱门长时间处于开启状态，导致空调器的回风同时包含了走道回风和外界新风。因此，感应的回风温度始终是超过27 ℃的状态，使空调器一直处于较高功率的运行状态，引起舱室温度逐渐偏低。当各舱室均开始调小末端布风器时，1甲板的住舱和活动室会因管道阻力最小的特点，导致风量难以大幅度调小、温度逐渐降低、风速过高和噪声超标等问题。

1.1.2 人数变化和风量被调节的情况

2号工作室的标配工作人员是2人（见表1），而在试航期间，舱内的实际人数约为10人。按每个人员新风量不小于25 m3/h的设计要求[9]，及本船空调器40%的新风比，2号工作室此时的所需风量为625 m3/h，大于该舱室的分配风量600 m3/h（见表1）。此外，由于舱内人员数量的变化，引起舱室显热相应改变，其舱室显热[6]和冷量负荷计算如下：

式中：qs为舱室内总得热量，W；qt为舱室的传入热量，W；qp为舱室内计算人数人体发热量，W；ql为舱室内照明热量，W；qe为舱室内设备发热量，W；qf为食物热，W；np为每个舱室内的计算人数；qps为每个舱室内计算人数人体散发显热量，W；qpL为每个舱室内计算人数人体散发潜热量，W。

由于舱内仅人员数量发生了变化，因此除人体发热量qp外，其他参数与原设计相同。将新增人数代入式（1）和式（2）得到：qs'=qs+8×(65+155)=9 044 kcal/h[6]，即2号工作室的实际舱室显热为9 044 kcal/h。因辅助设备冷量没有改变（见表1），该舱室的多余舱室显热为2 164 kcal/h。用于该舱室的空调器的理论送风温度为16.5 ℃，夏季工况下设计温度为(27±2) ℃。舱内设备散热量较大时按极限温升计算通风量[2,6,8]如下：

式中：Q为舱室通风量，m3/h；Ht为舱内设备散热量，kW；Δt为允许极限温升，℃；ρ空气密度，取为1.2 kg/m3；Cp为空气比热，取为1 kJ/(kg·K)。

2号工作室已配有6 880 kcal/h的柜式空调机作为辅助空调设备，因此可理解为舱内需要靠空调送风带走的舱内得热量为2 164 kcal/h，即2.517 kW。又因集中式空调器的理论送风温度为16.5 ℃，本舱需要达到的温度为(27±2) ℃，则舱内的允许极限温升可以计为12.5 ℃。将上述参数代入公式（3）得到：Q=604.08 m3/h，大于该舱室的分配风量600 m3/h（见表1）。

从新风量和舱室冷量负荷的计算可知，试航期间2号工作室的所需风量比分配风量仅大了25 m3/h。理论上，在外界气候环境不超过设计要求的34°C和65%相对湿度[8]的前提下，舱内仅会产生些许闷热和不适的工作环境，而不应发生温度逐渐升高的情况。因此，对于试航期间2号工作室的温度逐渐升高的原因分析如下：

1）试航期间，船员和参试人员的总数远超过了实际营运时的船员总数，使各工作舱室和活动室的人员数量超过了标配人数。如图2所示，因2号工作室的位置和生产设计的综合布置等因素，该舱室的风管是整个空调区域中的最不利管段，导致各工作舱室在调大末端风量时，2号工作室的风量基本没有变化，或发生风量减少的情况，引起温度逐渐升高的情况。

2）工作期间，工作人员都集中在各工作舱室，各住舱的实际舱室显热远小于理论计算，将比工作舱室优先达到(27±2) ℃的设计要求。此时，当与外界环境相通的舱门关闭时，空调器的回风主要来源于1甲板住舱（见图1和图2），而人数超标的工作舱室的温度尚未达到设计要求，空调器的电子三通阀已经开始调节开度、减载运行，导致各送风管的送风温度大于16.5 ℃的理论值，则上述理论计算不成立，引起2号工作室分配风量的换热量不足以带走多余得热量，舱室温度超标。

图2 本船的风管走向示意

2 空调系统的能调优化、分析和应用

2.1 能量调节形式的优化

针对上述情况，本船采用回风温度控制和典型舱室温度控制相结合的能量调节形式。在空调器可编程逻辑控制器（PLC）中增加回风温度控制和典型舱室温度控制2个选项，根据实船情况，人为选择运行模式。其中，回风温度控制是传统的集中式空调器的能量调节形式；典型舱室温度控制是在最不利管段的末端舱室增设温度传感器，并将此类舱室的温度均值作为反馈信号，控制空调器的能量调节。本船将2号工作室和机组室定义为典型舱室，则2种运行模式的使用方法如下：

1）对于回风温度受到外界干扰的情况，选择典型舱室温度控制的运行模式，则空调器接收的温度信号来源于2号工作室和机组室。由于2个舱室处于最不利管段的末端，当这两个舱室的温度均值达到设定值时，其他舱室的温度均能满足（或略低于）设计温度，空调器开始减载运行。即便存在部分舱室因温度偏低，而人为调小末端风量的情况，也会因总风量基本恒定的特点，引起其他管道阻力较小的舱室风量略微增大，不会导致上述2个舱室风量大幅减小的问题。

2）对于人数变化和风量被调节的情况，在不同的时间段，船员主要集中在不同的舱室，因此分为工作期间和非工作期间2种工况。工作期间，主要选择典型舱室温度控制的运行模式，则空调器接收的温度信号同样来源于2号工作室和机组室。由于此时住舱的船员数量较少，主要集中在各工作舱室，因此，当两个处于最不利管段的末端舱室均能标时，其他舱室均已满足设计温度。同1）所述，此时即便其他舱室存在调小末端风量的情况，也不会导致上述2个舱室风量大幅减小和温度不稳定的问题。

3）非工作期间，主要选择回风温度控制的运行模式，则空调器接收的温度信号来源于1甲板走道。由于此时工作舱室没有工作人员，或仅有1名值班人员，且舱内散热设备处于较低功率的工作状态，对分配风量和冷量负荷的需求大幅度减少，因此，无论与外界环境相通的舱门是否开启，都不会产生2号工作室的温度逐渐升高的情况。

如上所述，虽然定风量空调系统运行时，会受到回风温度受到外界干扰、舱内人员数量变化和多个舱室的末端风量被调节3种因素的影响，但主要可以归纳为工作时间和非工作时间两种，因此，实际的运行模式选择可总结为：针对性选用回风温度控制和典型舱室温度控制之一的能调方式（见表2）。

表2 本船空调系统的主要运行模式选择

2.2 新形式的分析和应用

对于只采用回风温度控制的定风量空调系统，需船员尽量按照设计要求使用：严格按照设计要求进行各舱室的风量调试和分配（见表1）、实际营运中人员进出空调区域及时关闭舱门、各舱室人员数量不超过设计要求、不人为调整舱内的末端风量等。因此，该能调形式的空调系统适用于与外界相通的舱门无需经常开启、舱内人员数量变化不大、不利管段较少、无需经常调节末端风量等情况的船舶。

对于只采用典型舱室温度控制的定风量空调系统，需在设计中确定最不利管段的末端舱室，同样需船员在实际营运中尽量不大范围调节舱内的末端风量。因此，该能调形式的空调系统适用于回风温度准确性较差、无法设置集中回风围井、不利管段较明显等情况的船舶。

然而，本船的特点在于：船舶空间狭小，无法设置集中回风围井、存在风管布设较难的不利管段；实际营运中，为方便船员工作，与外界环境相通的舱门会处于常开状态；根据不同的营运状态，实船人员数量会有超过设计要求的情况。鉴于本船存在特殊的工作环境和需求，采用上述2种控制方法相结合的能调方式，可以根据实际营运状态，更为灵活地切换空调器的运行模式（见表3），达到各舱室的新风量和温度适宜、空调系 统的使用效果良好的目的。

表3 3 种运行模式的对比

对于配备定风量空调系统的船舶，只要存在表3中对空调器的能量调节产生干扰的情况，均可以采用回风温度控制和典型舱室温度控制相结合的能调形式。然而，本船在采用该能调形式前，主要是借鉴了母船的航行试验和交付后的营运经验，通过实船的航行经验、发现的问题及其原因分析，确定了本船的2个典型舱室、进行了能调形式的优化。对于新建船舶，为了便于采用上述方案，可在空调系统的施工设计和风管的生产设计阶段，从空调舱室布局、风管走向和布设等方面确定船舶的典型舱室，并在舱内装焊温湿度传感器的底座、预留电缆接口、预留空调器PLC控制接口等。在航行试验中验证典型舱室的正确性，并在船舶交付前，在实际的典型舱室中安装温湿度传感器、完善空调器PLC的控制程序及相关动作试验，以确保空调系统的使用效果良好。实际营运中的运行模式选择以表2为准，也可根据船员的实际使用情况进行调整，而使用的原则参考表3所述的特点进行选择。

3 结论

空气调节系统是用于保证工作舱室内部温度适宜，为船员提供舒适工作环境的船舶辅助系统。传统的定风量空调系统是采用回风温度控制的能量调节方式，局部舱室的调节和温控能力较弱、能调形式单一、需船员尽量按照设计要求使用，存在一定的局限性。而回风温度控制和典型舱室温度控制的结合使用，及空调器PLC控制中增设运行模式的选择，使定风量空调系统的运行更灵活、适用范围更广，能保障各空调舱室的新风量和温度适宜、空调系统的使用效果良好。