船舶變風量空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

陳 安 揚

（708研究所，上海 200011）

0 概 述

自變風量空調(diào)系統(tǒng)（VAV）問世以來，由于它的空氣品質(zhì)和節(jié)能特性，獲得了大家的青睞，在許多場合得到了應(yīng)用。變風量空調(diào)系統(tǒng)是全空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種類別，最初主要應(yīng)用于辦公類和學校類建筑，隨著對系統(tǒng)的不斷深入研究和改進，逐漸擴大了應(yīng)用范圍。鑒于變風量空調(diào)系統(tǒng)的舒適性和節(jié)能性，廣大船舶空調(diào)設(shè)計人員、設(shè)備制造廠商已開始關(guān)注如何將此推廣到同樣是舒適性的全空氣空調(diào)系統(tǒng)的船舶空調(diào)系統(tǒng)中。

1 變風量空調(diào)系統(tǒng)

1.1 變風量空調(diào)系統(tǒng)定義

變風量空調(diào)系統(tǒng)是通過改變送風量和調(diào)節(jié)送風溫度來控制某一空調(diào)區(qū)域溫度的一種空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過變風量末端裝置調(diào)節(jié)送入房間的風量，并相應(yīng)調(diào)節(jié)空調(diào)器的風量來適應(yīng)該系統(tǒng)的風量需求，同時可根據(jù)空調(diào)負荷的變化及室內(nèi)要求參數(shù)的改變，自動調(diào)節(jié)空調(diào)送風參數(shù)（在達到最小送風量時調(diào)節(jié)送風溫度），以滿足室內(nèi)人員的舒適要求或其他工藝要求。同時根據(jù)實際送風量自動調(diào)節(jié)送風機的轉(zhuǎn)速，最大限度地減少風機動力，節(jié)約能量。簡而言之，總風量可變，末端風量可變。

1.2 變風量空調(diào)系統(tǒng)的控制方法

變風量空調(diào)系統(tǒng)的控制涉及兩個層面，即系統(tǒng)層面和設(shè)備層面。作為系統(tǒng)層面，其控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了以下過程。最早是在 1980年代開發(fā)應(yīng)用的定靜壓定溫度法。以后是 1990年代前期開發(fā)應(yīng)用的定靜壓變溫度法。目前采用的有變定靜壓法、總風量法、變靜壓法等[1]。

定靜壓定溫度控制法的控制對象是由機械式VAV末端裝置所組成的空調(diào)系統(tǒng)。核心是調(diào)節(jié)送風量，該法已基本不被采用。定靜壓變溫度法是由VAV所帶風閥調(diào)節(jié)室內(nèi)風量，系統(tǒng)送風量由風管上某一點（或幾點平均）靜壓的改變來確定。同時還可以改變送風溫度來滿足室內(nèi)環(huán)境舒適性的要求。但系統(tǒng)送風量由某一點靜壓值來控制，不可避免地會使風機轉(zhuǎn)速過高，達不到最佳節(jié)能效果；同時在一定的系統(tǒng)靜壓下室內(nèi)的要求風量只能由VAV所帶風閥調(diào)節(jié)，當閥門開度較小時氣流通過噪聲加大，影響室內(nèi)環(huán)境。再者，系統(tǒng)中靜壓點的位置很難確定，科學性差。因此，該控制方法已傾向于被取代。變靜壓法始于 1990年代后期開發(fā)并普及推廣的。該控制方法的核心是盡量使VAV風閥處于全開（85%～100%）狀態(tài)，把系統(tǒng)靜壓降至最低，因而能最大限度地降低風機轉(zhuǎn)速以達到節(jié)能目的。由于以上方法都需要測定靜壓，為避免靜壓波動和風管內(nèi)湍流影響，可以采用總風量控制法，該法的基本原理是建立系統(tǒng)設(shè)定風量與風機設(shè)定轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，無需靜壓測定，用各變風量末端裝置需求風量求和值作為系統(tǒng)設(shè)定總風量，直接求得風機設(shè)定轉(zhuǎn)速。

1.2.1 定靜壓控制方法

通過在風道上合適位置選定一個測點，測量該點靜壓，調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速保證該點靜壓不變。該方法一直存在著一些難于解決的問題：靜壓測點的位置，以及靜壓值的設(shè)定。具體做法通常是選主風道距風機出口2/3處(經(jīng)驗值)的靜壓為控制點，靜壓設(shè)定值取設(shè)計狀況下的壓力值并保持不變，這是為了保證每個末端在任何情況下都能調(diào)到最大設(shè)計風量。這種控制方法最為簡單實用，基本能滿足變風量系統(tǒng)的控制要求。但是，如果整個系統(tǒng)都處于部分負荷工況時，高靜壓設(shè)定值給風機增添了不必要的能耗，而且末端的風閥開度過小導致噪聲很大。

1.2.2 變靜壓控制方法

變靜壓控制通行的思路是根據(jù)末端裝置風閥開度隨時調(diào)整靜壓設(shè)定值，使系統(tǒng)中至少有一個末端裝置風閥的開度接近全開位置。其最終送風壓力可能僅為初始設(shè)定值的一半左右，所以可大大節(jié)省風機功耗。這種方法不僅能夠最大限度地節(jié)約風機能耗，而且不必考慮傳感器的安放位置。由于變靜壓控制方法存在強耦合性和非線性，變風量系統(tǒng)的調(diào)試對系統(tǒng)的成敗起了很大的作用。調(diào)試工作復雜、繁重，具有調(diào)試能力的公司并不多。

1.2.3 總風量控制方法

總風量控制方法在控制系統(tǒng)形式上，具有比靜壓控制簡單得多的結(jié)構(gòu)形式。它可以避免使用壓力測量裝置，減少了一個風機的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)；此外也不需要變靜壓控制時的末端閥位信號。這種控制系統(tǒng)形式上的簡化，同時也帶來了控制系統(tǒng)可靠性的提高。

總風量控制方式在控制點上是直接根據(jù)設(shè)定風量計算出要求的風機轉(zhuǎn)速，具有某種程度上的前饋控制含義，而不同于靜壓控制中典型的反饋控制。但設(shè)定風量并不是一個房間符合變化后立刻設(shè)定到未來能滿足該符合的風量（即穩(wěn)定風量），而是一個由房間溫度偏差積分出的逐漸穩(wěn)定下來的中間控制量。因此總風量控制方式下風機轉(zhuǎn)速也不是在房間負荷變化后立刻調(diào)節(jié)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速就不動了，它可以說是一種直接根據(jù)房間溫度偏差由PID控制器來控制轉(zhuǎn)速的風機控制方法，這是總風量控制方法的實質(zhì)。

1.3 變風量末端裝置

變風量末端裝置有很多種形式，以下僅列出幾種有可能用于船舶空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置：

1)節(jié)流式。這是目前使用最多的一種變風量末端裝置，其中以節(jié)流裝置單葉閥（蝶閥）為最多。節(jié)流式的缺點是增加了系統(tǒng)的能耗和噪聲。

2)可變風口。風口送風量改變時，風口出風面積會同時改變，以保持出風速度不變。

3)再熱式。與普通的再熱型布風器相比，這種變風量末端裝置由于先變風量，后再加熱，所以較之定風量再熱式系統(tǒng)要節(jié)能。

4)壓力無關(guān)型。壓力無關(guān)型變風量末端裝置的風量調(diào)節(jié)閥由室內(nèi)溫控器進行主控制，控制風閥執(zhí)行元件的啟動和關(guān)閉，由速度控制器（或流量測量裝置）進行輔控制，控制送入室內(nèi)的風量，使送風量與室內(nèi)負荷相匹配。

2 船舶空調(diào)系統(tǒng)

2.1 船舶空調(diào)系統(tǒng)的特點

船舶空調(diào)系統(tǒng)一般采用單風管、中壓、中速集中式空調(diào)系統(tǒng)。以運輸船為例，風量范圍約5000～20000m3/h，理論上有采用變風量空調(diào)系統(tǒng)在船舶上應(yīng)用的可行性，在此將船舶空調(diào)與常規(guī)陸用空調(diào)作一些簡單的比較，見表1。

表1 船舶空調(diào)系統(tǒng)與陸用空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的差異

從表1可以看出，船舶空調(diào)屬于舒適性集中式全空氣系統(tǒng)，有應(yīng)用變風量空調(diào)系統(tǒng)的可能性，但與陸用空調(diào)系統(tǒng)還是有著很大差別，單個系統(tǒng)的服務(wù)艙室多，每個艙室都有不同的環(huán)境和要求，按同類組或內(nèi)外區(qū)劃分是不太可能的。

2.2 變風量空調(diào)系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用

在上世紀 90年代的長江旅游客輪上，嘗試采用變風量空調(diào)系統(tǒng)，在常規(guī)布風器前設(shè)置由溫度反饋調(diào)節(jié)的電動調(diào)風門控制風量變化，由靜壓控制變頻調(diào)速風機。限于當時條件，艙室溫度通過風量變化可以調(diào)節(jié)，而風管內(nèi)的靜壓難以測定使得風機的變頻調(diào)速不能達到滿意的效果。為了變風量節(jié)能，在瓊州海峽火車渡船上，根據(jù)海南的季節(jié)變化采用雙速風機的簡單方法，達到了風量調(diào)節(jié)和節(jié)能的要求。隨著陸用變風量空調(diào)的快速發(fā)展，應(yīng)用的場合也越來越多。而船用空調(diào)基本上仍沿用了傳統(tǒng)的設(shè)計，目前僅有少量豪華客船、軍船以及特種船舶如“遠望5號”等采用了變風量空調(diào)系統(tǒng)，但并沒有充分發(fā)揮其所有的全部功能，究其原因，現(xiàn)在的船用變風量空調(diào)系統(tǒng)只是簡單地搬用陸用變風量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備，并沒有對船用空調(diào)的特點進行深入的研究，所以，對變風量空調(diào)系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用還應(yīng)作進一步的探討。

船舶空調(diào)作為特種空調(diào)的一種，最近 20年的發(fā)展已遠遠落后于陸用空調(diào)，但對于占全船電力消耗20%（客船將達到45%）的空調(diào)通風系統(tǒng)，節(jié)能具有非常重要的地位和現(xiàn)實意義。由于變風量空調(diào)系統(tǒng)所具有的節(jié)能特性，是否能夠在船舶空調(diào)方式中占有一席之地，應(yīng)進行有益的探討。

2.3 應(yīng)用的可行性

變風量空調(diào)系統(tǒng)能夠節(jié)能的關(guān)鍵是控制風量的變化，最直觀的反映就是靜壓的變化，因此在已經(jīng)應(yīng)用變風量空調(diào)系統(tǒng)的船上，采用的控制方法都是由靜壓傳感器獲取靜壓變化后，控制變頻風機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風量。根據(jù)變風量空調(diào)系統(tǒng)的特點，靜壓取值點一般在遠離風機2/3處比較合適，否則靜壓設(shè)定值將取得較高，而風機運行時要克服一個不變的、接近于系統(tǒng)總阻力的送風管阻力，無法取得最好的節(jié)能效果。而船舶空調(diào)采用的風管形式是十幾根支管直接連在送風靜壓箱上，當取值點設(shè)在靜壓箱時，是最不利的位置，因為遠離末端，不能及時、準確地反映系統(tǒng)的靜壓變化，所以，無論是定靜壓法還是變靜壓法都不太適合應(yīng)用于船舶變風量空調(diào)系統(tǒng)。

總風量控制法在控制性能上具有快速、穩(wěn)定的特點，而靜壓控制下的系統(tǒng)壓力總是有一些高頻小幅振蕩，測量壓差的變化會引起風機出現(xiàn)一些微小調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)小幅波動，但由于總風量控制方法取消了壓力控制環(huán)節(jié)，可提高系統(tǒng)的可靠性?？傦L量控制的優(yōu)點，使得控制系統(tǒng)不僅減少了初投資，而且在初調(diào)試時可以大大減少工作量?？傦L量控制法需要對風速進行測定，為此開發(fā)了多種型式的風速傳感器，如采用超聲波渦旋法、葉輪轉(zhuǎn)子法、皮托管法、半導體法、磁體法、熱線法等專利產(chǎn)品。但所有這些產(chǎn)品能否符合船用技術(shù)條件，適用于振動、搖擺等環(huán)境狀態(tài)下，還需進一步試驗。

總風量控制在風機節(jié)能上介于變靜壓和定靜壓控制之間，并更接近于變靜壓控制。因為變靜壓控制算法較為復雜而且更容易引起系統(tǒng)壓力振蕩，所以總風量控制從控制角度和節(jié)能角度上綜合考慮，不失為一種替代傳統(tǒng)靜壓控制的有效方法。

然而，目前已經(jīng)使用的VAV 變風量末端的風量檢測裝置不能有效準確地監(jiān)視風量，尤其是在最小風量運行狀態(tài)時，如此微壓差即使采用高精度微壓差變送器在氣流紊流狀態(tài)下也很難準確監(jiān)視（因為實際使用過程中風管布置和安裝空間所限，跟工廠測試臺標定大相徑庭）；同時受到空氣粉塵影響，在運行一段時間后發(fā)生堵塞在所難免，這也是造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的核心因素。

3 結(jié) 語

變風量空調(diào)系統(tǒng)在船舶上應(yīng)用還有很長的路要走。其中有設(shè)計理念的問題，還有系統(tǒng)設(shè)備的適用問題；要解放傳統(tǒng)的設(shè)計思想，還要解決設(shè)備如何滿足船用環(huán)境要求的問題。作為船舶空調(diào)設(shè)計人員，首先要把節(jié)能的理念貫徹到設(shè)計中去。同時，對變風量空調(diào)系統(tǒng)在船舶上更好地應(yīng)用，變風量末端裝置能否適用于船用條件等還需作作進一步的研究。

[1] 葉大法，楊國榮.變風量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.