李冬冬，李棟，孟昭男，張鵬?，陳紅超

（1-中國船舶重工集團公司第七〇一研究所，上海 201108；2-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

近年來，我國提出和實施海洋強國戰(zhàn)略，發(fā)展強大海軍，我國的艦船制造業(yè)迅速發(fā)展。艦船在海上航行，海上氣候條件復(fù)雜，艦船艙室的外部環(huán)境時刻發(fā)生變化。艦船艙室的內(nèi)環(huán)境是影響艦船綜合作戰(zhàn)能力的重要因素，對艦船上船員和設(shè)備具有重要影響[1]。如果艙室內(nèi)的溫度過高，輕則會影響船員的身體狀態(tài)和精神狀態(tài)，降低工作效率；重則會使船員產(chǎn)生中暑和脫水的現(xiàn)象。如果艙室內(nèi)的濕度過高，導(dǎo)致各種細菌的滋生，危害船員的身體健康。如果設(shè)備長時間在高溫、高濕的空間下工作，極易產(chǎn)生過熱、短路等故障，并會縮短設(shè)備的使用壽命。據(jù)統(tǒng)計，在艦船設(shè)備的故障中，約有52%是由環(huán)境因素引起的；而在環(huán)境因素引起的故障中，溫度引起的故障約占40%，濕度約占19%[2]。由此可見，溫度和濕度對設(shè)備工作的影響極大。為了使艙室內(nèi)的船員和設(shè)備都能在適宜的環(huán)境下工作，需要在各個艙室內(nèi)設(shè)置空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)。

與陸地氣候相比，海上氣候高濕的特點更加明顯。例如，在中國南海區(qū)域，夏天的空氣溫度為27 ℃～34 ℃，與中國南方的溫度基本沒有差別；但相對濕度接近90%，遠高于陸上空氣的相對濕度。因此，對于長時間在海上航行的艦船，艦船艙室的濕負荷更大，即空調(diào)系統(tǒng)所要承擔(dān)的濕負荷更大。而且，艦船在不同的海域之間航行，氣象條件復(fù)雜，艦船艙室外空氣的溫度、濕度時刻發(fā)生變化，艙室內(nèi)的熱、濕負荷也時刻發(fā)生變化，這就對艦船空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)空氣的能力提出了更高的要求。

艦船艙室的功能眾多，對空氣環(huán)境的要求也各異。例如，對于船員居住和工作的艙室，需要在艙室設(shè)置舒適性空調(diào)，不僅要將空氣的溫、濕度控制在合理范圍內(nèi)，還要兼顧艙室內(nèi)的舒適度和空氣質(zhì)量；對于一些船員很少進入的設(shè)備艙室和彈藥庫，要根據(jù)設(shè)備的工作要求和彈藥的儲存要求設(shè)置相應(yīng)的工藝性空調(diào)。相比于舒適性空調(diào)，工藝性空調(diào)對空氣的溫、濕度要求更加嚴格，但對艙室的舒適性方面沒有過多的要求。這就需要艦船空調(diào)系統(tǒng)具有能同時滿足不同艙室環(huán)境需求的能力。

目前，常規(guī)的艦船空調(diào)系統(tǒng)多采用直接蒸發(fā)式和冷凍水式空調(diào)系統(tǒng)，在送風(fēng)方式上，則采用定風(fēng)量常規(guī)溫差送風(fēng)。在送風(fēng)溫度一定的情況下，送風(fēng)量根據(jù)艦船各艙室的最大熱、濕負荷確定[3]。但是，由于艦船艙室外的環(huán)境是時刻變化的，艙室內(nèi)的熱、濕負荷也時刻變化，不同艙室出現(xiàn)最大熱、濕負荷的時間也不同。采用根據(jù)各艙室最大熱、濕負荷確定的送風(fēng)量進行送風(fēng)，必然會造成在大部分時間內(nèi)空調(diào)的制冷量大于艙室的熱負荷量，產(chǎn)生大量的冷量浪費。而且，當(dāng)艙室的熱、濕負荷發(fā)生變化時，空調(diào)系統(tǒng)只能通過調(diào)節(jié)冷水機組冷媒水的溫度或者壓縮機的間歇停機來控制制冷量，這樣既不節(jié)能，又很難同時滿足艦船所有艙室的環(huán)境需求。而針對艦船艙室濕負荷較大的特點，為增大除濕量，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)只能先將空氣的溫度降到很低，然后用加熱器將空氣加熱到正常送風(fēng)溫度，這種方法無疑又增加了空調(diào)系統(tǒng)的能耗。艦船空調(diào)系統(tǒng)作為艦船的重要輔助系統(tǒng)之一，其用電量約為全船電網(wǎng)容量的20%[4]。為保證艦船的續(xù)航能力，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究也非常重要。為了保證艦船各艙室都能具有良好的溫、濕度環(huán)境，同時也能讓空調(diào)系統(tǒng)適應(yīng)艙室熱、濕負荷的變化，需要對新型的空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)進行研究。

本文根據(jù)目前常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于艦船艙室過程中出現(xiàn)的各種問題，分別介紹了大溫差送風(fēng)技術(shù)、變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)和溫濕度獨立控制技術(shù)，為艦船空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的思路。并將大溫差送風(fēng)技術(shù)、變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)和溫濕度獨立控制技術(shù)進行整合，結(jié)合艦船艙室的環(huán)境特點和需求，討論了適用于艦船艙室的空調(diào)系統(tǒng)方案。

1 艦船空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計要求

艦船空調(diào)系統(tǒng)和陸地建筑空調(diào)系統(tǒng)制冷原理上基本相同，空調(diào)系統(tǒng)組成上也無太大差別。但是，由于艦船的空間特點和供電量都有嚴格的限制，而且艦船在海上航行和戰(zhàn)斗時經(jīng)常會發(fā)生顛簸和撞擊，這些因素對艦船空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計和空調(diào)設(shè)備的選擇都提出了不同的要求[2]。首先，艦船空調(diào)系統(tǒng)和空調(diào)設(shè)備在工作時都要保證足夠可靠。這不僅要求空調(diào)系統(tǒng)的所有設(shè)備和部件都能在顛簸的情況下長時間工作，還要準(zhǔn)備充足的備用設(shè)備和部件，并在空調(diào)系統(tǒng)中加入冗余系統(tǒng)。設(shè)置了冗余系統(tǒng)之后，如果部分空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，其他的系統(tǒng)能立刻承擔(dān)其制冷任務(wù)。同時，為了能有效應(yīng)對艦船的顛簸和撞擊，空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)盡量減少活動部件的使用。壓縮機、水泵、風(fēng)機、電動機等設(shè)備在安裝時其軸向應(yīng)力與船體縱向平行，減少艦船晃動對這些設(shè)備的磨損。艦船在海上航行，海水對金屬有較強的腐蝕能力。即使設(shè)備不與海水直接接觸，海上空氣中的鹽霧也會對其中的金屬部件產(chǎn)生腐蝕，因此艦船空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備均要有一定的抗腐蝕能力。例如，冷凝器的管子要采用銅鎳合金，管板用黃銅和銅鎳合金；交換器采用表面鍍鋅的肋片銅管；水腔的蓋板上安置鋅塊，防止海水的電化腐蝕。為了方便船員對空調(diào)系統(tǒng)進行操作和維修，艦船空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該操作簡單，設(shè)備和部件也應(yīng)易于裝拆。

艦船各艙室的熱、濕負荷不同，對環(huán)境的要求也有很大差異，且艙室的負荷還會隨外部環(huán)境的變化而波動，這就要求艦船空調(diào)系統(tǒng)要有更強的自動控制和動態(tài)調(diào)節(jié)能力。艦船艙室比陸上建筑房間的濕負荷更大，艦船空調(diào)系統(tǒng)還需要有更強的除濕能力。但是，由于艦船內(nèi)的空間狹小，各艙室的面積和高度都有限制。這就要求艦船空調(diào)系統(tǒng)在保證制冷和除濕能力的前提下，其制冷機組、水泵、風(fēng)機、風(fēng)管等各部件所占體積要盡量的小，同時要緊湊排布，高效利用艦船內(nèi)的空間。為了提高艦船的運載能力和機動能力，空調(diào)系統(tǒng)各部件的重量也要減輕。

艦船上的能源是有限的，為了提高艦船的綜合作戰(zhàn)能力，艦船空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)盡量節(jié)能，這需要通過系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選擇兩方面來實現(xiàn)。同時，艦船在航行過程中，各種設(shè)備在工作時都會產(chǎn)生噪聲，噪聲對船員的工作效率和身體健康都有不利的影響。因此，艦船空調(diào)系統(tǒng)要做好減噪和降噪的設(shè)計。例如，盡量使用功率較小的壓縮機和風(fēng)機；在風(fēng)管外部包裹隔音效果較好的保溫材料。

綜上可知，由于艦船的特殊性，艦船空調(diào)系統(tǒng)不僅要達到陸上建筑空調(diào)的使用性能，還要根據(jù)艦船自身的特點，在可靠性、智能性和節(jié)能降噪等方面都要達到更高的要求。如前文所述，現(xiàn)在的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用在艦船上會出現(xiàn)各種問題，需要通過在空調(diào)系統(tǒng)中加入一些新技術(shù)來解決。

2 大溫差送風(fēng)技術(shù)

大溫差送風(fēng)技術(shù)是相對于常規(guī)空調(diào)送風(fēng)技術(shù)而言的，常規(guī)空調(diào)的送風(fēng)溫度一般在12 ℃～18 ℃，大溫差送風(fēng)的送風(fēng)溫度一般在8 ℃～12 ℃。大溫差送風(fēng)技術(shù)最早在1947年由美國人提出，隨著低溫冷源和空氣處理技術(shù)的發(fā)展，逐漸被運用到一些空間狹小，布置風(fēng)管有困難的小型建筑改造項目上。隨著社會的快速發(fā)展，建筑空調(diào)的用電量持續(xù)增長，大溫差送風(fēng)技術(shù)高效節(jié)能的優(yōu)勢慢慢凸顯出來[5]。為了減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗，緩解城市的用電壓力，大溫差送風(fēng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛運用到各類建筑的空調(diào)系統(tǒng)中，如工廠廠房、高精密實驗室、公共設(shè)施等方面[6-10]。此外，大溫差送風(fēng)技術(shù)制冷能力更強的特點，也讓它被運用到一些高熱流密度空間的空調(diào)系統(tǒng)中，如數(shù)據(jù)中心、大功率機房等。

艦船的一些大功率設(shè)備艙室就屬于典型的高熱流密度空間。而且，相比于陸上的數(shù)據(jù)中心和設(shè)備機房，艦船設(shè)備艙室的空間更小，設(shè)備的排布更加密集，這使得空調(diào)設(shè)備和風(fēng)管的布置產(chǎn)生了很大的困難。前文說到，艦船空調(diào)系統(tǒng)的用電量約為全船電網(wǎng)容量的20%，減少艦船空調(diào)的能耗對提升艦船的機動和續(xù)航能力十分重要。因此，將大溫差送風(fēng)技術(shù)運用到艦船空調(diào)系統(tǒng)中，具有一些獨特的優(yōu)勢，詳細介紹如下。

1）相比于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，大溫差送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫差更大。因此，在制冷量相同的情況下，大溫差送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量更小。這就使空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理設(shè)備、空氣輸送和分配設(shè)備，包括制冷機組、風(fēng)機、水泵、風(fēng)管以及末端裝置的容量和數(shù)量均大幅減少，空調(diào)系統(tǒng)占用空間顯著降低。這對空間有限的艦船艙室是十分重要的。

2）空氣處理設(shè)備的容量減少，可以使制冷設(shè)備的功率降低；空氣輸送量的減小，可以使風(fēng)機設(shè)備的能耗降低。整個空調(diào)系統(tǒng)的能耗降低，提高了艦船的續(xù)航能力和綜合作戰(zhàn)能力。

3）由于空調(diào)系統(tǒng)的制冷設(shè)備、風(fēng)機、風(fēng)管、末端裝置的容量和尺寸減小，其布置成本和運行成本也相應(yīng)降低[11]。據(jù)估計，空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫差增加1倍，其送風(fēng)量可以減少50%，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備成本可以減少40%，運行成本可以減少50%[12]。

4）由于送風(fēng)溫度降低，空調(diào)系統(tǒng)的除濕能力更強，十分符合艦船艙室濕負荷較高的特點。艙室內(nèi)空氣相對濕度可控制在40%～45%，提高了艙室的熱舒適[13]。

5）由于大溫差送風(fēng)系統(tǒng)比常規(guī)送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫差更大，相同送風(fēng)量下的制冷量也更大，因而具有更強的制冷能力，被廣泛運用在高熱流密度空間的空調(diào)系統(tǒng)中。

6）由于大溫差空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理和輸送過程均在較低的溫度下進行，有利于抑止細菌的繁殖，從而改善室內(nèi)空氣的品質(zhì)，有利于船員的身體健康。

3 變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)

變風(fēng)量送風(fēng)（Variable Air Volume，VAV）是相對于常規(guī)的定風(fēng)量送風(fēng)而言的。定風(fēng)量送風(fēng)是保持送風(fēng)量恒定，通過改變送風(fēng)溫度來調(diào)節(jié)空調(diào)負荷變化的送風(fēng)方式。變風(fēng)量送風(fēng)則與之相反，它保持送風(fēng)溫度恒定，通過改變送風(fēng)量來調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的負荷變化[14-15]。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)誕生于上世紀60年代的美國，80年代在歐美、日本等地得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。因其具有舒適、節(jié)能等特點，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)自 90年代中期逐步在高檔智能化辦公樓和工業(yè)廠房中得到應(yīng)用[16-20]，現(xiàn)已成為世界發(fā)達國家和地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的主流。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是一種全空氣空調(diào)系統(tǒng)，即房間內(nèi)的熱、濕負荷全部由經(jīng)過處理的空氣來負擔(dān)的空調(diào)系統(tǒng)[21]。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的工作過程是：空調(diào)的空氣處理機組對空氣進行冷卻和除濕處理，經(jīng)過處理的空氣經(jīng)過變頻風(fēng)機和風(fēng)管到達艙室外的末端裝置，經(jīng)過末端裝置后被送入房間。為適應(yīng)艙室內(nèi)不斷變化的熱、濕負荷，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在艙室的末端裝置前設(shè)置變風(fēng)量控制器，在保持送風(fēng)溫度不變的條件下，通過改變送入各個艙室的風(fēng)量，來保證房間的溫度達到設(shè)定值并保持恒定。例如，如果艙室的溫度高于設(shè)定值時就提高送風(fēng)量，反之就減小送風(fēng)量。變頻風(fēng)機的作用則是根據(jù)艙室總負荷的變化改變整個空調(diào)系統(tǒng)的總風(fēng)量，使空調(diào)系統(tǒng)的運行更加高效節(jié)能[22-26]。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)由4個基本部分構(gòu)成：空氣處理設(shè)備、風(fēng)機和風(fēng)管系統(tǒng)、末端裝置及自動控制系統(tǒng)。變風(fēng)量系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。其中，空氣處理設(shè)備和末端裝置都可以調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量，是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的核心部分[27]。當(dāng)艙室內(nèi)熱負荷發(fā)生變化時，在變風(fēng)量控制器的控制下，空氣處理設(shè)備和末端裝置調(diào)節(jié)送入艙室的風(fēng)量，以達到調(diào)節(jié)艙室內(nèi)溫度的目的。變風(fēng)量控制器可通過兩種方式控制送風(fēng)量，一種是改變內(nèi)置風(fēng)機的功率，另一種是改變管路的開閉度。

圖1 變風(fēng)量系統(tǒng)示意圖

一種常見的變風(fēng)量系統(tǒng)控制回路如圖2所示[28]。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)是根據(jù)空調(diào)的負荷和室內(nèi)參數(shù)要求進行的。通過對各個艙室的溫度和風(fēng)量進行實時監(jiān)測，通過溫控器和變風(fēng)量控制器決定增加或減少送風(fēng)量。同時，控制回路還設(shè)有反饋機制，變風(fēng)量控制后的艙室溫度將會反饋給控制系統(tǒng)，以決定下一步的控制方案[29]?？刂葡到y(tǒng)的算法設(shè)計對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的工作性能十分重要，現(xiàn)在應(yīng)用較多的算法是比例積分微分（Proportional Integral Derivative，PID）算法及其衍生算法[30-31]。

將變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)應(yīng)用到艦船空調(diào)系統(tǒng)，能使空調(diào)系統(tǒng)適應(yīng)海上氣候復(fù)雜多變的情況。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可以根據(jù)艙室負荷的變化，調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使艙室的溫、濕度都能保持在一個合理且穩(wěn)定的范圍內(nèi)。當(dāng)艙室的負荷較低時，空調(diào)系統(tǒng)可以降低負荷運轉(zhuǎn)，通過減小空調(diào)機組的制冷量，降低變頻風(fēng)機轉(zhuǎn)速等方式，有效減小了空調(diào)系統(tǒng)的能耗。在海上空氣溫度較低時，甚至還可以完全關(guān)閉制冷機組，只用外部環(huán)境的新風(fēng)來調(diào)節(jié)艙室內(nèi)的溫度。新風(fēng)不僅能防止空調(diào)的制冷和風(fēng)管系統(tǒng)出現(xiàn)凝露和發(fā)霉的問題，還能提升室內(nèi)空氣的質(zhì)量。但需要注意的是，海上空氣的濕度較大，在將新風(fēng)送入艙室之前要進行除濕處理。

圖2 變風(fēng)量系統(tǒng)控制回路

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)還能根據(jù)不同艙室的環(huán)境需求，通過調(diào)節(jié)每個艙室的變風(fēng)量末端裝置，實現(xiàn)對不同艙室區(qū)域環(huán)境的靈活控制，不會出現(xiàn)定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)下局部艙室過冷或者過熱的情況。而且，由于各艙室間的空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備相對獨立，因此很容易進行維修和改建。在一般情況下，只需要對某些問題艙室的末端裝置進行維修，周期短，成本小。

雖然變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用在艦船上有很多優(yōu)勢，但還有一些局限性。其中的首要問題是，現(xiàn)在的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)大多是以溫度為判斷依據(jù)來調(diào)節(jié)送風(fēng)量的，它對濕度的控制能力較弱。尤其是對于艦船艙室這種濕負荷較大的環(huán)境，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)很難讓艙室的溫度和濕度都達到要求。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)要應(yīng)用到艦船中，就需要添加獨立控制艙室濕度的功能。其次，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的運行性能依賴于自動控制系統(tǒng)的控制，因此控制系統(tǒng)要根據(jù)艦船艙室的實際情況進行設(shè)計。而且變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)需要在每個艙室都安裝變風(fēng)量末端裝置，末端裝置的風(fēng)機會產(chǎn)生額外的噪音，需要做好隔音降噪的措施。

4 溫濕度獨立控制技術(shù)

目前，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的除濕方式常采用冷凝除濕，即通過制冷機組對空氣進行冷卻，空氣在降溫過程中，部分水蒸氣凝結(jié)析出。冷凝除濕的方法能夠同時對空氣進行降溫和除濕的處理，進而同時處理艙室內(nèi)的熱負荷和濕負荷，是目前運用最廣泛的除濕方法。但是，冷凝除濕這種將制冷和除濕完全關(guān)聯(lián)在一起的方法運用在艦船空調(diào)系統(tǒng)中，會出現(xiàn)以下問題。

1）通過冷凝方式對空氣同時進行冷卻和除濕，其能處理的熱濕比是有一定范圍的。艦船航行在海上，其艙室的濕負荷所占比例較大，僅用冷凝除濕的方式難以使艙室同時滿足溫度和濕度的要求。尤其是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的除濕能力較差，僅用冷凝除濕的方式更難滿足艙室對濕度的要求。

2）對于濕負荷較大的艙室，采用冷凝除濕方法對空氣進行處理，先要將空氣冷卻到很低的溫度以保證足夠的除濕量。低溫空氣不能直接送入艙室，在此之前還需要進行加熱，這種方法無疑造成了能源浪費。

3）制冷機組溫度過低的冷凍水和經(jīng)冷卻處理之后的空氣，容易使空調(diào)機組和風(fēng)管系統(tǒng)的表面產(chǎn)生凝露和發(fā)霉的現(xiàn)象，影響艙室內(nèi)的空氣品質(zhì)[32]。

冷凝除濕方式存在以上問題的根本原因是將艙室的制冷和除濕過程完全結(jié)合在了一起。因此，將艙室溫度和濕度分開處理的溫濕度獨立控制系統(tǒng)，是一種十分理想的解決方式。溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)把溫度和濕度兩個參數(shù)的控制由一個處理過程分為兩個獨立的處理過程，即用經(jīng)過冷卻的空氣來控制艙室溫度，用經(jīng)過高度除濕的空氣來控制艙室濕度。由于溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)控制艙室溫度的方式與常規(guī)空調(diào)差異不大，因此空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對空氣濕度的處理方式。

4.1 溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的基本原理

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)由溫度控制系統(tǒng)與濕度控制系統(tǒng)組成，如圖3所示[33]。兩個控制系統(tǒng)相互獨立，分別控制室內(nèi)的溫度和濕度。溫度控制系統(tǒng)可以與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相同，采用冷水機組進行制冷，但由于艙室的除濕改由濕度控制系統(tǒng)承擔(dān)，空氣不需要被冷卻到過低的溫度，制冷機組的冷水供水溫度可以比常規(guī)冷水機組更高，因此稱為高溫冷源。由于冷水供水溫度的提高，高溫冷水機組具有較高的能效比，也使得整個空調(diào)系統(tǒng)具有較高的效率。此外，更高的空氣溫度也能有效避免空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)管和末端裝置的凝露和發(fā)霉現(xiàn)象，避免了因細菌滋生導(dǎo)致艙室內(nèi)空氣質(zhì)量下降的問題。濕度控制系統(tǒng)除了負責(zé)控制房間的濕度，還有保證房間空氣質(zhì)量的任務(wù)。海上空氣除了含濕量較大之外，鹽霧的含量也較高，因此濕度控制系統(tǒng)在對空氣除濕的同時還要除去空氣中的灰塵、鹽霧、CO2和其它有害氣體。由于不需要處理空氣的溫度，在濕度控制系統(tǒng)中可以采用一些新的方法對空氣進行除濕。

圖3 溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)原理圖

4.2 空氣濕度的控制方式

濕度控制系統(tǒng)在處理空氣濕度時，可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，采用多種除濕方式。目前比較常用的除濕方式為溶液除濕、轉(zhuǎn)輪除濕和低溫冷源除濕。

1）溶液除濕[34-35]。溶液除濕是讓空氣與一些具有吸濕功能的溶液（如乙二醇、溴化鋰溶液等）接觸，讓溶液吸收空氣中的水蒸氣，達到除濕的目的。典型的溶液除濕系統(tǒng)原理圖如圖4所示。溶液除濕系統(tǒng)由新風(fēng)機、再生器、除濕器和輸配系統(tǒng)組成?？諝膺M入除濕器內(nèi)，與除濕器內(nèi)的吸濕溶液進行熱質(zhì)交換，除濕后的空氣再用風(fēng)機送入房間。吸濕之后的溶液則需要進入再生器進行再生。在再生器中，利用加熱裝置使溶液的濃縮再生。再生后的溶液進入除濕器，繼續(xù)吸收空氣中的水分。除濕器中的溶液在吸收水分時會放出熱量，常需要設(shè)置冷卻裝置使溶液在除濕過程中的溫度保持不變，保持較高的除濕能力。

圖4 溶液除濕系統(tǒng)

2）轉(zhuǎn)輪除濕[33,36]。轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)工作原理圖見圖 5。轉(zhuǎn)輪是用硅膠、分子篩等吸濕材料附著于輕質(zhì)骨料制作的，因此轉(zhuǎn)輪除濕屬于固體吸附式除濕。轉(zhuǎn)輪分為兩部分，分別是除濕區(qū)和再生區(qū)?？諝膺M入轉(zhuǎn)輪的除濕區(qū)，水分被吸濕劑吸附，除濕后的空氣被處理機送出。與此同時，再生空氣經(jīng)加熱后進入轉(zhuǎn)輪的再生區(qū)，轉(zhuǎn)輪上原先吸附的水分在高溫下脫附，并隨濕空氣排至室外，轉(zhuǎn)輪則恢復(fù)了除濕能力。

轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、壽命長、單位吸濕面積除濕量大、適用溫度范圍大的優(yōu)點。但是，由于再生部分的空氣需要加熱，系統(tǒng)耗電較多；而且在應(yīng)用過程中，管路連接比較復(fù)雜。

圖5 轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

3）低溫冷源除濕[33]。低溫冷源除濕系統(tǒng)的原理圖如圖6所示。低溫冷源是相對于溫度控制系統(tǒng)的高溫冷源而言的。低溫冷源除濕方法就是在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置低溫冷源和高溫冷源兩套系統(tǒng)。低溫冷源制備低溫冷凍水（約7 ℃）送入空氣處理機組中用于除濕，高溫冷源系統(tǒng)（約 12 ℃）用于溫度控制。低溫冷凍水和高溫冷凍水可通過低溫冷水機組和高溫冷水機組分別獲得，也可以通過雙工況冷水機組一并獲得。

低溫冷源除濕系統(tǒng)的除濕效果很好，但是該系統(tǒng)由于有兩套冷源系統(tǒng)，制冷機組占地面積大，管路占用的空間也大?？照{(diào)水系統(tǒng)管路復(fù)雜，維修管理不便；處理過的空氣溫度過低，有時需要再熱，浪費能源。

綜上所述，3種除濕方式都需要額外的熱量用于除濕劑的再生或者空氣的再熱。溶液除濕方法的除濕能力較強，除濕性能比較穩(wěn)定，而且可以利用熱量回收的方式減少能源的消耗，比較適用于艦船艙室的空調(diào)系統(tǒng)。

圖6 新風(fēng)低溫冷源除濕系統(tǒng)

5 適用于艦船艙室的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

5.1 空調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)艦船的實際情況和各艙室熱、濕負荷的特點，本文中的空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷型直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)，并結(jié)合大溫差送風(fēng)技術(shù)、變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)和溫濕度獨立控制技術(shù)，空調(diào)系統(tǒng)的示意圖如圖7所示?？照{(diào)系統(tǒng)的制冷機組采用雙系統(tǒng)空調(diào)機組，具有兩臺壓縮機、兩套蒸發(fā)器、兩套室外冷凝器、兩個膨脹閥以及兩套制冷管路。兩套系統(tǒng)分別工作，既可以同時運行，增大制冷量，又可以單獨運行，互相備份，提高空調(diào)系統(tǒng)的可靠性。

圖7 空調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖

空調(diào)冷水機組的供水溫度降為3 ℃，回水溫度為13 ℃，供回水的溫差達到10 ℃。通過更低的供水溫度和更大的供回水溫差，實現(xiàn)大溫差送風(fēng)，將送風(fēng)溫度從常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的14 ℃～18 ℃降低到10 ℃～12 ℃。使用大溫差送風(fēng)技術(shù)，能有效降低系統(tǒng)冷媒水泵和空調(diào)風(fēng)機的流量，在節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)空氣輸送能耗的同時，減小了風(fēng)機和風(fēng)管的體積和噪聲。使用大溫差送風(fēng)系統(tǒng)，要選用適用于大溫差送風(fēng)的空調(diào)機組，其特點是空調(diào)機組內(nèi)換熱器的排數(shù)更多，有利于冷媒水和空氣之間的換熱。換熱器有時還要針對供回水量較小的情況進行管內(nèi)強化換熱措施[37]。同時，針對大溫差送風(fēng)方式送風(fēng)溫度較低、送風(fēng)量較小的缺點，在送風(fēng)時采用誘導(dǎo)性送風(fēng)末端，將新風(fēng)和回風(fēng)混合后再送入艙室。這樣既可以增大房間的送風(fēng)量，改善艙室的氣流組織，又可以避免末端裝置附近區(qū)域的凝露現(xiàn)象。

艦船各艙室功能不一，船員艙室和設(shè)備艙室對溫、濕度的需求不同，對舒適性和空氣質(zhì)量的需求也不同，而且不同艙室的熱、濕負荷差距也很大。這時就需要將各艙室隔離為獨立的空調(diào)區(qū)域，避免艙室之間的空氣流動和熱交換。在各艙室空調(diào)區(qū)域設(shè)置獨立的溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)。同時使用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，在每個艙室內(nèi)安裝變風(fēng)量末端裝置，每個艙室的監(jiān)控系統(tǒng)與變風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)相耦合，對艙室的溫、濕度進行動態(tài)調(diào)節(jié)。在保證送風(fēng)溫度不變的條件下，通過改變風(fēng)機的功率和末端風(fēng)口的開閉度控制送風(fēng)量，以適應(yīng)不同艙室時刻改變的熱、濕負荷。使用變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)，可以使空調(diào)系統(tǒng)同時滿足艦船不同艙室的參數(shù)要求，還可以根據(jù)艙室負荷變化隨時調(diào)節(jié)風(fēng)機的送風(fēng)量，避免造成冷量浪費。

針對艦船艙室濕負荷所占比例較大的特點，可采用溫濕度獨立控制系統(tǒng)。其中，溫度控制系統(tǒng)仍采用大溫差送風(fēng)方式，濕度控制系統(tǒng)采用帶回?zé)峁δ艿娜芤撼凉裣到y(tǒng)。根據(jù)各個艙室不同的環(huán)境要求和不同的熱、濕負荷，利用變風(fēng)量送風(fēng)方式對每個艙室進行獨立的溫濕度處理。使用溫濕度獨立控制技術(shù)，可以使空調(diào)系統(tǒng)在能耗較低的情況下，同時滿足艙室對空氣溫度和濕度的要求。

對空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)管采用A級不燃性保溫材料進行包裹。該材料是一種復(fù)合材料，內(nèi)部夾層為多孔泡沫材料，無毒，性質(zhì)穩(wěn)定，不僅具有出色的保溫效果，還有良好的隔音效果。使用這種保溫材料，可以有效克服因采用大溫差送風(fēng)帶來的包敷材料厚度增加的影響。在本文的系統(tǒng)中，空調(diào)的主風(fēng)管和艙室集中區(qū)域的支風(fēng)管均用復(fù)合材料保溫管包裹；對于空間復(fù)雜、異形管道較多的區(qū)域，可采用橡塑保溫棉包裹。

5.2 末端裝置的選擇

采用大溫差送風(fēng)方式會使空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量減小。例如，送風(fēng)溫度從15 ℃降低為10 ℃之后，空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量將會減少30%。同時，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在非滿負荷工作時也會減小送風(fēng)量。送風(fēng)量減小固然能降低空氣在輸送過程中的能耗，但是過小的送風(fēng)量和過低的送風(fēng)溫度也會產(chǎn)生以下問題[38]：

1）風(fēng)口送風(fēng)速度過小，艙室內(nèi)氣流組織情況變差，空調(diào)送風(fēng)難以影響整個艙室；

2）低溫空氣如果直接進入船員艙室，會使船員產(chǎn)生強烈的冷風(fēng)感，影響舒適性；

3）低溫空氣如果直接送入艙室內(nèi)，容易使送風(fēng)裝置區(qū)域附近凝露發(fā)霉，降低室內(nèi)空氣品質(zhì)。

由圖1可知，I類與II類潤滑油對橡膠材料的各類性能參數(shù)的影響類似，而II類潤滑油的影響更小。這是由于II類潤滑油通過加氫工藝生產(chǎn)，含有的極性物質(zhì)更少。

利用末端裝置，將新風(fēng)和來自艙室的回風(fēng)按一定比例混合之后再送入艙室內(nèi)的方法可以同時解決送風(fēng)量過小和送風(fēng)溫度過低這兩個問題。而且，由于送風(fēng)量是在最后的末端裝置中增大的，所以并不會增加空氣輸送系統(tǒng)的能耗，也不需要增加風(fēng)管的尺寸。目前，空調(diào)末端裝置大致分為兩種型式，分別是混合箱和散流器[39-40]?；旌舷湮挥谒惋L(fēng)口之前，利用風(fēng)機或者誘導(dǎo)原理，將從送風(fēng)管來的新風(fēng)和室內(nèi)來的回風(fēng)混合起來，將低溫新風(fēng)的溫度提升到常規(guī)空調(diào)的送風(fēng)溫度之后再送入室內(nèi)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，混合箱可分為3種型式，分別是串聯(lián)式混合箱、并聯(lián)式混合箱和誘導(dǎo)型混合箱。散流器不同于混合箱，它直接將新風(fēng)送入室內(nèi)。散流器利用自身的結(jié)構(gòu)特點，使從送風(fēng)口吹出的低溫新風(fēng)在極短的時間內(nèi)與艙室內(nèi)的空氣混合。目前，常用的散流器主要有條縫型散流器、噴嘴型散流器和渦流型散流器等類型。

誘導(dǎo)型混合箱沒有風(fēng)機，它利用引射原理，利用新風(fēng)將回風(fēng)引射至混合箱內(nèi)，再送至出風(fēng)口。誘導(dǎo)型混合箱運行方式簡單，可靠性好。由于不需要混合風(fēng)機，降低了末端裝置的復(fù)雜性，也能有效減小送風(fēng)時的噪聲，適合運用在本文中的艦船空調(diào)系統(tǒng)中。如圖8所示是一種誘導(dǎo)型末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置[3]。在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，各艙室根據(jù)溫度變化或需求調(diào)節(jié)末端風(fēng)量，調(diào)節(jié)風(fēng)口的風(fēng)量閥門大小，使新風(fēng)量加大或減小。低溫新風(fēng)與艙室回風(fēng)混合后，通過控制風(fēng)口的調(diào)速風(fēng)機來控制房間送風(fēng)量，從而有效避免冷風(fēng)感和小風(fēng)量引起的送風(fēng)下墜。末端風(fēng)口風(fēng)量的變化會引起主送風(fēng)管道靜壓的變化，從而調(diào)整空調(diào)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風(fēng)量變化。

圖8 誘導(dǎo)型末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置

5.3 空調(diào)系統(tǒng)的噪聲控制

艦船空調(diào)系統(tǒng)在工作過程中，風(fēng)機轉(zhuǎn)動和空氣通過風(fēng)管和風(fēng)口都容易產(chǎn)生噪聲。噪聲會對船員的身體狀態(tài)和工作效率產(chǎn)生不良影響，同時也會降低艦船的隱蔽性。因此，需要采取一定措施控制艦船空調(diào)系統(tǒng)的噪聲[41-42]。

減少聲源處噪聲的產(chǎn)生，是噪聲控制中最根本和最有效的手段。艦船空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)選用噪聲較小的空調(diào)機組和風(fēng)機。一般來說，冷水流量較小的空調(diào)機組和功率較小的風(fēng)機產(chǎn)生的噪聲較小。此外，在空氣輸送的過程中，減小空氣流量也能有效地降低噪聲。因此，使用大溫差送風(fēng)方式可以有效降低空調(diào)系統(tǒng)噪聲的產(chǎn)生。對于末端裝置，減小風(fēng)機的數(shù)量和功率，并減小末端裝置和送風(fēng)口對氣流的阻礙都能減少噪聲的產(chǎn)生。

噪聲產(chǎn)生之后，在其傳播過程中進行控制和隔離也十分重要。隔聲和吸聲是噪聲控制過程中的主要技術(shù)手段，使用隔聲結(jié)構(gòu)和吸聲材料可以有效地阻擋或吸收噪聲，可使噪聲的傳播限制在小范圍內(nèi)。在風(fēng)管上包裹具有隔聲吸聲功能的保溫材料，在空調(diào)制冷機組的艙室設(shè)置隔聲結(jié)構(gòu)，如隔聲門、隔聲窗等，都是阻礙噪聲傳播的有效方法。

6 結(jié)論

本文分別介紹了大溫差送風(fēng)技術(shù)、變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)和溫濕度獨立控制技術(shù)。大溫差送風(fēng)技術(shù)可以有效地降低送風(fēng)量，減小空調(diào)系統(tǒng)的能耗和噪聲；變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)可以使艦船不同艙室時刻處于目標(biāo)溫、濕度范圍內(nèi)；溫濕度獨立控制技術(shù)可以有效解決艦船艙室濕負荷所占比例較大的問題，使艙室的溫、濕度可以同時滿足要求。

本文將大溫差送風(fēng)技術(shù)、變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)和溫濕度獨立控制技術(shù)進行有機結(jié)合，并基于艦船不同艙室的需求和環(huán)境特點，提出了適用于艦船艙室的空調(diào)系統(tǒng)方案。系統(tǒng)方案涉及空調(diào)制冷機組到末端裝置整個流程設(shè)備的選擇和主要制冷參數(shù)的設(shè)定。相比與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，新的空調(diào)系統(tǒng)可以對艦船不同艙室的溫、濕度進行動態(tài)調(diào)節(jié)，且系統(tǒng)運行的能耗更低，設(shè)備和部件占用空間更小，更加適合于艦船的實際情況。

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