董 鵬 李志印 簡棄非

1 海軍裝備部艦艇部，北京 100841

2 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

3 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州五山 510640

0 引 言

潛艇艙室人員多、設(shè)備組成復(fù)雜，是一個高濕（局部相對濕度高達(dá)80%）、高溫（機(jī)艙溫度高達(dá)40～50℃）的密閉環(huán)境，大氣環(huán)境中的溫度與濕度對人體及設(shè)備的影響不容忽視。溫、濕度過高會使艇員昏昏欲睡、心情煩躁、工作效率低下，甚至?xí)斐赏T中暑和身體虛脫。設(shè)備有其合適的溫、濕度范圍，在高溫、高濕條件下，設(shè)備無法達(dá)到其最佳工況，嚴(yán)重時會使設(shè)備故障率提高，甚至是縮短設(shè)備的使用壽命。

目前，潛艇多采用直接蒸發(fā)式和間接冷媒水式空調(diào)系統(tǒng)，但無論何種方式，均采用定風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計，并根據(jù)全艇艙室熱、濕負(fù)荷最大時的總和來確定系統(tǒng)送風(fēng)量。而潛艇各艙室的熱負(fù)荷分布復(fù)雜多變、功能不一，不僅人員居住艙與輔機(jī)艙存在明顯區(qū)別，同一艙室的不同區(qū)域也存在差異。可見，各艙室不同區(qū)域的熱、濕負(fù)荷始終處于變化狀態(tài)，而并非最大熱、濕負(fù)荷。當(dāng)某艙室的負(fù)荷發(fā)生變化時，若仍然采用額定風(fēng)量通過送風(fēng)溫度或冷媒水溫度變化間接地控制空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)的卸載或停機(jī)，實現(xiàn)系統(tǒng)能耗控制，則既浪費(fèi)冷量，又會使艙室溫度變化加劇，系統(tǒng)節(jié)能效果不明顯。目前，我國艇用空調(diào)裝置在潛艇水下航行時的用電量約占全艇動力消耗的37%以上，有時高達(dá)70%，直接影響到了潛艇的水下續(xù)航能力［1］。

隨著未來潛艇越來越注重“以人為本”，改善艇內(nèi)居住的舒適性便成為未來潛艇設(shè)計的發(fā)展趨勢之一。因此，為了保證潛艇具備良好的溫、濕度環(huán)境，提高艇員居住的舒適性，潛艇空調(diào)能耗就會上升，勢必會對潛艇續(xù)航力產(chǎn)生更大的影響。因此，如何結(jié)合潛艇自身的特點(diǎn)，解決溫、濕度控制系統(tǒng)的能耗、體積、重量與總體之間的協(xié)調(diào)性問題，實現(xiàn)潛艇低能耗的艙室溫、濕度舒適性控制是未來潛艇設(shè)計急需解決的技術(shù)問題之一。近年來，發(fā)展較快的大溫差空調(diào)技術(shù)和變風(fēng)量空調(diào)技術(shù)為潛艇艙室空氣的熱、濕處理提供了解決思路。本文將大溫差低溫送風(fēng)、變風(fēng)量控制、溫濕度獨(dú)立控制等技術(shù)進(jìn)行整合，結(jié)合潛艇密閉艙室內(nèi)的空氣熱、濕特點(diǎn)，提出較適合于潛艇的低能耗舒適型空調(diào)系統(tǒng)方案。

1 大溫差低溫送風(fēng)系統(tǒng)及應(yīng)用案例

近年來，大溫差空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方法逐漸被業(yè)內(nèi)人士所接受和認(rèn)可，尤其是在我國頒布實施一系列建筑節(jié)能規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以后，采用大溫差空調(diào)系統(tǒng)已成為空調(diào)節(jié)能設(shè)計中的一個亮點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類建筑的空調(diào)系統(tǒng)中［2］。

大溫差空調(diào)系統(tǒng)通常是指利用氟利昂直接制冷的方式使用或供、回水溫差較大的冷媒水產(chǎn)生供、回溫差較大的空調(diào)風(fēng)，來使系統(tǒng)輸送的供風(fēng)溫度達(dá)到更低，從而實現(xiàn)低溫送風(fēng)。與普通的送風(fēng)系統(tǒng)相比，大溫差低溫送風(fēng)系統(tǒng)降低了空調(diào)房間的送風(fēng)溫度，采用的送風(fēng)溫度為4～10℃，這種送風(fēng)溫度系統(tǒng)有別于采用13～16℃溫度送風(fēng)的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)。

對于低溫送風(fēng)空調(diào)，美國和日本有不同的定義。美國的低溫送風(fēng)技術(shù)應(yīng)用歷史較長，如將4℃的低溫送風(fēng)應(yīng)用在濕度控制中，以及將9℃的送風(fēng)用于小型商業(yè)建筑的誘引送風(fēng)等。2～4℃的低溫送風(fēng)被用于醫(yī)院的一次風(fēng)誘引送風(fēng)?，F(xiàn)在，美國的低溫送風(fēng)主要是指低于10℃的送風(fēng)溫度。日本常規(guī)的送風(fēng)溫度為13～16℃，比此溫度低的送風(fēng)稱為低溫送風(fēng)，其在實際應(yīng)用中多為10～13℃，通常將13℃定義為常規(guī)送風(fēng)與低溫送風(fēng)的分界線。美國空調(diào)的送風(fēng)溫度，無論是傳統(tǒng)送風(fēng)還是低溫送風(fēng)方式，其送風(fēng)溫度明顯較日本低，這與兩國的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，其中重要的一點(diǎn)是關(guān)于室內(nèi)相對濕度的設(shè)計規(guī)范［3］。美國空調(diào)的設(shè)計規(guī)范允許室內(nèi)相對濕度低于40%，而日本的規(guī)范則定義舒適性空調(diào)的室內(nèi)相對濕度不得低于40%，這也就意味著空調(diào)送風(fēng)溫度需維持在10℃以上。從實際工程條件及經(jīng)濟(jì)性等因素考慮，日本空調(diào)一般選取的送風(fēng)溫度為10～13℃。

1）在人防工程中的應(yīng)用。

人防工程具有蓄熱能力強(qiáng)及熱、濕穩(wěn)定性好等特性。為低溫送風(fēng)系統(tǒng)選擇的冷源設(shè)備必須能夠提供足夠低的冷流體溫度，以滿足送風(fēng)溫度的要求。隨著送風(fēng)溫度的降低，氣流中會有更多的水分在冷卻盤管中凝結(jié)出來，當(dāng)含濕量低的送風(fēng)與室內(nèi)的空氣混合后，室內(nèi)空氣的含濕量將會明顯降低，從而得到較低的相對濕度與露點(diǎn)溫度。通常，低溫送風(fēng)系統(tǒng)的相對濕度比常規(guī)系統(tǒng)約高10%。同時，在保持較低濕度水平的情況下，還可適當(dāng)提高房間溫度，這樣不僅能保證熱舒適要求，還可達(dá)到節(jié)能的目的。由于低溫送風(fēng)系統(tǒng)可以明顯節(jié)省人防工程中的地下空間和管道高度，因此在保持工程埋深不變的情況下，可增加工程防護(hù)厚度，減小工程高度和土方轉(zhuǎn)運(yùn)量，從而大幅減少基建投資，提高工程的防護(hù)能力，帶來顯著的戰(zhàn)備和經(jīng)濟(jì)效益。

2）在某地鐵和建筑空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

空調(diào)系統(tǒng)中冷水和冷卻水的輸送耗電量約占總耗電量的20%～25%。因此，水系統(tǒng)節(jié)能十分重要。某地鐵采用冷水供/回水溫度為7/17℃的大溫差系統(tǒng)，冷水溫差為10℃。由于冷水溫差的加大，水量、水泵容量、水管管徑及水閥都減小了，使初期投資費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)用均得以降低。據(jù)估算，初期投資費(fèi)可以降低5%～10%，地鐵空調(diào)年運(yùn)行費(fèi)可以降低30%～50%［4-6］。為進(jìn)一步降低空調(diào)系統(tǒng)的初期投資費(fèi)及運(yùn)行費(fèi)用，該地鐵降低了機(jī)組的送風(fēng)溫度。在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中，送風(fēng)溫度約為14～16℃，而該地鐵采用的低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度則為8.2～12℃。送風(fēng)溫度的降低使系統(tǒng)送風(fēng)量減少，相應(yīng)地，機(jī)組風(fēng)機(jī)、電機(jī)、風(fēng)管及風(fēng)閥的功率和尺寸也都減小，送風(fēng)系統(tǒng)的初投資費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)也降低。據(jù)估算，采用上述設(shè)計后，初投資費(fèi)可以降低約10%，年運(yùn)行費(fèi)可以降低30%。

某建筑中的低溫送風(fēng)系統(tǒng)采用的是3℃的冷媒水，一次水側(cè)供/回水溫度為3.3/13.3℃，空調(diào)水側(cè)供/回水溫度為4.5/14.5℃，遠(yuǎn)低于普通中央空調(diào)7/12℃的供回水溫度［7］。該系統(tǒng)的送風(fēng)溫度為8℃，比普通中央空調(diào)的送風(fēng)溫度低約7℃。

2 潛艇大溫差低溫送風(fēng)的技術(shù)優(yōu)勢及需要解決的問題

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

潛艇大溫差低溫送風(fēng)的目的是在滿足顯熱量需求的前提下有效減少送風(fēng)量。通過將常規(guī)的12～18℃送風(fēng)溫度降低到8～10℃甚至更低，可以減少30%～40%的送風(fēng)量，空調(diào)機(jī)組尺寸可以減小20%～30%，風(fēng)管尺寸可減小30%，風(fēng)機(jī)功率可減少30%～50%。減少送風(fēng)量具有許多優(yōu)點(diǎn)［8］：

1）緊湊的空氣處理機(jī)組可以減少安裝空間，降低室內(nèi)噪音。

2）緊湊的VAV末端占用的空間更小，運(yùn)行更安靜。

3）縮小了風(fēng)管直徑。緊湊的風(fēng)管系統(tǒng)設(shè)計不僅能節(jié)省風(fēng)管材料，便于安裝，而且其他管線安裝的可利用空間也更大。

4）減少建筑物層高。

5）降低風(fēng)機(jī)功耗和風(fēng)機(jī)噪音。

6）空調(diào)環(huán)境的相對濕度由常規(guī)送風(fēng)時的55%～65%減小到了低溫送風(fēng)時的40%～45%。

7）在大溫差送風(fēng)思路下，可以考慮采用溫、濕度獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)。

2.2 需要解決的問題

大溫差低溫送風(fēng)技術(shù)在潛艇空調(diào)上的應(yīng)用存在以下主要問題：

1）送風(fēng)溫差增大會導(dǎo)致射流浮力的影響增大，使射流提前下降的可能性增大，引起送風(fēng)下墜等不良現(xiàn)象，從而對舒適性產(chǎn)生影響，降低室內(nèi)熱舒適性和環(huán)境質(zhì)量。其主要表現(xiàn)為：在射流下降的區(qū)域會造成空氣流速較高、溫度較低，從而造成室內(nèi)人員的吹冷風(fēng)感；由于射流提前下降，會造成室內(nèi)存在空調(diào)風(fēng)不能到達(dá)的區(qū)域，導(dǎo)致室內(nèi)溫度分布不均，且在該區(qū)域內(nèi)，空氣流速較低、溫度較高，從而造成室內(nèi)人員感覺較熱，降低室內(nèi)熱舒適性。

2）送風(fēng)流量減少會對出風(fēng)口流速、艙室換氣次數(shù)等產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致氣流組織設(shè)計的難度加大。

3）大溫差低溫送風(fēng)系統(tǒng)所使用的保溫層比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中所用的保溫層更厚，會降低風(fēng)管尺寸減小所帶來的優(yōu)勢。目前，潛艇空調(diào)風(fēng)管多采用薄鋼板、薄鋁合金板等材料，在常規(guī)送風(fēng)溫度下，采用外包19～25 mm厚的保溫材料，系統(tǒng)的散熱損失約為15%，整個管路存在冷橋現(xiàn)象。當(dāng)送風(fēng)溫度為8～10℃時，一般需要采用38 mm厚的保溫層，這不僅使外形尺寸帶來的優(yōu)勢減少，同時也會使冷橋現(xiàn)象加重。

3 變風(fēng)量空調(diào)技術(shù)特點(diǎn)

變風(fēng)量（VAV）空調(diào)能控制系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化自動調(diào)節(jié)室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)量，以滿足室內(nèi)熱、濕環(huán)境要求，與此同時，VAV空調(diào)還可根據(jù)實際送風(fēng)量自動調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而最大限度地減少風(fēng)機(jī)動力，節(jié)約風(fēng)機(jī)能量。因此，該項技術(shù)在民用技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。實際運(yùn)行和統(tǒng)計表明，采用VAV空調(diào)系統(tǒng)后，典型的辦公樓每年每平方米可節(jié)電40～50 kW，整個VAV空調(diào)系統(tǒng)的能耗比定風(fēng)量減少20%～30%，可見變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景。

1）變頻技術(shù)的應(yīng)用使運(yùn)行能耗低。

空調(diào)系統(tǒng)大部分時間是在部分負(fù)荷下工作，VAV系統(tǒng)通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速按負(fù)荷需求輸送空氣，使得風(fēng)機(jī)的能耗大幅降低。同時，也降低了空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱負(fù)荷，從而大幅節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。

2）控制精度高，舒適性好。

傳統(tǒng)的定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)將整個大樓或局部作為一個整體進(jìn)行控制，由于系統(tǒng)過于龐大，系統(tǒng)的惰性和延遲性使得系統(tǒng)的控制質(zhì)量無法得到保證。變風(fēng)量系統(tǒng)能對各房間進(jìn)行單獨(dú)控制，以滿足各個房間的舒適性要求，因此，將其應(yīng)用于環(huán)境負(fù)荷不斷發(fā)生變化的大多數(shù)樓宇效果尤為理想。

VAV空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果及其房間溫度控制性能的優(yōu)劣與空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計具有直接關(guān)系，若末端設(shè)計風(fēng)量無法滿足室內(nèi)最大負(fù)荷要求，則在最大負(fù)荷工況下，VAV末端無論怎樣調(diào)節(jié)也將無法達(dá)到舒適性要求。同時，自控系統(tǒng)的方案及其調(diào)試也直接影響著VAV系統(tǒng)的運(yùn)行，VAV系統(tǒng)是暖通空調(diào)與自動控制緊密結(jié)合的產(chǎn)物，只有合理布置壓力測點(diǎn)和溫度測點(diǎn)并合理調(diào)整控制參數(shù)才能保證變風(fēng)量系統(tǒng)良好運(yùn)行。此外，還需要通過合理的自控系統(tǒng)解決VAV系統(tǒng)一系列特有的問題，確保充分發(fā)揮VAV系統(tǒng)的優(yōu)勢。

4 技術(shù)解決方案

4.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

針對潛艇自身的特點(diǎn)，本方案的空調(diào)系統(tǒng)采用間接冷媒水式，采用大溫差低溫送風(fēng)、變風(fēng)量控制以及溫、濕度獨(dú)立控制的系統(tǒng)技術(shù)，該技術(shù)方案在滿足艙室顯熱量需求的前提下可有效減少系統(tǒng)冷媒水量和送風(fēng)量，降低系統(tǒng)冷媒水泵和空調(diào)風(fēng)機(jī)的流量，從而節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)中的輸送能耗（風(fēng)機(jī)及水泵動力能耗），以此達(dá)到降低能耗目的。系統(tǒng)方案設(shè)計原理如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計特點(diǎn)如下：

1）將常規(guī)的冷媒水供/回水溫度5/10℃（溫差5℃）重新設(shè)計為大溫差冷媒水供/回水溫度3/13℃（溫差10℃）。

2）將常規(guī)的12～18℃送風(fēng)溫度降低到8℃，實現(xiàn)大溫差低溫送風(fēng)。

3）系統(tǒng)配置的冷水機(jī)組采用雙渦旋全封閉壓縮機(jī)配置，較單壓縮機(jī)機(jī)組，其能耗調(diào)節(jié)能力增大，并且2臺壓縮機(jī)可互為備份，也提高了系統(tǒng)可靠性。

4）針對潛艇各艙室功能不一、熱負(fù)荷有別、大氣質(zhì)量存在差異等特點(diǎn)，將各艙室設(shè)立為獨(dú)立的空調(diào)區(qū)域，避免輔機(jī)艙、住艙等艙室的大氣質(zhì)量和熱負(fù)荷相互影響，并根據(jù)艙室熱負(fù)荷配置相應(yīng)的分體式空調(diào)器，空調(diào)器的風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速設(shè)計，以保證低送風(fēng)溫度不變，通過送風(fēng)量的改變來滿足艙室熱負(fù)荷變化要求，通過管路系統(tǒng)靜壓變化調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓力。

5）針對大溫差低溫送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)溫差大，以及流量減少導(dǎo)致的氣流組織控制難、舒適性差等技術(shù)問題，系統(tǒng)采用變風(fēng)量調(diào)節(jié)，末端設(shè)計為二次混合可調(diào)節(jié)式，將系統(tǒng)所輸送的低溫空調(diào)風(fēng)與艙室風(fēng)進(jìn)行混合后排出，克服了送風(fēng)下墜、射流冷風(fēng)感等技術(shù)問題。

6）由于潛艇艙室為密閉環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)為封閉式循環(huán)系統(tǒng)，無新風(fēng)補(bǔ)充，雖然依靠各艙配置獨(dú)立的空氣凈化單元可以清除艙室有害氣體或異味，但是局部循環(huán)會造成艙室大氣質(zhì)量不均，因此，根據(jù)潛艇的特點(diǎn)，在各艙配置的空調(diào)器進(jìn)風(fēng)端增設(shè)空氣凈化部分，實現(xiàn)艙室空氣凈化。

7）在各艙獨(dú)立的空調(diào)區(qū)域設(shè)置獨(dú)立的溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立進(jìn)行監(jiān)測。溫度控制通過對管路調(diào)風(fēng)閥的控制來進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)艙室相對濕度，控制獨(dú)立的除濕裝置來對艙室濕度進(jìn)行微調(diào)，將居住艙室的濕度控制在50%以下，輔機(jī)艙的相對濕度控制在60%左右。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計原理圖Fig.1 Elementary diagram of the proposed system

8）目前，船用復(fù)合材料的保溫管均為不燃性A級材料（無毒），夾層為多孔泡沫材料，系統(tǒng)的散熱損失≤2%，其不僅可以大幅減小大溫差低溫送風(fēng)帶來的散熱損失，同時還可節(jié)省安裝高度5～10 cm，可克服采用大溫差低溫送風(fēng)帶來的包敷材料厚度增加的影響。但由于連接方式較特殊，不適合應(yīng)用直徑＞500 mm、長度＞5 m的風(fēng)管安裝。

本方案中，空調(diào)風(fēng)管采用復(fù)合材料保溫管與薄鋁合金板相結(jié)合的方案，對于直管道和布置在居住艙、集控區(qū)域的支管道，可采用矩形鋁合金復(fù)合材料風(fēng)管，鋁合金復(fù)合材料采用夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為微孔結(jié)構(gòu)，可起到很好的消聲作用。在空間復(fù)雜、異型管道區(qū)域，仍采用薄鋁合金板，外面包敷19～25 mm厚的福樂絲保溫材料。

4.2 機(jī)組設(shè)計

空調(diào)冷媒水系統(tǒng)實現(xiàn)大溫差后，將對制冷機(jī)組的換熱系數(shù)、能耗、調(diào)節(jié)能力產(chǎn)生較大影響。隨著冷媒水量減少，冷媒水的管內(nèi)流速降低，從而可能使換熱效果降低。為確保換熱量，通常應(yīng)加大機(jī)組蒸發(fā)器的傳熱面積。但是在實際設(shè)計中，大溫差設(shè)計會增大對流換熱兩側(cè)的傳熱溫差，會使實際蒸發(fā)溫度提高，有利于制冷循環(huán)，提高制冷效率。在某地鐵2號線的空調(diào)系統(tǒng)中就采用了大溫差冷水機(jī)組，大溫差實際運(yùn)行工況的制冷量較標(biāo)準(zhǔn)溫差工況下的制冷量增加了約5%，因此，在不增加機(jī)組蒸發(fā)器換熱面積的情況下，實現(xiàn)大溫差工況是可行的。但為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，大溫差空調(diào)冷水機(jī)組的能耗會增加6%～10%，需采取措施盡量減小能耗增加值。

目前，潛艇采用的半封閉活塞式或螺桿式冷水機(jī)組的冷媒水為淡水，其供/回水溫度為5/10℃，溫差5℃，制冷系數(shù)COP為3.0～3.5，制冷效率不高。同時，機(jī)組冷量調(diào)節(jié)普遍只具備3檔或4檔調(diào)節(jié)能力，若以目前的機(jī)組狀態(tài)實現(xiàn)大溫差，機(jī)組能耗會增加10%以上，同時換熱面積也會隨之增加。因此，實現(xiàn)大溫差空調(diào)冷水機(jī)組不僅需要提高制冷效率，重新調(diào)整常規(guī)冷水機(jī)組冷媒水的溫差范圍，盡量減小能耗增值和換熱面積，還需提高冷水機(jī)組的調(diào)節(jié)能力，以適應(yīng)大溫差空調(diào)系統(tǒng)的使用需求。

該方案配置了中央集中空調(diào)冷水機(jī)組，機(jī)組的冷媒水供/回水溫度為3.3/13℃，溫差10℃。為提高制冷效率和供、回水的溫差范圍，可采取以下兩種措施：

1）采用由水與其他冷媒介質(zhì)組成的混合工質(zhì)，如乙二醇等冷媒介質(zhì)，以增加機(jī)組的制冷效率。

2）機(jī)組采用渦旋全封閉壓縮機(jī)配置，這樣，制冷系數(shù)COP可達(dá)4.2以上，在相同制冷量條件下，可降低機(jī)組能耗25%，甚至更多。

本方案機(jī)組采用大、小機(jī)組配置，分別占據(jù)總能量的40%和60%。大、小機(jī)組均采用雙渦旋壓縮機(jī)配置，并分別配備獨(dú)立的冷凝器和蒸發(fā)器，以根據(jù)冷媒水的溫度和系統(tǒng)調(diào)節(jié)變化實現(xiàn)兩機(jī)組的壓縮機(jī)各自自動啟?？刂疲筛鶕?jù)艙室熱負(fù)荷的變化靈活地在0%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了常用工況30%～80%的多檔精確調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)低熱負(fù)荷狀態(tài)或能耗緊張的條件下，可通過檔位調(diào)節(jié)來保證艙室溫度滿足最高限值。

4.3 空調(diào)器及末端設(shè)計

大溫差空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)系統(tǒng)對空調(diào)器的換熱系數(shù)和能耗會產(chǎn)生較大影響。系統(tǒng)送風(fēng)量減少，空調(diào)器的換熱系數(shù)減小，就有可能需要通過增加換熱面積來保證換熱量。因此，需要通過其他手段方式來提高換熱量以抵消換熱系數(shù)減少帶來的影響。目前，常規(guī)的送風(fēng)溫度為12～18℃，實現(xiàn)大溫差低溫送風(fēng)后，送風(fēng)溫度降低到8℃。保持該溫度值不變，系統(tǒng)送風(fēng)量將減少40%以上，而且需要根據(jù)艙室熱負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)風(fēng)量。這樣一來，就對空調(diào)風(fēng)機(jī)送風(fēng)量和調(diào)節(jié)能力提出了較高要求。此外，采用低溫送風(fēng)后，還需要克服冷風(fēng)吹拂人體會產(chǎn)生不適等技術(shù)問題。

本方案采用低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與變風(fēng)量系統(tǒng)并用的方式，通過技術(shù)措施克服因流量和換熱系數(shù)減小帶來的影響，克服低溫送風(fēng)末端送風(fēng)不舒適的技術(shù)難點(diǎn)，同時發(fā)揮更大的節(jié)能效果。主要技術(shù)措施如下：

1）合理配置低溫冷媒水，增加表冷器換熱時冷水與空氣間的對數(shù)溫差。雖然大溫差形成的低流量會降低空調(diào)表冷器的換熱系數(shù)，但是更低的冷媒水溫度會增加表冷器換熱時冷水與空氣間的對數(shù)溫差，從而使表冷器的換熱量增加。通過合理配置低溫冷媒水，增加的換熱量能夠大于由于流量減少導(dǎo)致的換熱量減少，從而避免換熱面積增加。

2）通過增加盤管內(nèi)冷媒水?dāng)_動來增加換熱量。大溫差使冷媒水流量減少會造成流體在管內(nèi)的擾動減少，使管內(nèi)流動由紊流轉(zhuǎn)為層流，此時，在管內(nèi)設(shè)置金屬波紋擾流器可增加擾動，提高換熱效率。同時，采用優(yōu)質(zhì)內(nèi)螺紋盤管可增加換熱面積，提高換熱系數(shù)。

3）針對潛艇單風(fēng)道式特點(diǎn)，空調(diào)系統(tǒng)變風(fēng)量調(diào)節(jié)采用分體式空調(diào)器風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)與誘導(dǎo)型末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式。各艙室根據(jù)溫度變化或需求調(diào)節(jié)末端變風(fēng)量，調(diào)節(jié)風(fēng)口的風(fēng)量閥門大小，使低溫冷風(fēng)量加大或減小。低溫冷風(fēng)與艙室風(fēng)混合后，通過控制風(fēng)口的調(diào)速風(fēng)機(jī)來控制房間送風(fēng)量，從而有效避免吹拂的冷風(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(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風(fēng)量變化。

采用該技術(shù)方案可提高系統(tǒng)集成控制，縮小設(shè)備體積，實現(xiàn)艙室各空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)量可調(diào)，同時還可大幅降低空調(diào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓，從而降低能耗和噪聲。

在末端風(fēng)口與支管末端連接處設(shè)調(diào)節(jié)閥，根據(jù)房間負(fù)荷的變化來控制調(diào)節(jié)閥的開啟度，誘導(dǎo)器內(nèi)的三檔調(diào)速風(fēng)機(jī)將支管內(nèi)的冷風(fēng)與艙內(nèi)空氣混合后再向艙內(nèi)送風(fēng)。通過該裝置，可對住艙、房間溫度進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，改善人員居住環(huán)境，提高舒適性。同時，設(shè)置控制面板并布置于艙壁，以方便人員隨時根據(jù)人體感受情況調(diào)節(jié)溫度。誘導(dǎo)型末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 誘導(dǎo)型末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of derivational and variable air end-equipment

4.4 艙室輔助獨(dú)立除濕設(shè)計

潛艇密閉環(huán)境下的濕度較大。實際測試表明，空調(diào)間歇性開啟條件，冷凝水一天可達(dá)到80 L以上。而且，潛艇的各種使用工況，如上浮換氣、廚房備餐、洗澡等都會導(dǎo)致熱、濕負(fù)荷變化明顯。同時，潛艇住艙因人員密集，4人間、8人間的潛熱負(fù)荷控制難度大，濕度約為70%。長期處于較高濕度環(huán)境下，舒適性較差，并將影響艇員健康。針對目前潛艇潛熱負(fù)荷控制現(xiàn)狀和住艙特點(diǎn)，采用溫、濕度獨(dú)立控制技術(shù)，設(shè)置艙室輔助獨(dú)立除濕裝置，設(shè)定循環(huán)風(fēng)量100～300 m3/h，能耗約150 W，通過濕度控制器自動調(diào)節(jié)房間濕度變化，使房間濕度保持在約50%。同時，當(dāng)潛艇需要節(jié)省能耗時，在關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)后，也可通過開啟獨(dú)立除濕裝置使艙室保持低濕度而獲得較好的舒適性。

5 系統(tǒng)效果分析

5.1 節(jié)能效果

目前，在潛艇間接式空調(diào)系統(tǒng)中，冷媒水系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)約占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的35%～40%，其中，冷媒水的輸送能耗約占總能耗的15%，送風(fēng)系統(tǒng)的輸送能耗約占總能耗的23%。為便于比較效果，本方案以制冷量100 kW的系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。按照常規(guī)設(shè)計，100 kW制冷量活塞式半封閉冷水機(jī)組電機(jī)功率約為30 kW；冷媒水進(jìn)、回水溫度分別為7℃和12℃；冷媒水量18 t/h，冷媒水泵功率4 kW；系統(tǒng)配套空調(diào)器4臺，每臺的制冷量均為25 kW；循環(huán)風(fēng)量3000 m3/h，全壓800 Pa，空調(diào)風(fēng)機(jī)功率2.2 kW；全船空調(diào)系統(tǒng)功率42.8 kW。

1）冷媒水系統(tǒng)能耗分析

采用大溫差冷媒水系統(tǒng)后，進(jìn)、回水溫差Δt較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)增加了一倍。按下式進(jìn)行計算［9］：

式中，qnv為艙室送風(fēng)（水）量，m3/h；Ca為空氣（水）質(zhì)量熱容，J/（kg·K）；ρa(bǔ)為空氣（水）密度，kg/m3；ΔT′為送風(fēng)（水）溫差，℃；q′為換熱量，W。

經(jīng)過計算，可使理論輸送水量減少50%，冷媒水量降低至9 t/h。此時，水量降低后水管路的阻力損失也相應(yīng)降低，從而使揚(yáng)程降低約30%。按照功率為流量與揚(yáng)程的乘積關(guān)系計算，能耗降低到了原來的35%，達(dá)1.4 kW。

2）空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)能耗分析

將常規(guī)的12～18℃送風(fēng)溫度降低到8℃，通過式（1）進(jìn)行理論分析計算，可使空調(diào)風(fēng)量降低約42%，循環(huán)風(fēng)量減小至1740 m3/h。隨著循環(huán)風(fēng)量的減小，風(fēng)管路系統(tǒng)沿程阻力降低，風(fēng)機(jī)全壓降低約30%，約為600 Pa。按照功率為流量與揚(yáng)程乘積的關(guān)系計算，能耗降低到了原來的40%，單臺風(fēng)機(jī)理論能耗達(dá)到0.88 kW。

3）機(jī)組能耗分析

雙渦旋全封閉壓縮機(jī)較活塞式半封閉壓縮機(jī)效率高，介質(zhì)溫度調(diào)節(jié)范圍大，能耗更低。在相同制冷量條件下，能耗僅為活塞式半封閉壓縮機(jī)的75%左右。常規(guī)100 kW活塞式半封閉冷水機(jī)組的能量調(diào)節(jié)范圍為0%，50%，75%和100%，對應(yīng)的能耗為0，21，27，30 kW。采用雙機(jī)組雙渦旋全封閉冷水機(jī)組的能量調(diào)節(jié)范圍為0%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，100%，對應(yīng)的能耗為0，5，7，10，12，14，17，19，24 kW。

4）獨(dú)立除濕裝置能耗分析

獨(dú)立除濕裝置采用成熟的轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)，主要布置在居住艙內(nèi)。根據(jù)單個居住艙凈容積6～9 m3、居住人數(shù)2～6人的設(shè)置，結(jié)合溫、濕度的變化特點(diǎn)，除濕風(fēng)量可選50 m3/h，功率約500 W，采用濕度智能自動控制，根據(jù)居住艙相對濕度的波動變化進(jìn)行啟、?？刂?。目前，國內(nèi)外潛艇居住艙室的配置數(shù)量一般為6～10間，本方案配置除濕裝置8臺，因此，系統(tǒng)總能耗為4 kW。

除濕裝置一般在空調(diào)系統(tǒng)能量卸載和停機(jī)等情況下，艙室相對濕度大于60%時開啟，低于40%時停機(jī)，為間歇性啟動。按照潛艇空調(diào)系統(tǒng)全天開啟間歇性運(yùn)行特點(diǎn)，除濕裝置全天開啟的時間可按0.2取值，因此，總能耗為0.8 kW。

5）系統(tǒng)總能耗

采用大溫差空調(diào)系統(tǒng)后，系統(tǒng)額定總能耗為29.7 kW，較常規(guī)定風(fēng)量設(shè)計降低了約30%。不同設(shè)計方案的系統(tǒng)不同運(yùn)行工況能耗比較如表1所示。

表1 各類型設(shè)計方案能耗對比表Tab.1 Power consumption of different projects

5.2 降噪效果

對空調(diào)風(fēng)機(jī)的噪聲效果以公式Lw=Lwc+10 lg(qvp2)-19.8 進(jìn)行計算［10］。由計算可知，定風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)機(jī)額定工況下的噪聲為83 dB，而大溫差變風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)機(jī)額定工況下的噪聲為78 dB，降低了5 dB，降噪效果明顯。

5.3 總體布置效果

大溫差變風(fēng)量系統(tǒng)可減少42%的送風(fēng)量，風(fēng)機(jī)外形尺寸減少了約20%～30%，風(fēng)管尺寸減少30%以上，冷媒水泵流量減少50%，外形尺寸可減少約30%。此外，由于管路系統(tǒng)管徑減小，系統(tǒng)整體重量明顯減少，對總體布置和排水量控制將更有利。

6 結(jié) 論

本文針對潛艇各艙室功能不一、熱負(fù)荷有別、空調(diào)系統(tǒng)能耗高、調(diào)節(jié)能力弱等特點(diǎn)，采用大溫差低溫送風(fēng)、變風(fēng)量控制與溫、濕度獨(dú)立控制等相結(jié)合的方式，利用雙渦旋全封閉壓縮機(jī)、誘導(dǎo)型末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置和變風(fēng)量等技術(shù)，克服了大溫差低溫送風(fēng)系統(tǒng)存在的送風(fēng)下墜、射流冷風(fēng)感等問題，形成了合理可行的低能耗舒適型潛艇空調(diào)系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了艙室溫、濕度監(jiān)測、系統(tǒng)自動變量調(diào)節(jié)及艙室溫、濕度獨(dú)立控制。通過與常規(guī)定風(fēng)量系統(tǒng)比較發(fā)現(xiàn)，該方案可使額定能耗降低30%，使空調(diào)風(fēng)機(jī)噪聲降低5 dB，并使設(shè)備外形尺寸減少約20%～30%，管系尺寸減少30%以上，系統(tǒng)整體重量明顯降低，將對潛艇噪聲控制、總體布置和排水量控制更有利。

［1］李祥東，汪榮順.水下密閉空間生存環(huán)境的綜合改善技術(shù)——采用低溫冷凍法改善潛艇艙室大氣環(huán)境的空氣凈化系統(tǒng)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（6）：104-107.LI X D，WANG R S.Comprehensive technology for improving living environmentin closed underwater roomages—an air cleaning system for submarine based on eryogenic liquefaction technology［J］.Ship Science and Technology，2008，30（6）：104-107.

［2］江連昌.大溫差空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能評價方法［J］.暖通空調(diào)，2011，41（7）：70-73.JIANG L C.Energy efficiency evaluation method of large temperature difference air conditioning water systems［J］.Heating Ventilating and Air Conditioning，2011，41（7）：70-73.

［3］衡光琳，韓林俊，朱奮飛，等.冷水大溫差運(yùn)行的適應(yīng)性研究［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2009，30（5）：5-11.HENG G L，HAN L J，ZHU F F，et al.Research on the adaptability of the chilled water large temperature difference operation［J］.Refrigeration Air Conditioning and Electric Power Machinery，2009，30（5）：5-11.

［4］羅輝，王靜偉，賀利工.地鐵供冷車站冷凍水大溫差系統(tǒng)節(jié)能分析［J］.都市快軌交通，2008，21（3）：83-84，88.LUO H，WANG J W，HE L G.Energy saving for chilled water system with great temperature differences for the cooling of a subway station［J］.Urban Rapid Rail Transit，2008，21（3）：83-84，88.

［5］馬建榮.大溫差低溫送風(fēng)空調(diào)機(jī)組在地鐵的應(yīng)用［J］.制冷，2009，28（2）：63-65.MA J R.Large temperature difference air conditioning units at low temperature applications in the subway［J］.Refrigeration，2009，28（2）：63-65.

［6］聞彪，吳慶，洪學(xué)新.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究［J］.建筑節(jié)能，2010，38（4）：32-34.WEN B，WU Q，HONG X X.Energy-saving for ventilation and air-conditioning system in subway［J］.Construction Conserves Energy，2010，38（4）：32-34.

［7］馬友才，王春香，劉華斌.廣東科學(xué)中心空調(diào)設(shè)計［J］.暖通空調(diào)，2009，39（3）：10-14.MA Y C，WANG C X，LIU H B.HVAC system design of guangdong science center［J］.Heating Ventilating and Air Conditioning，2009，39（3）：10-14.

［8］李莉.低溫大溫差空調(diào)與常規(guī)空調(diào)冷凍水管路設(shè)計計算比較［J］.流體機(jī)械，2008，36（5）：79-83.LI L.Comparison of chilled water pipeline between large temperature difference air conditioning and conventional air conditioning system［J］.Fluid Machinery，2008，36（5）：79-83.

［9］陳可越.船舶設(shè)計實用手冊［M］.北京：中國交通科技出版社，2007.

［10］續(xù)魁昌.風(fēng)機(jī)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.