王博，郭昂，周鑫濤，徐蒙

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

深海載人平臺是一種可以搭載科學(xué)家和作業(yè)人員抵達(dá)深海開展科學(xué)考察或工程作業(yè)的海洋裝備?！膀札垺碧?、“深海勇士”號等載人潛水器是深海載人平臺的典型代表，但其下潛作業(yè)時間僅數(shù)小時[1]，作業(yè)效能有限。更長的連續(xù)水下作業(yè)時間是深海載人平臺的發(fā)展趨勢，而功能完備的艙室大氣環(huán)境控制系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的基本保證。在眾多受控的艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)中，空氣的溫度與濕度對人體的生理健康、工作效率以及設(shè)備性能和可靠性的影響最顯而易見的。艙室空氣溫濕度的調(diào)節(jié)通常依靠空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但目前尚無可以直接指導(dǎo)深海載人平臺空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，相關(guān)研究也主要集中于艙內(nèi)氣流組織優(yōu)化、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱特性分析等方面[2～4]。本文首先對深海載人平臺艙室熱環(huán)境特點(diǎn)開展分析，結(jié)合平臺的特點(diǎn)提出空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計要求，對主要技術(shù)途徑進(jìn)行比選，給出空調(diào)裝置的設(shè)計方案，最后總結(jié)空調(diào)系統(tǒng)的功能流程。

1 艙室熱環(huán)境特點(diǎn)

對于深海載人平臺這類特殊的建筑結(jié)構(gòu)物，在開展其艙內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計前首先要對其艙室熱環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行分析，以明確系統(tǒng)的功能需求及劃分設(shè)計工況。從物理空間的角度，艙室的熱環(huán)境可分為外界環(huán)境條件、艙內(nèi)熱源以及艙室圍護(hù)結(jié)構(gòu)三方面。

1.1 外界環(huán)境條件

外界環(huán)境條件是影響空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計工況的主要因素之一。水面船舶的空調(diào)工況主要由其航區(qū)及相應(yīng)季節(jié)條件決定，通常分夏季和冬季工況。與之相比，深海載人平臺的空調(diào)工況除受航區(qū)與季節(jié)影響外，更主要由其使用狀態(tài)決定。深海載人平臺的使用狀態(tài)包括母船搭載狀態(tài)、水面航行狀態(tài)、深海作業(yè)狀態(tài)、上浮與下潛狀態(tài)四類。其中，母船搭載狀態(tài)主要通過母船的保障設(shè)施提供平臺艙室的溫濕度調(diào)節(jié)，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時無須考慮該狀態(tài)。其余三類狀態(tài)下，深海載人平臺的艙內(nèi)均沒有外界新風(fēng)的引入，主要的外界環(huán)境因素是海水溫度，空調(diào)工況由海水溫度變化范圍的極限決定，由于海水溫度隨深度的增加會逐漸降低，通常近水面時下降較快，大深度時下降平緩，到達(dá)一定深度時接近穩(wěn)定。因此根據(jù)海水溫度的變化情況深海載人平臺的空調(diào)工況可分為夏季水面工況、冬季水面工況和深海工況。由于水面航行主要用于下潛前姿態(tài)調(diào)整、設(shè)備狀態(tài)檢查或上浮后等待母船回收，在整個潛次中所占時間較小，因此深海工況為主工況，水面工況為次要工況。

1.2 艙內(nèi)熱源

圖1為某深海載人平臺載人艙室的布置情況。艙室為獨(dú)立密閉空間，用于平臺的駕駛以及人員的生活起居。艙內(nèi)除人員外，還布置有操控、供配電、計算、環(huán)控生保等設(shè)備設(shè)施。

圖 1 深海載人平臺載人艙室布局Fig. 1Layout of manned cabin of deep-sea manned platform

與陸地建筑及水面船舶空調(diào)艙室相比，深海載人平臺艙內(nèi)的熱源的特點(diǎn)包括：1）艙內(nèi)熱源種類繁多，由于艙室功能的多樣性，除人體的散熱散濕外，還有電子電氣設(shè)備散熱、機(jī)械設(shè)備散熱、高低溫容器及管路散熱、化學(xué)反應(yīng)散熱等；2）單位面積散熱量大，為提高艙室的空間利用率，艙內(nèi)熱源設(shè)備布置密集，艙內(nèi)散熱占艙室總得熱的比例高，對空調(diào)負(fù)荷計算結(jié)果影響大；3）熱源散熱工況復(fù)雜，深海載人平臺全天連續(xù)不間斷航行與作業(yè)，艙內(nèi)熱源設(shè)備的使用不呈現(xiàn)明顯的周期性。為精確計算艙內(nèi)熱源引起的空調(diào)負(fù)荷，應(yīng)逐一梳理熱源設(shè)備的散熱機(jī)理與使用方式，為避免空調(diào)系統(tǒng)容量過大，除采用逐時冷負(fù)荷系數(shù)外，還可以參考電力系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計的方法，根據(jù)設(shè)備的開啟運(yùn)行情況，將不同種類設(shè)備的同時使用系統(tǒng)考慮在內(nèi)。

1.3 艙室圍護(hù)結(jié)構(gòu)

和其他海洋結(jié)構(gòu)物類似，深海載人平臺空調(diào)艙室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)也為金屬材料，金屬的導(dǎo)熱性能良好，需要在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面敷設(shè)一定厚度的隔熱層，被動地以控制艙室的滲入滲出熱，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。對于水面船舶而言，空調(diào)系統(tǒng)主要用于夏季和冬季，由于新風(fēng)負(fù)荷的存在，系統(tǒng)功能通常是夏季制冷、冬季制熱，圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能與空調(diào)能耗的關(guān)系必然是隔熱性越好，空調(diào)能耗越低。因此，傳統(tǒng)的設(shè)計流程是“先設(shè)計、后計算”，即首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定隔熱材料種類與厚度，再計算滲入滲出熱。而對于深海載人平臺，這種“先設(shè)計、后計算”是不合適的，其原因在于平臺空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計主工況是深海工況，外界是低溫海水，由于沒有外界新風(fēng)負(fù)荷，空調(diào)系統(tǒng)的工作模式是不確定的，系統(tǒng)制冷還是制熱完全取決于艙內(nèi)熱源散熱量與艙室通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外界海水滲出熱的差值。如果差值為零，則無須空調(diào)系統(tǒng)制冷或制熱即可以將艙內(nèi)溫度控制在適宜的范圍之內(nèi)。此時應(yīng)采用的方式是“先計算、后設(shè)計”，先根據(jù)艙內(nèi)散熱量的精確計算確定滲出熱的大小，再以此為目標(biāo)進(jìn)行艙室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱設(shè)計。

2 空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計要求

2.1 系統(tǒng)功能要求

深海載人平臺空調(diào)系統(tǒng)的主要功能包括艙內(nèi)空氣溫濕度控制與艙內(nèi)氣流組織。空氣溫濕度控制功能與系統(tǒng)設(shè)計工況相對應(yīng)，深海工況是系統(tǒng)設(shè)計主工況，通過2.3節(jié)中所述的艙室圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡設(shè)計可保證在該工況下無須制熱或制冷，但由于艙內(nèi)存在人員等持續(xù)性的濕源，連續(xù)的除濕功能就成為空調(diào)系統(tǒng)的主要功能。夏季水面工況時，艙內(nèi)熱源及外界滲入熱均會使艙內(nèi)空氣溫度上升，因此需配備制冷功能。冬季水面是否需要制熱則取決于冬季水面工況與深海工況兩者海水溫度的差值。艙內(nèi)氣流組織功能除保證人員所處位置的風(fēng)速適宜，提高人體舒適性外，另一項重要任務(wù)是均勻全艙各處的空氣組分，防止局部熱量或有害氣體組分聚集，并提高艙內(nèi)空氣再生與空氣凈化裝置的工作效能。

2.2 系統(tǒng)指標(biāo)要求

艙內(nèi)空氣溫濕度和空氣噪聲是空調(diào)系統(tǒng)最主要的設(shè)計指標(biāo)，這2項指標(biāo)又直接或間接影響了空調(diào)制冷量、功率、設(shè)計風(fēng)量及管內(nèi)風(fēng)速等設(shè)計參數(shù)以及系統(tǒng)類型與配置方案。對于深海載人平臺，在確定系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)時，如果將長時間的深海工況與短時間的水面工況一視同仁，則會為系統(tǒng)設(shè)計帶來較大的負(fù)擔(dān)。就溫度而言，夏季或冬季水面工況的溫度指標(biāo)越苛刻，則空調(diào)負(fù)荷計算時夏季滲入滲出熱越大，空調(diào)設(shè)計制冷量和制熱量越大，空間需求和噪聲均會增大，但在深海工況時制冷與制熱功能卻并不需要?？諝庠肼曋笜?biāo)亦同，水面工況空調(diào)系統(tǒng)噪聲指標(biāo)越高，則在送風(fēng)量一定的條件下管內(nèi)風(fēng)速越低，相應(yīng)的風(fēng)管尺寸越大，風(fēng)管布置難度大大提高，但在深海工況下，艙內(nèi)除濕或循環(huán)通風(fēng)所需要的風(fēng)量則遠(yuǎn)小于水面工況，也造成了明顯的空間浪費(fèi)。本質(zhì)上，系統(tǒng)指標(biāo)的確定是系統(tǒng)功能完好性與系統(tǒng)設(shè)計負(fù)擔(dān)之間的權(quán)衡。對于深海載人平臺，不妨采用分級的思想，優(yōu)先保證深海主工況，適當(dāng)降低水面工況的指標(biāo)要求，從而盡量求得兩種工況下系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)要求的一致。

參考文獻(xiàn)[5]，為充分保證人員舒適性，深海工況艙室空氣的溫濕度指標(biāo)可按照熱舒適性等級I級設(shè)計。而夏季和冬季水面狀態(tài)則在熱舒適性等級II級的基礎(chǔ)上，按人員短期逗留區(qū)域的處理方式，將溫度指標(biāo)相應(yīng)提高（夏季）或降低（冬季）2 ℃，如表1所示。對于兼具人員工作和休息功能的艙室，水面的短時工況人員處于工作狀態(tài)，艙室空氣噪聲指標(biāo)參考文獻(xiàn)[6]對開敞式辦公環(huán)境的要求為不高于55 dB（A），深海狀態(tài)人員處于輪休狀態(tài)，考慮人員的安靜休息需要，空氣噪聲應(yīng)不高于50 dB（A）。

表 1 空調(diào)系統(tǒng)溫濕度指標(biāo)Tab. 1Temperature and humidity index of air conditioning system

2.3 適裝性要求

2.3.1 冷卻形式

對于僅在水面或近水面工作的海洋建筑物，空調(diào)系統(tǒng)通常將海水引入機(jī)艙，再直接通過換熱器或通過淡水媒介對制冷單元進(jìn)行冷卻。但對深海載人平臺，總體設(shè)計的重要原則之一是盡可能減少甚至避免在耐壓殼體上開設(shè)管路通?？冢畲罂赡芙档蜕詈顟B(tài)下通海管路破損導(dǎo)致的高壓海水進(jìn)入艙室這類災(zāi)難性事故。因此，為實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)熱量向外界海水傳遞的功能，只能采用將金屬耐壓殼體作為換熱構(gòu)件一部分的設(shè)計方式。根據(jù)換熱級數(shù)的不同有2種形式：一種是兩級換熱，空調(diào)制冷單元是常規(guī)形式，在艙內(nèi)設(shè)置換熱水艙，水艙的底面由耐壓殼體構(gòu)成，水艙的其余艙壁采用隔熱層包覆，利用淡水作為媒介實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)熱量向換熱水艙的傳遞，再通過耐壓殼艙壁將熱量傳遞至舷外海水，如圖2所示。第二種是單級換熱，即直接將空調(diào)制冷單元的換熱器與耐壓殼艙壁共形設(shè)計并貼覆到艙壁之上，直接通過金屬導(dǎo)熱將熱量傳遞到外界。

圖 2 換熱水艙的冷卻方式Fig. 2Cooling method of heat exchange tank

2.3.2 安全性

對于水下密閉空間，制冷單元必須布置于艙室內(nèi)，如果采用含制冷劑的空調(diào)系統(tǒng)，則制冷劑的泄漏是比較大的安全隱患。由于無法與外界通風(fēng)，制冷劑大量泄漏會降低人員吸入空氣中的氧分壓從而造成人員窒息。即便只發(fā)生微量泄漏，但制冷劑一旦進(jìn)入基于高溫催化燃燒原理的空氣凈化裝置就會發(fā)生高溫分解而生成氟化氫、氯化氫等劇毒氣體[7]，對人員安全也構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，從安全性角度，空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先考慮不使用制冷劑的方式，若無法避免，則應(yīng)嚴(yán)格保證其氣密性，并設(shè)置制冷劑檢漏裝置和人員應(yīng)急呼吸裝置。

2.3.3 尺寸與外形

深海載人平臺不僅人均凈艙容十分有限，而且為了承受巨大的海水壓力，其耐壓殼常采用為環(huán)肋圓柱殼形式，空間可利用性差。為提高空間利用率并保證施工可行性，空調(diào)設(shè)備應(yīng)盡量緊湊，其整體或可拆部件的尺寸應(yīng)不大于人員進(jìn)出通道的尺寸，風(fēng)管應(yīng)采用與耐壓殼輪廓相匹配的異形風(fēng)管，充分利用艙室頂部空間，提高艙室整體可用高度，降低人員的心里壓迫感。

3 技術(shù)途徑的選擇

3.1 制冷方式

目前較為成熟的空調(diào)制冷技術(shù)主要包括機(jī)械壓縮制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和熱電制冷，如表2所示。其中，機(jī)械壓縮式制冷技術(shù)應(yīng)用最廣泛，制冷效率最高，但該方式存在制冷劑泄漏問題，并且壓縮機(jī)運(yùn)行時噪聲較高。吸收式和吸附式制冷需依托于低品位熱源，且組成部件多，占據(jù)空間大。熱電制冷的原理是基于帕爾帖效應(yīng)，與其他制冷技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)簡單，布置靈活，無運(yùn)行部件，不產(chǎn)生機(jī)械噪聲，不存在制冷劑泄漏風(fēng)險，比較適合在特殊的密閉空間采用[8]。熱電制冷的主要問題是受限于半導(dǎo)體材料的優(yōu)值系數(shù)，制冷效率較低。綜合各類制冷技術(shù)的特點(diǎn)，考慮到深海載人平臺空調(diào)系統(tǒng)的制冷工況主要是持續(xù)時間較短的夏季水面狀態(tài)，熱電制冷是最合適的制冷方式。

表 2 不同制冷方式的對比Tab. 2Comparison of different refrigeration modes

3.2 除濕方式

深海載人平臺可采用的方式包括固體吸濕和冷凝除濕。載人潛水器常攜帶一定量的固體吸濕劑，如硅膠、氯化鈣等，來吸附艙內(nèi)空氣中的水蒸氣，這種方式雖不消耗能量，但在濕度較低的情況下吸濕速度較慢，難以將艙內(nèi)濕度控制在最舒適的范圍，并且由于不具備再生條件，水下作業(yè)時間延長時固體吸濕劑的攜帶量非常大[9]。冷凝除濕是指將高濕空氣冷卻到其露點(diǎn)溫度以下使水蒸氣析出，對于深海載人平臺，可采用的冷凝除濕方式有3種，一是采用機(jī)械壓縮式除濕機(jī)進(jìn)行除濕，連續(xù)運(yùn)行時設(shè)備能耗較大；二是在艙室圍護(hù)結(jié)構(gòu)上劃出部分區(qū)域不敷設(shè)隔熱材料，利用深海狀態(tài)下的低溫艙壁冷凝空氣中的水蒸氣，這種方式雖不耗能，但除濕速度不可控，艙壁凝水易落到電氣設(shè)備上引起安全性問題，大面積的低溫艙壁會使人員產(chǎn)生冷感而引起不適；三是配備風(fēng)機(jī)盤管除濕裝置，采用兩級冷卻方式，利用低溫淡水作為媒介實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)的除濕，這種方式能耗較低，除濕速度可控，合適采用。

3.3 制熱方式

空調(diào)的制熱方式主要包括加熱介質(zhì)制熱（如動力裝置冷卻水、蒸汽等）、電加熱和熱泵制熱（機(jī)械壓縮式和熱電式）。加熱介質(zhì)制熱的方式需要加熱介質(zhì)充足且穩(wěn)定。機(jī)械壓縮式的熱泵制熱通過轉(zhuǎn)換制冷系統(tǒng)制冷劑流向從外界海水吸熱并向室內(nèi)放熱，當(dāng)外界海水溫度較低時，制熱效率顯著下降甚至無法使用。電加熱和熱電制熱方式均可為深海載人平臺所采用，相較而言熱電制熱方式效率更高，熱電堆由制冷模式切換至制熱模式僅需切換電流方向，是最合適的制熱方式。

4 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

4.1 空調(diào)裝置的設(shè)計

結(jié)合艙室內(nèi)環(huán)肋耐壓圓柱殼的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計出一種利用耐壓殼傳熱的共形式熱電空調(diào)裝置，如圖3所示。在相鄰的肋骨之間鋪設(shè)內(nèi)圍板和上、下圍板構(gòu)成空氣處理的風(fēng)道，內(nèi)圍板的上部和下部分別開設(shè)通風(fēng)口作為空調(diào)裝置的進(jìn)風(fēng)口和回風(fēng)口。熱電堆分組布置于風(fēng)道內(nèi)，其熱端直接與金屬艙壁內(nèi)表面接觸，兩者之間的間隙使用導(dǎo)熱硅脂填充以減小導(dǎo)熱熱阻，冷端采用換熱翅片的形式強(qiáng)化與空氣間傳熱性能。除與熱端接觸的艙壁內(nèi)表面位置外，其他構(gòu)成風(fēng)道艙壁、肋骨及圍板均鋪設(shè)隔熱隔聲材料。風(fēng)機(jī)布置于熱電堆上方的風(fēng)道內(nèi)，其出口與空調(diào)裝置出風(fēng)口通過變徑風(fēng)管連接，裝置制冷時產(chǎn)生的冷凝水通過下圍板上的開孔流入底部的凝水收集艙中。

圖 3 共形式熱電空調(diào)裝置示意Fig. 3Conformal thermoelectric air conditioning device

4.2 空調(diào)系統(tǒng)功能流程

深海載人平臺空調(diào)系統(tǒng)的功能流程如圖4所示。采用主動與被動調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式，夏季或冬季水面工況，利用熱電空調(diào)裝置提供制冷與制熱功能。深海工況利用隔熱層的精細(xì)化隔熱設(shè)計實(shí)現(xiàn)被動控溫，通過風(fēng)機(jī)盤管除濕裝置實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)的連續(xù)除濕。

5 結(jié) 語

空調(diào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)深海載人平臺長時間連續(xù)水下作業(yè)的重要系統(tǒng)。本文從外界環(huán)境條件、艙內(nèi)熱源和艙室圍護(hù)結(jié)構(gòu)三方面分析了其艙室熱環(huán)境的特點(diǎn)，提出空調(diào)系統(tǒng)功能、指標(biāo)和適裝性要求，選擇了最佳的制冷、除濕和制熱方式。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種共形式熱電空調(diào)裝置，并形成了空調(diào)系統(tǒng)的總體功能流程，為深海載人平臺空調(diào)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計提供了基礎(chǔ)。