大溫差變風量送風技術在潛艇空調中的應用

董 鵬 李志印 簡棄非

1 海軍裝備部艦艇部，北京 100841

2 中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

3 華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州五山 510640

0 引 言

潛艇艙室人員多、設備組成復雜，是一個高濕（局部相對濕度高達80%）、高溫（機艙溫度高達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，甚至會造成艇員中暑和身體虛脫。設備有其合適的溫、濕度范圍，在高溫、高濕條件下，設備無法達到其最佳工況，嚴重時會使設備故障率提高，甚至是縮短設備的使用壽命。

目前，潛艇多采用直接蒸發(fā)式和間接冷媒水式空調系統(tǒng)，但無論何種方式，均采用定風量系統(tǒng)設計，并根據(jù)全艇艙室熱、濕負荷最大時的總和來確定系統(tǒng)送風量。而潛艇各艙室的熱負荷分布復雜多變、功能不一，不僅人員居住艙與輔機艙存在明顯區(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、濕負荷始終處于變化狀態(tài)，而并非最大熱、濕負荷。當某艙室的負荷發(fā)生變化時，若仍然采用額定風量通過送風溫度或冷媒水溫度變化間接地控制空調機組壓縮機的卸載或停機，實現(xiàn)系統(tǒng)能耗控制，則既浪費冷量，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”，改善艇內居住的舒適性便成為未來潛艇設計的發(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，潛艇空調能耗就會上升，勢必會對潛艇續(xù)航力產生更大的影響。因此，如何結合潛艇自身的特點，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計急需解決的技術問題之一。近年來，發(fā)展較快的大溫差空調技術和變風量空調技術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、變風量控制、溫濕度獨立控制等技術進行整合，結合潛艇密閉艙室內的空氣熱、濕特點，提出較適合于潛艇的低能耗舒適型空調系統(tǒng)方案。

1 大溫差低溫送風系統(tǒng)及應用案例

近年來，大溫差空調系統(tǒng)的設計方法逐漸被業(yè)內人士所接受和認可，尤其是在我國頒布實施一系列建筑節(jié)能規(guī)范、標準以后，采用大溫差空調系統(tǒng)已成為空調節(jié)能設計中的一個亮點，被廣泛應用于各類建筑的空調系統(tǒng)中［2］。

大溫差空調系統(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生供、回溫差較大的空調風，來使系統(tǒng)輸送的供風溫度達到更低，從而實現(xiàn)低溫送風。與普通的送風系統(tǒng)相比，大溫差低溫送風系統(tǒng)降低了空調房間的送風溫度，采用的送風溫度為4～10℃，這種送風溫度系統(tǒng)有別于采用13～16℃溫度送風的常規(guī)空調系統(tǒng)。

對于低溫送風空調，美國和日本有不同的定義。美國的低溫送風技術應用歷史較長，如將4℃的低溫送風應用在濕度控制中，以及將9℃的送風用于小型商業(yè)建筑的誘引送風等。2～4℃的低溫送風被用于醫(yī)院的一次風誘引送風?，F(xiàn)在，美國的低溫送風主要是指低于10℃的送風溫度。日本常規(guī)的送風溫度為13～16℃，比此溫度低的送風稱為低溫送風，其在實際應用中多為10～13℃，通常將13℃定義為常規(guī)送風與低溫送風的分界線。美國空調的送風溫度，無論是傳統(tǒng)送風還是低溫送風方式，其送風溫度明顯較日本低，這與兩國的設計規(guī)范和標準有關，其中重要的一點是關于室內相對濕度的設計規(guī)范［3］。美國空調的設計規(guī)范允許室內相對濕度低于40%，而日本的規(guī)范則定義舒適性空調的室內相對濕度不得低于40%，這也就意味著空調送風溫度需維持在10℃以上。從實際工程條件及經濟性等因素考慮，日本空調一般選取的送風溫度為10～13℃。

1）在人防工程中的應用。

人防工程具有蓄熱能力強及熱、濕穩(wěn)定性好等特性。為低溫送風系統(tǒng)選擇的冷源設備必須能夠提供足夠低的冷流體溫度，以滿足送風溫度的要求。隨著送風溫度的降低，氣流中會有更多的水分在冷卻盤管中凝結出來，當含濕量低的送風與室內的空氣混合后，室內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溫度。通常，低溫送風系統(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，還可適當提高房間溫度，這樣不僅能保證熱舒適要求，還可達到節(jié)能的目的。由于低溫送風系統(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，可增加工程防護厚度，減小工程高度和土方轉運量，從而大幅減少基建投資，提高工程的防護能力，帶來顯著的戰(zhàn)備和經濟效益。

2）在某地鐵和建筑空調系統(tǒng)中的應用。

空調系統(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，使初期投資費和運行費用均得以降低。據(jù)估算，初期投資費可以降低5%～10%，地鐵空調年運行費可以降低30%～50%［4-6］。為進一步降低空調系統(tǒng)的初期投資費及運行費用，該地鐵降低了機組的送風溫度。在常規(guī)空調系統(tǒng)中，送風溫度約為14～16℃，而該地鐵采用的低溫送風空調系統(tǒng)的送風溫度則為8.2～12℃。送風溫度的降低使系統(tǒng)送風量減少，相應地，機組風機、電機、風管及風閥的功率和尺寸也都減小，送風系統(tǒng)的初投資費和運行費也降低。據(jù)估算，采用上述設計后，初投資費可以降低約10%，年運行費可以降低30%。

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

2 潛艇大溫差低溫送風的技術優(yōu)勢及需要解決的問題

2.1 技術優(yōu)勢

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

1）緊湊的空氣處理機組可以減少安裝空間，降低室內噪音。

2）緊湊的VAV末端占用的空間更小，運行更安靜。

3）縮小了風管直徑。緊湊的風管系統(tǒng)設計不僅能節(jié)省風管材料，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）降低風機功耗和風機噪音。

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

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

2.2 需要解決的問題

大溫差低溫送風技術在潛艇空調上的應用存在以下主要問題：

1）送風溫差增大會導致射流浮力的影響增大，使射流提前下降的可能性增大，引起送風下墜等不良現(xiàn)象，從而對舒適性產生影響，降低室內熱舒適性和環(huán)境質量。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，從而造成室內人員的吹冷風感；由于射流提前下降，會造成室內存在空調風不能到達的區(qū)域，導致室內溫度分布不均，且在該區(qū)域內，空氣流速較低、溫度較高，從而造成室內人員感覺較熱，降低室內熱舒適性。

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

3）大溫差低溫送風系統(tǒng)所使用的保溫層比標準設計中所用的保溫層更厚，會降低風管尺寸減小所帶來的優(yōu)勢。目前，潛艇空調風管多采用薄鋼板、薄鋁合金板等材料，在常規(guī)送風溫度下，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。當送風溫度為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 變風量空調技術特點

變風量（VAV）空調能控制系統(tǒng)根據(jù)空調負荷的變化自動調節(jié)室內空調送風量，以滿足室內熱、濕環(huán)境要求，與此同時，VAV空調還可根據(jù)實際送風量自動調節(jié)送風機的轉速，從而最大限度地減少風機動力，節(jié)約風機能量。因此，該項技術在民用技術領域得到了廣泛應用。實際運行和統(tǒng)計表明，采用VAV空調系統(tǒng)后，典型的辦公樓每年每平方米可節(jié)電40～50 kW，整個VAV空調系統(tǒng)的能耗比定風量減少20%～30%，可見變風量空調系統(tǒng)有著廣泛的應用前景。

1）變頻技術的應用使運行能耗低。

空調系統(tǒng)大部分時間是在部分負荷下工作，VAV系統(tǒng)通過變頻器調節(jié)風機轉速按負荷需求輸送空氣，使得風機的能耗大幅降低。同時，也降低了空調系統(tǒng)的冷、熱負荷，從而大幅節(jié)省了運行費用。

2）控制精度高，舒適性好。

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

VAV空調系統(tǒng)的節(jié)能效果及其房間溫度控制性能的優(yōu)劣與空調系統(tǒng)的設計具有直接關系，若末端設計風量無法滿足室內最大負荷要求，則在最大負荷工況下，VAV末端無論怎樣調節(jié)也將無法達到舒適性要求。同時，自控系統(tǒng)的方案及其調試也直接影響著VAV系統(tǒng)的運行，VAV系統(tǒng)是暖通空調與自動控制緊密結合的產物，只有合理布置壓力測點和溫度測點并合理調整控制參數(shù)才能保證變風量系統(tǒng)良好運行。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 技術解決方案

4.1 系統(tǒng)總體方案設計

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

1）將常規(guī)的冷媒水供/回水溫度5/10℃（溫差5℃）重新設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℃送風溫度降低到8℃，實現(xiàn)大溫差低溫送風。

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

4）針對潛艇各艙室功能不一、熱負荷有別、大氣質量存在差異等特點，將各艙室設立為獨立的空調區(qū)域，避免輔機艙、住艙等艙室的大氣質量和熱負荷相互影響，并根據(jù)艙室熱負荷配置相應的分體式空調器，空調器的風機采用變頻調速設計，以保證低送風溫度不變，通過送風量的改變來滿足艙室熱負荷變化要求，通過管路系統(tǒng)靜壓變化調整風機風量和壓力。

5）針對大溫差低溫送風系統(tǒng)送風溫差大，以及流量減少導致的氣流組織控制難、舒適性差等技術問題，系統(tǒng)采用變風量調節(jié)，末端設計為二次混合可調節(jié)式，將系統(tǒng)所輸送的低溫空調風與艙室風進行混合后排出，克服了送風下墜、射流冷風感等技術問題。

6）由于潛艇艙室為密閉環(huán)境，空調系統(tǒng)為封閉式循環(huán)系統(tǒng)，無新風補充，雖然依靠各艙配置獨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)會造成艙室大氣質量不均，因此，根據(jù)潛艇的特點，在各艙配置的空調器進風端增設空氣凈化部分，實現(xiàn)艙室空氣凈化。

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

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

8）目前，船用復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，不適合應用直徑＞500 mm、長度＞5 m的風管安裝。

本方案中，空調風管采用復合材料保溫管與薄鋁合金板相結合的方案，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合材料風管，鋁合金復合材料采用夾層結構，內部為微孔結構，可起到很好的消聲作用。在空間復雜、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 機組設計

空調冷媒水系統(tǒng)實現(xiàn)大溫差后，將對制冷機組的換熱系數(shù)、能耗、調節(jié)能力產生較大影響。隨著冷媒水量減少，冷媒水的管內流速降低，從而可能使換熱效果降低。為確保換熱量，通常應加大機組蒸發(fā)器的傳熱面積。但是在實際設計中，大溫差設計會增大對流換熱兩側的傳熱溫差，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號線的空調系統(tǒng)中就采用了大溫差冷水機組，大溫差實際運行工況的制冷量較標準溫差工況下的制冷量增加了約5%，因此，在不增加機組蒸發(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，大溫差空調冷水機組的能耗會增加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，機組冷量調節(jié)普遍只具備3檔或4檔調節(jié)能力，若以目前的機組狀態(tài)實現(xiàn)大溫差，機組能耗會增加10%以上，同時換熱面積也會隨之增加。因此，實現(xiàn)大溫差空調冷水機組不僅需要提高制冷效率，重新調整常規(guī)冷水機組冷媒水的溫差范圍，盡量減小能耗增值和換熱面積，還需提高冷水機組的調節(jié)能力，以適應大溫差空調系統(tǒng)的使用需求。

該方案配置了中央集中空調冷水機組，機組的冷媒水供/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組成的混合工質，如乙二醇等冷媒介質，以增加機組的制冷效率。

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

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

4.3 空調器及末端設計

大溫差空調系統(tǒng)的送風系統(tǒng)對空調器的換熱系數(shù)和能耗會產生較大影響。系統(tǒng)送風量減少，空調器的換熱系數(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)的送風溫度為12～18℃，實現(xiàn)大溫差低溫送風后，送風溫度降低到8℃。保持該溫度值不變，系統(tǒng)送風量將減少40%以上，而且需要根據(jù)艙室熱負荷的變化調節(jié)風量。這樣一來，就對空調風機送風量和調節(jié)能力提出了較高要求。此外，采用低溫送風后，還需要克服冷風吹拂人體會產生不適等技術問題。

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

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）通過增加盤管內冷媒水擾動來增加換熱量。大溫差使冷媒水流量減少會造成流體在管內的擾動減少，使管內流動由紊流轉為層流，此時，在管內設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)質內螺紋盤管可增加換熱面積，提高換熱系數(shù)。

3）針對潛艇單風道式特點，空調系統(tǒng)變風量調節(jié)采用分體式空調器風機變頻調節(jié)與誘導型末端變風量調節(jié)相結合的方式。各艙室根據(jù)溫度變化或需求調節(jié)末端變風量，調節(jié)風口的風量閥門大小，使低溫冷風量加大或減小。低溫冷風與艙室風混合后，通過控制風口的調速風機來控制房間送風量，從而有效避免吹拂的冷風感和小風量引起的送風下墜。末端風口風量的變化會引起主送風管道靜壓的變化，從而調整空調風機轉速，實現(xiàn)風量變化。

采用該技術方案可提高系統(tǒng)集成控制，縮小設備體積，實現(xiàn)艙室各空調出風口風量可調，同時還可大幅降低空調風機的風量和風壓，從而降低能耗和噪聲。

在末端風口與支管末端連接處設調節(jié)閥，根據(jù)房間負荷的變化來控制調節(jié)閥的開啟度，誘導器內的三檔調速風機將支管內的冷風與艙內空氣混合后再向艙內送風。通過該裝置，可對住艙、房間溫度進行二次調節(jié)，改善人員居住環(huán)境，提高舒適性。同時，設置控制面板并布置于艙壁，以方便人員隨時根據(jù)人體感受情況調節(jié)溫度。誘導型末端變風量調節(jié)裝置結構如圖2所示。

圖2 誘導型末端變風量調節(jié)裝置的結構Fig.2 Structure of derivational and variable air end-equipment

4.4 艙室輔助獨立除濕設計

潛艇密閉環(huán)境下的濕度較大。實際測試表明，空調間歇性開啟條件，冷凝水一天可達到80 L以上。而且，潛艇的各種使用工況，如上浮換氣、廚房備餐、洗澡等都會導致熱、濕負荷變化明顯。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荷控制現(xiàn)狀和住艙特點，采用溫、濕度獨立控制技術，設置艙室輔助獨立除濕裝置，設定循環(huán)風量100～300 m3/h，能耗約150 W，通過濕度控制器自動調節(jié)房間濕度變化，使房間濕度保持在約50%。同時，當潛艇需要節(jié)省能耗時，在關閉空調系統(tǒng)后，也可通過開啟獨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，在潛艇間接式空調系統(tǒng)中，冷媒水系統(tǒng)和送風系統(tǒng)約占空調系統(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)為例進行分析。按照常規(guī)設計，100 kW制冷量活塞式半封閉冷水機組電機功率約為30 kW；冷媒水進、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)配套空調器4臺，每臺的制冷量均為25 kW；循環(huán)風量3000 m3/h，全壓800 Pa，空調風機功率2.2 kW；全船空調系統(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、回水溫差Δt較常規(guī)空調系統(tǒng)增加了一倍。按下式進行計算［9］：

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

經過計算，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降低，從而使揚程降低約30%。按照功率為流量與揚程的乘積關系計算，能耗降低到了原來的35%，達1.4 kW。

2）空調風系統(tǒng)能耗分析

將常規(guī)的12～18℃送風溫度降低到8℃，通過式（1）進行理論分析計算，可使空調風量降低約42%，循環(huán)風量減小至1740 m3/h。隨著循環(huán)風量的減小，風管路系統(tǒng)沿程阻力降低，風機全壓降低約30%，約為600 Pa。按照功率為流量與揚程乘積的關系計算，能耗降低到了原來的40%，單臺風機理論能耗達到0.88 kW。

3）機組能耗分析

雙渦旋全封閉壓縮機較活塞式半封閉壓縮機效率高，介質溫度調節(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的75%左右。常規(guī)100 kW活塞式半封閉冷水機組的能量調節(jié)范圍為0%，50%，75%和100%，對應的能耗為0，21，27，30 kW。采用雙機組雙渦旋全封閉冷水機組的能量調節(jié)范圍為0%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，100%，對應的能耗為0，5，7，10，12，14，17，19，24 kW。

4）獨立除濕裝置能耗分析

獨立除濕裝置采用成熟的轉輪除濕技術，主要布置在居住艙內。根據(jù)單個居住艙凈容積6～9 m3、居住人數(shù)2～6人的設置，結合溫、濕度的變化特點，除濕風量可選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行啟、停控制。目前，國內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系統(tǒng)能量卸載和停機等情況下，艙室相對濕度大于60%時開啟，低于40%時停機，為間歇性啟動。按照潛艇空調系統(tǒng)全天開啟間歇性運行特點，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

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

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

5.2 降噪效果

對空調風機的噪聲效果以公式Lw=Lwc+10 lg(qvp2)-19.8 進行計算［10］。由計算可知，定風量系統(tǒng)風機額定工況下的噪聲為83 dB，而大溫差變風量系統(tǒng)風機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

大溫差變風量系統(tǒng)可減少42%的送風量，風機外形尺寸減少了約20%～30%，風管尺寸減少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 論

本文針對潛艇各艙室功能不一、熱負荷有別、空調系統(tǒng)能耗高、調節(jié)能力弱等特點，采用大溫差低溫送風、變風量控制與溫、濕度獨立控制等相結合的方式，利用雙渦旋全封閉壓縮機、誘導型末端變風量調節(jié)裝置和變風量等技術，克服了大溫差低溫送風系統(tǒng)存在的送風下墜、射流冷風感等問題，形成了合理可行的低能耗舒適型潛艇空調系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了艙室溫、濕度監(jiān)測、系統(tǒng)自動變量調節(jié)及艙室溫、濕度獨立控制。通過與常規(guī)定風量系統(tǒng)比較發(fā)現(xiàn)，該方案可使額定能耗降低30%，使空調風機噪聲降低5 dB，并使設備外形尺寸減少約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。

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