深海載人平臺空調系統(tǒng)的研究與設計

王博，郭昂，周鑫濤，徐蒙

(中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

深海載人平臺是一種可以搭載科學家和作業(yè)人員抵達深海開展科學考察或工程作業(yè)的海洋裝備。“蛟龍”號、“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)則是實現(xiàn)這一目標的基本保證。在眾多受控的艙內環(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節(jié)通常依靠空調系統(tǒng)實現(xiàn)，但目前尚無可以直接指導深海載人平臺空調系統(tǒng)設計的標準規(guī)范，相關研究也主要集中于艙內氣流組織優(yōu)化、圍護結構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)境特點開展分析，結合平臺的特點提出空調系統(tǒng)的設計要求，對主要技術途徑進行比選，給出空調裝置的設計方案，最后總結空調系統(tǒng)的功能流程。

1 艙室熱環(huán)境特點

對于深海載人平臺這類特殊的建筑結構物，在開展其艙內空調系統(tǒng)設計前首先要對其艙室熱環(huán)境特點進行分析，以明確系統(tǒng)的功能需求及劃分設計工況。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、艙內熱源以及艙室圍護結構三方面。

1.1 外界環(huán)境條件

外界環(huán)境條件是影響空調系統(tǒng)設計工況的主要因素之一。水面船舶的空調工況主要由其航區(qū)及相應季節(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施提供平臺艙室的溫濕度調節(jié)，空調系統(tǒng)設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均沒有外界新風的引入，主要的外界環(huán)境因素是海水溫度，空調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，到達一定深度時接近穩(wěn)定。因此根據海水溫度的變化情況深海載人平臺的空調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)調整、設備狀態(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。艙室為獨立密閉空間，用于平臺的駕駛以及人員的生活起居。艙內除人員外，還布置有操控、供配電、計算、環(huán)控生保等設備設施。

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

1.3 艙室圍護結構

和其他海洋結構物類似，深海載人平臺空調艙室的圍護結構也為金屬材料，金屬的導熱性能良好，需要在圍護結構內表面敷設一定厚度的隔熱層，被動地以控制艙室的滲入滲出熱，降低空調系統(tǒng)能耗。對于水面船舶而言，空調系統(tǒng)主要用于夏季和冬季，由于新風負荷的存在，系統(tǒng)功能通常是夏季制冷、冬季制熱，圍護結構隔熱性能與空調能耗的關系必然是隔熱性越好，空調能耗越低。因此，傳統(tǒng)的設計流程是“先設計、后計算”，即首先根據標準規(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“先設計、后計算”是不合適的，其原因在于平臺空調系統(tǒng)的設計主工況是深海工況，外界是低溫海水，由于沒有外界新風負荷，空調系統(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熱源散熱量與艙室通過圍護結構向外界海水滲出熱的差值。如果差值為零，則無須空調系統(tǒng)制冷或制熱即可以將艙內溫度控制在適宜的范圍之內。此時應采用的方式是“先計算、后設計”，先根據艙內散熱量的精確計算確定滲出熱的大小，再以此為目標進行艙室圍護結構的隔熱設計。

2 空調系統(tǒng)的設計要求

2.1 系統(tǒng)功能要求

深海載人平臺空調系統(tǒng)的主要功能包括艙內空氣溫濕度控制與艙內氣流組織?？諝鉁貪穸瓤刂乒δ芘c系統(tǒng)設計工況相對應，深海工況是系統(tǒng)設計主工況，通過2.3節(jié)中所述的艙室圍護結構熱平衡設計可保證在該工況下無須制熱或制冷，但由于艙內存在人員等持續(xù)性的濕源，連續(xù)的除濕功能就成為空調系統(tǒng)的主要功能。夏季水面工況時，艙內熱源及外界滲入熱均會使艙內空氣溫度上升，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。艙內氣流組織功能除保證人員所處位置的風速適宜，提高人體舒適性外，另一項重要任務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，并提高艙內空氣再生與空氣凈化裝置的工作效能。

2.2 系統(tǒng)指標要求

艙內空氣溫濕度和空氣噪聲是空調系統(tǒng)最主要的設計指標，這2項指標又直接或間接影響了空調制冷量、功率、設計風量及管內風速等設計參數(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)設計指標時，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)設計帶來較大的負擔。就溫度而言，夏季或冬季水面工況的溫度指標越苛刻，則空調負荷計算時夏季滲入滲出熱越大，空調設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。空氣噪聲指標亦同，水面工況空調系統(tǒng)噪聲指標越高，則在送風量一定的條件下管內風速越低，相應的風管尺寸越大，風管布置難度大大提高，但在深海工況下，艙內除濕或循環(huán)通風所需要的風量則遠小于水面工況，也造成了明顯的空間浪費。本質上，系統(tǒng)指標的確定是系統(tǒng)功能完好性與系統(tǒng)設計負擔之間的權衡。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，適當降低水面工況的指標要求，從而盡量求得兩種工況下系統(tǒng)設計參數(shù)要求的一致。

參考文獻[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可按照熱舒適性等級I級設計。而夏季和冬季水面狀態(tài)則在熱舒適性等級II級的基礎上，按人員短期逗留區(qū)域的處理方式，將溫度指標相應提高（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)，艙室空氣噪聲指標參考文獻[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，空氣噪聲應不高于50 dB（A）。

表 1 空調系統(tǒng)溫濕度指標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，空調系統(tǒng)通常將海水引入機艙，再直接通過換熱器或通過淡水媒介對制冷單元進行冷卻。但對深海載人平臺，總體設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管路通?？?，最大可能降低深海狀態(tài)下通海管路破損導致的高壓海水進入艙室這類災難性事故。因此，為實現(xiàn)空調系統(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件一部分的設計方式。根據換熱級數(shù)的不同有2種形式：一種是兩級換熱，空調制冷單元是常規(guī)形式，在艙內設置換熱水艙，水艙的底面由耐壓殼體構成，水艙的其余艙壁采用隔熱層包覆，利用淡水作為媒介實現(xiàn)空調系統(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，即直接將空調制冷單元的換熱器與耐壓殼艙壁共形設計并貼覆到艙壁之上，直接通過金屬導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，如果采用含制冷劑的空調系統(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，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]，對人員安全也構成嚴重威脅。因此，從安全性角度，空調系統(tǒng)應優(yōu)先考慮不使用制冷劑的方式，若無法避免，則應嚴格保證其氣密性，并設置制冷劑檢漏裝置和人員應急呼吸裝置。

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，空調設備應盡量緊湊，其整體或可拆部件的尺寸應不大于人員進出通道的尺寸，風管應采用與耐壓殼輪廓相匹配的異形風管，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 技術途徑的選擇

3.1 制冷方式

目前較為成熟的空調制冷技術主要包括機械壓縮制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和熱電制冷，如表2所示。其中，機械壓縮式制冷技術應用最廣泛，制冷效率最高，但該方式存在制冷劑泄漏問題，并且壓縮機運行時噪聲較高。吸收式和吸附式制冷需依托于低品位熱源，且組成部件多，占據空間大。熱電制冷的原理是基于帕爾帖效應，與其他制冷技術相比，結構簡單，布置靈活，無運行部件，不產生機械噪聲，不存在制冷劑泄漏風險，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體材料的優(yōu)值系數(shù)，制冷效率較低。綜合各類制冷技術的特點，考慮到深海載人平臺空調系統(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，一是采用機械壓縮式除濕機進行除濕，連續(xù)運行時設備能耗較大；二是在艙室圍護結構上劃出部分區(qū)域不敷設隔熱材料，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備上引起安全性問題，大面積的低溫艙壁會使人員產生冷感而引起不適；三是配備風機盤管除濕裝置，采用兩級冷卻方式，利用低溫淡水作為媒介實現(xiàn)艙內的除濕，這種方式能耗較低，除濕速度可控，合適采用。

3.3 制熱方式

空調的制熱方式主要包括加熱介質制熱（如動力裝置冷卻水、蒸汽等）、電加熱和熱泵制熱（機械壓縮式和熱電式）。加熱介質制熱的方式需要加熱介質充足且穩(wěn)定。機械壓縮式的熱泵制熱通過轉換制冷系統(tǒng)制冷劑流向從外界海水吸熱并向室內放熱，當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 空調系統(tǒng)設計

4.1 空調裝置的設計

結合艙室內環(huán)肋耐壓圓柱殼的結構形式，設計出一種利用耐壓殼傳熱的共形式熱電空調裝置，如圖3所示。在相鄰的肋骨之間鋪設內圍板和上、下圍板構成空氣處理的風道，內圍板的上部和下部分別開設通風口作為空調裝置的進風口和回風口。熱電堆分組布置于風道內，其熱端直接與金屬艙壁內表面接觸，兩者之間的間隙使用導熱硅脂填充以減小導熱熱阻，冷端采用換熱翅片的形式強化與空氣間傳熱性能。除與熱端接觸的艙壁內表面位置外，其他構成風道艙壁、肋骨及圍板均鋪設隔熱隔聲材料。風機布置于熱電堆上方的風道內，其出口與空調裝置出風口通過變徑風管連接，裝置制冷時產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 共形式熱電空調裝置示意Fig. 3Conformal thermoelectric air conditioning device

4.2 空調系統(tǒng)功能流程

深海載人平臺空調系統(tǒng)的功能流程如圖4所示。采用主動與被動調節(jié)相結合的方式，夏季或冬季水面工況，利用熱電空調裝置提供制冷與制熱功能。深海工況利用隔熱層的精細化隔熱設計實現(xiàn)被動控溫，通過風機盤管除濕裝置實現(xiàn)艙內的連續(xù)除濕。

5 結 語

空調系統(tǒng)是實現(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、艙內熱源和艙室圍護結構三方面分析了其艙室熱環(huán)境的特點，提出空調系統(tǒng)功能、指標和適裝性要求，選擇了最佳的制冷、除濕和制熱方式。在此基礎上設計了一種共形式熱電空調裝置，并形成了空調系統(tǒng)的總體功能流程，為深海載人平臺空調系統(tǒng)的詳細設計提供了基礎。