船舶空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備節(jié)能運(yùn)行技術(shù)研究

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

0 引言

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是船舶上的用電大戶，一般采用定風(fēng)量運(yùn)行方式，易造成能源浪費(fèi)。變風(fēng)量（VAV）技術(shù)可避免風(fēng)機(jī)長期滿負(fù)荷運(yùn)行造成的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)供求平衡。該技術(shù)在陸上建筑領(lǐng)域研究充分，而在船舶上的研究基礎(chǔ)薄弱，目前僅有少量豪華客船、特種船舶采用了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，但限于技術(shù)基礎(chǔ)，并沒有取得令人滿意的效果。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能否有效地節(jié)能運(yùn)行主要由兩個(gè)因素決定，其一是節(jié)能控制策略，其二是管網(wǎng)送風(fēng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性。控制策略直接關(guān)系節(jié)能效果，目前已有比較多的研究［1-6］，并取得了一定的節(jié)能效果。但仍存在可繼續(xù)完善的點(diǎn)：如常用的系統(tǒng)風(fēng)量節(jié)能控制方法響應(yīng)速度慢；對(duì)新風(fēng)量控制的研究較少；缺少針對(duì)船用空調(diào)系統(tǒng)的有效節(jié)能方案［7-9］。對(duì)于管網(wǎng)送風(fēng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性，有學(xué)者進(jìn)行了研究［10-13］，文獻(xiàn)［11］對(duì)穩(wěn)定性的分析僅考慮了2條支路情況，未考慮更具一般性的3條支路情況；現(xiàn)有研究未全面的分析靜壓點(diǎn)位置對(duì)送風(fēng)穩(wěn)定性的影響；缺少船舶變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)特性分析。

本文以某型試驗(yàn)船空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象開展節(jié)能技術(shù)研究，首先對(duì)管網(wǎng)送風(fēng)穩(wěn)定性及調(diào)節(jié)性進(jìn)行研究，分析靜壓點(diǎn)位置、閥門開度對(duì)送風(fēng)量的影響；然后分別從系統(tǒng)風(fēng)量控制和新風(fēng)量控制兩個(gè)方面給出節(jié)能優(yōu)化方案；最后對(duì)空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了節(jié)能方案的有效性。

1 穩(wěn)定性分析

變風(fēng)量是基于“按需所取”的思路，根據(jù)實(shí)時(shí)冷熱負(fù)荷通過調(diào)整送風(fēng)末端閥門開度，改變相應(yīng)支路的阻抗，進(jìn)而調(diào)節(jié)送風(fēng)量。由于送風(fēng)管網(wǎng)存在多個(gè)分支，支路之間相互影響，某一支路阻抗變化會(huì)影響系統(tǒng)風(fēng)量分配關(guān)系，其他支路雖沒有進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)但送風(fēng)量被動(dòng)變化，由此引出了管網(wǎng)送風(fēng)穩(wěn)定性的問題。

VAV空調(diào)系統(tǒng)常采用靜壓控制，送風(fēng)穩(wěn)定性與管網(wǎng)布置形式及靜壓測點(diǎn)位置有關(guān)。一般管網(wǎng)布置方案不易更改，本文參考相關(guān)文獻(xiàn)［11］思路，分析靜壓點(diǎn)位置對(duì)管網(wǎng)送風(fēng)穩(wěn)定性的影響。

1.1 靜壓點(diǎn)位于送風(fēng)支路

假設(shè)對(duì)支路A進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，分析支路B，C受到的影響。設(shè)各支路阻抗分別為SZA，SZB，SZC，靜壓點(diǎn)之后總阻抗與SZA的比值為m，則靜壓值為：

式中 ρ——空氣密度；

AA——支路A管道截面積。

完成風(fēng)量調(diào)節(jié)后，由于調(diào)節(jié)的作用認(rèn)為靜壓值不變，靜壓點(diǎn)位置動(dòng)壓與實(shí)際風(fēng)量呈平方關(guān)系。根據(jù)各支路在分支節(jié)點(diǎn)處全壓相等，可以得到：

風(fēng)量調(diào)節(jié)前分支節(jié)點(diǎn)位置各支路全壓相等，可知：

根據(jù)式（2），對(duì)式（6）進(jìn)行整理得到：

圖1 k值變化時(shí)λA與 λB關(guān)系曲線（m=1）Fig.1 The relationship betweenλA andλBwhen k changes（m=1）

分析靜壓測點(diǎn)位置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，從圖2可以看出，當(dāng)m值較小即靜壓點(diǎn)設(shè)置在靠近送風(fēng)末端位置時(shí)，λB與λA的耦合性強(qiáng)，支路B風(fēng)量易受支路A影響。隨著m值的增加，λB與λA的 耦合關(guān)系逐漸減弱，當(dāng)靜壓點(diǎn)設(shè)置在靠近管網(wǎng)分支節(jié)點(diǎn)處時(shí)耦合關(guān)系最弱。

圖2 m值變化時(shí)λA與 λB關(guān)系曲線（k=0.2）Fig.2 The relationship between λA and λBwhen m changes（k=0.2）

1.2 靜壓點(diǎn)位于送風(fēng)主路

將靜壓點(diǎn)設(shè)置于送風(fēng)主路，定義管網(wǎng)總阻抗為S1，靜壓點(diǎn)之后總阻抗為S2，令n=S2/S1，則靜壓值可通過下式計(jì)算：

式中 Qt——送風(fēng)主路設(shè)計(jì)風(fēng)量；

At——主管道截面積。

基于以上分析思路，假設(shè)支路A負(fù)荷變化進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，由于靜壓點(diǎn)之后任一支路的壓降與靜壓點(diǎn)位置的全壓相等，因此有：

式中 SB，SC——靜壓點(diǎn)之后支路B，C的阻抗。

由于在調(diào)節(jié)前存在關(guān)系：

進(jìn)而得到：

根據(jù)式（12）可以看出存在如下關(guān)系：

進(jìn)一步推導(dǎo)可得到λB= λC，只需選取其中的一條支路進(jìn)行討論，下面分析當(dāng)λA變 化時(shí)λB的變化。

在風(fēng)量調(diào)節(jié)完成后，存在關(guān)系：

結(jié)合式（12）（14）可以得到：

在調(diào)節(jié)前存在關(guān)系：

根據(jù)式（1）（16）得到：

將式（17）代入式（15），并整理得到：

式（18）含有λA與λB的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行隱函數(shù)求解，得到λB的顯函數(shù)形式。

由式（19）可看出，λB的影響因素包括n，k′，ηA，λA。首先分析在等效參數(shù)相同時(shí)，靜壓點(diǎn)分別位于支路和主路上的差別。在此做些假設(shè)，認(rèn)為在風(fēng)量調(diào)節(jié)前各支路風(fēng)量平均分配，即ηA=ηB=ηC=1/3。將靜壓點(diǎn)布置在管路分支處，令等效參數(shù)k′=0.2，從圖3可以看出，靜壓點(diǎn)位于送風(fēng)主路時(shí)B支路受到的影響更小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。

圖3 等效參數(shù)相同時(shí)穩(wěn)定性對(duì)比Fig.3 Comparison of stability with the same equivalent parameters

下文分析各參數(shù)對(duì)送風(fēng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，圖4所示為靜壓點(diǎn)位置對(duì)穩(wěn)定性的影響，與布置在支路時(shí)規(guī)律相同，靜壓點(diǎn)離送風(fēng)末端越遠(yuǎn)，B支路風(fēng)量受影響程度越小，這說明靜壓點(diǎn)后部阻抗越大，送風(fēng)穩(wěn)定性越好。但阻抗大相應(yīng)的壓力損耗大，會(huì)增加風(fēng)機(jī)能耗。

圖4 n值變化時(shí)λA與 λB 關(guān)系曲線（k′=0.2）Fig.4 The relationship betweenλA and λB when n changes（k′=0.2）

圖5所示為k′值對(duì)穩(wěn)定性的影響，與布置在支路時(shí)規(guī)律一致，即k′值越小穩(wěn)定性越好，實(shí)際上也說明增加阻抗有利于管網(wǎng)穩(wěn)定性。

圖5 k′值變化時(shí)λA與 λB 關(guān)系曲線（n=1）Fig.5 The relationship betweenλAandλB when k′changes（n=1）

以上分析是假設(shè)調(diào)節(jié)前各支路的風(fēng)量平均分配，實(shí)際中的送風(fēng)量不一定是平均分配。圖6所示為支路A設(shè)計(jì)風(fēng)量對(duì)穩(wěn)定性的影響，從中可以看出支路A設(shè)計(jì)風(fēng)量越小，進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)其他支路的影響越小。

圖6 不同ηA值時(shí)送風(fēng)穩(wěn)定性（n=1，k′=0.2）Fig.6 Air supply stability at different ηA values（n=1，k′=0.2）

2 調(diào)節(jié)性分析

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過調(diào)整送風(fēng)末端的閥門開度進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，最理想的狀態(tài)是閥門開度與送風(fēng)量呈比例關(guān)系。然而由于變風(fēng)量末端等非線性元件的存在以及各支路之間的耦合，實(shí)際送風(fēng)量與閥門開度并非比例關(guān)系，在某些閥門開度甚至起不到調(diào)節(jié)風(fēng)量的作用，由此引出了風(fēng)量調(diào)節(jié)性的問題。

選取試驗(yàn)船上甲板6號(hào)空調(diào)器及其對(duì)應(yīng)的送風(fēng)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)送風(fēng)管網(wǎng)進(jìn)行阻抗計(jì)算，分析管網(wǎng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)性。艙室分布及送風(fēng)管路布置如圖7所示。

圖7 6號(hào)空調(diào)送風(fēng)區(qū)示意Fig.7 Schematic diagram of No.6 air conditioner air supply area

2.1 變風(fēng)量末端阻抗

變風(fēng)量末端是實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)的重要裝置，閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0～π/2，其壓力損耗與氣流流速的關(guān)系為：

由于Q=AV，上式可變形為：

式中 K——阻力損失系數(shù)；

Q——空氣流量；

A——截面面積。

對(duì)于式（21），相當(dāng)于阻抗：

變風(fēng)量閥門阻抗與開度轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖8所示，當(dāng)閥門轉(zhuǎn)角小于40°時(shí)阻抗值基本不變，而轉(zhuǎn)角大于50°后阻抗急劇升高。

圖8 變風(fēng)量閥門阻抗隨閥門開度變化Fig.8 The relationship between impedance and valve opening of variable air volume valve

2.2 管路阻抗

送風(fēng)管網(wǎng)中直管段阻抗為：

式中 f——摩擦阻力系數(shù)；

L——管路長度；

D——管路內(nèi)徑。

此外，管網(wǎng)中還存在彎頭、三通、四通、出風(fēng)口等元件，這些元件會(huì)產(chǎn)生局部阻力損失，其計(jì)算公式為：

式中 ξ——局部阻力損失系數(shù)，可通過相關(guān)手冊查到［14］。

根據(jù)以上內(nèi)容介紹，可計(jì)算得到送風(fēng)管網(wǎng)的阻抗特性，送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量分配與阻抗有關(guān)，計(jì)算方法為式（25）［15］：

假設(shè)對(duì)428室進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，圖9所示為各個(gè)艙室的送風(fēng)量變化。對(duì)于該管網(wǎng)系統(tǒng)來說，變風(fēng)量末端閥門角度在40°～80°時(shí)送風(fēng)量有變化，定義為風(fēng)量可調(diào)區(qū)，其中48°～76°為調(diào)節(jié)敏感區(qū)，該區(qū)間內(nèi)風(fēng)量變化明顯。閥門調(diào)節(jié)范圍應(yīng)處于調(diào)節(jié)敏感區(qū)，本文選取閥門轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)范圍為48°～65°，其中48°為調(diào)節(jié)敏感區(qū)的起始角度。而上限角度受最小換氣次數(shù)限制，送風(fēng)量應(yīng)滿足最小換氣次數(shù)要求（相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［16］規(guī)定為8次），圖9中滿足換氣次數(shù)要求的最小風(fēng)量對(duì)應(yīng)閥門角度為 65°。

圖9 428艙室風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)各艙室風(fēng)量變化Fig.9 Change of air volume of each cabin during air volume adjustment of 428 cabins

3 節(jié)能方案實(shí)例分析

對(duì)圖7所示試驗(yàn)船空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行變風(fēng)量節(jié)能技術(shù)研究，基于以上分析，將靜壓點(diǎn)設(shè)置于送風(fēng)主管道中間位置，閥門角度調(diào)節(jié)范圍為48°～65°。采用TRNSYS軟件對(duì)艙室進(jìn)行建模分析，定義住艙在每日的0～8 h及18～24 h有人，日間8～18 h人員集中在會(huì)議室及實(shí)驗(yàn)室，房間內(nèi)人員及電子設(shè)備均為室內(nèi)熱源，供冷季和供熱季的室內(nèi)溫度設(shè)定分別為27，20 ℃。分別從系統(tǒng)風(fēng)量控制和新風(fēng)量控制兩個(gè)方面制定節(jié)能控制策略。

3.1 系統(tǒng)風(fēng)量節(jié)能控制

系統(tǒng)風(fēng)量控制是變風(fēng)量的核心，根據(jù)對(duì)常用控制方案的分析，提出變靜壓—總風(fēng)量優(yōu)化方案，節(jié)能控制策略見表1。

表1 系統(tǒng)風(fēng)量節(jié)能控制策略Tab.1 System air volume energy saving control strategy

3.1.1 原始方案

選擇上海地區(qū)氣候環(huán)境作為分析輸入條件，設(shè)定供熱季為 0～2 160 h、7 776～8 760 h，供冷季為 3 528～6 408 h。其余 2 160～3 000 h、7 092～7 776 h為過渡季預(yù)供熱時(shí)間，3 000～3 528 h、6 408～7 092 h為過渡季預(yù)供冷時(shí)間。

根據(jù)圖7所示管網(wǎng)布置及式（25）計(jì)算各個(gè)艙室的風(fēng)量分配，并對(duì)原始方案進(jìn)行計(jì)算，得到各艙室的溫度控制效果如圖10所示，可以看出原始方案對(duì)室溫的調(diào)節(jié)偏差較大，存在過調(diào)節(jié)現(xiàn)象，造成能耗浪費(fèi)。

圖10 原始方案艙室溫度變化Fig.10 Cabin temperature change of the original strategy

圖11 各節(jié)能控制方案能耗對(duì)比Fig.11 Energy consumption comparison of various energy saving control strategies

各節(jié)能控制方案能耗如圖11所示，由于冬季時(shí)艙室溫度設(shè)定值與外界環(huán)境溫度差值明顯高于夏季的溫度差值，且供熱時(shí)間更長，因此制熱的全年能耗明顯高于制冷的能耗。

3.1.2 變靜壓—總風(fēng)量控制方案

變靜壓控制的節(jié)能效果好，變靜壓控制法需首先根據(jù)閥門開度調(diào)節(jié)壓力設(shè)定值，然后根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際壓力差值dP對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度慢，而總風(fēng)量控制法具有響應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮節(jié)能效果與響應(yīng)速度，提出“變靜壓-總風(fēng)量”系統(tǒng)風(fēng)量控制優(yōu)化方案，以變靜壓控制為基礎(chǔ)，借鑒總風(fēng)量控制的思路，對(duì)頻率調(diào)節(jié)策略進(jìn)行改進(jìn)。計(jì)算不同時(shí)刻需求風(fēng)量與實(shí)際送風(fēng)量差值dQ，將dQ值與dP值按式（26）一起用于調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率f，以提高響應(yīng)速度，設(shè)定頻率調(diào)節(jié)范圍為 30～50 Hz。

式中 f0——調(diào)節(jié)前一時(shí)刻頻率；

kp，kQ——調(diào)節(jié)步長。

對(duì)變靜壓及變靜壓—總風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)量優(yōu)化方案均進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示2種方案均能調(diào)節(jié)室溫。但兩方案響應(yīng)速度不同，從圖12可以看出，當(dāng)室溫超過設(shè)定值后“變靜壓—總風(fēng)量”控制方案能夠快速地調(diào)節(jié)室溫，溫度偏差小。

圖12 艙室溫度變化過程Fig.12 Cabin temperature change process

為定量分析變靜壓—總風(fēng)量的響應(yīng)快速性優(yōu)勢，以艙室溫度的調(diào)節(jié)效果作為指標(biāo)，計(jì)算變靜壓及變靜壓—總風(fēng)量兩種控制策略下全年艙室設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的統(tǒng)計(jì)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算方法如下：

式中 Tset——艙室設(shè)定溫度；

Treal——艙室實(shí)際溫度；

n——數(shù)據(jù)量。

結(jié)果顯示：變靜壓控制策略溫度標(biāo)準(zhǔn)差為5.08，變靜壓-總風(fēng)量控制策略溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4.87，由此可知變靜壓-總風(fēng)量控制策略的響應(yīng)快速性有所提高，對(duì)室溫的調(diào)節(jié)效果更好，從圖11可以看出該方案的節(jié)能效果也更為優(yōu)異。

3.2 新風(fēng)量節(jié)能控制策略

空調(diào)系統(tǒng)中的新風(fēng)量主要影響艙室環(huán)境質(zhì)量，實(shí)際上新風(fēng)量對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響同樣不容忽視。船舶空調(diào)系統(tǒng)中常見的定比例新風(fēng)量送風(fēng)在節(jié)能運(yùn)行上存在弊端：定比例送風(fēng)在人員活動(dòng)較少時(shí)存在新風(fēng)過多的情況，室內(nèi)外溫差較大則會(huì)造成空調(diào)負(fù)荷增加；當(dāng)室外溫度舒適時(shí)，此時(shí)環(huán)境溫度已能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，如仍采用定新風(fēng)量策略，則浪費(fèi)了室外自然資源。

采用動(dòng)態(tài)調(diào)整新風(fēng)量的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，在保證艙室環(huán)境質(zhì)量的前提下，進(jìn)一步降低船舶空調(diào)系統(tǒng)能耗，提出的優(yōu)化策略見表2。

表2 新風(fēng)量節(jié)能控制策略Tab.2 Fresh air volume energy saving control strategy

采用健康最小新風(fēng)量+過渡季全新風(fēng)的新風(fēng)量控制方法，當(dāng)夏季和冬季室內(nèi)外溫差較大時(shí)，按照每人30 m3/h的最小新風(fēng)量要求，根據(jù)人數(shù)確定新風(fēng)量；當(dāng)環(huán)境溫度舒適時(shí)，關(guān)閉冷水機(jī)組及鍋爐全部采用新風(fēng)調(diào)節(jié)室溫?？刂菩盘?hào)由環(huán)境溫度決定，定義環(huán)境溫度為21～26 ℃時(shí)為舒適性過渡季節(jié)。

不同時(shí)刻艙室內(nèi)人員是流動(dòng)的，人員集中時(shí)艙室環(huán)境質(zhì)量差。為保證環(huán)境質(zhì)量，適當(dāng)增加人員集中艙室排風(fēng)量。一方面盡可能多的排出污濁空氣，提高空氣質(zhì)量；另一方面，可降低熱負(fù)荷對(duì)提高節(jié)能效果亦有益處。

在系統(tǒng)風(fēng)量控制基礎(chǔ)上加入新風(fēng)量控制，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，得到艙室溫度控制效果如圖13所示，該方案能夠按設(shè)定溫度調(diào)節(jié)室溫，溫度偏差較小。在過渡季由于采用全新風(fēng)調(diào)節(jié)，室溫波動(dòng)較大。

從圖11可以看出，增加新風(fēng)量控制能夠進(jìn)一步提高節(jié)能效果。新風(fēng)量控制的節(jié)能性主要體現(xiàn)在能夠避免過多的新風(fēng)引起空調(diào)負(fù)荷增加，由于冬季時(shí)室內(nèi)外最大溫差達(dá)到25 ℃，而夏季的最大室內(nèi)外溫差僅為8 ℃左右。因此冬季時(shí)采用最小新風(fēng)量所減少的空調(diào)負(fù)荷比夏季更多，且制熱時(shí)間比制冷時(shí)間更長，因此增加新風(fēng)量控制后制熱能耗降低的更明顯。以上分析同樣能夠解釋系統(tǒng)風(fēng)量控制時(shí)制熱功耗顯著降低的原因。

圖13 系統(tǒng)風(fēng)量+新風(fēng)量控制方案艙室溫度變化Fig.13 Cabin temperature change of the system air volume +fresh air volume control strategy

4 結(jié)論

（1）管網(wǎng)送風(fēng)穩(wěn)定性及調(diào)節(jié)性是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的重要性質(zhì)，選取合理的閥門敏感區(qū)才能有效的調(diào)節(jié)風(fēng)量。靜壓測點(diǎn)位置影響送風(fēng)穩(wěn)定性，將靜壓點(diǎn)設(shè)置于送風(fēng)主路的穩(wěn)定性優(yōu)于支路；提高管路阻抗有益于提高送風(fēng)穩(wěn)定性，但會(huì)增加能耗。

（2）變靜壓—總風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)量控制方法兼具節(jié)能性和響應(yīng)快速性優(yōu)勢，對(duì)室溫調(diào)節(jié)效果更好，總能耗降低約43%；新風(fēng)量是節(jié)能控制中不可忽視的要素，合理利用新風(fēng)能夠進(jìn)一步降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，對(duì)提高艙室空氣環(huán)境質(zhì)量亦有益處。根據(jù)計(jì)算，本文的新風(fēng)控制方法能夠進(jìn)一步提高節(jié)能效果約11%。