豪華客船陽臺房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

謝旭晨 劉 芳 張朝霞 于延玲 張?zhí)玫?/p>

（上海外高橋造船有限公司 上海 200137）

引 言

豪華客船作為休閑、娛樂和觀光的移動載體，空調(diào)系統(tǒng)的舒適程度將直接影響乘客的乘坐體驗。同時空調(diào)系統(tǒng)也是能耗大戶，一般約占客船運營總能耗的30%。隨著乘客對居住環(huán)境舒適性的要求以及船東對船舶運營節(jié)能增效的要求越來越高，實現(xiàn)兼顧舒適性和節(jié)能性的空調(diào)系統(tǒng)的重要性日益突顯。

豪華客船陽臺房由于直接面向室外，其熱濕負荷較大，目前多采用新風+風機盤管的空調(diào)系統(tǒng)，即通過集中式空調(diào)箱僅送入滿足衛(wèi)生要求的新風，房間的負荷由風機盤管處理，屬于典型的半集中式空調(diào)系統(tǒng)。由于陽臺房空調(diào)系統(tǒng)總耗能占整個居住艙室空調(diào)系統(tǒng)的絕大部分，所以陽臺房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計是客船空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的最重要內(nèi)容之一。

1 陽臺房空調(diào)系統(tǒng)組成及主要部件功能

1.1 陽臺房空調(diào)系統(tǒng)組成簡述

豪華客船陽臺房空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。首先，新風到焓回收轉(zhuǎn)輪式空調(diào)箱進行獨立集中處理；然后，通過定風量閥或變風量閥被分配至各陽臺房風機盤管（FCU）；在風機盤管混合后，最后將經(jīng)風機盤管處理過的回風通過布風器送入房間。

圖1 陽臺房空調(diào)系統(tǒng)示意圖

變風量閥一般用于大于2人的房間，閥的開度根據(jù)實際入住人員數(shù)量在乘客辦理入住時自動調(diào)節(jié)。

各陽臺房的抽風口設(shè)在衛(wèi)生單元，艙室門上不設(shè)回風格柵，衛(wèi)生單元回風經(jīng)焓回收轉(zhuǎn)輪式空調(diào)箱進行熱量或冷量回收后直接排出室外。

1.2 陽臺房空調(diào)系統(tǒng)主要部件功能

1.2.1 焓回收轉(zhuǎn)輪式空調(diào)箱

（1）制冷

在夏季模式下，外界新鮮空氣通過焓回收轉(zhuǎn)輪進行預(yù)冷，焓回收轉(zhuǎn)輪將熱量和濕氣從進入的室外空氣轉(zhuǎn)移到回風空氣中，并在進入送風系統(tǒng)之前通過冷媒水盤管進行進一步冷卻和除濕。

（2）加熱

在冬季模式下，通過焓回收轉(zhuǎn)輪將回風中的熱量和濕氣轉(zhuǎn)移到進入的室外空氣中，對新風進行預(yù)熱和加濕，然后通過安裝在空調(diào)箱內(nèi)或主風管內(nèi)的再熱熱水盤管進行再加熱。

（3）焓回收器

將排風中的熱（冷）量傳遞給送風的熱轉(zhuǎn)移設(shè)備，習慣稱焓回收器，也稱能量回收部件，滿足以下條件之一即可運行：

① 手動開啟。

② 如果外界溫度低于10℃或外界溫度高于回風溫度（回風溫度一般設(shè)定為24℃，豪華客船外界設(shè)計溫度一般為：夏季+35℃/冬季0℃），則自動開啟，見表1。

表1 自動模式下焓回收轉(zhuǎn)輪開關(guān)對應(yīng)溫度表

③ 如果轉(zhuǎn)輪停止運行1 h，會自動運行2 min進行自潔凈。

1.2.2 風機盤管

（1）風機

風機采用直流無刷電機驅(qū)動，風機轉(zhuǎn)速可進行無極調(diào)節(jié)并一直處于運行狀態(tài)，一般不允許停止風機運轉(zhuǎn)。

（2）制冷

室內(nèi)回風經(jīng)過冷媒水盤管進行制冷，制冷量的調(diào)節(jié)由安裝在風機盤管內(nèi)的電動二通閥控制。

（3）加熱

室內(nèi)回風經(jīng)過電加熱器進行加熱，加熱器一般使用脈沖調(diào)制技術(shù)來調(diào)節(jié)加熱量。

2 陽臺房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

由于陽臺房空調(diào)系統(tǒng)采用新風+風機盤管的空調(diào)系統(tǒng)，所以節(jié)能設(shè)計的重點是新風段即空調(diào)箱和室內(nèi)風機盤管段這兩個分段如何實現(xiàn)節(jié)能，以及這兩個分段如何整體實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。系統(tǒng)設(shè)計時，空調(diào)箱處理新風段的熱濕負荷，而房間風機盤管是處理其房間的所有熱濕負荷，基于先決條件，節(jié)能設(shè)計的2條基本思路是，空調(diào)箱處理新風時要隨外界溫度變化而變化；室內(nèi)風機盤管要隨室內(nèi)溫度以及人員活動狀態(tài)的變化而變化。

2.1 空調(diào)箱的節(jié)能設(shè)計

空調(diào)箱的節(jié)能靠空調(diào)箱的控制系統(tǒng)及其相關(guān)部件來完成，控制系統(tǒng)通過感知各點溫度傳感器的信號來調(diào)節(jié)冷/熱媒水閥的開度，從而保證一定的送風溫度，具體設(shè)計如下：

2.1.1 制冷盤管的能量調(diào)節(jié)

空調(diào)箱內(nèi)位于制冷盤管的下風位置安裝一個溫度傳感器TT1，如圖2所示。

圖2 制冷盤管的能量調(diào)節(jié)示意圖

系統(tǒng)控制器根據(jù)TT1實測數(shù)據(jù)和設(shè)定值的比較按照下頁圖3的調(diào)節(jié)線對電動二通閥CV1進行調(diào)節(jié)來控制冷媒水的流量，從而完成空調(diào)系統(tǒng)的制冷節(jié)能控制。

圖3 制冷盤管的能量調(diào)節(jié)線

2.1.2 加熱盤管的能量調(diào)節(jié)

在空調(diào)箱內(nèi)每個區(qū)域再熱器（再熱器也可以安裝在從空調(diào)箱出來的每根總送風管內(nèi)）下風位置安裝送風溫度傳感器TT和新風口的位置安裝室外溫度傳感器OT，控制系統(tǒng)通過溫度的變化對電動二通閥CV進行調(diào)節(jié)來控制熱水的流量，從而完成空調(diào)系統(tǒng)的加熱調(diào)節(jié)控制。加熱盤管的能量調(diào)節(jié)示意圖見圖4。

圖4 加熱盤管的能量調(diào)節(jié)示意圖

2.1.3 送風溫度的調(diào)節(jié)

送風溫度即進入風機盤管之前的新風溫度.通常在控制器中會設(shè)定一個固定值，假設(shè)固定值設(shè)定為24℃，當新風進口的室外溫度傳感器OT探測到這個設(shè)定值時，熱水系統(tǒng)上的電動二通閥CV將完全關(guān)閉。當室外溫度低于這個設(shè)定值時，送風溫度將如圖5的函數(shù)線，隨著外界溫度呈線性自動調(diào)節(jié)，加熱盤管電動二通閥CV將隨著外界溫度降低而開度變大，制冷盤管電動二通閥CV1仍然按照圖3來自動調(diào)節(jié)開度。

圖5 送風溫度傳感器設(shè)定點調(diào)節(jié)線

2.2 風機盤管節(jié)能設(shè)計

風機盤管節(jié)能靠風機盤管控制系統(tǒng)及其相關(guān)部件完成，各陽臺房風機盤管與艙室風機盤管控制系統(tǒng)相連，用于監(jiān)測、記錄和管理各運行參數(shù)。每臺風機盤管都配有一個插件連接，用于檢查數(shù)據(jù)、進行故障排除和更改參數(shù)設(shè)置，包括恒溫器的全范圍不工作區(qū)設(shè)置?？刂葡到y(tǒng)檢測和管理以下輸入/輸出，并把如下數(shù)據(jù)通過通訊協(xié)議傳輸?shù)焦ぷ髡尽?/p>

（1）艙室溫度；

（2）室內(nèi)溫控器設(shè)定值；

（3）陽臺門打開/關(guān)閉；

（4）門卡插入/拔出；

（5）冷媒水電動二通閥指令；

（6）電加熱器開關(guān)指令；

（7）電加熱器安全開關(guān)報警；

（8）艙室送風溫度；

（9）風機盤管空氣過濾器壓差報警。

風機盤管控制系統(tǒng)能自動感知陽臺門開閉以及門卡抽插狀態(tài)，并通過時間設(shè)置來自動進入節(jié)能模式，具體設(shè)計如下：

2.2.1 風機盤管正常運行模式

當陽臺門處于關(guān)閉以及門卡處于插入狀態(tài)時，控制系統(tǒng)控制風機盤管進入正常運行模式，假設(shè)乘客通過室內(nèi)溫控器設(shè)定室內(nèi)溫度為24℃時，風機盤管運行規(guī)則見圖6。

圖6 正常模式風機盤管運行規(guī)則

（1）當室內(nèi)溫度處于22.5℃以下時（一般在控制系統(tǒng)設(shè)定為低于不工作區(qū)下限溫度1℃），風機處于最大轉(zhuǎn)速，電加熱器處于最大開度，制冷盤管電動二通閥關(guān)閉。

（2） 當室內(nèi)溫度處于22.5~23.5℃時（22.5℃到不工作區(qū)下限溫度），隨著室內(nèi)溫度的升高，風機轉(zhuǎn)速線性降低，電加熱器開度同時線性變小，制冷盤管電動二通閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)。

（3）當室內(nèi)溫度處于23.5~24.5℃（不工作區(qū)溫度范圍，一般在控制系統(tǒng)設(shè)定為室內(nèi)設(shè)定溫度±0.5℃），風機處于最小轉(zhuǎn)速，制冷盤管電動二通閥及電加熱器都處于關(guān)閉狀態(tài)，此時處于最佳室溫狀態(tài)，系統(tǒng)的能耗也是最低。

（4）當室內(nèi)溫度處于24.5~25℃（不工作區(qū)上限溫度到制冷盤管電動二通閥全開溫度，一般設(shè)定高于不工作區(qū)上限溫度0.5℃），隨著溫度升高，風機轉(zhuǎn)速線性升高，制冷盤管電動二通閥開度同時線性變大，加熱器處于關(guān)閉狀態(tài)。

（5）當室內(nèi)溫度處于25~25.5℃（制冷盤管電動二通閥全開溫度到風機最大轉(zhuǎn)速溫度，一般設(shè)定高于不工作區(qū)上限溫度1℃），隨著溫度繼續(xù)升高，風機轉(zhuǎn)速繼續(xù)線性升高，制冷盤管電動二通閥開度處于全開狀態(tài)，加熱器仍處于關(guān)閉狀態(tài)。

（6）當室內(nèi)溫度處于25.5℃以上時，風機轉(zhuǎn)速保持最大的同時制冷盤管電動二通閥開度處于全開狀態(tài)，加熱器仍處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.2.2 風機盤管節(jié)能運行模式

當陽臺門開啟或者門卡拔出超過60 ~120 s后（時間可以在控制系統(tǒng)中設(shè)定），控制系統(tǒng)控制風機盤管進入節(jié)能運行模式，控制系統(tǒng)會根據(jù)客人在艙內(nèi)恒溫器上選擇的設(shè)定值，將不工作區(qū)擴大±2℃（夏季升溫/冬季降溫）。假設(shè)乘客通過室內(nèi)溫控器設(shè)定室內(nèi)溫度為24℃時，風機盤管運行規(guī)則如下頁圖7。

圖7 節(jié)能模式風機盤管運行規(guī)則

（1）當室內(nèi)溫度處于20.5℃時（一般在控制系統(tǒng)設(shè)定為低于不工作區(qū)下限溫度1℃），風機處于最大轉(zhuǎn)速，電加熱器處于最大開度，制冷盤管電動二通閥關(guān)閉。

（2） 當 室 內(nèi) 溫 度 處 于20.5~21.5℃以 下 時（20.5℃到不工作區(qū)下限溫度），隨著室內(nèi)溫度的升高，風機轉(zhuǎn)速線性降低，電加熱器開度同時線性變小，制冷盤管電動二通閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)。

（3）當室內(nèi)溫度處于21.5~26.5℃（不工作區(qū)溫度范圍，一般在控制系統(tǒng)設(shè)定為相對正常運行模式擴大±2℃），風機處于最小轉(zhuǎn)速，制冷盤管電動二通閥及電加熱器都處于關(guān)閉狀態(tài)，此時處于最佳室溫狀態(tài)，系統(tǒng)的能耗也是最低。

（4）當室內(nèi)溫度處于26.5~27℃（不工作區(qū)上限溫度到制冷盤管電動二通閥全開溫度，一般設(shè)定高于不工作區(qū)上限溫度0.5℃），隨著溫度升高，風機轉(zhuǎn)速線性升高，制冷盤管電動二通閥開度同時線性變大，加熱器處于關(guān)閉狀態(tài)。

（5）當室內(nèi)溫度處于27~27.5℃（制冷盤管電動二通閥全開溫度到風機最大轉(zhuǎn)速溫度，一般設(shè)定高于不工作區(qū)上限溫度1℃），隨著溫度繼續(xù)升高，風機轉(zhuǎn)速繼續(xù)線性升高，制冷盤管電動二通閥開度處于全開狀態(tài)，加熱器仍處于關(guān)閉狀態(tài)。

（6）當室內(nèi)溫度處于27.5℃以上時，風機轉(zhuǎn)速保持最大的同時制冷盤管電動二通閥開度處于全開狀態(tài)，加熱器仍處于關(guān)閉狀態(tài)。

當陽臺門關(guān)閉以及門卡插入超過60 ~120 s后（時間可以在控制系統(tǒng)中設(shè)定），控制系統(tǒng)控制風機盤管恢復(fù)正常運行模式。

3 結(jié) 語

新風+風機盤管的空調(diào)系統(tǒng)由于具備空調(diào)箱設(shè)備容量小、風管尺寸小和個性化調(diào)節(jié)能力強等特點，是豪華客船目前常用的陽臺房空調(diào)系統(tǒng)。

在新風段的處理中，通過焓回收轉(zhuǎn)輪的設(shè)置不僅能回收回風的大部分能量而且減少了污濁回風污染新風，同時通過自動調(diào)節(jié)冷/熱媒水閥的開度來保證送入風機盤管前的新風溫度，能有效避免先加熱后制冷或先制冷后加熱等浪費能量的情況出現(xiàn)。

在風機盤管階段的處理中，在節(jié)能模式下通過擴大風機盤管不工作區(qū)溫度范圍的方式，能使在房間無人或人員處在陽臺活動的情況下，在夏季時風機盤管主要運行在不工作區(qū)及房間高溫區(qū)間，在冬季時風機盤管主要運行在不工作區(qū)及房間低溫區(qū)間，在春秋季節(jié)時風機盤管主要運行在不工作區(qū)。

通過以上設(shè)計方法能有效節(jié)能并降低船舶運營成本，同時系統(tǒng)具備極強的個性化調(diào)節(jié)手段，使乘客獲得舒適的空間環(huán)境體驗。