深海載人艙室風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)仿真

周鑫濤，徐 蒙，趙遠(yuǎn)輝，王海寧

（1. 深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214082；2. 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(yàn)室，江蘇無錫 214082）

0 引言

深海載人艙室是深海載人平臺(tái)的主要艙室之一，集艇員工作、生活于一體，艙內(nèi)具有大量的濕熱源[1]。艙室外界環(huán)境隨平臺(tái)潛深的變化而變化，艙內(nèi)溫濕度環(huán)境也受影響較大。因此，需配備空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)艙室空氣降溫減濕，維持艙內(nèi)環(huán)境處于舒適范圍。深海載人艙室空調(diào)系統(tǒng)分為機(jī)械壓縮制冷空調(diào)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，機(jī)械壓縮制冷系統(tǒng)是利用壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥等轉(zhuǎn)移艙內(nèi)多余熱量，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)則直接利用艙室冷卻水和風(fēng)機(jī)盤管對(duì)艙內(nèi)空氣降溫減濕。風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)有效工作的條件是艙內(nèi)有穩(wěn)定的冷源，因此，當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時(shí)采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，當(dāng)外界環(huán)境溫度升高導(dǎo)致風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)不能滿足要求時(shí)采用機(jī)械壓縮制冷模式。

國內(nèi)外有諸多研究人員運(yùn)用仿真和優(yōu)化手段進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)仿真技術(shù)也從最初的機(jī)械、液壓系統(tǒng)仿真，逐漸發(fā)展到今天可以進(jìn)行機(jī)、電、液、氣、控、熱和電磁等多學(xué)科綜合系統(tǒng)仿真。AMESim軟件可以從元件設(shè)計(jì)出發(fā)，可以考慮氣體本身特性、環(huán)境溫度等難以建模的部分，直到組成部件和系統(tǒng)進(jìn)行功能性能仿真和優(yōu)化，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品或系統(tǒng)滿足實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的要求[2]。AMESim作為系統(tǒng)仿真平臺(tái)，采用基于物理模型的圖形化建模方式，該軟件已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、車輛、工程機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域[3-6]。

本文利用AMESim軟件建立深海載人艙室及風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)整體模型，進(jìn)行了以下仿真研究：

1）分別以控制大或小艙室溫度或大小艙室混合回風(fēng)溫度為控制策略，計(jì)算艙內(nèi)溫濕度，以預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)（Predicted Mean Vote，PMV）和預(yù)計(jì)不滿意率（ Predicted Percentage of Dissatisfied，PPD）等指標(biāo)為依據(jù)，確定風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的控制策略。

2）研究改變艙室送風(fēng)比例對(duì)艙室溫濕度影響。

3）研究不同環(huán)境溫度下對(duì)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)性能的影響，對(duì)深海載人平臺(tái)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供支撐。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

深海載人艙室是圓柱體帶球封頭結(jié)構(gòu)，艙室被橫艙壁分成大、小2個(gè)艙室，艙室內(nèi)存在諸多設(shè)備熱及人員。艙室總熱源為5 kW，其中大艙室4.3 kW，小艙室0.7 kW。綜合考慮艙內(nèi)氣流組織和噪聲的要求，風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)量范圍定為600 m3/h～900 m3/h。深海載人艙室空調(diào)系統(tǒng)原理框圖見圖1，當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時(shí)艙內(nèi)濕空氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)盤管處理后進(jìn)入大、小艙室，艙內(nèi)熱量通過風(fēng)機(jī)盤管冷卻水、冷卻水艙散入外界環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)原理簡圖

1.2 仿真模型

系統(tǒng)仿真模型草圖見圖2，包括濕空氣循環(huán)、冷卻水循環(huán)和控制部分。濕空氣循環(huán)部分包括濕空氣源、濕空氣團(tuán)、半邊換熱器、熱源、對(duì)流換熱、結(jié)構(gòu)蓄熱、熱舒適性和溫濕度傳感器等模塊。冷卻水循環(huán)部分包括水泵、半邊換熱器、冷卻水艙、對(duì)流換熱、管路和傳感器等模塊等。艙室與外界環(huán)境傳熱以總換熱系數(shù)、總傳熱面積和外界環(huán)境溫度計(jì)算，總傳熱系數(shù)取1 W/(m2·K)。風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)主要部件在AMESim軟件中所對(duì)應(yīng)的仿真模型見表1。

圖2 系統(tǒng)仿真模型

系統(tǒng)控制分別以大、小艙室混合回風(fēng)溫度（工況1）、大艙室溫度（工況2）、小艙室溫度（工況3）為控制對(duì)象，調(diào)整大、小艙室送風(fēng)比例，研究不同策略對(duì)艙室溫度的影響。同時(shí)，由于外界環(huán)境溫度升高，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的制冷減濕性能會(huì)相應(yīng)下降甚至不能使用，轉(zhuǎn)而為使用機(jī)械壓縮制冷系統(tǒng)。因此，當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時(shí)，應(yīng)增加風(fēng)量以維持風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)性能。同時(shí)，當(dāng)風(fēng)量的增加也無法保證風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)正常使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)確定空調(diào)系統(tǒng)切換到機(jī)械壓縮制冷模式的工況點(diǎn)。

1.3 計(jì)算公式

式中：Φ為對(duì)流傳熱換熱量，W；A為換熱面積，m2；h為對(duì)流傳熱表面換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Δtm為平均溫差，℃。

1.4 PMV 與PPD 指數(shù)

PMV指數(shù)是根據(jù)人體熱平衡預(yù)計(jì)群體對(duì)7個(gè)等級(jí)熱感覺（見表2）評(píng)價(jià)的平均值。當(dāng)人體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量等于向環(huán)境中散失的熱量時(shí)，人處于熱平衡。在中等環(huán)境中，人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)將自動(dòng)通過調(diào)整皮膚溫度和出汗量以維持熱平衡[8]。

表2 7 個(gè)等級(jí)熱感覺量表

PPD是定量預(yù)測(cè)感覺太冷或太熱的熱不滿意率的指數(shù)，即在那些7級(jí)熱感覺量表中選擇熱、暖、涼或冷的人。

2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

2.1 不同控制策略仿真結(jié)果及分析

本節(jié)進(jìn)行了以下3種工況下系統(tǒng)仿真計(jì)算：控制混合回風(fēng)溫度；控制大艙室溫度；控制小艙室溫度。溫度控制范圍23 ℃～25 ℃，風(fēng)量600 m3/h，大小艙室送風(fēng)比例為9∶1。

圖3、圖4、圖5分別為控制混合回風(fēng)溫度、大艙室溫度和小艙室溫度仿真計(jì)算結(jié)果。由此可見，大小艙室溫差1 ℃～2 ℃，小艙室為休息室，大艙室為工作室，因此小艙室溫度略高于大艙室是合理的。控制混合回風(fēng)溫度與控制大艙室溫度的艙內(nèi)溫濕度結(jié)果略有不同，但結(jié)果相差很小，且水泵和風(fēng)機(jī)處于間斷運(yùn)行狀態(tài)。而控制小艙室溫度時(shí)使大艙室溫度較低，且系統(tǒng)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，不利于系統(tǒng)節(jié)能性。圖6、圖7分別為艙室PMV與PPD指數(shù)結(jié)果，服裝熱阻為1.0 col。從中可以看出，PMV值處于?0.2～0.6之間，平均PPD值處于5%～10%，小艙室略高于大艙室，各艙室均處于較為舒適的區(qū)間。

圖3 控制混合回風(fēng)溫度（工況1）

圖4 控制大艙室溫度（工況2）

圖5 控制小艙室溫度（工況3）

圖6 艙室PMV 指數(shù)

圖7 艙室PPD 指數(shù)

因此，綜合控制便利性和節(jié)能性，應(yīng)以大小艙室混合回風(fēng)溫度為控制對(duì)象。

2.2 不同送風(fēng)比例仿真結(jié)果及分析

受勞動(dòng)強(qiáng)度和穿著衣物的影響，大小艙室可能對(duì)溫度有不同的需求，通過調(diào)整風(fēng)量比例可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大小艙室溫度的區(qū)域控制。本節(jié)計(jì)算不同送風(fēng)比例對(duì)大艙室和小艙室空氣溫濕度的影響，其中送風(fēng)比例以小艙室風(fēng)量占總風(fēng)量百分比表示，分別為8%、10%、12%和14%。

表3為設(shè)定相應(yīng)小艙室送風(fēng)比例條件下大艙室和小艙室的溫度值。從中可以看出，大艙室溫度受送風(fēng)比例影響較小，小艙室溫度受影響較大。隨著小艙室送風(fēng)比例升高（8%～14%），大艙室平均溫度由23.8 ℃上升至24.2 ℃，小艙室平均溫度由26.1 ℃下降至22.5 ℃。這說明當(dāng)通過控制小艙室送風(fēng)量而控制小艙室溫度時(shí)，大艙室溫度受影響較小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小艙室的獨(dú)立控溫。

表3 不同送風(fēng)比例艙室溫度

由計(jì)算可以得出：不同送風(fēng)比例對(duì)兩艙室溫度的影響結(jié)果，進(jìn)而確定小艙室風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍，從而為風(fēng)量分配設(shè)計(jì)及使用調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

2.3 不同環(huán)境溫度仿真結(jié)果及分析

對(duì)外界海水溫度改變時(shí)的艙室整體系統(tǒng)進(jìn)行仿真，研究海水溫度升高過程對(duì)風(fēng)機(jī)盤管性能的影響。同時(shí)在外界海水溫度變化的同時(shí)，通過調(diào)整風(fēng)量和水泵流量使艙室溫濕度仍處于舒適范圍內(nèi)。表4為風(fēng)量不變、外界海水溫度從3 ℃升高至21 ℃時(shí)的艙內(nèi)溫度。從表4可以看出，當(dāng)外界海水溫度9 ℃時(shí)，大艙室溫度接近27 ℃，當(dāng)外界海水溫度13 ℃時(shí)，大艙室溫度高于30 ℃。計(jì)算結(jié)果表明：小艙室溫度可通過適當(dāng)調(diào)整送風(fēng)比例調(diào)整溫度，對(duì)大艙室溫度影響不大，需重點(diǎn)關(guān)注大艙室。

表4 不同外界海水溫度大艙室溫度

當(dāng)外界海水溫度升高時(shí)應(yīng)首先適當(dāng)調(diào)節(jié)送風(fēng)量以滿足風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)使用要求，受艙室噪聲要求等因素限制，風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍不可過大，為600 m3/h～900 m3/h。表5為外界海水溫度11 ℃時(shí)，調(diào)整風(fēng)量后艙室溫度結(jié)果。從表5可以看出，當(dāng)風(fēng)量增大720 m3/h～900 m3/h時(shí)，大艙室溫度可以維持在25 ℃～27 ℃，相對(duì)濕度雖然有所升高，但仍維持在60%以下，此時(shí)冷卻水艙內(nèi)溫度約為12.5 ℃。

表5 不同風(fēng)量下大艙室溫度及相對(duì)濕度（海水溫度11 ℃）

表6為外界海水溫度13 ℃時(shí)，調(diào)整風(fēng)量后艙室溫度結(jié)果。由此可見，此時(shí)風(fēng)量調(diào)整為最大900 m3/h時(shí)，艙室溫度勉強(qiáng)維持在約27 ℃，艙內(nèi)相對(duì)濕度接近60%，此時(shí)冷卻水溫度約為14.5 ℃。

圖6 不同風(fēng)量下大艙室溫度及相對(duì)濕度（海水溫度13 ℃）

由于深海載人艙室能源緊張，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)相對(duì)于機(jī)械壓縮制冷系統(tǒng)能耗低，但使用環(huán)境條件苛刻，當(dāng)外界環(huán)境溫度升高到一定值時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)需切換到機(jī)械壓縮制冷模式。因此，進(jìn)行不同外界環(huán)境溫度系統(tǒng)仿真結(jié)果，確定合適的艙室控制溫度以及控制風(fēng)量以延長風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。結(jié)果表明，當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大風(fēng)量以及提高艙室的控制溫度，可以延長風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的有效工作時(shí)間。同時(shí)，結(jié)果也表明：當(dāng)環(huán)境溫度高于13 ℃時(shí)（冷卻水艙溫度高于14.5 ℃），即使增大風(fēng)量也不能使艙室處于舒適范圍內(nèi)。因此，綜合艙室舒適性和節(jié)能性，空調(diào)系統(tǒng)制冷模式由風(fēng)機(jī)盤管模式轉(zhuǎn)為機(jī)械壓縮制冷模式應(yīng)以冷卻水進(jìn)口溫度或環(huán)境溫度為切換點(diǎn)。

2.4 上浮過程仿真結(jié)果

由于艙室空氣和冷卻水艙內(nèi)水具有熱慣性，因此，本節(jié)進(jìn)行了上浮及不同深度過程中系統(tǒng)仿真，對(duì)比動(dòng)態(tài)過程仿真結(jié)果與前文計(jì)算結(jié)果的差異，風(fēng)量取900 m3/h。

外界環(huán)境溫度和冷卻水進(jìn)口溫度變化曲線見圖8，環(huán)境溫度變化有5個(gè)過程。從中可以看出，冷卻水箱內(nèi)冷卻水溫度的變化是滯后于外界環(huán)境溫度變化的。環(huán)境溫度開始上升的大部分時(shí)間內(nèi)，冷卻水溫度是低于環(huán)境溫度的，外界環(huán)境溫度穩(wěn)定后約20 min冷卻水溫度開始高于環(huán)境溫度。圖9、圖10為艙室上浮過程中系統(tǒng)仿真結(jié)果，分別為大、小艙室溫度和預(yù)計(jì)平均熱感覺、預(yù)計(jì)不滿意率。

圖8 外界環(huán)境與冷卻水艙溫度變化

圖9 艙室溫濕度結(jié)果

圖10 艙室PMV 和PPD 結(jié)果

可以看出，環(huán)境溫度從10℃升高至20℃并穩(wěn)定后，艙室溫度較高，艙室熱感覺較強(qiáng)，預(yù)計(jì)不滿意率也超過了90%，這說明風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)已經(jīng)失效。大艙室溫度開始高于27 ℃時(shí)，冷卻水艙溫度約14 ℃，與前文結(jié)果相同，但此時(shí)外界環(huán)境溫度接近16 ℃，高于前文計(jì)算結(jié)果13 ℃，這是由于冷卻水艙具有熱慣性。結(jié)果表明制冷模式應(yīng)以冷卻水進(jìn)口溫度（不高于14 ℃）為切換點(diǎn)，能適當(dāng)延長風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)有效工作時(shí)間。

3 結(jié)論

本文基于AMESim對(duì)深海載人平臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，分別計(jì)算不同控制策略下艙內(nèi)溫濕度的變化，不同送風(fēng)比例下艙室溫濕度，以及不同環(huán)境溫度條件下風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)性能。得出以下結(jié)論：

1）控制混合回風(fēng)溫度與控制大艙室溫度的艙內(nèi)溫濕度結(jié)果相差很小，綜合控制便利性和節(jié)能因素，應(yīng)以大小艙室混合回風(fēng)溫度為控制對(duì)象。

2）通過控制小艙室送風(fēng)量而控制小艙室溫度時(shí)，大艙室溫度受影響較小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小艙室的獨(dú)立控溫。

3）當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大風(fēng)量以及提高艙室的控制溫度，延長風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的有效時(shí)間。

4）空調(diào)系統(tǒng)制冷模式應(yīng)以冷卻水進(jìn)口溫度切換點(diǎn)，且上限應(yīng)不高于14 ℃。