深海載人艙室風機盤管系統仿真

周鑫濤，徐 蒙，趙遠輝，王海寧

（1. 深海技術科學太湖實驗室，江蘇無錫 214082；2. 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

深海載人艙室是深海載人平臺的主要艙室之一，集艇員工作、生活于一體，艙內具有大量的濕熱源[1]。艙室外界環境隨平臺潛深的變化而變化，艙內溫濕度環境也受影響較大。因此，需配備空氣調節系統對艙室空氣降溫減濕，維持艙內環境處于舒適范圍。深海載人艙室空調系統分為機械壓縮制冷空調系統和風機盤管系統，機械壓縮制冷系統是利用壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥等轉移艙內多余熱量，風機盤管系統則直接利用艙室冷卻水和風機盤管對艙內空氣降溫減濕。風機盤管系統有效工作的條件是艙內有穩定的冷源，因此，當外界環境溫度較低時采用風機盤管系統，當外界環境溫度升高導致風機盤管系統不能滿足要求時采用機械壓縮制冷模式。

國內外有諸多研究人員運用仿真和優化手段進行設計，系統仿真技術也從最初的機械、液壓系統仿真，逐漸發展到今天可以進行機、電、液、氣、控、熱和電磁等多學科綜合系統仿真。AMESim軟件可以從元件設計出發，可以考慮氣體本身特性、環境溫度等難以建模的部分，直到組成部件和系統進行功能性能仿真和優化，使設計出的產品或系統滿足實際應用環境的要求[2]。AMESim作為系統仿真平臺，采用基于物理模型的圖形化建模方式，該軟件已廣泛應用于航空航天、船舶、車輛、工程機械等多學科領域[3-6]。

本文利用AMESim軟件建立深海載人艙室及風機盤管系統整體模型，進行了以下仿真研究：

1）分別以控制大或小艙室溫度或大小艙室混合回風溫度為控制策略，計算艙內溫濕度，以預計平均熱感覺指數（Predicted Mean Vote，PMV）和預計不滿意率（ Predicted Percentage of Dissatisfied，PPD）等指標為依據，確定風機盤管系統的控制策略。

2）研究改變艙室送風比例對艙室溫濕度影響。

3）研究不同環境溫度下對風機盤管系統性能的影響，對深海載人平臺空氣調節系統方案設計提供支撐。

1 計算模型

1.1 物理模型

深海載人艙室是圓柱體帶球封頭結構，艙室被橫艙壁分成大、小2個艙室，艙室內存在諸多設備熱及人員。艙室總熱源為5 kW，其中大艙室4.3 kW，小艙室0.7 kW。綜合考慮艙內氣流組織和噪聲的要求，風機盤管風量范圍定為600 m3/h～900 m3/h。深海載人艙室空調系統原理框圖見圖1，當外界環境溫度較低時艙內濕空氣經過風機盤管處理后進入大、小艙室，艙內熱量通過風機盤管冷卻水、冷卻水艙散入外界環境。

圖1 系統原理簡圖

1.2 仿真模型

系統仿真模型草圖見圖2，包括濕空氣循環、冷卻水循環和控制部分。濕空氣循環部分包括濕空氣源、濕空氣團、半邊換熱器、熱源、對流換熱、結構蓄熱、熱舒適性和溫濕度傳感器等模塊。冷卻水循環部分包括水泵、半邊換熱器、冷卻水艙、對流換熱、管路和傳感器等模塊等。艙室與外界環境傳熱以總換熱系數、總傳熱面積和外界環境溫度計算，總傳熱系數取1 W/(m2·K)。風機盤管系統主要部件在AMESim軟件中所對應的仿真模型見表1。

圖2 系統仿真模型

系統控制分別以大、小艙室混合回風溫度（工況1）、大艙室溫度（工況2）、小艙室溫度（工況3）為控制對象，調整大、小艙室送風比例，研究不同策略對艙室溫度的影響。同時，由于外界環境溫度升高，風機盤管系統的制冷減濕性能會相應下降甚至不能使用，轉而為使用機械壓縮制冷系統。因此，當外界環境溫度升高時，應增加風量以維持風機盤管系統性能。同時，當風量的增加也無法保證風機盤管系統正常使用時，應當確定空調系統切換到機械壓縮制冷模式的工況點。

1.3 計算公式

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

1.4 PMV 與PPD 指數

PMV指數是根據人體熱平衡預計群體對7個等級熱感覺（見表2）評價的平均值。當人體內部產生的熱量等于向環境中散失的熱量時，人處于熱平衡。在中等環境中，人體熱調節系統將自動通過調整皮膚溫度和出汗量以維持熱平衡[8]。

表2 7 個等級熱感覺量表

PPD是定量預測感覺太冷或太熱的熱不滿意率的指數，即在那些7級熱感覺量表中選擇熱、暖、涼或冷的人。

2 系統仿真及結果分析

2.1 不同控制策略仿真結果及分析

本節進行了以下3種工況下系統仿真計算：控制混合回風溫度；控制大艙室溫度；控制小艙室溫度。溫度控制范圍23 ℃～25 ℃，風量600 m3/h，大小艙室送風比例為9∶1。

圖3、圖4、圖5分別為控制混合回風溫度、大艙室溫度和小艙室溫度仿真計算結果。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?？刂苹旌匣仫L溫度與控制大艙室溫度的艙內溫濕度結果略有不同，但結果相差很小，且水泵和風機處于間斷運行狀態。而控制小艙室溫度時使大艙室溫度較低，且系統一直處于運行狀態，不利于系統節能性。圖6、圖7分別為艙室PMV與PPD指數結果，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間。

圖3 控制混合回風溫度（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

圖7 艙室PPD 指數

因此，綜合控制便利性和節能性，應以大小艙室混合回風溫度為控制對象。

2.2 不同送風比例仿真結果及分析

受勞動強度和穿著衣物的影響，大小艙室可能對溫度有不同的需求，通過調整風量比例可以實現對大小艙室溫度的區域控制。本節計算不同送風比例對大艙室和小艙室空氣溫濕度的影響，其中送風比例以小艙室風量占總風量百分比表示，分別為8%、10%、12%和14%。

表3為設定相應小艙室送風比例條件下大艙室和小艙室的溫度值。從中可以看出，大艙室溫度受送風比例影響較小，小艙室溫度受影響較大。隨著小艙室送風比例升高（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 ℃。這說明當通過控制小艙室送風量而控制小艙室溫度時，大艙室溫度受影響較小，可以實現對小艙室的獨立控溫。

表3 不同送風比例艙室溫度

由計算可以得出：不同送風比例對兩艙室溫度的影響結果，進而確定小艙室風量的調節范圍，從而為風量分配設計及使用調節提供依據。

2.3 不同環境溫度仿真結果及分析

對外界海水溫度改變時的艙室整體系統進行仿真，研究海水溫度升高過程對風機盤管性能的影響。同時在外界海水溫度變化的同時，通過調整風量和水泵流量使艙室溫濕度仍處于舒適范圍內。表4為風量不變、外界海水溫度從3 ℃升高至21 ℃時的艙內溫度。從表4可以看出，當外界海水溫度9 ℃時，大艙室溫度接近27 ℃，當外界海水溫度13 ℃時，大艙室溫度高于30 ℃。計算結果表明：小艙室溫度可通過適當調整送風比例調整溫度，對大艙室溫度影響不大，需重點關注大艙室。

表4 不同外界海水溫度大艙室溫度

當外界海水溫度升高時應首先適當調節送風量以滿足風機盤管系統使用要求，受艙室噪聲要求等因素限制，風量調節范圍不可過大，為600 m3/h～900 m3/h。表5為外界海水溫度11 ℃時，調整風量后艙室溫度結果。從表5可以看出，當風量增大720 m3/h～900 m3/h時，大艙室溫度可以維持在25 ℃～27 ℃，相對濕度雖然有所升高，但仍維持在60%以下，此時冷卻水艙內溫度約為12.5 ℃。

表5 不同風量下大艙室溫度及相對濕度（海水溫度11 ℃）

表6為外界海水溫度13 ℃時，調整風量后艙室溫度結果。由此可見，此時風量調整為最大900 m3/h時，艙室溫度勉強維持在約27 ℃，艙內相對濕度接近60%，此時冷卻水溫度約為14.5 ℃。

圖6 不同風量下大艙室溫度及相對濕度（海水溫度13 ℃）

由于深海載人艙室能源緊張，風機盤管系統相對于機械壓縮制冷系統能耗低，但使用環境條件苛刻，當外界環境溫度升高到一定值時，空調系統需切換到機械壓縮制冷模式。因此，進行不同外界環境溫度系統仿真結果，確定合適的艙室控制溫度以及控制風量以延長風機盤管系統的運行時間。結果表明，當外界環境溫度升高時，應適當增大風量以及提高艙室的控制溫度，可以延長風機盤管系統的有效工作時間。同時，結果也表明：當環境溫度高于13 ℃時（冷卻水艙溫度高于14.5 ℃），即使增大風量也不能使艙室處于舒適范圍內。因此，綜合艙室舒適性和節能性，空調系統制冷模式由風機盤管模式轉為機械壓縮制冷模式應以冷卻水進口溫度或環境溫度為切換點。

2.4 上浮過程仿真結果

由于艙室空氣和冷卻水艙內水具有熱慣性，因此，本節進行了上浮及不同深度過程中系統仿真，對比動態過程仿真結果與前文計算結果的差異，風量取900 m3/h。

外界環境溫度和冷卻水進口溫度變化曲線見圖8，環境溫度變化有5個過程。從中可以看出，冷卻水箱內冷卻水溫度的變化是滯后于外界環境溫度變化的。環境溫度開始上升的大部分時間內，冷卻水溫度是低于環境溫度的，外界環境溫度穩定后約20 min冷卻水溫度開始高于環境溫度。圖9、圖10為艙室上浮過程中系統仿真結果，分別為大、小艙室溫度和預計平均熱感覺、預計不滿意率。

圖8 外界環境與冷卻水艙溫度變化

圖9 艙室溫濕度結果

圖10 艙室PMV 和PPD 結果

可以看出，環境溫度從10℃升高至20℃并穩定后，艙室溫度較高，艙室熱感覺較強，預計不滿意率也超過了90%，這說明風機盤管系統已經失效。大艙室溫度開始高于27 ℃時，冷卻水艙溫度約14 ℃，與前文結果相同，但此時外界環境溫度接近16 ℃，高于前文計算結果13 ℃，這是由于冷卻水艙具有熱慣性。結果表明制冷模式應以冷卻水進口溫度（不高于14 ℃）為切換點，能適當延長風機盤管系統有效工作時間。

3 結論

本文基于AMESim對深海載人平臺風機盤管系統進行仿真研究，分別計算不同控制策略下艙內溫濕度的變化，不同送風比例下艙室溫濕度，以及不同環境溫度條件下風機盤管系統性能。得出以下結論：

1）控制混合回風溫度與控制大艙室溫度的艙內溫濕度結果相差很小，綜合控制便利性和節能因素，應以大小艙室混合回風溫度為控制對象。

2）通過控制小艙室送風量而控制小艙室溫度時，大艙室溫度受影響較小，可以實現對小艙室的獨立控溫。

3）當外界環境溫度升高時，應適當增大風量以及提高艙室的控制溫度，延長風機盤管系統的有效時間。

4）空調系統制冷模式應以冷卻水進口溫度切換點，且上限應不高于14 ℃。