船舶变风量空调系统的应用

陈 安 扬

（708研究所，上海 200011）

0 概 述

自变风量空调系统（VAV）问世以来，由于它的空气品质和节能特性，获得了大家的青睐，在许多场合得到了应用。变风量空调系统是全空气调节系统的一种类别，最初主要应用于办公类和学校类建筑，随着对系统的不断深入研究和改进，逐渐扩大了应用范围。鉴于变风量空调系统的舒适性和节能性，广大船舶空调设计人员、设备制造厂商已开始关注如何将此推广到同样是舒适性的全空气空调系统的船舶空调系统中。

1 变风量空调系统

1.1 变风量空调系统定义

变风量空调系统是通过改变送风量和调节送风温度来控制某一空调区域温度的一种空调系统。该系统是通过变风量末端装置调节送入房间的风量，并相应调节空调器的风量来适应该系统的风量需求，同时可根据空调负荷的变化及室内要求参数的改变，自动调节空调送风参数（在达到最小送风量时调节送风温度），以满足室内人员的舒适要求或其他工艺要求。同时根据实际送风量自动调节送风机的转速，最大限度地减少风机动力，节约能量。简而言之，总风量可变，末端风量可变。

1.2 变风量空调系统的控制方法

变风量空调系统的控制涉及两个层面，即系统层面和设备层面。作为系统层面，其控制系统的发展经历了以下过程。最早是在 1980年代开发应用的定静压定温度法。以后是 1990年代前期开发应用的定静压变温度法。目前采用的有变定静压法、总风量法、变静压法等[1]。

定静压定温度控制法的控制对象是由机械式VAV末端装置所组成的空调系统。核心是调节送风量，该法已基本不被采用。定静压变温度法是由VAV所带风阀调节室内风量，系统送风量由风管上某一点（或几点平均）静压的改变来确定。同时还可以改变送风温度来满足室内环境舒适性的要求。但系统送风量由某一点静压值来控制，不可避免地会使风机转速过高，达不到最佳节能效果；同时在一定的系统静压下室内的要求风量只能由VAV所带风阀调节，当阀门开度较小时气流通过噪声加大，影响室内环境。再者，系统中静压点的位置很难确定，科学性差。因此，该控制方法已倾向于被取代。变静压法始于 1990年代后期开发并普及推广的。该控制方法的核心是尽量使VAV风阀处于全开（85%～100%）状态，把系统静压降至最低，因而能最大限度地降低风机转速以达到节能目的。由于以上方法都需要测定静压，为避免静压波动和风管内湍流影响，可以采用总风量控制法，该法的基本原理是建立系统设定风量与风机设定转速的函数关系，无需静压测定，用各变风量末端装置需求风量求和值作为系统设定总风量，直接求得风机设定转速。

1.2.1 定静压控制方法

通过在风道上合适位置选定一个测点，测量该点静压，调节风机转速保证该点静压不变。该方法一直存在着一些难于解决的问题：静压测点的位置，以及静压值的设定。具体做法通常是选主风道距风机出口2/3处(经验值)的静压为控制点，静压设定值取设计状况下的压力值并保持不变，这是为了保证每个末端在任何情况下都能调到最大设计风量。这种控制方法最为简单实用，基本能满足变风量系统的控制要求。但是，如果整个系统都处于部分负荷工况时，高静压设定值给风机增添了不必要的能耗，而且末端的风阀开度过小导致噪声很大。

1.2.2 变静压控制方法

变静压控制通行的思路是根据末端装置风阀开度随时调整静压设定值，使系统中至少有一个末端装置风阀的开度接近全开位置。其最终送风压力可能仅为初始设定值的一半左右，所以可大大节省风机功耗。这种方法不仅能够最大限度地节约风机能耗，而且不必考虑传感器的安放位置。由于变静压控制方法存在强耦合性和非线性，变风量系统的调试对系统的成败起了很大的作用。调试工作复杂、繁重，具有调试能力的公司并不多。

1.2.3 总风量控制方法

总风量控制方法在控制系统形式上，具有比静压控制简单得多的结构形式。它可以避免使用压力测量装置，减少了一个风机的闭环控制环节；此外也不需要变静压控制时的末端阀位信号。这种控制系统形式上的简化，同时也带来了控制系统可靠性的提高。

总风量控制方式在控制点上是直接根据设定风量计算出要求的风机转速，具有某种程度上的前馈控制含义，而不同于静压控制中典型的反馈控制。但设定风量并不是一个房间符合变化后立刻设定到未来能满足该符合的风量（即稳定风量），而是一个由房间温度偏差积分出的逐渐稳定下来的中间控制量。因此总风量控制方式下风机转速也不是在房间负荷变化后立刻调节到稳定转速就不动了，它可以说是一种直接根据房间温度偏差由PID控制器来控制转速的风机控制方法，这是总风量控制方法的实质。

1.3 变风量末端装置

变风量末端装置有很多种形式，以下仅列出几种有可能用于船舶空调系统的末端装置：

1)节流式。这是目前使用最多的一种变风量末端装置，其中以节流装置单叶阀（蝶阀）为最多。节流式的缺点是增加了系统的能耗和噪声。

2)可变风口。风口送风量改变时，风口出风面积会同时改变，以保持出风速度不变。

3)再热式。与普通的再热型布风器相比，这种变风量末端装置由于先变风量，后再加热，所以较之定风量再热式系统要节能。

4)压力无关型。压力无关型变风量末端装置的风量调节阀由室内温控器进行主控制，控制风阀执行元件的启动和关闭，由速度控制器（或流量测量装置）进行辅控制，控制送入室内的风量，使送风量与室内负荷相匹配。

2 船舶空调系统

2.1 船舶空调系统的特点

船舶空调系统一般采用单风管、中压、中速集中式空调系统。以运输船为例，风量范围约5000～20000m3/h，理论上有采用变风量空调系统在船舶上应用的可行性，在此将船舶空调与常规陆用空调作一些简单的比较，见表1。

表1 船舶空调系统与陆用空调系统应用的差异

从表1可以看出，船舶空调属于舒适性集中式全空气系统，有应用变风量空调系统的可能性，但与陆用空调系统还是有着很大差别，单个系统的服务舱室多，每个舱室都有不同的环境和要求，按同类组或内外区划分是不太可能的。

2.2 变风量空调系统在船舶上的应用

在上世纪 90年代的长江旅游客轮上，尝试采用变风量空调系统，在常规布风器前设置由温度反馈调节的电动调风门控制风量变化，由静压控制变频调速风机。限于当时条件，舱室温度通过风量变化可以调节，而风管内的静压难以测定使得风机的变频调速不能达到满意的效果。为了变风量节能，在琼州海峡火车渡船上，根据海南的季节变化采用双速风机的简单方法，达到了风量调节和节能的要求。随着陆用变风量空调的快速发展，应用的场合也越来越多。而船用空调基本上仍沿用了传统的设计，目前仅有少量豪华客船、军船以及特种船舶如“远望5号”等采用了变风量空调系统，但并没有充分发挥其所有的全部功能，究其原因，现在的船用变风量空调系统只是简单地搬用陆用变风量空调系统的设备，并没有对船用空调的特点进行深入的研究，所以，对变风量空调系统在船舶上的应用还应作进一步的探讨。

船舶空调作为特种空调的一种，最近 20年的发展已远远落后于陆用空调，但对于占全船电力消耗20%（客船将达到45%）的空调通风系统，节能具有非常重要的地位和现实意义。由于变风量空调系统所具有的节能特性，是否能够在船舶空调方式中占有一席之地，应进行有益的探讨。

2.3 应用的可行性

变风量空调系统能够节能的关键是控制风量的变化，最直观的反映就是静压的变化，因此在已经应用变风量空调系统的船上，采用的控制方法都是由静压传感器获取静压变化后，控制变频风机的转速调节风量。根据变风量空调系统的特点，静压取值点一般在远离风机2/3处比较合适，否则静压设定值将取得较高，而风机运行时要克服一个不变的、接近于系统总阻力的送风管阻力，无法取得最好的节能效果。而船舶空调采用的风管形式是十几根支管直接连在送风静压箱上，当取值点设在静压箱时，是最不利的位置，因为远离末端，不能及时、准确地反映系统的静压变化，所以，无论是定静压法还是变静压法都不太适合应用于船舶变风量空调系统。

总风量控制法在控制性能上具有快速、稳定的特点，而静压控制下的系统压力总是有一些高频小幅振荡，测量压差的变化会引起风机出现一些微小调节，使系统不可避免地出现小幅波动，但由于总风量控制方法取消了压力控制环节，可提高系统的可靠性。总风量控制的优点，使得控制系统不仅减少了初投资，而且在初调试时可以大大减少工作量。总风量控制法需要对风速进行测定，为此开发了多种型式的风速传感器，如采用超声波涡旋法、叶轮转子法、皮托管法、半导体法、磁体法、热线法等专利产品。但所有这些产品能否符合船用技术条件，适用于振动、摇摆等环境状态下，还需进一步试验。

总风量控制在风机节能上介于变静压和定静压控制之间，并更接近于变静压控制。因为变静压控制算法较为复杂而且更容易引起系统压力振荡，所以总风量控制从控制角度和节能角度上综合考虑，不失为一种替代传统静压控制的有效方法。

然而，目前已经使用的VAV 变风量末端的风量检测装置不能有效准确地监视风量，尤其是在最小风量运行状态时，如此微压差即使采用高精度微压差变送器在气流紊流状态下也很难准确监视（因为实际使用过程中风管布置和安装空间所限，跟工厂测试台标定大相径庭）；同时受到空气粉尘影响，在运行一段时间后发生堵塞在所难免，这也是造成系统运行不稳定的核心因素。

3 结 语

变风量空调系统在船舶上应用还有很长的路要走。其中有设计理念的问题，还有系统设备的适用问题；要解放传统的设计思想，还要解决设备如何满足船用环境要求的问题。作为船舶空调设计人员，首先要把节能的理念贯彻到设计中去。同时，对变风量空调系统在船舶上更好地应用，变风量末端装置能否适用于船用条件等还需作作进一步的研究。

[1] 叶大法，杨国荣.变风量空调系统设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.