深海载人舱室风机盘管系统仿真

周鑫涛，徐 蒙，赵远辉，王海宁

（1. 深海技术科学太湖实验室，江苏无锡 214082；2. 中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏无锡 214082）

0 引言

深海载人舱室是深海载人平台的主要舱室之一，集艇员工作、生活于一体，舱内具有大量的湿热源[1]。舱室外界环境随平台潜深的变化而变化，舱内温湿度环境也受影响较大。因此，需配备空气调节系统对舱室空气降温减湿，维持舱内环境处于舒适范围。深海载人舱室空调系统分为机械压缩制冷空调系统和风机盘管系统，机械压缩制冷系统是利用压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀等转移舱内多余热量，风机盘管系统则直接利用舱室冷却水和风机盘管对舱内空气降温减湿。风机盘管系统有效工作的条件是舱内有稳定的冷源，因此，当外界环境温度较低时采用风机盘管系统，当外界环境温度升高导致风机盘管系统不能满足要求时采用机械压缩制冷模式。

国内外有诸多研究人员运用仿真和优化手段进行设计，系统仿真技术也从最初的机械、液压系统仿真，逐渐发展到今天可以进行机、电、液、气、控、热和电磁等多学科综合系统仿真。AMESim软件可以从元件设计出发，可以考虑气体本身特性、环境温度等难以建模的部分，直到组成部件和系统进行功能性能仿真和优化，使设计出的产品或系统满足实际应用环境的要求[2]。AMESim作为系统仿真平台，采用基于物理模型的图形化建模方式，该软件已广泛应用于航空航天、船舶、车辆、工程机械等多学科领域[3-6]。

本文利用AMESim软件建立深海载人舱室及风机盘管系统整体模型，进行了以下仿真研究：

1）分别以控制大或小舱室温度或大小舱室混合回风温度为控制策略，计算舱内温湿度，以预计平均热感觉指数（Predicted Mean Vote，PMV）和预计不满意率（ Predicted Percentage of Dissatisfied，PPD）等指标为依据，确定风机盘管系统的控制策略。

2）研究改变舱室送风比例对舱室温湿度影响。

3）研究不同环境温度下对风机盘管系统性能的影响，对深海载人平台空气调节系统方案设计提供支撑。

1 计算模型

1.1 物理模型

深海载人舱室是圆柱体带球封头结构，舱室被横舱壁分成大、小2个舱室，舱室内存在诸多设备热及人员。舱室总热源为5 kW，其中大舱室4.3 kW，小舱室0.7 kW。综合考虑舱内气流组织和噪声的要求，风机盘管风量范围定为600 m3/h～900 m3/h。深海载人舱室空调系统原理框图见图1，当外界环境温度较低时舱内湿空气经过风机盘管处理后进入大、小舱室，舱内热量通过风机盘管冷却水、冷却水舱散入外界环境。

图1 系统原理简图

1.2 仿真模型

系统仿真模型草图见图2，包括湿空气循环、冷却水循环和控制部分。湿空气循环部分包括湿空气源、湿空气团、半边换热器、热源、对流换热、结构蓄热、热舒适性和温湿度传感器等模块。冷却水循环部分包括水泵、半边换热器、冷却水舱、对流换热、管路和传感器等模块等。舱室与外界环境传热以总换热系数、总传热面积和外界环境温度计算，总传热系数取1 W/(m2·K)。风机盘管系统主要部件在AMESim软件中所对应的仿真模型见表1。

图2 系统仿真模型

系统控制分别以大、小舱室混合回风温度（工况1）、大舱室温度（工况2）、小舱室温度（工况3）为控制对象，调整大、小舱室送风比例，研究不同策略对舱室温度的影响。同时，由于外界环境温度升高，风机盘管系统的制冷减湿性能会相应下降甚至不能使用，转而为使用机械压缩制冷系统。因此，当外界环境温度升高时，应增加风量以维持风机盘管系统性能。同时，当风量的增加也无法保证风机盘管系统正常使用时，应当确定空调系统切换到机械压缩制冷模式的工况点。

1.3 计算公式

式中：Φ为对流传热换热量，W；A为换热面积，m2；h为对流传热表面换热系数，W/(m2·℃)；Δtm为平均温差，℃。

1.4 PMV 与PPD 指数

PMV指数是根据人体热平衡预计群体对7个等级热感觉（见表2）评价的平均值。当人体内部产生的热量等于向环境中散失的热量时，人处于热平衡。在中等环境中，人体热调节系统将自动通过调整皮肤温度和出汗量以维持热平衡[8]。

表2 7 个等级热感觉量表

PPD是定量预测感觉太冷或太热的热不满意率的指数，即在那些7级热感觉量表中选择热、暖、凉或冷的人。

2 系统仿真及结果分析

2.1 不同控制策略仿真结果及分析

本节进行了以下3种工况下系统仿真计算：控制混合回风温度；控制大舱室温度；控制小舱室温度。温度控制范围23 ℃～25 ℃，风量600 m3/h，大小舱室送风比例为9∶1。

图3、图4、图5分别为控制混合回风温度、大舱室温度和小舱室温度仿真计算结果。由此可见，大小舱室温差1 ℃～2 ℃，小舱室为休息室，大舱室为工作室，因此小舱室温度略高于大舱室是合理的。控制混合回风温度与控制大舱室温度的舱内温湿度结果略有不同，但结果相差很小，且水泵和风机处于间断运行状态。而控制小舱室温度时使大舱室温度较低，且系统一直处于运行状态，不利于系统节能性。图6、图7分别为舱室PMV与PPD指数结果，服装热阻为1.0 col。从中可以看出，PMV值处于−0.2～0.6之间，平均PPD值处于5%～10%，小舱室略高于大舱室，各舱室均处于较为舒适的区间。

图3 控制混合回风温度（工况1）

图4 控制大舱室温度（工况2）

图5 控制小舱室温度（工况3）

图6 舱室PMV 指数

图7 舱室PPD 指数

因此，综合控制便利性和节能性，应以大小舱室混合回风温度为控制对象。

2.2 不同送风比例仿真结果及分析

受劳动强度和穿着衣物的影响，大小舱室可能对温度有不同的需求，通过调整风量比例可以实现对大小舱室温度的区域控制。本节计算不同送风比例对大舱室和小舱室空气温湿度的影响，其中送风比例以小舱室风量占总风量百分比表示，分别为8%、10%、12%和14%。

表3为设定相应小舱室送风比例条件下大舱室和小舱室的温度值。从中可以看出，大舱室温度受送风比例影响较小，小舱室温度受影响较大。随着小舱室送风比例升高（8%～14%），大舱室平均温度由23.8 ℃上升至24.2 ℃，小舱室平均温度由26.1 ℃下降至22.5 ℃。这说明当通过控制小舱室送风量而控制小舱室温度时，大舱室温度受影响较小，可以实现对小舱室的独立控温。

表3 不同送风比例舱室温度

由计算可以得出：不同送风比例对两舱室温度的影响结果，进而确定小舱室风量的调节范围，从而为风量分配设计及使用调节提供依据。

2.3 不同环境温度仿真结果及分析

对外界海水温度改变时的舱室整体系统进行仿真，研究海水温度升高过程对风机盘管性能的影响。同时在外界海水温度变化的同时，通过调整风量和水泵流量使舱室温湿度仍处于舒适范围内。表4为风量不变、外界海水温度从3 ℃升高至21 ℃时的舱内温度。从表4可以看出，当外界海水温度9 ℃时，大舱室温度接近27 ℃，当外界海水温度13 ℃时，大舱室温度高于30 ℃。计算结果表明：小舱室温度可通过适当调整送风比例调整温度，对大舱室温度影响不大，需重点关注大舱室。

表4 不同外界海水温度大舱室温度

当外界海水温度升高时应首先适当调节送风量以满足风机盘管系统使用要求，受舱室噪声要求等因素限制，风量调节范围不可过大，为600 m3/h～900 m3/h。表5为外界海水温度11 ℃时，调整风量后舱室温度结果。从表5可以看出，当风量增大720 m3/h～900 m3/h时，大舱室温度可以维持在25 ℃～27 ℃，相对湿度虽然有所升高，但仍维持在60%以下，此时冷却水舱内温度约为12.5 ℃。

表5 不同风量下大舱室温度及相对湿度（海水温度11 ℃）

表6为外界海水温度13 ℃时，调整风量后舱室温度结果。由此可见，此时风量调整为最大900 m3/h时，舱室温度勉强维持在约27 ℃，舱内相对湿度接近60%，此时冷却水温度约为14.5 ℃。

图6 不同风量下大舱室温度及相对湿度（海水温度13 ℃）

由于深海载人舱室能源紧张，风机盘管系统相对于机械压缩制冷系统能耗低，但使用环境条件苛刻，当外界环境温度升高到一定值时，空调系统需切换到机械压缩制冷模式。因此，进行不同外界环境温度系统仿真结果，确定合适的舱室控制温度以及控制风量以延长风机盘管系统的运行时间。结果表明，当外界环境温度升高时，应适当增大风量以及提高舱室的控制温度，可以延长风机盘管系统的有效工作时间。同时，结果也表明：当环境温度高于13 ℃时（冷却水舱温度高于14.5 ℃），即使增大风量也不能使舱室处于舒适范围内。因此，综合舱室舒适性和节能性，空调系统制冷模式由风机盘管模式转为机械压缩制冷模式应以冷却水进口温度或环境温度为切换点。

2.4 上浮过程仿真结果

由于舱室空气和冷却水舱内水具有热惯性，因此，本节进行了上浮及不同深度过程中系统仿真，对比动态过程仿真结果与前文计算结果的差异，风量取900 m3/h。

外界环境温度和冷却水进口温度变化曲线见图8，环境温度变化有5个过程。从中可以看出，冷却水箱内冷却水温度的变化是滞后于外界环境温度变化的。环境温度开始上升的大部分时间内，冷却水温度是低于环境温度的，外界环境温度稳定后约20 min冷却水温度开始高于环境温度。图9、图10为舱室上浮过程中系统仿真结果，分别为大、小舱室温度和预计平均热感觉、预计不满意率。

图8 外界环境与冷却水舱温度变化

图9 舱室温湿度结果

图10 舱室PMV 和PPD 结果

可以看出，环境温度从10℃升高至20℃并稳定后，舱室温度较高，舱室热感觉较强，预计不满意率也超过了90%，这说明风机盘管系统已经失效。大舱室温度开始高于27 ℃时，冷却水舱温度约14 ℃，与前文结果相同，但此时外界环境温度接近16 ℃，高于前文计算结果13 ℃，这是由于冷却水舱具有热惯性。结果表明制冷模式应以冷却水进口温度（不高于14 ℃）为切换点，能适当延长风机盘管系统有效工作时间。

3 结论

本文基于AMESim对深海载人平台风机盘管系统进行仿真研究，分别计算不同控制策略下舱内温湿度的变化，不同送风比例下舱室温湿度，以及不同环境温度条件下风机盘管系统性能。得出以下结论：

1）控制混合回风温度与控制大舱室温度的舱内温湿度结果相差很小，综合控制便利性和节能因素，应以大小舱室混合回风温度为控制对象。

2）通过控制小舱室送风量而控制小舱室温度时，大舱室温度受影响较小，可以实现对小舱室的独立控温。

3）当外界环境温度升高时，应适当增大风量以及提高舱室的控制温度，延长风机盘管系统的有效时间。

4）空调系统制冷模式应以冷却水进口温度切换点，且上限应不高于14 ℃。