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船舶中央空调温度自动控制

发表时间：2021/6/15 来源：《基层建设》2021年第6期作者：常慧梅1 马杰2

[导读] 摘要：随着经济和科技水平的快速发展，船舶的空调设备是船舶的主要设备之一，其用电量占全船电网容量20%左右，船舶空调节能有重要意义。

        1.烟台中集来福士海洋工程有限公司山东省烟台市；
        2.烟台环境卫生管理中心山东省烟台市
        摘要：随着经济和科技水平的快速发展，船舶的空调设备是船舶的主要设备之一，其用电量占全船电网容量20%左右，船舶空调节能有重要意义。船舶空调处理新风负荷的占比高。如果降低新风比以减少新风量则会使船舱空气品质变差，影响船员的健康。构建一种船舶空调新风预处理系统，降低新风负荷，能减少船舶空调的能耗，是实现船舶节能减排的可行方向。优化后的方法可以实现对温度变化的良好控制。
        关键词：船舶中央空调；温度；自动控制
        引言
        随着船舶工业的不断发展，船舶已经成为我国主要的水上交通工具，它在水上作业和运输领域的意义日益重大。为了让工作人员拥有一个完美的工作环境，船舶必须完善本身的空调系统，该文将对船舶空调系统的组成、设计的要求与规范、船舶空调系统的常见问题、问题的解决方案、如何进行空调节能等方面进行分析，以期空调系统在船舶上发挥更大的作用。
        1船舶空调系统设计考虑要点
        船舶空调系统设计包括6个要点。1）船舶在日常航行时经常会出现颠簸摇晃现象，所以要求设备在复杂海况下或船舶日常运行过程中可以进行正常运行。2）船舶的工作环境充斥着海风和盐，所以在选用材料时要多加注意，要选用可以在这种严苛环境中长时间工作的。3）考虑使用环境，即设备可全年在环境中使用，并考虑一定的储备能力。4）设备可以在工作过程中产生噪声和振动，但是在非工作时间要避免设备出现震动和噪声。5）要选取尺寸和重量合适的设备，选取的设备工作效率要高，也要注意设备的成本，要互相权衡。6）选取的设备要满足规范要求，同时也要满足最低换气次数和换气量要求。
        2央空调温度自动控制措施
        2.1变风量空调技术的应用
        现有的船舶和海洋平台大多使用定风量中央空调系统，无法随舱室里的冷/热负荷改变风量。空调系统按照可能的最极端环境温度设计，而这种极端情况很少出现。风机一直在最大风量下运行，势必造成风速高，空气噪声大，功率消耗大。系统只能根据回风总管上的温控器跟踪冷/热负荷的变化从而改变送风温度，空调房间只能调整布风器的开度，不能单独控制温度。科考人员长期生活在船上，对工作生活环境有较高的要求，这种粗放式的空调系统显然不能满足高级船舶的要求。变风量空调系统技术在上世纪60年代自美国诞生，随着变频调速技术和控制水平的提高，目前在陆地上的高级办公建筑中，已经得到了很大推广。对于船用空调系统，由于其特殊性、复杂性和高成本，现在还只有少量豪华客船、科考船和军船使用了变风量空调系统。该技术是对传统中央空调系统的优化升级。系统中采用变频风机，在重要的空调房间和冷/热负荷变化大的房间设有变风量末端装置和温度控制面板，当空调房间的冷/热负荷减小的时候，通过测量和控制系统反馈到间接式空调器，调节变频风机出风量和压力，降低管道风速、降低噪声、节约能源。该系统能个性化控制房间温度，满足人员不同体感需求。
        2.2温度与相对湿度
        人们的舒适度是与气温有关的。一般来说，人们正常工作和生活的舒适气温夏季约为 25℃，冬季约为 22℃。舱内外温差不宜超过 6℃ ~10℃。人们对空气的湿度不敏感。一般来说，相对湿度在 50% 左右。在设计船舶空调的过程时，气候条件是不可忽视的条件，其对于空调设备的负荷、尺寸、成本有关键的影响，进而会影响船舶的整体设计和成本。出于对整体经济性和节能型的考虑，一般来讲不会基于极端的气候条件，温度设计参数可以更接近舒适范围的上限。空调夏季制冷除湿，冬季喷水蒸汽或水加湿，实际上分别保持40%~60% 和 30%~40% 的湿度。

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        2.3新型的PID控制器
        在控制系统应用中，基本的控制规律有PI、PD、PID、超前、滞后、前馈等。相较于PI控制器，PID控制器可以进行微分运算，既能加快系统的稳态响应，又能提高系统的控制精度。本次设计的温控系统是非线性纯滞后系统，因此系统的响应慢于误差的变化，需要利用微分项提前预测误差变化并给与超前校正。PID控制器比PD控制器多一个积分环节，可用来消除自控系统产生的稳态误差，以提高控制精度。PID控制器具有结构简单、操作方便等优点，因此在工程上得到广泛应用。
        2.4采用变频技术实现压缩机的能量调节
        为了让空调压缩机进行能量调节，通常会让船舶空调系统在实地工作时处于部分负荷的状态，而不是一直处于满负荷状态，但是需要注意的是，空调本身的制冷量和制冷量之间存在数值差异，会使得制冷量大打折扣，也大幅度增加了空调的能耗。随着空调变频技术的发展，空调变频装置的成本大大降低。解决上述问题的最好办法是将变频技术引入船舶空调。目前，变频技术已广泛应用于家用空调中，相信船用空调成熟的变频技术即将到来。
        2.5新方案负荷计算
        新的空调系统设计思路是将传统方案中作为废气排外的那一部分（如卫生间厕所排风），作为预冷/热空气，通过能量回收转轮与空调新风先进行热交换后，再排到室外；经过预冷/预热之后的新风与同比例的50%回风再进行混合完成系统循环。新方案中作为给新风进行预冷/预热源的废气则主要选用除去病房排气、洗衣间排气之外的部分作为气源，以避免病房气体中的细菌污染转轮及洗衣间排气中所含的纤维阻塞转轮，经计算得出此部分气源风量为11 513 m³/h。另外，参与回风循环的风量以及大气压力值的选定均与传统方案中的参数一致，根据环境温度对冷、热负荷分别进行计算。夏季制冷负荷计算：新风状态点为 45℃、60%RH；回风与排气的状态点均为22.5℃、50%RH。本项目新风量与总风量之比为50%，得出此部分预冷之后的新风在空调的混合箱内与回风混合后的状态点为26.65℃、65.47%RH；同传统方案相比，设计送风温差为 10 K，则空调器出口温度为12.5℃，最终通过计算得到新方案的制冷负荷为～268 kW。冬季热负荷计算：新风状态点为−20℃；回风与排气的状态点均为 20℃、50%RH；分析过程同冷负荷计算，得新风预热之后的状态点为 5.4℃、65.6%RH；送风温差同样取 10 K 即空调出口送风温度为30℃，通过计算得到所需制热负荷为：- 164 kW。
        2.6独立空调器
        一般船舶在设有中央空调外，不会过多的配置独立空调，仅在防火分隔不满足规范要求的局部区域( 如机舱、厨房等) 和可能单独工作的驾驶室及中央空调区域外独立房间设置独立空调。目标船因其科考特点和高规格档次，独立空调配置方案如下。1)一般气候条件不需要开启中央空调，偶尔有空调需要的房间，如驾驶室、高级房间、餐厅等设有独立空调机。因为这些房间已经设有中央空调，所以独立空调按所需负荷的70% 配置。既能满足偶尔使用需要，也可在极端气候下，配合中央空调使用，达到满意的效果。2)由于防火分隔和位置偏远而不便于安装中央空调的一些舱室，如机舱集控室、声学设备舱、空压机控制室、电火花震源室、厨房等设置独立空调器。这些独立空调的制冷量按所需负荷的100%配置。
        结语
        船用空调系统作为现代船舶必备的系统之一，极大的改善了船舶的内部环境，提高了船舶工作人员和旅客的生活环境，但是其在制冷、制热工况下的能耗也是巨大的。随着各界对航运业的清洁环保、绿色船舶理念的日益重视，除了要保证空调系统的功能和完整性外，还应根据存在的问题积极制定解决方案，使空调系统在船舶上的作用和价值最大化。
        参考文献
        [1]张建华，阚安康，韩厚德.船舶中央空调系统能耗分析及节能措施[J].船舶与海洋工程，2011（1）：59-61.