论文：船舶空调系统的仿真与建模

2007年第1期 制冷与空调 97船舶空调系统的仿真与建模严浪涛∗ 任 光 蒋 青（大连海事大学轮机工程学院，辽宁 大连 116026）【摘 要】 为了解决船员培训中船用空调模拟器操作的问题，本文提出了船用空调的仿真模型，根据其数学模型利用simlink 模块得出的仿真曲线为船用空调模拟器的设计提供了可靠的依据，实现了船舶空调动态运行工况的实时仿真。

【关键词】 船舶空调；动态仿真；数学建模Simulation and Modeling of Marine Air-conditionYan Langtao He Zhibin(Marine Eng.College, Dalian Maritime Univ. 116026 )【Abstract 】 To solve the training problem of marine air-condition in navigation education, Simulation and Modeling of Marine air-condition is discussed in this tractate. Using Mathematical model and Simlink Module, The emulational curve is elicited. Which provide credible proof for simulator design of Marine air-condition, and made the Real-time and dynamic simulation come true. 【Key words 】 Marine air-condition; dynamic simulation; Mathematical modelling.∗严浪涛， 男， 1979年出生，大连海事大学硕士研究生，研究方向：轮机自动化与控制。

1 引言船用空调不仅能给船舶舱室创造了一个合适的人工气候，以便为船员、旅客提供一个合适的工作和生活环境，而且还保证了船舶机械的正常运行。

因此及时掌握船舶空调的动态运行情况尤其重要。

随着现代船舶系统的日趋高性能化和结构复杂化，出于安全保障和经济效益的考虑，需要船员及时和动态的掌握船舶空调的运行状态以及预测、诊断潜在和存在的故障。

船舶空调的动态仿真及其数学模型真实的反映了船用空调的运行工况，不但可以作为培训船员的教学工具，而且还为船用空调的设计提供了可靠的科学依据。

2 船用空调的技术要求船舶空调主要用于满足人们对工作和生活环境舒适和卫生的要求。

它与某些生产工艺和精密仪器等所要求的恒温恒湿空调不同，对温度和湿度等空气条件的要求并不十分严格，允许在稍大的范围内变动，属于舒适性空调。

船舶空调装置应能在规定的舱外空气设计参数下，使室内空气条件满足以下要求。

（1）温度我国船舶空调舱室的设计标准是：冬季室温为19～22℃；夏季室温为24～28℃；室内各处温差不超过3～5℃；夏季室内外温差不超过6～10℃。

（2）湿度夏季空调采用冷却除湿法，室内湿度一般控制在40％～50％；冬季室内湿度以30％～40％为宜，以便减少送风加湿量，并防止靠外界的舱壁结露。

（3）清新程度所谓清新程度是指空气清洁（少含粉尘和有害气体）和新鲜（有足够含氧量）的程度，要使空气中二氧化碳、烟气等有害气体的浓度在允许的程度一下，其新风量需达到30～50m 3/h ·人。

（4）气流速度室内气流速度以0.15～0.20m/s 为宜，最大不超过0.35m/s ，否则人会感到不适。

3 船用空调的设计船舶空调装置一般都是将空气经过集中处理再分送到各个舱室，这样的空调装置称为中式或中央空调器。

图1给出了船舶集中式空调装置的设计图。

通风机1由吸口吸入外界空气（称为新风），同时也98 制冷与空调 2007年第1期从通走廊的吸口吸入一部分空气（称为回风），二者混合后在中央空调器2经过过滤，然后冷却、除湿（或者加热、加湿），以达到一定的温度和湿度，最后通过若干个并列的主风管，再经过各支风管送到各舱室的布风器，实现对舱室的送风。

而在气候适宜时，则可采用单纯通风（关闭回风口），使新风只经过滤器过滤后就送入各个舱室，以保持室内空气清新。

而舱室中的空气则通过房门下部的格栅流入走廊，部分作为回风，其余排往舷外。

4 船舶空调房间数学模型的建立由热力学第一定律，单位时间内进入房间的能量减去单位时间内由房间流出的能量等于室内储存能量的变化率，即：dtdQQ Q o =−λ （1） 式中，λQ 为单位时间进入房间的能量，o Q 为单位时间内由房间流出的能量，dtdQ为室内储存能量的变化率。

室内空气所具有的能量由下式确定：T C M Q p ∆××= （2）式中，M 为空气的质量，M ＝a r V ρ×，pC 是空气的定压比热，T ∆为房间温度的变化率，T ∆＝dtdT r，r V 为房间的容积，a ρ为空气的密度，r T 为房间的温度。

这样，（1）式可以写为：dtdT C V Q Q Q Q rp a r o su ex in ××=−++)(ρ（3） 式中，in Q 为内部热源引起的冷负荷包括照明散热、人体热和各种用电设备（如计算机、打印机等）散热。

这些热量不外乎包括显热和潜热两部分，潜热部分作为瞬时冷负荷计算，显热部分由瞬时冷负荷和滞后冷负荷组成；ex Q 为室外传入空调房间的热量，因此，这一部分冷负荷是由太阳辐射热引起的冷负荷和临近舱室或者走廊传热引起的冷负荷；su Q 为经过冷却处理后的空气所带入的能量。

∑==61i exi ex Q Q （4）式中：exi Q 表示因舱室壁面吸收的太阳辐射热和临近舱室或走廊内空气传热引起的冷负荷：y r w exi T F n T T F Q ∆×+−××=λλ)( （5） 式中：F 为壁面面积，λ为壁面介质的传热系数，w T 为临近舱室或者走廊的温度，n 为温差的修正系数，y T ∆为太阳辐射热。

)(r su su su T T V K Q −××= （6） su V 为送风量，su T 为送风温度，K 为送风容量系数。

而o Q ＝)(rt r p T T C M −××，由于回风温度rt T 等于房间温度r T ，故o Q ＝0。

这样，（3）式可以写成：dtdT C V T T V K Q Q rp a r r su su i exi in ×××=−××++∑=ρ)(61（7）则，dt dT r ＝pa r r su p a r su su p a r i exiin C V T V K C V T V K C V Q Q ××××−××××+××+∑=ρρρ61（8） 式中, a ρ=1.199kg/m 3, p C =1.009kJ/kg ·℃,K =1.21kJ/ m 3·℃图2为空调房间Chief Officer 的仿真模型的simlink 框图。

其数据来源于《大连海事大学教学实习船空调、冷藏技术协议书》。

（见表1）表1 Chief Officer 舱室规格表Chief Officer VOLUME:27.3 m 3 Area(1×b) m 2:13.0 Ceiling height:2.1 m 1 × b(h) Wind.SURF. m 2 A. SURF. m 2 K WATT/m 2.KdT K COOLP WATTQ ex 图1 船用空调舱室的设计图1－通风机；2－中央空调器3－舱室2007年第1期 制冷与空调 99Ceiling3.2×1.54.80 0.60 10 29Windows(n×A) 1.0×0.6 0.59 6.50 10 38 Outer bulkh.long 3.4×2.7 0.585 8.66 0.60 10 52 Outer bulkh.trans 0.0×0.0 0.00 0.60 10 0 Inner bulkh.long 2.2×2.7 6.01 2.50 3 45 Inner bulkh.trans 0.0×0.0 0.00 2.50 3 0 Fl/all.w/Sanit.space 1.5×1.0 1.50 0.60 3 3 Floor outside 0.0×0.0 0.00 0.60 10 0 Heat of person sensible heat 70× 5= 350 Solar radiation vertical light surface 0.6×12×(A) 6.14= 44 Solar radiation vertical dark surface 0.6×29×(A) 0.0= 0 Solar radiation horizontal light surface 0.6×16×(A) 4.80= 46 Solar radiation horizontal dark surface 0.6×32×(A) 0.0= 0 Solar radiation windows 350×(A) 0.42= 146 Light 8×(A) 13.00= 104 Apperatus etcTemperature difference air cool (k) 10ACT REQUIRED AIRQUANTITY (m 3/h) 218图2 simlink 仿真框图（a ） （b ）图3 仿真曲线图在这个仿真模型中，送风温度su T 是给定的，而舱室内的温度r T 是由仿真曲线得来的。

由仿真曲线图3可知，当送风温度su T ＝13℃时，其舱室内的温度r T ＝23℃（（a ）图所示）；当把送风温度升高到su T ＝16℃时，所得的仿真曲线为图（b ）所示，其舱室内的温度r T ＝26 ℃。

从而可以计算出送风温度su T 与室内温度r T 的温差T ∆＝su T －r T ＝10℃（K ），都满足《大连海事大学教学实习船空调、冷藏技术协议书》中的技术要求dT=10K。

5 总结本文先对船舶空调的技术要求以及其设计情况进行了详细的介绍，针对船舶舱室建立起了在夏季制冷工况下的数学模型，然后以大连海事大学实习校船中的Chief Officer 舱室为例对该模型的正确性进行了验证，证明了该模型的正确性。