CN109911166A - 一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统及控制方法，包括制冷模块、制热模块、辐射模块、水源模块、新风模块以及控制柜；本发明提供的海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统及方法为在舱室中长期工作和生活的人员创造了健康舒适节能的人工环境：辐射式空调利用海水作为载冷（热）介质，为舱室提供了温湿度适当的环境，实现温、湿度独立控制，不仅节约了能源，还降低了吹风感，降低了噪声，可以满足人们对舒适性的要求，而且系统结构简化，节约成本。
Description
技术领域
本发明属于船舶空调领域，尤其涉及一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统及控制方法。
背景技术
船舶空调系统是船舶系统的重要组成部分，为船上人员提供舒适的环境，保证工作人员和乘客的工作效率和生活品质。目前，常用的船舶空调包括直流式空调、封闭式空调和回风式空调系统这三大类。这几类空调系统均是以对流换热为主，而且系统空调箱、风管等处常会成为细菌繁殖和传播的场所，使得舱内空气品质下降。此外，空调系统能耗所占整船能耗的比例很大，因季节和船型的不同大约在15％-40％之间。因此，船舶空调系统在满足基本空气调节需求的同时更要考虑节能性和舒适性。
海洋作为容量巨大的可再生能源尚未得到充分的开发。使用海水空调取暖和制冷不需要消耗燃煤和燃油，大大减少了不可再生能源的使用量。同时，辐射供冷是最具优势的暖通节能技术之一，非常具有发展潜力。以辐射供冷为例，冷却管将辐射板冷却，辐射板降低维护结构表面温度的同时，也将一部分冷量作用于室内人员，然后被降温的冷辐射面对室内人员进行二次辐射。此过程中还包括冷面与周围空气的对流换热，但辐射换热是主要的热量交换方式。辐射式空调的载冷（热）介质为水，其载冷（热）能力强于空气，相比常规空调约节能28%~40%，且能实现温度和湿度的独立控制。船上人员长期在狭小的舱室内工作和生活，对舱室的舒适性要求更应该引起人们的重视。与常规空调系统相比，辐射式空调系统最显著的优势是舒适性强：辐射式空调的末端为辐射板，区别于风机盘管装置，不会在制冷或制热时造成室内空气的高速流动，从而可以大大降低人体的吹风感，并且辐射板也避免了传统送风空调系统带来的风机等设备的运行噪声，很好的提高室内舒适程度。
目前，辐射式空调在陆上建筑中被广泛应用，船舶辐射式空调的发展前景也不容小觑。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统及控制方法，对船舶舱室进行温度和湿度的控制，在减小能耗，提高舱室内空气品质的同时，提高舱内人员的舒适性。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统，包括制冷除湿模块、制热模块、辐射模块、水源模块、新风模块以及控制柜；其中，
所述制冷除湿模块包括冷冻机组以及混合式制冷除湿机，所述冷冻机组经管路与所述混合式制冷除湿机连接；
所述制热模块包括锅炉以及换热器，所述锅炉通过管路与所述换热器连接，所述锅炉与淡水池连通；
所述辐射模块包括辐射板，所述辐射板安装在舱室内壁上，在所述辐射板的两端分别设置辐射板入口和辐射板出口，所述辐射板入口通过入口管路分别与换热器和第二阀门相连；
所述水源模块包括海水进口、海水管路以及总水泵；
所述新风模块包括新风口、过滤器、排风口以及风机；
所述控制柜控制各个管路上阀门的关闭和开始。
作为优选，所述混合式制冷除湿机设于舱室内，包括第一风道、第二风道、风道阀门、风机、表冷器、冷冻水进水管、冷冻水出水管和凝结水排水管组成，所述凝结水排水管用于将凝结的水向外排出。
作为优选，还包括辅助制冷模块，所述辅助制冷模块为对流式空调机组。
作为优选，所述海水管路分为第一海水管路和第二海水管路并且所述第一海水管路、第二海水管路分别对应设置第一阀门、第二阀门。
作为优选，所述冷冻机组包括冷冻机、冷冻水泵、冷冻水阀、冷冻水进水管及冷冻水出水管。
作为优选，辐射板中的水通道为扁管形式布设。
作为优选，所述辐射板材质选用钛钢复合材质，即与海水直接接触的部分采用工业钛涂层。
一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统的控制方法，包括以下步骤：
（1）夏季制冷
a、当海水温度高于18℃时且低于24℃时，作为载冷介质的海水，直接送入辐射模块进行制冷后再流出，并调节制冷除湿模块中第一风道中的风道阀门，减少第一风道中的供气量，加大第二风道中的供气量。此时，第一风道中的风道阀门部分打开，调节阀门开度；同时，制冷过程中需要除湿，空气在经制冷除湿模块时，湿度降低；因此，室内冷负荷的产生，不仅来自于辐射模块，同时混合式制冷除湿机承担了一部分的冷负荷；
b、当海水温度低于18℃时，作为载冷介质的海水，可直接送入辐射模块进行制冷后再流出；通过供水量的调节来控制室内的温度控制；同时，制冷过程中经制冷除湿模块除湿；除湿过程中第一风道中的风道阀门全开，室内湿度的调节可通过调节冷冻水阀的开度来调节；当辐射板的温度低于室内空气温度时，通过第二阀门的调节来控制辐射板的温度，使得辐射板表面不结露；
c、当海水温度高于24℃，或者当辐射模块和制冷除湿模块一起无法吸收全部的热负荷时候，辅助制冷模块打开，与制冷除湿模块同时对舱室进行降温处理；
（2）冬季制热
当需要制热时，制热模块开启，锅炉中接收来自淡水池中的淡水并对其加热，海水在换热器内与来自锅炉的热源进行换热后进入辐射模块进行供热。
作为优选，步骤a和b中的制冷除湿模块包括冷冻机组以及混合式制冷除湿机，步骤a中除湿和通风是指新风从新风口进入，经过过滤器与舱室内空气混合后被处理，经排风口排出，来自冷冻水机组的淡水冷冻水送入混合式制冷除湿机对室内空气进行除湿降温，凝结后的水经由排水阀排出，制冷除湿过程中风道阀门打开，开度在0.2-0.8°。
作为优选，步骤b中，除湿是指新风从新风口进入，经过过滤器与舱室内空气混合后被处理，经排风口排出，来自冷冻水机组的的淡水冷冻水送入混合式制冷除湿机对室内空气进行除湿，凝结后的水经由排水阀排出，除湿过程中风道阀门部分打开，开度为1°。
本发明的有益效果是：本发明提供的海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统及方法为在舱室中长期工作和生活的人员创造了健康舒适节能的人工环境：辐射式空调利用海水作为载冷（热）介质，为舱室提供了温湿度适当的环境，实现温、湿度独立控制，不仅节约了能源，还降低了吹风感，降低了噪声，可以满足人们对舒适性的要求，而且系统结构简化，节约成本。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的原理示意图；
图2为本发明混合式制冷除湿机的结构示意图。
图3为本发明辐射板的水通道示意图。
图4为本发明辐射板的示意图。
图中：1、海水进口；11、总水泵；12、总阀门；14、第一阀门；15、第二阀门；16、海水管路；2、锅炉；21、热水泵；22、热水阀门；23、热水管路；3、换热器；31、冷止回阀；32、热止回阀；4、冷冻机；41、冷冻水泵；72、冷冻水阀；42、冷冻水管路；5、控制柜；6、舱室；7、混合式制冷除湿机；701、表冷器；71、排水阀；8、辐射板；81、辐射板入口；82、辐射板出口；9、新风口；91、风机；92、过滤器；10、排风口；11、辅助表冷器系统；74、风道阀门；75、风机；76、第一风道；77、第二风道；78冷冻水进水管；79、冷冻水出水管。83、辐射板的水通道；84、辐射板入水集流管；85、辐射板出水集流管。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例：参照附图1-4所示，一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统，包括制冷模块、制热模块、辐射模块、水源模块、新风模块以及控制柜5；其中，
所述制冷除湿模块包括冷冻机组4以及混合式制冷除湿机7，所述冷冻机组4经管路与所述混合式制冷除湿机7连接；
所述混合式制冷除湿机7设于舱室内，包括第一风道76、第二风道77、风道阀门74、风机75、表冷器701、冷冻水进水管78、冷冻水出水管79和凝结水排水管组成，所述凝结水排水管用于将凝结的水向外排出；
所述制热模块包括锅炉2以及换热器3b，所述锅炉2通过管路与所述换热器3连接，所述锅炉2还与淡水池连通；锅炉2后端安装热水泵21，热水泵21经热水管路23连通在锅炉2与换热器3之间，在热水管路23上还安装有热水阀门22；
所述辐射模块包括辐射板8，所述辐射板8安装在舱室6内壁上，在所述辐射板8的两端分别设置辐射板入口81和辐射板出口82，所述辐射板8入口通过入口管路与换热器3连接；辐射板8中的水通道为扁管形式布设，由于需要的海水流量比较大因此水通道不能是以往的细圆通道，而是用扁管；所述辐射板8材质选用采用钛钢复合材质，即与海水直接接触的部分采用工业钛涂层，具体为钛合金辐射板；辐射板入口处设置辐射板入水集流管84，辐射板出口处设置辐射板出水集流管85；
为了舱内人员行动不受阻碍，减少辐射板8的破损率及人员的舒适度，所述辐射板8安装在顶板；
为了防止辐射板8的结露，辐射板8内海水的控制温度为18℃；
所述水源模块包括海水进口1、海水管路16以及总水泵11；总水泵11设在海水管路16上，海水管路16经过总水泵11后分为三个供水路径；三个供水路径即为第一海水管路16、第二海水管路16以及第三海水管路16；所述海水管路16分为第一海水管路16、第二海水管路16以及第三海水管路16，并且所述第一海水管路16、第二海水管路16以及第三海水管路16分别对应设置第一阀门13、第二阀门14以及第三阀门15。第一海水管路16通过换热器3与入口管路连接，第二海水管路16通过第二换热器3b与入口管路连接，第三海水管路16直接与入口管路连接，换热器3后安装有冷止回阀31，第二换热器3b后安装有热止回阀32；
所述冷冻机组4包括冷冻水泵72、冷冻水阀；第二冷冻水管路45连接在冷冻机组4的出口端，并且第一冷冻水管路44连接在冷冻机组4与换热器3之间，冷冻水泵41、第一冷冻水阀42、冷冻水阀73均设在第二冷冻水管路45上，第一冷冻水阀42、冷冻水阀73的方向相反设置，第一冷冻水阀42安装在第二冷冻水管路45与换热器3之间，冷冻水阀73安装在第二冷冻水管路45与除湿器7之间；第一冷冻水管路44上还设置止回阀二43；
为了防止海水倒灌，所述换热器3后安装有冷止回阀31，冷冻机组4中的冷冻水由冷冻水泵41抽出，第一冷冻水管路44、第二冷冻水管路45与海水管路16互不连通；
锅炉2中进出的为淡水，被锅炉2加热的淡水通过第二换热器3b对海水加热，热水管路23不与海水管路16直接连接；
所述新风模块包括新风口9、排风口10以及风机91；
所述控制柜5控制各个管路上阀门的关闭和开始。
还包括除湿模块，所述除湿模块设于舱室6内，并且包括除湿器7、排水管路以及回流管路，所述回流管路连接在除湿器7与冷冻机组4之间，在所述回流管路上设置止回阀一72，所述排水管路用于将凝结的水向外排出。
还包括辅助制冷模块11，所述辅助制冷模块11为普通的船用空调机组，优选为对流式空调机组。
一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统的控制方法，包括以下步骤：
（1）夏季制冷
a、当海水温度高于18℃时且低于24℃时，作为载冷介质的海水，直接送入辐射模块进行制冷后再流出，并调节制冷除湿模块中第一风道中的风道阀门，减少第一风道中的供气量，加大第二风道中的供气量。此时，第一风道中的风道阀门部分打开，调节阀门开度；同时，制冷过程中需要除湿，空气在经制冷除湿模块时，湿度降低；因此，室内冷负荷的产生，不仅来自于辐射模块，同时混合式制冷除湿机承担了一部分的冷负荷；
具体的，海水被总水泵11从外部抽入，经由总阀门12和第一阀门13送入换热器3，冷冻机组4中的水被冷冻水泵41抽出，第一冷冻水阀42开启，海水与冷冻水在换热器3中进行热量交换，冷却后的海水经过冷止回阀31，自辐射板入口81并经辐射板入水集流管84流进进入辐射板8进行辐射制冷，最后从辐射板出口82流出并经辐射板出水集流管85流出；
b、当海水温度低于18℃时，作为载冷介质的海水，可直接送入辐射模块进行制冷后再流出；通过供水量的调节来控制室内的温度控制；同时，制冷过程中经制冷除湿模块除湿；除湿过程中第一风道中的风道阀门全开，室内湿度的调节可通过调节冷冻水阀的开度来调节；当辐射板的温度低于室内空气温度时，通过第二阀门的调节来控制辐射板的温度，使得辐射板表面不结露；
具体的，作为载冷介质的海水不需要进行预处理，经过总阀门12和第三阀门15直接送入辐射板8进行制冷后从辐射板出口82流出并经辐射板出水集流管85流出；
步骤a和b中的制冷除湿模块包括冷冻机组以及混合式制冷除湿机，步骤a中除湿和通风是指新风从新风口进入，经过过滤器与舱室内空气混合后被处理，经排风口排出，来自冷冻水机组的淡水冷冻水送入混合式制冷除湿机对室内空气进行除湿降温，凝结后的水经由排水阀排出，制冷除湿过程中风道阀门打开，开度在0.2-0.8°；
步骤b中，除湿是指新风从新风口进入，经过过滤器与舱室内空气混合后被处理，经排风口排出，来自冷冻水机组的的淡水冷冻水送入混合式制冷除湿机对室内空气进行除湿，凝结后的水经由排水阀排出，除湿过程中风道阀门部分打开，开度为1°；
c、当海水温度高于24℃，或者当辐射模块和制冷除湿模块一起无法吸收全部的热负荷时候，辅助制冷模块打开，与制冷除湿模块同时对舱室进行降温处理；
d、制冷过程中需要除湿和通风，新风从新风口9进入，与舱室6内空气混合，经排风口10排出，来自冷冻水机组的一部分水在夏季海水温度较高时进入换热器3与海水进行热交换，另一部分送入除湿器7对室内空气进行除湿，凝结后的水经由排水阀71排出；
（2）冬季制热
当需要制热时，制热模块开启，锅炉2中接收来自淡水池中的淡水并对其加热，海水在换热器3内与来自锅炉2的热源进行换热后进入辐射模块进行供热，具体是：第二阀门14开启，海水在换热器3内与来自锅炉2的热源进行换热后，经由热止回阀32进入辐射板8进行供热。
空调工作期间，控制柜55控制所述系统中所有阀门的开关，保证整个系统的安全运行。
本发明技术方案的优势是：
1、海水直接作为制冷介质，在一年中夏季的很大一部分时间我们直接用海水作为冷源进行换热，冷能的利用率高，结构简单、相对更加节能。
2、在新风的处理上，本发明并未像传统的空调进行空气的处理，而是将空气过滤后直接进行送风。这样的好处是，首先船舶舱室跟地面房间的区别在于对新风量的要求相对较高，这种送风的新风量高并且舒适性强，避免了回风在处理过程中的二次污染等因素；
3、在湿度的处理上，我们设计了混合式制冷除湿系统，其在满足湿度处理的同时，还能辅助产生制冷的效果。其尤其当海水温度低于18℃时，冷冻机组只需要处理室内空气湿度，机组的负荷较小，相对比较节能；
4、在极端工况下提供了传统的辅助制冷系统，因此本系统无论从能耗还是结构上相对更加简单、更加环保。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统，其特征在于：包括制冷除湿模块、制热模块、辐射模块、水源模块、新风模块以及控制柜；其中，
所述制冷除湿模块包括冷冻机组以及混合式制冷除湿机，所述冷冻机组经管路与所述混合式制冷除湿机连接；
所述制热模块包括锅炉以及换热器，所述锅炉通过管路与所述换热器连接，所述锅炉与淡水池连通；
所述辐射模块包括辐射板，所述辐射板安装在舱室内壁上，在所述辐射板的两端分别设置辐射板入口和辐射板出口，所述辐射板入口通过入口管路分别与换热器和第二阀门相连；
所述水源模块包括海水进口、海水管路以及总水泵；
所述新风模块包括新风口、过滤器、排风口以及风机；
所述控制柜控制各个管路上阀门的关闭和开始。
2.根据权利要求1所述的一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统，其特征在于：所述混合式制冷除湿机设于舱室内，包括第一风道、第二风道、风道阀门、风机、表冷器、冷冻水进水管、冷冻水出水管和凝结水排水管组成，所述凝结水排水管用于将凝结的水向外排出。
3.根据权利要求1或2所述的一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统，其特征在于：还包括辅助制冷模块，所述辅助制冷模块为对流式空调机组。
4.根据权利要求3所述的一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统，其特征在于：所述海水管路分为第一海水管路和第二海水管路并且所述第一海水管路、第二海水管路分别对应设置第一阀门、第二阀门。
5.根据权利要求4所述的一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统，其特征在于：所述冷冻机组包括冷冻机、冷冻水泵、冷冻水阀、冷冻水进水管及冷冻水出水管。
6.根据权利要求1所述的一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统，其特征在于：辐射板中的水通道为扁管形式布设。
7.根据权利要求6所述的一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统，其特征在于：所述辐射板材质选用钛钢复合材质，即与海水直接接触的部分采用工业钛涂层。
8.如权利要求1、2、4、5、6、7任一项所述的一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）夏季制冷
a、当海水温度高于18℃时且低于24℃时，作为载冷介质的海水，直接送入辐射模块进行制冷后再流出，并调节制冷除湿模块中第一风道中的风道阀门，减少第一风道中的供气量，加大第二风道中的供气量，此时，第一风道中的风道阀门部分打开，调节阀门开度；同时，制冷过程中需要除湿，空气在经制冷除湿模块时，湿度降低；因此，室内冷负荷的产生，不仅来自于辐射模块，同时混合式制冷除湿机承担了一部分的冷负荷；
b、当海水温度低于18℃时，作为载冷介质的海水，可直接送入辐射模块进行制冷后再流出；通过供水量的调节来控制室内的温度控制；同时，制冷过程中经制冷除湿模块除湿；除湿过程中第一风道中的风道阀门全开，室内湿度的调节可通过调节冷冻水阀的开度来调节；当辐射板的温度低于室内空气温度时，通过第二阀门的调节来控制辐射板的温度，使得辐射板表面不结露；
c、当海水温度高于24℃，或者当辐射模块和制冷除湿模块一起无法吸收全部的热负荷时候，辅助制冷模块打开，与制冷除湿模块同时对舱室进行降温处理；
（2）冬季制热
当需要制热时，制热模块开启，锅炉中接收来自淡水池中的淡水并对其加热，海水在换热器内与来自锅炉的热源进行换热后进入辐射模块进行供热。
9.根据权利要求8所述的一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统的控制方法，其特征在于，步骤a和b中的制冷除湿模块包括冷冻机组以及混合式制冷除湿机，步骤a中除湿和通风是指新风从新风口进入，经过过滤器与舱室内空气混合后被处理，经排风口排出，来自冷冻水机组的淡水冷冻水送入混合式制冷除湿机对室内空气进行除湿降温，凝结后的水经由排水阀排出，制冷除湿过程中风道阀门打开，开度在0.2-0.8°。
10.根据权利要求9所述的一种海水直接辐射供冷采暖式环境控制系统的控制方法，其特征在于，步骤b中，除湿是指新风从新风口进入，经过过滤器与舱室内空气混合后被处理，经排风口排出，来自冷冻水机组的的淡水冷冻水送入混合式制冷除湿机对室内空气进行除湿，凝结后的水经由排水阀排出，除湿过程中风道阀门部分打开，开度为1°。
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