胡　亮

（海軍裝備研究院，北京 100073）

美海軍新型熱管理控制系統(tǒng)及在現(xiàn)役航母上的應(yīng)用

胡亮

（海軍裝備研究院，北京 100073）

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代艦船的能量消耗越來越大，艦上的節(jié)能問題日益凸顯。用于暖通制冷的能量在艦船總能量消耗中占據(jù)很大比例。艦上熱管理系統(tǒng)可有效監(jiān)控艙室溫度和環(huán)境，并進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，對艦上節(jié)能有重要意義。本文介紹了美國“尼米茲”級航母引入的新型熱管理控制系統(tǒng)，對其系統(tǒng)組成、功能實(shí)現(xiàn)及發(fā)展應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，可為相關(guān)設(shè)計提供參考。

熱管理；艙室溫度；航母

1　概　述

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代艦船的能量消耗越來越大，艦上的節(jié)能問題日益凸顯。艦上的能量消耗包括動力推進(jìn)、電子武器系統(tǒng)運(yùn)行、艙室溫度控制等多個方面。其中，主要用于維持艙室溫度的暖通制冷用能在艦船總能量消耗中占據(jù)很大比例。艦船熱管理的概念在近年來得到越來越多的重視。通過艦上熱管理系統(tǒng)，可有效監(jiān)控艙室溫度和環(huán)境，并進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，對艦上節(jié)能有重要意義，在艦船上得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文分析了美國“尼米茲”級航母艙室溫度控制情況，并介紹了其正在發(fā)展并得到應(yīng)用的新型熱管理控制系統(tǒng)，對該套系統(tǒng)的組成、功能及發(fā)展應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2　“尼米茲”級航母艙室溫度控制現(xiàn)狀

2008 年，為考察現(xiàn)役航母在當(dāng)前部署環(huán)境中的艙室冷卻能力，以及現(xiàn)有冷卻能力是否滿足未來部署要求，美國海軍水面戰(zhàn)中心卡德羅克分部工作人員在“林肯”號航母上安裝數(shù)據(jù)采集裝置，可記錄航母一年來空調(diào)設(shè)備和冷卻水設(shè)備參數(shù)的變化情況?！傲挚稀碧柡侥干峡照{(diào)系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)總重 363 t，功率密度約為1.2 kW/t，空調(diào)系統(tǒng)采用內(nèi)置微處理器記錄狀態(tài)參數(shù)。熱管理工作組在“林肯”號航母上選取了 10個目標(biāo)艙室，利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器，每間隔 30 min 采集一次該艙室及相鄰艙室的溫度和相對濕度，以及風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)出口空氣的相對濕度；每間隔 15 min 采集一次目標(biāo)艙室通風(fēng)系統(tǒng)中冷卻盤管內(nèi)冷卻水的進(jìn)出口溫度。此外，還對航母上存在組件冷卻問題的約 25個艙室進(jìn)行溫度采集，間隔時間為30 min。在所有采集艙室中，2個恒溫艙室設(shè)定溫度為23.9 ℃，51個恒溫艙室設(shè)定溫度為26.7 ℃，其余艙室設(shè)定溫度更高，或與外界相通而不恒溫。除“林肯”號航母外，美國海軍熱管理工作組還采集了“艾森豪威爾”號航母和“杜魯門”號航母的部分艙室溫度。一般情況下，寒冷環(huán)境下的航母艙室溫度設(shè)定為26.7 ℃，炎熱環(huán)境下的航母艙室溫度設(shè)定為18.3 ℃。

根據(jù)測溫結(jié)果推算，“尼米茲”級航母上約25%～40% 的恒溫艙室比設(shè)定溫度低 5.6 ℃ 以上。根據(jù)諾?？撕＼姶瑥S的研究結(jié)果，當(dāng)某艙室溫度維持在低于設(shè)定溫度 5.6 ℃ 時，空調(diào)負(fù)荷將增加 2 冷噸。受此影響，空調(diào)機(jī)組配電電流將會增大，導(dǎo)致某些需要制冷的艙室無法充分冷卻。每艘“尼米茲”級航母上有超過 600個空調(diào)艙室，假定其中 30% 的艙室溫度低于設(shè)定值 5.6 ℃，若通過熱管理系統(tǒng)使這些艙室溫度恢復(fù)設(shè)定值，則可減少 360 冷噸的空調(diào)負(fù)荷。

為此，美國海軍開發(fā)了新型熱管理控制系統(tǒng)，可有效減少艙室過度冷卻情況，降低能源消耗。部分“尼米茲”級航母已安裝通風(fēng)控制子系統(tǒng)。

3　美海軍新型熱管理控制系統(tǒng)組成

美海軍新型熱管理控制系統(tǒng)（TMCS）主要通過對艦上暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制，來實(shí)現(xiàn)熱量管理的目的。

參數(shù)監(jiān)測方面，熱管理控制系統(tǒng)主要包括空調(diào)控制系統(tǒng)、冷卻水控制系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)以及加熱和冷卻控制系統(tǒng)，可對暖通空調(diào)系統(tǒng)的各部分參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測的參數(shù)包括各冷卻水監(jiān)測站的溫度、壓力和流速（2 組），冷卻水主管道的進(jìn)出口溫差（3 組），空氣過濾器壓差（1 組），再循環(huán)空氣溫度（1 組），艙室傳感器（3 組），艦外環(huán)境溫度，以及艙室溫、濕度等。

系統(tǒng)控制方面，熱管理控制系統(tǒng)與艦上機(jī)械控制系統(tǒng)（MCS）、綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（ICAS）、綜合損管系統(tǒng)（IDCS）相連接，可快速計算艦上冷卻需求，并對制冷量進(jìn)行合理分配。同樣，艦上供電系統(tǒng)中的電能可給根據(jù)需要分配至作戰(zhàn)或自防御系統(tǒng)中，滿足其瞬時大功率的制冷要求。

熱管理控制系統(tǒng)可確定滿足艦上制冷要求的空調(diào)機(jī)組最佳數(shù)量和位置，調(diào)整系統(tǒng)設(shè)定值并減少人為操控。此外，熱管理控制系統(tǒng)還可根據(jù)航母狀態(tài)（在港、海上或作戰(zhàn)）分別控制各艙室，減少無人活動或少有人活動艙室的制冷量和通風(fēng)量。

使用熱管理控制系統(tǒng)后，可有效減少艦上無人艙室的制冷量，減少人為控制的空調(diào)開關(guān)個數(shù)防止過度制冷，提供對溫度的集中控制，進(jìn)而降低能量消耗和維護(hù)成本。

3.1暖通空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測組件

1）智能恒溫器

熱管理控制系統(tǒng)將不再采用傳統(tǒng)上僅具開關(guān)功能的恒溫器，而采用可連網(wǎng)的智能恒溫器，并通過中央控制站對恒溫器進(jìn)行控制。采用的是羅基研究公司研發(fā)的智能恒溫器，不僅具有調(diào)溫作用，還可滿足海軍艦艇調(diào)濕要求。智能恒溫器有本地和遠(yuǎn)程 2種控制方法，本地控制可根據(jù)需要禁用。溫度監(jiān)測系統(tǒng)受用戶口令保護(hù)，并與人機(jī)界面間通過獨(dú)立的光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。目前美國海軍水面戰(zhàn)中心卡德羅克分部-艦船系統(tǒng)工作站（NSWCCD-SSES）正在研究將溫度監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與艦上光纖數(shù)據(jù)多路傳輸系統(tǒng)（FODMS）相連接的方法。

智能恒溫器有 110 V 交流和24 V 直流 2種型號，支持 UDP 組播和傳輸控制及網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議（TCP/IP），通過風(fēng)機(jī)盤管和再熱控制器控制。目前美國 DDG 級驅(qū)逐艦上使用的為110 V 交流智能恒溫器，顯示溫度范圍為-17.8 ℃～88.9 ℃，消耗功率僅為5 W，已通過美國海軍 MIL-S-901D A 級沖擊測試、MIL-STD-167-1 振動測試和MIL-STD-461E 電磁兼容性測試等。

圖1　智能恒溫器Fig. 1　The intelligent thermostat

2）天花板傳感器

精密的傳感器可準(zhǔn)確采集艙室溫、濕度信息，通過相應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行溫濕度控制，進(jìn)而減少過度制冷，降低空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷。目前熱管理控制系統(tǒng)中的傳感器是美國路創(chuàng)公司生產(chǎn)的天花板安裝雙配置 LOSCDT 系列傳感器。LOS-CDT 系列傳感器采用自適應(yīng)技術(shù)，自動調(diào)節(jié)靈敏度并可定時，防止出現(xiàn)誤開和誤關(guān)。該傳感器采用 20～24 V 直流低壓接線，可安裝在2.4～3.7 m 高的天花板上，覆蓋面積范圍達(dá) 46～186 m2，工作環(huán)境溫度為0～40 ℃，相對濕度不超過 95%。

圖2　天花板安裝雙配置 LOS-CDT 系列傳感器Fig. 2　The LOS-CDT series sensor installed on the ceiling

3）冷卻水監(jiān)測站

冷卻水監(jiān)測站可對冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，以發(fā)現(xiàn)潛在節(jié)能空間，進(jìn)一步降低空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷。目前美國每艘 DDG 級驅(qū)逐艦上均有 2個冷卻水監(jiān)測站，每個監(jiān)測站均裝有冷卻水開關(guān)，可本地測量溫度和壓力。在冷卻水系統(tǒng)最高點(diǎn)安裝超聲速流量計，可監(jiān)測冷卻水流量。冷卻水流率過低時，系統(tǒng)將報警。為了便于診斷，熱管理系統(tǒng)人機(jī)界面處將顯示 2個冷卻水監(jiān)測站的溫度、壓力、流率，以及冷卻水主管道上 3個測量點(diǎn)的進(jìn)出口溫度。

4）空氣溫度測量

熱管理控制系統(tǒng)采用熱電阻測量再循環(huán)空氣溫度，在出現(xiàn)通風(fēng)問題時進(jìn)行報警。

5）空氣壓差測量

美國海軍水面戰(zhàn)中心卡德羅克分部-艦船系統(tǒng)工作站正在發(fā)展新型暖通空調(diào)機(jī)組樣機(jī)，利用空氣過濾器間的壓差讀數(shù)及監(jiān)測再循環(huán)供氣溫度，提高視情維修能力。空氣過濾器上的壓差裝置為軍標(biāo)組件，當(dāng)過濾器需更換時將會報警。

3.2與艦上其他系統(tǒng)間的連接

暖通空調(diào)系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)與艦上其他系統(tǒng)相連接，具體做法是通過可編程邏輯控制器收集各傳感器的數(shù)據(jù)，而后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至人機(jī)界面。人機(jī)界面可顯示并遠(yuǎn)程控制包括暖通空調(diào)系統(tǒng)在內(nèi)的艦上所有系統(tǒng)。

1）人機(jī)界面

人機(jī)界面（HMI）可顯示所有監(jiān)測參數(shù)，并對所有恒溫器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。人機(jī)界面為美國軍標(biāo)觸屏電腦，用戶界面采用 C++ 語言開發(fā)。目前，美國海軍水面戰(zhàn)中心卡德羅克分部-艦船系統(tǒng)工作站正在開發(fā)可管理所有系統(tǒng)的用戶界面（UI）軟件。用戶界面可顯示所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并允許用戶與系統(tǒng)間的交互。

2）可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器（PLC）可從各傳感器收集數(shù)據(jù)，并傳輸至人機(jī)界面。熱管理控制系統(tǒng)采用美國羅克韋爾自動化公司生產(chǎn)的可編程高性能自動化控制器。

3）連接網(wǎng)絡(luò)

可編程邏輯控制器和人機(jī)界面間由網(wǎng)絡(luò)連接，并對所有相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行控制。熱管理控制系統(tǒng)中所有智能恒溫器都將通過網(wǎng)絡(luò)連接至人機(jī)界面和集體防護(hù)系統(tǒng)（CPS）。

3.3系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

熱管理控制系統(tǒng)可有效減少過度制冷情況，降低能耗?？刂葡到y(tǒng)可對艦上各空間溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制，在艦員不經(jīng)?；顒拥呐撌彝ㄟ^智能恒溫器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，減少空調(diào)本地控制開關(guān)數(shù)量。

此外，使用熱管理控制系統(tǒng)可進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性，在故障情況下優(yōu)先減少非重點(diǎn)艙室的制冷量；并增強(qiáng)空氣過濾器和再循環(huán)空氣溫度等系統(tǒng)的維護(hù)和診斷能力，增強(qiáng)冷卻水系統(tǒng)診斷能力，降低維護(hù)成本。

4　美海軍新型熱管理控制系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用

4.1美國海軍熱管理控制系統(tǒng)實(shí)施步驟

由于完整的熱管理控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，美國海軍水面戰(zhàn)中心卡德羅克分部計劃分階段開展熱管理系統(tǒng)上艦工作，階段性安裝熱管理子系統(tǒng)，且各階段都將進(jìn)一步集成在上一階段的系統(tǒng)中，最終可形成完整熱管理系統(tǒng)。

第 1 階段：艙室溫度控制。發(fā)展相關(guān)軟、硬件，可在中央控制室監(jiān)測和控制艦上所有獨(dú)立艙室的溫度。包括安裝新型控制閥和連網(wǎng)的智能恒溫器。系統(tǒng)可在必要時直接冷卻部分關(guān)鍵系統(tǒng)。

第 2 階段：冷卻水控制及改道。發(fā)展控制系統(tǒng)軟件，在故障情況下自動改變冷卻水流道，包括可從中央控制站控制或自動修正冷卻水給水系統(tǒng)的智能冷卻水控制閥，保證在故障情況下最大程度地維持作戰(zhàn)能力。

第 3 階段：發(fā)展新型高效壓縮機(jī)。壓縮機(jī)上配置磁軸承、變速傳動裝置及永磁電機(jī)，可安裝在傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中，增大發(fā)電能力并減少能量和維修要求。

第 4 階段：通風(fēng)系統(tǒng)控制。開發(fā)軟件算法及測試設(shè)備，利用可控阻尼器和變速傳動裝置改變通風(fēng)量，控制獨(dú)立艙室的通風(fēng)情況。安裝風(fēng)機(jī)盤管組件變速傳動裝置，減少能量消耗。

2012 年 10 月美海軍首先在 DDG 100 驅(qū)逐艦上進(jìn)行熱量管理控制系統(tǒng)第 1 階段測試，包括更換 129個恒溫器，測試、維修 67個電磁閥等。目前美國海軍正在研發(fā)使用新型磁軸承、變速傳動和永磁電機(jī)的下一代暖通空調(diào)機(jī)組。這些新技術(shù)可增加發(fā)電能力，減少約 25% 的能量消耗，并顯著縮小相應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施尺寸。

4.2在現(xiàn)役航母上的應(yīng)用

“尼米茲”級較新的幾艘航母上安裝了通風(fēng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在所有風(fēng)機(jī)處均配置了數(shù)字化啟動裝置。通風(fēng)控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度，可改變各系統(tǒng)的冷空氣量。風(fēng)機(jī)是艦上機(jī)械控制系統(tǒng)的一部分，當(dāng)其他系統(tǒng)需要較大瞬時制冷量時，風(fēng)機(jī)速度可調(diào)整至最小電能消耗狀態(tài)，最大限度地節(jié)約能源。通風(fēng)啟動裝置同樣與艦上機(jī)械控制系統(tǒng)相連，可利用中央控制站進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。這種通風(fēng)控制系統(tǒng)要求風(fēng)機(jī)在損管模式下可迅速隔離。

熱管理系統(tǒng)與艦上機(jī)械控制系統(tǒng)（MCS）、綜合條件評估系統(tǒng)（ICAS）等已有系統(tǒng)相連接。目前美國針對現(xiàn)役“尼米茲”級航母開發(fā)了“智能航母”機(jī)械控制系統(tǒng)，在 CVN 70～CVN 75 航母上使用。此外，美國海軍在 CVN 70，CVN 72，CVN 73和CVN 74 等航母上安裝了綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)，可有效進(jìn)行系統(tǒng)診斷。由此看來，“尼米茲”級航母已具有逐步安裝熱管理控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著大功率武器逐步上艦，航母上設(shè)備冷卻需求逐步增加，預(yù)測未來“尼米茲”級航母及未來航母將會逐步安裝熱管理控制系統(tǒng)。

5　結(jié)　語

隨著艦船技術(shù)的發(fā)展，高能武器、大功率電子設(shè)備等高耗能武器的上艦，艦上能量消耗越來越大，艦船節(jié)能技術(shù)受到越來越多的重視。作為控制艦船能耗的有效手段，基于網(wǎng)絡(luò)傳感器和控制器的熱管理控制系統(tǒng)已成為一個必然的發(fā)展趨勢，并顯現(xiàn)了良好的效果。

［1］MC CUNNEY. Electric machines technology symposium presentation［R］， 2010.

［2］Intelligent thermostat， industrial products and services［ED/OL］，www.rockyresearch.com.

［3］O'ROURKE R. Navy ship propulsion technologies： options for reducing oil use［R］. CRS Report for Congress， 2006.

［4］DOERRY N. Next generation integrated power system NFIPS technology development roadmap［R］. ADA Report 519753，2007.

The new shipboard thermal management system developed by US navy and its employment on the active aircraft carriers

HU Liang
（Naval A cademy of Armament， Beijing 100073， China）

With the development of technology， the energy consumption of modern ships increases continuously， the shipboard energy saving is becoming more and more importance. Shipboard HVAC system is one of the major energy consumers. The thermal management system can effectively monitor and control the temperature and environment of the ship cabins， resulting energy saving. This paper introduces the new thermal management system developed by the U.S. navy which has been employed on the Nimitz-class aircraft carriers. The system composition， functions and employment of this system are introduced and analyzed in details， which would offer reference to the design of domestic system.

thermal management；cabin temperature；aircraft carrier

U664.5

A

1672-7619（2016）09-0154-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.032

2016-06-10

胡亮（1965-），男，高級工程師，研究方向?yàn)榛鹂嘏c制導(dǎo)。