9

空调湿热海洋环境适应性多维评价技术研究

引言

空调系统作为现代社会不可或缺的环境调节设备，在我国广阔的海洋区域尤其是战略地位极为重要的南海地区，其角色已从单纯的舒适性设备，上升为保障重大工程、国防设施、海工平台、舰船装备及岛礁驻地人员与设备正常运转的核心保障装备。然而，南海地区独特的地理与气候条件，使其成为我国乃至全球范围内装备服役环境最为严酷的区域之一。这里长年累月经受着高温、高湿、高盐雾的侵蚀，并频繁遭遇强台风、强降雨、强雷暴的冲击。这种“三高三强”的环境特征，并非单一应力的简单叠加，而是形成了一个极其复杂的、多因素动态耦合的强腐蚀环境应力场，极大地加速了空调设备特别是其户外单元关键部件的腐蚀与老化进程。

实际应用表明，未经特殊防腐蚀设计的标准空调产品，在南海海洋环境下服役，其性能衰减与寿命缩短问题尤为突出。电机、压缩机、换热器、电路板、外壳及紧固件等核心部件在短期内即可观察到严重的腐蚀现象，直接导致制冷/制热效率锐减、能耗飙升、故障率攀升，最终导致设备过早报废。因此，深入研究空调在南海等极端海洋环境下的腐蚀行为与失效机理，建立科学、高效、精准的环境适用性评估体系，已成为保障我国海洋环境空调设备长效稳定运行的一个紧迫且重要的课题。

1 研究背景

南海环境的严酷性体现在多个维度。

首先是高盐雾。海洋大气中悬浮着大量的氯化物（主要为氯化钠）气溶胶，其浓度远高于内陆地区。这些氯离子具有极强的电化学活性和穿透性，易引发金属腐蚀^[1,2]。据海南琼海大气环境试验站（离岸约20公里）的长期监测，年均海盐离子沉降量可达0.595mg/(100cm²·d)(毫克/平方厘米*每天)^[3]。而在海南临高试验站（离岸仅100米）这类前沿海岸地带，盐雾浓度更高，铜的年腐蚀速率可达2.5μm/a（微米/年），达到了国际标准ISO 9223《金属与合金的腐蚀 大气腐蚀性 分类、测定和评估》中最高的C5极高腐蚀等级。

其次是高温高湿。南海地区属典型热带海洋性季风气候，年平均温度约25.3°C ，平均相对湿度高达85%以上，部分时段接近饱和。高温加速了所有化学及电化学反应的速率，而高湿度则为腐蚀电化学反应的发生提供了必要的电解质薄膜。当盐分沉积在金属表面后，在高湿度环境下极易潮解，形成导电性极强的液膜，表面不同部位因材质、氧浓度、电位差异，构成腐蚀原电池，导致腐蚀过程急剧加速^[2-5]。

第三是强辐射、强降雨、强台风等动态因素进一步加剧了腐蚀的复杂性。强烈的太阳紫外线辐射会加速空调外壳涂层、密封件等高分子材料的老化、粉化和开裂，使其失去保护作用，为腐蚀介质的入侵打开通道^[6]。一方面，频繁的强降雨可以冲刷掉表面的盐分沉积，起到一定的清洁作用；另一方面，雨水与大气中的污染物结合形成酸雨，或在盐分浓度极高的区域形成富含氯离子的盐雨，反而可能加速特定类型的腐蚀。强台风则携带高浓度盐雾深入内陆，并可能对空调外机结构造成物理损伤，破坏其密封性和防护完整性。这些因素的耦合作用，使得南海地区的腐蚀环境远比单一盐雾或湿热环境更为恶劣和复杂。

根据相关调研，南海岛礁空调外机仅3年即出现冷凝器翅片粉化、铜管穿孔等问题，制冷效率下降70%，运维成本增加5倍。某海洋平台中央空调因换热管腐蚀穿孔，使海水渗入冷媒系统，导致压缩机、阀件、传感器全部损坏，冷水机组彻底报废，停产损失超千万元；某海救助局两艘新造救助船冬季制热时，空调蒸汽加热器紫铜管因“盐雾腐蚀+ 冷凝水侵蚀”破裂，执行救助任务期间设备故障，被迫返厂大修。腐蚀不仅导致空调性能衰减、寿命缩短，更引发各关键部件多样化腐蚀失效模式，亟须开展有针对性的研究。

在海洋环境“三高三强”等复杂耦合环境应力作用下，空调关键部件失效现象主要包括：壳体/紧固件腐蚀生锈；散热器翅片腐蚀、堵塞；电控盒内电路板腐蚀；风扇电机轴承锈蚀卡滞；密封与保温材料失效等。

面对海洋环境下空调腐蚀问题的复杂性、长期性和破坏性，传统依赖单一试验方法的评估模式已难以为继。为此，中国电器科学研究院股份有限公司工业产品环境适应性全国重点实验室（以下简称“实验室”）通过户外实证试验获取真实服役环境特点和腐蚀行为，据此开展室内加速实验方法研究，基于实证与户内加速试验数据与模型开发服役性能及寿命仿真预测，整体采用“户外实证—室内加速—数字化仿真”三位一体的综合评估技术路线。该路线的核心是整合三种方法的优势，形成一个数据驱动、相互验证、闭环迭代的科学研究框架，即：实证与加速试验为仿真提供数据基础，仿真模型经实测数据校正后指导后续材料验证与设备优化选型。

2 户外实证试验

户外实证试验可以真实地反映空调器产品在实际使用环境中的服役行为特点。本研究依托覆盖全球典型湿热气候的“一带一路”典型气候野外试验研究站网，具体见图1，开展大气暴露实证试验。国内站点覆盖海南临高、琼海等湿热海洋环境核心实证站点。

琼海大气环境 试 验站始建于1 9 5 8 年，自然环 境 试 验 场面积12000m²。作为中国湿热海洋气候基准站, 这里具有独特的离岸型海洋环境特征：距离海边约20公里的海陆交互带；年均盐雾沉降量达28.5mg/m²·d；平均温度25.3°C；平均湿度85%；平均降雨量1934.8mm、平均日照时数1943.9 h；45°平均辐射总量4323.25MJ/m²(兆焦/平方米)。该试验站安装有可调角度暴露试验架，拥有IP/DP箱、太阳跟踪式IP/DP箱、标准黑箱、玻璃箱、太阳跟踪聚光加速等自然环境试验装置。

海南临高试验站位于海南岛西北部。这里距海岸线仅100米，年均湿度87%，年均日照时数2187h，年均降水1951mm，铜腐蚀速率达2.5μm/a，达到最高C5腐蚀等级，属于典型的湿热海洋性气候环境，是理想的海洋环境试验场地。

国外试验点涵盖典型加勒比海高盐雾环境的古巴哈瓦那站、赤道雨林与海洋复合气候的东南亚马来西亚，以及埃及开罗、沙特吉达、毛里求斯路易港等典型湿热气候野外试验站，形成对比研究网络。以沙特吉达站为例，其沙尘浓度（PM10日均值380μg/m³）（微克/立方米）与盐雾（月均沉降量35.2mg/cm²）的协同作用，导致空调外机过滤器堵塞率提升83%。

针对空调关键部件布设温度、湿度、盐雾沉降三类传感器，同步监测运行性能与腐蚀状态。传感器布置遵循“按环境特征设参数、按部件类型定位置” 的原则，确保数据代表性。其中，至少包含换热器、四通阀、钣金件等关键重要部件附近布设微环境监测传感器，以及定期检查局部外观、失效等问题。同时，根据关键部件材料及失效特点开展材料大气暴晒试验，利用扫描电镜、电化学测试分析、接触角测量仪等多类型分析测试方法分析腐蚀老化特征。最后，综合部件局部服役微环境特点和材料腐蚀特征、部件失效形式，探究空调换热器、电路板、四通阀、压缩机、钣金件等关键部件的腐蚀行为规律。

对于空调整机则根据实际使用场景设定运行温度和工况，设计开展整机户外实证试验。在空调外机不同区域布设腐蚀传感器、温度传感器和湿度传感器等，在室内侧布设风速传感器、热电偶、温湿传感器，以及功耗、电压、电流等信息，以此推算空调的性能系数（COP）、制冷量等关键性性能指标，绘制其随时间衰减的曲线。同时，通过相关传感器的布置，实时监测空调的环境、腐蚀、性能关联数据。

3  人工加速试验

户外试验虽然真实，但周期过长（通常需要数年）、成本高昂，无法满足产品快速迭代开发和质量验证的需求。室内加速试验通过在实验室环境中强化一个或多个关键环境应力（如盐雾浓度、温湿度、紫外辐射），在短时间内（数周或数月）复现户外数年的腐蚀效果。其核心挑战及任务在于确保加速试验结果与户外实证结果具有良好的相关性。长期以来，传统的中性盐雾试验标准GB/T 10125—2021《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》或ISO 9227-2022《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》，均以考核空调产品部件为主，对比实际服役场景存在过于简化、缺乏干湿交替及多因素协同等问题，且相关性较差。现有换热器材料经过标准中的试验后仍出现严重腐蚀问题，达不到设计寿命。

为了克服传统方法的局限性，实验室基于户外实证数据，采用环境条件裁剪方法，依据相关性和加速性原则，设计开发了一种能更好地模拟真实海洋环境的“光照—盐雾—干湿循环”多因素耦合加速试验方法。该方法已被国家标准GB/T 2423.65《盐雾/温度/湿度/太阳辐射综合环境试验方法》采纳。基于该实验方法，实验室研究团队自研了多因素耦合环境试验箱。试验结果表明，中性盐雾试验对外壳涂层老化加速效果不明显，而涂层铝箔样品的老化和腐蚀特征与户外实证样品差异巨大。采用多因素耦合试验后，样品表现出的腐蚀失效特征（如腐蚀产物的形貌、涂层的破坏方式等）与在海南暴晒场暴露两年后的样品较为一致，证明该方法具有优异的环境相关性。

4  数字化仿真试验

随着工业4.0和智能制造理念的深入发展，数字化仿真与智能预测技术正逐步成为海洋环境空调设备腐蚀研究的新一代核心工具。传统腐蚀试验虽然能够提供详实的实验数据，但其本质上仍是物理试验，存在周期长、成本高、工况覆盖面有限等固有缺陷。而数字孪生、计算流体力学（CFD）仿真、机器学习预测等技术的融合应用，则为腐蚀研究开辟了全新路径。

在数字孪生方面，研究者正在构建空调设备的全数字虚拟模型。该模型不仅包含设备的三维几何结构，还集成了材料属性、热力学特性、流体动力学参数等多维度信息，能够实时映射物理设备的运行状态^[7]。通过物联网传感器采集设备在实际服役过程中的温度、湿度、盐雾浓度、振动等数据，数字孪生系统能够持续更新模型状态，实现对设备腐蚀进程的动态跟踪和可视化展示，使工程师能够在虚拟环境中提前预判潜在腐蚀风险点。

计算流体力学仿真技术的应用，使得空调设备在不同海洋工况下的腐蚀分布得以在微观尺度上进行精准模拟。实验室利用CFD软件实现了求解盐雾颗粒在空调外壳表面的沉降规律、液滴在换热器翅片间的聚并过程，以及腐蚀介质的传输动力学行为，从而预测不同防护方案下的腐蚀热点区域。

此外，基于机器学习的腐蚀速率预测模型正在快速发展，研究团队通过收集大量历史腐蚀试验数据和现场服役数据，训练深度学习神经网络模型，输入环境参数、材料类型、防护涂层类型、运行时长等特征，即可输出设备未来一段时间内的腐蚀速率和剩余寿命预测结果。这种数据驱动的智能预测方法，不仅大幅缩短了预测周期，而且能够处理传统物理模型难以解析的复杂非线性腐蚀过程。

研究团队基于10000组实测数据提出一种先进智能腐蚀预测模型，融合机器学习策略进行模型聚合，实现腐蚀速率、性能衰减的高精度预测。数字化仿真系统可精准重现不同区域腐蚀差异，进而基于腐蚀失效判据实现换热器剩余使用寿命（RUL）预测。在此基础上，实验室还开发了空调外机腐蚀仿真平台，实现了3D 动态可视化、多源数据管理、寿命预测等功能，支持材料级、部件级、整机级跨尺度仿真，显著提升测试效率。

在具体应用层面，数字化仿真与智能预测技术正在与空调产品研发和运维管理体系深度融合。在产品研制阶段，工程师可以在虚拟设计环境中对不同防腐方案进行快速迭代和优化，通过多目标优化算法平衡防护成本与寿命指标，实现设计阶段的腐蚀风险最小化；在运维阶段，基于智能预测的预测性维护系统可以根据实时监测数据和预测模型输出，自动生成设备健康评估报告，提前规划维护周期和更换计划，避免突发故障造成的重大损失。这种从被动维修向预测性维护的转型，是海洋空调设备管理模式的根本性变革，能够显著提升设备可用率并降低全生命周期成本。值得注意的是，目前，数字化技术虽应用潜力巨大，但仍面临数据标准化不足、模型泛化能力有限、虚实模型一致性验证困难等挑战，需要产学研各方持续投入研发，推动相关技术向着更精准、更可靠、更易用的方向演进。

5 总结及展望

基于空调户外实证实验和室内加速实验，本文采用多类型分析测试方法，分析空调换热器服役微环境特点以及腐蚀行为及相关性，建立“环境—腐蚀老化—性能”关联模型，开发了数字化仿真系统，并结合AI智能预测模型，融合腐蚀机理与数据，实现湿热环境下空调的性能规律和寿命预测。

面向未来，为进一步提升我国空调产品在海洋环境下的竞争力与可靠性，特提出以下建议：

首先，持续深化户外实证研究。建议继续扩大站网覆盖范围，并适当延长试验周期，持续积累长周期、高质量的真实服役数据，为修正和优化加速试验方法与仿真模型提供源源不断的数据支持。

其次，推动行业标准升级。建议在空调及相关行业领域逐步用经过验证的多因素耦合试验（如基于GB/T 2423.65）替代传统的中性盐雾试验，作为产品耐海洋环境腐蚀性能的核心评价标准，以提升整个产业链的技术水平和产品质量。

第三，加速数字化仿真技术的应用与迭代。 持续利用新增数据对AI模型进行迭代训练，不断提升其预测精度和泛化能力。推动仿真平台在更多企业和研发机构中的应用，构建行业级的腐蚀数据库和仿真模型库，以及面向全生命周期管理的空调“数字孪生”系统。

第四，强化新材料与新技术的研发与应用验证。积极探索和验证前沿防腐蚀材料与涂层技术在空调产品上的适用性、成本效益和工艺成熟度，并利用“三位一体”评估体系快速、准确地评价其应用效果，加速科技成果转化。

参考文献

1．Luo Y , Yang L , Li Z ,et al.Failure behavior study of EB-PVD TBCs under salt spray corrosion and thermal shock cycles[J].Materials Research Express, 2021, 8.

2．Daniels G E. Terrestrial Environment (Climatic) Criteria Guidelines for Use in Aerospace Vehicle Development, 1973 Revision[R]. 1973-05-01.

3．张弛,曾杰,吕旺燕,等.海岛微电网高温、高湿、高盐环境条件监测及防护研究[J].环境技术, 2019, 37(3):6.

4．Hillier A. Corrosion Under Insulation In-Situ Testing in Marine Environment[D]. St. John's: Memorial University of Ne wfoundland and Labrador, 2023.

5．彭煌,王俊,祁黎等 . 空调换热器在海洋环境条件下服役的大气腐蚀仿真[J]. 系统仿真学报, 2023, 35(4): 899-905.

6．赵东,裴文利,郁大照,等.海洋环境下机载电连接器腐蚀分析与失效机理[J].海军航空大学学报, 2022, 37(6):8.

7．汪洋, 陈川, 揭敢新, 等. 基于物质传递动力学模型的金属大气腐蚀速率预测算法: CN112735538A[P]