同程式空調(diào)水系統(tǒng)的實船設計應用

由成良

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

同程式空調(diào)水系統(tǒng)的實船設計應用

由成良

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

分析了空調(diào)水系統(tǒng)阻力的特點和水力不平衡的原因，并對同程和異程兩種空調(diào)水系統(tǒng)管路設計方式的優(yōu)缺點進行了比較。結合某兩型船舶的總體布局和空調(diào)區(qū)域特點，分別采用環(huán)形同程冷熱媒水系統(tǒng)和開式同程冷卻水系統(tǒng)，顯著提高了系統(tǒng)水力穩(wěn)定性，取得較好的空調(diào)效果。

同程；異程；船舶；空調(diào)水系統(tǒng)

引 言

中央空調(diào)水系統(tǒng)一般由主干管路和連接各末端設備的分支管路組成?？照{(diào)末端設備經(jīng)常需要根據(jù)空調(diào)冷、熱負荷的變化調(diào)節(jié)流量，而各水管支路的流量間存在耦合，某個支路的流量改變將會導致整個系統(tǒng)水量重新分配，其余各支路的水量也會改變。因此，根據(jù)工程實際情況選用合適的空調(diào)水系統(tǒng)形式不僅可以減少系統(tǒng)調(diào)試工作量，而且能提高空調(diào)的舒適性［1］。本文將結合具體工程案例探討同程式水系統(tǒng)在船舶空調(diào)中的應用。

1 水系統(tǒng)阻力

在沒有摩擦力的理想狀態(tài)下，根據(jù)能量守恒原則，流體在管道內(nèi)流動時，流體的能量是不變的。然而自然界中，任何流體都具有粘性，管道會對流體產(chǎn)生阻力。要使流體在管道內(nèi)克服阻力向前運動，必定要消耗能量。在實際情況下，流體在管道內(nèi)的流動能量變化如圖1所示。

流體在管道內(nèi)從斷面1至斷面2的能量方程式為：

圖1 流體在管道內(nèi)流動能量變化

式中：E為單位體積流量流體具有的總能量，Pa；Pj1、Pj2為單位體積流量流體具有的壓能，亦稱靜壓，Pa；ρ為流體的密度，kg/m3；v1、v2為流體在斷面上的平均流速，m/s；ρv12/ 2、ρv2

2/ 2為單位體積流量流體具有的動能，亦稱動壓，Pa；g為重力加速度，m/s2；Z1、Z2為單位體積流量流體具有的位能，Pa；H為單位體積流量實際流體從斷面1流向斷面2時，為克服阻力而造成的能量損失。

管路阻力作為管系阻力的一部分，包括管路的摩擦阻力和局部阻力。摩擦阻力計算公式為：

式中：hf為長度為l（m）的直管段的摩擦阻力，Pa；λ為流體與管內(nèi)壁間的摩擦阻力系數(shù)，無因次量；d為管內(nèi)徑，m；ρ為流體的密度，kg/m3；R為長度為1 m的直管段的摩擦阻力，簡稱比摩阻，Pa/m；v為流體在某斷面上的平均流速，m/s。

局部阻力計算公式為：

式中：hd為管路某局部配件的阻力，Pa；ξ為配件的局部阻力系數(shù)，無因次量； ρ為流體的密度，kg/m3；v為流體在某斷面上的平均流速，m/s。

由上述流體在管內(nèi)流動的能量和阻力計算公式可見，在水系統(tǒng)設計中，水管路的長短、管內(nèi)水流速的高低以及局部配件的數(shù)量等因素，均會直接造成水管系統(tǒng)阻力大小不同。在空調(diào)水系統(tǒng)設計中，由于各設備水流量不一、布置不規(guī)則且離水泵距離相差懸殊，因此各相互并聯(lián)的水管支路之間系統(tǒng)阻力相差可達10倍以上，由此給系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)正常運行帶來極大的負面影響。

2 空調(diào)水系統(tǒng)分類

同程式系統(tǒng)與異程式系統(tǒng)是空調(diào)水系統(tǒng)的兩種基本形式［2］。圖2和圖3是典型的異程式水系統(tǒng)與同程式水系統(tǒng)的示意圖，圖中共有6個帶調(diào)節(jié)功能的末端設備。同程式系統(tǒng)流經(jīng)各終端設備的水流程相等，而異程式系統(tǒng)則不等。

圖2 典型異程空調(diào)水系統(tǒng)

圖3 典型同程空調(diào)水系統(tǒng)

同程空調(diào)水系統(tǒng)各末端環(huán)路的總長度相等，水流阻力較接近，而異程空調(diào)水系統(tǒng)各并聯(lián)環(huán)路的管路總長度不相等，水流阻力不平衡。水系統(tǒng)環(huán)路間水流阻力不平衡是導致系統(tǒng)水力穩(wěn)定性差的一個重要因素，因此異程空調(diào)水系統(tǒng)更易導致流量不勻、調(diào)試困難、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，甚至需要在某些并聯(lián)支管上安裝流量調(diào)節(jié)裝置以穩(wěn)定支管流量。相關研究表明，一般同程式系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性較異程式系統(tǒng)有所改善［3-4］，但典型的同程式空調(diào)水系統(tǒng)比異程式系統(tǒng)管路復雜，需增加一根主管。不過，這樣雖然能獲得較好的水力穩(wěn)定性，卻增大了系統(tǒng)阻力，特別是當空調(diào)末端離冷水機組距離較遠時，系統(tǒng)水泵能耗將顯著增加。

如圖4所示是同程空調(diào)水系統(tǒng)的一種特殊形式——環(huán)形同程空調(diào)冷熱媒水系統(tǒng)，兼具管路緊湊和水力穩(wěn)定的特點，適用于環(huán)形的空調(diào)區(qū)域。環(huán)形同程空調(diào)水系統(tǒng)比典型的同程空調(diào)水系統(tǒng)缺少一根主管，因此系統(tǒng)阻力下降，同時系統(tǒng)水力穩(wěn)定性也更好［5］。當然，并非所有工程采用同程水系統(tǒng)比異程水系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性更好，每個系統(tǒng)都有各自的適用范圍［6］。

圖4 環(huán)形同程空調(diào)冷熱媒水系統(tǒng)原理圖

通常，在船舶空調(diào)水系統(tǒng)管路設計中，由于空間布局限制以及質量控制的需要，間接式中央空調(diào)系統(tǒng)的冷熱媒水管系與合用一套冷卻海水管路的直接蒸發(fā)單元空調(diào)機冷卻水管系往往選用配置簡單、管材較節(jié)省的異程式系統(tǒng)。

然而，某些具有環(huán)形空調(diào)區(qū)域的船型，其閉式中央空調(diào)冷熱媒水管采用環(huán)形同程式設計，既不增加管路又不多占空間，而且能達到比異程式好得多的效果。

上述空調(diào)冷熱媒水系統(tǒng)都是閉式循環(huán)，即水自水泵排出，最終又回到水泵。由于大海可以認為是無限大的容器，所以船舶上使用的海水冷卻單元空調(diào)機一般采用開式循環(huán)，可以從舷側就近將海水排出，而不必返回水泵附近。開式同程空調(diào)冷卻水系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 開式同程空調(diào)冷卻水系統(tǒng)原理圖

下面介紹兩個實例，來說明閉式和開式同程式水管系統(tǒng)在船舶空調(diào)中的設計運用。

3 某船同程式中央空調(diào)冷熱媒水管系的設計應用

某改進型運載船（類似滾裝船），全船中央空調(diào)冷源為兩臺冷水機組，熱源為一臺汽水熱交換器?？照{(diào)末端設備為間接式空調(diào)裝置和風機盤管。詳細設計參數(shù)和主要設備配置分別列于表1和下頁表2。

表1 中央空調(diào)設計參數(shù)

該船主甲板以下有前后貫通的大型裝載艙，裝載艙的兩側有居住和工作艙室，裝載艙的上一層甲板和下一層甲板均有居住及工作艙室，裝載艙不需要空調(diào)，周邊的住艙及部分工作艙室需要空調(diào)。

該船中央空調(diào)冷熱媒水主管的設計充分利用前后貫通的大型裝載艙周圍空調(diào)區(qū)域程環(huán)狀的特點，在裝載艙的頂部形成一個供水環(huán)路及一個回水環(huán)路，兩個環(huán)路內(nèi)的冷熱媒水均為順時針流動。沿著冷熱媒水流動方向，供水管逐漸變細，而回水管則逐漸變粗。供水以及回水管路布置分別如下頁圖6和圖7所示。

該船空調(diào)冷熱媒水系統(tǒng)通過采用上述環(huán)形同程管路設計，與原來采用異程管路設計的早期產(chǎn)品相比，既提高了空調(diào)舒適性，又降低了系統(tǒng)的調(diào)試難度及工作量，且不需要增設管路，從而取得較好的工程經(jīng)濟效益。

表2 主要空調(diào)設備

圖6 某船空調(diào)冷熱媒水供水管路布置示意圖

圖7 某船空調(diào)冷熱媒水回水管路布置示意圖

4 某船同程式冷卻海水管系的設計應用

在某試驗船的全船空調(diào)系統(tǒng)設計中，在后區(qū)設有6臺海水源熱泵型單元式空調(diào)機，根據(jù)船體結構特點，這6臺單元式空調(diào)機合用1臺海水冷卻水泵，在海水管系走向的設計中采取了同程式設計。詳細設計參數(shù)見表3，管路走向布置見圖8。

表3 單元式空調(diào)機設計參數(shù)

圖8 某試驗船冷卻水管路布置示意圖

從圖8中可以看到：1號、2號、3號、4號單元式空調(diào)機由一路海水管供應海水，5號、6號單元式空調(diào)機由另一路海水管供應海水，兩路海水管系分別按同程設計。流經(jīng)1號、2號、3號、4號單元式空調(diào)機的冷卻海水流程長度接近，流經(jīng)5號、6號單元式空調(diào)機的冷卻海水流程長度接近。設計過程中通過控制好兩路海水管各自的管路阻力，使流量達到設備所需（即2∶1）。

經(jīng)實船使用驗證，該船后區(qū)的6臺海水源熱泵型單元式空調(diào)機的冷卻水通過簡單調(diào)試即可達到水量平衡，而且在使用過程中也未出現(xiàn)明顯流量分配不均現(xiàn)象，能夠很好地滿足設計要求。

5 結 論

同程式系統(tǒng)和異程式系統(tǒng)是兩種基本的空調(diào)水管路設計方式。同程式系統(tǒng)水力平衡且穩(wěn)定性好，異程式系統(tǒng)結構簡單，這兩種系統(tǒng)都有各自適用的場合。

船舶空調(diào)系統(tǒng)因空間緊湊、質量敏感等原因大都采用異程式水系統(tǒng)。本文將同程設計應用于兩型船舶空調(diào)的冷熱媒水系統(tǒng)和空調(diào)機冷卻水系統(tǒng)設計中，取得了較好的實船使用效果。用事實證明，在船舶空調(diào)水管路設計中，根據(jù)具體情況而采用同程式系統(tǒng)，也能取得非常好的使用效果。

［1］ 由成良.輔助船空調(diào)、通風系統(tǒng)的噪聲分析與控制［J］.船舶， 2012（6）： 48-53.

［2］ 潘云鋼. 高層民用建筑空調(diào)設計［M］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 1999： 152～221.

［3］ 秦緒忠，江億. 供暖空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析［J］. 暖通空調(diào)， 2002， 32（1）： 12-16.

［4］ 張再鵬，陳焰華. 壓差控制對變流量空調(diào)水系統(tǒng)水力穩(wěn)定性的影響［J］. 暖通空調(diào)， 2009， 39（6）： 63-66.

［5］ 符永正，蔡亞橋. 異程系統(tǒng)與同程系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性分析和比較［J］. 武漢科技大學學報（自然科學版）， 2006， 29（3）： 289-292.

［6］ 孟憲法，高興，聞豪，等. 空調(diào)水系統(tǒng)同程式與異程式選擇依據(jù)探討［J］. 建筑科學， 2009， 25（8）： 39-51.

Practical design and application of water system in reverse return air conditioning water system

YOU Cheng-liang
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper analyzes the characteristics of water resistance and the reasons of the hydraulic imbalance in air conditioning system, and compares the advantages and disadvantages of pipeline design for the reverse return and direct return air conditioning water system. Considered the overall layout and the air-conditioning area characteristics of the two ships, a circular reverse return of the chilled (heat) water system and an open reverse return of the cooling water system have been adopted respectively, which obviously improve the hydraulic stability of the system to gain the better air conditioning effect.

reverse return; direct return; ship; air conditioning water system

U664.86

A

1001-9855（2014）03-0056-05

2013-07-08 ；

2013-12-20

由成良（1966-），男，研究員，主要從事船舶空調(diào)與制冷技術研究。