客滾船空調(diào)系統(tǒng)方案探討

胡崇偉

(青島遠洋國際船舶貿(mào)易有限公司，山東 青島 266071)

0 引 言

客滾船是一種人車兩用運輸船，主要用于裝運卡車、小汽車、集裝箱拖車和游客，并為游客提供住宿和娛樂服務(wù)，在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的內(nèi)海、海灣、海峽和沿海島嶼間的短途水運中具有一定的競爭優(yōu)勢。

近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和社會的不斷進步，人們對客滾船的安全性、穩(wěn)定性、快速性、舒適性、豪華性和裝載車輛大型化提出了更高的要求。目前，國際客滾船運輸主要集中在歐洲的波羅的海、北海、地中海地區(qū)、日本列島之間及美國沿海地區(qū)。我國的客滾船運輸已形成以渤海灣為中心的渤海灣客滾運輸市場，隨著亞洲區(qū)域旅游日益活躍和中韓自貿(mào)區(qū)建設(shè)的推進，將進一步推動中韓航線客貨運事業(yè)的發(fā)展。

客滾船作為一種人車兩用的特殊船型，其空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計對乘客的舒適度和節(jié)能環(huán)保有著重要影響。本文主要圍繞這2個方面對客滾船空調(diào)系統(tǒng)的使用要求和技術(shù)特點進行闡述,參考的主要標準如下。

1) 舒適度。中國船級社(China Classification Society, CCS)在國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)SOLAS修正案決議的基礎(chǔ)上制定了“舒適度附加標志”的細則，包括COMF(NOISEN)噪聲舒適性附加標志和COMF(VIBN)振動舒適性附加標志,N為舒適度等級1，2，3，其中：1表示舒適度最高等級；3表示可接受舒適度等級。由此可看出，船級社在隨著航運發(fā)展的變革,逐步將客滾船舒適度要求標準化、具體化、規(guī)范化。

2) 節(jié)能環(huán)保。我國船舶帶來的大氣污染主要來自于含硫量較高的燃油。按照IMO《防止船舶污染國際公約》的規(guī)定，遠洋船舶燃油含硫量最高不超過3.5%，但這已是國產(chǎn)柴油標準含硫量上限0.005%的700倍。內(nèi)河船舶使用燃油沒有強制性標準。在船舶設(shè)計過程中，應(yīng)合理使用節(jié)能減排技術(shù)，特別是空調(diào)系統(tǒng)作為客滾船上的主要耗能設(shè)備之一，更要在設(shè)計上加入節(jié)能方法。

1 客滾船空調(diào)系統(tǒng)方案介紹

目前正在運行的客滾船安裝的空調(diào)系統(tǒng)主要有單風管集中式再加熱定風量空調(diào)系統(tǒng)、雙風管空調(diào)系統(tǒng)、變風量空調(diào)系統(tǒng)和獨立盤管空調(diào)系統(tǒng)等4種。

1) 單風管集中式再加熱定風量空調(diào)系統(tǒng)(見圖1)從空調(diào)中央處理機吹出的風量恒定，以提供空調(diào)區(qū)域所需的冷(暖)氣。當空調(diào)區(qū)域負荷變動時，通過末端再加熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)送風溫度，以滿足室內(nèi)溫度的舒適度要求。在該系統(tǒng)中，空調(diào)中央處理機接通電源之后以恒定的轉(zhuǎn)速運行，風量是恒定的，控制簡單；采取空氣集中處理方式，節(jié)省空間，便于維護；系統(tǒng)初期投入成本相對較少。

圖1 單風管集中式再加熱定風量空調(diào)系統(tǒng)示意

2) 雙風管空調(diào)系統(tǒng)主要采用雙風溫布風器實現(xiàn)。雙風溫布風器有2路溫度不同的進風，通過調(diào)節(jié)2路的通風量對送風溫度進行調(diào)節(jié)，滿足不同房間的溫度需求。由于雙風管空調(diào)系統(tǒng)可單獨調(diào)節(jié)各艙室的溫度，因此乘客可根據(jù)自己的熱體感調(diào)節(jié)艙室內(nèi)的溫度。與再加熱定風量系統(tǒng)相比，該方式下的送風溫度雙向可調(diào)，溫度可調(diào)范圍更廣，使得房間的舒適性大大提高。

①-空調(diào)箱；②-送風管；③-風機盤管；④-布風器；⑤-回風口；⑥-回風管

3) 變風量系統(tǒng)主要通過變風量布風器實現(xiàn)。中央空調(diào)器提供的送風溫度不變，變風量布風器通過艙室內(nèi)的溫度對送風量進行調(diào)節(jié)，滿足不同房間的溫度要求。此外，變風量系統(tǒng)一般會配置末端輔助加熱系統(tǒng)，具有室內(nèi)熱舒適性良好和空氣潔凈度較高等優(yōu)點。

4) 獨立盤管系統(tǒng)(見圖2)采用空氣-水系統(tǒng)空調(diào)型式，獨立風機盤管既可安裝于艙室衛(wèi)生單元背部或艙室其他空間，也可安裝于艙室外部區(qū)域，使用靈活，可有效利用船上的布置空間。經(jīng)過新風空調(diào)機組處理的風送至風機盤管與回風混合，混合后經(jīng)過冷媒水盤管或電加熱盤管處理，通過風管送至房間內(nèi)的布風器。房間內(nèi)的溫度由安裝的溫度控制器設(shè)定。溫度控制器通過控制風機盤管的風量達到控制室內(nèi)溫度的目的。風機盤管相當于一套變風量子系統(tǒng)。

2 客滾船不同空調(diào)系統(tǒng)方案對比

1) 對于全空氣的空調(diào)系統(tǒng)，當同一個系統(tǒng)作用于多個房間時，若采用帶再熱功能的定風量系統(tǒng)，無法使每個房間內(nèi)的溫度都得到控制，只能控制某個主要房間的溫度，或在大多數(shù)情況下控制一個綜合的回風溫度。若某個房間的回風溫度低于該綜合回風溫度，可通過再熱系統(tǒng)將其調(diào)節(jié)至適宜的溫度；若某些房間的回風溫度高于該綜合回風溫度，則無法通過末端再熱系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。因為再熱定風量系統(tǒng)具有單向調(diào)節(jié)的特性只能通過降低送風溫度來兼顧絕大多數(shù)房間的溫度控制要求，而制冷量和末端再加熱量同時上升會帶來能耗損失。此外，定風量系統(tǒng)按房間最大熱負荷和濕負荷來確定送風量，但在大多數(shù)情況下空調(diào)房間的負荷低于最大負荷。當實際負荷低于最大負荷時，為維持室溫設(shè)計水平，通過再熱合，用額外消耗的熱量抵消部分冷量，形成冷熱能量抵消。當室內(nèi)負荷不是最大負荷時，送風量大于實際需要量，為輸送多余的風量，風機需多消耗電能。

2) 對于雙風管系統(tǒng)，可根據(jù)每個房間設(shè)定的溫度實時調(diào)節(jié)2種不同溫度的空調(diào)送風混合比例，達到控制溫度的目的，房間的個性化控制精度是這4種方案中最高的。缺點是每個房間都會存在冷熱風的混合，造成能量損失，在送風量基本不變、部分負荷下，風機能耗依然很大，總的能耗要高于另外幾種方案。

3) 對于變風量系統(tǒng)，在運行過程中隨著室內(nèi)負荷的變化，能實時調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速以改變送風量，達到滿足室內(nèi)熱舒適性要求的目的。同時，系統(tǒng)內(nèi)不存在冷熱量相互抵消的情況，因此變風量的能耗明顯低于再熱定風量系統(tǒng)和雙風管系統(tǒng)。變風量末端的風量調(diào)節(jié)會引起系統(tǒng)風量發(fā)生變化，進而影響整個系統(tǒng)內(nèi)其他房間風量控制的精度，因此對變風量布風器的配置要求較高，目前僅有少數(shù)幾個廠家生產(chǎn)的變風量布風器能滿足精確的控制要求。

4) 對于獨立盤管系統(tǒng)，通風末端的獨立風機盤管可較好地實現(xiàn)房間的溫度控制，達到與變風量系統(tǒng)相同的舒適度和能耗水平，且集中送風量更小，系統(tǒng)的噪聲更低。缺點是雖然可布置在艙室衛(wèi)生單元的背部空間或艙室外部區(qū)域，但仍對設(shè)備的布置空間有較高要求。同時，需供給末端冷媒水，艙室需設(shè)置冷媒水管道，需船廠具有較高的施工工藝以避免產(chǎn)生凝水，是4種方案中最復(fù)雜的。

綜上所述，4種方案按溫度控制水平排序是雙風管系統(tǒng)>獨立盤管系統(tǒng)=變風量系統(tǒng)>再熱定風量系統(tǒng)；按照系統(tǒng)的節(jié)能水平排序是獨立盤管系統(tǒng)=變風量系統(tǒng)>再熱定風量系統(tǒng)>雙風管系統(tǒng)；按噪聲控制水平排序是獨立盤管系統(tǒng)>變風量系統(tǒng)>再熱定風量系統(tǒng)>雙風管系統(tǒng)；綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜性、安裝空間要求和設(shè)備價格，按初始成本投入排序是再熱定風量系統(tǒng)<變風量系統(tǒng)<雙風管系統(tǒng)<獨立盤管系統(tǒng)。

3 變風量空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)上述方案對比，綜合空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制水平、節(jié)能要求、噪聲控制和初始成本投入，變風量系統(tǒng)是現(xiàn)階段最適宜客滾船空調(diào)系統(tǒng)采用的方案，是目前國外客滾船空調(diào)系統(tǒng)的主流選擇。本文選取變風量系統(tǒng)和目前國內(nèi)客滾船最常用的再熱定風量系統(tǒng)進行分析比較。

變風量空調(diào)系統(tǒng)是通過改變室內(nèi)的送風量來對室內(nèi)的溫度進行調(diào)節(jié)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)，其送風狀態(tài)保持不變。定風量空調(diào)系統(tǒng)是通過控制風量來保證空調(diào)區(qū)域溫度和濕度要求的空調(diào)系統(tǒng)，具有單個區(qū)域控制能力強、局部區(qū)域運行靈活性和節(jié)能性好等優(yōu)點。

空調(diào)系統(tǒng)全年大部分時間都是在部分負荷下運行的，而變風量空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)空調(diào)負荷的變化和室內(nèi)參數(shù)的要求，通過改變送風量來調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度。在自動控制系統(tǒng)的控制下，空調(diào)和制冷設(shè)備都只按實際負荷需要運行，因此可大幅度降低送風風機的動力耗能和運行費用，大大節(jié)約冷量。根據(jù)風機的風量與功率之間的關(guān)系，當送風量減少時，風機的功率大大下降。有關(guān)研究結(jié)果表明，與定風量空調(diào)系統(tǒng)相比，變風量空調(diào)系統(tǒng)的全年空氣系統(tǒng)輸送能耗一般可節(jié)約1/3。

對于定風量空調(diào)系統(tǒng)與變風量空調(diào)系統(tǒng)在耗能方面的差別，以某正在研制的最新客滾船的某中央空調(diào)的計算結(jié)果為例進行說明。該船的室內(nèi)設(shè)計溫度為24 ℃@50%RH，室外設(shè)計溫度為35 ℃@80%RH，人均新風量為30 m3/h，最小新風比為50%。在夏季工況下，每個艙室的空調(diào)送風量計算結(jié)果見表1。

該中央空調(diào)器為36個房間提供服務(wù)，其中有20個雙人靠舷側(cè)外艙，并有16個四人內(nèi)艙。根據(jù)熱負荷計算：雙人外艙因有較大的飄窗，每個艙室的熱負荷為1 100 W；四人內(nèi)艙每個艙室的熱負荷為400 W。

在設(shè)計條件下，在常規(guī)的定風量系統(tǒng)中，不考慮管路損失，將送風溫度控制在14 ℃，每個雙人外艙為保證帶走1 100 W的熱量，計算送風量為330 m3/h。在四人內(nèi)艙中，為保證同時滿足熱負荷要求和人均新風量要求，送風量必須是240 m3/h，而240 m3/h的14 ℃空氣送入艙室會造成艙室內(nèi)的溫度過低，因此在該系統(tǒng)設(shè)計下，內(nèi)艙需打開電加熱以提高送風溫度，每個房間需500 W的電加熱。由此，在定風量系統(tǒng)中，這層系統(tǒng)配置需包括1臺空氣處理單元，送風量為10 440 m3/h，制冷量為142 kW。此外，還需配備16個500 W的電加熱裝置。這些制冷能耗和風機能耗及電加熱能耗是固定不變的。

在同樣的設(shè)計條件下采用變風量系統(tǒng)，若在實際航行中外艙有1/2處于太陽陰面，則陰面的熱量會大大降低，經(jīng)過計算將變?yōu)?50 W，送風量只需195 m3/h。僅這一個變化就可減小空氣處理單元1 350 m3/h的送風量，制冷量會相應(yīng)減少19 kW。在部分負荷工況下，所有靠舷邊艙室的送風量可低至170 m3/h，只需滿足最低換氣次數(shù)要求即可，中央空調(diào)器的總送風可減少3 200 m3/h，制冷量會減少44 kW。圖3為變風量空調(diào)系統(tǒng)靜壓控制原理圖。

圖3 變風量空調(diào)系統(tǒng)靜壓控制原理圖

若在設(shè)計船舶通風系統(tǒng)時能將變風量系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)控制，使其能自動識別艙內(nèi)的情況并控制變風量末端，則將進一步降低不必要的空調(diào)能耗。若系統(tǒng)除了檢測到外艙都有乘員，但有1/2是陰面艙室以外，還檢測到內(nèi)艙有16個房間沒有乘員，則送風量只要保證與廁所抽風量平衡即可，一個艙室為72 m3/h，送風量隨之降低2 688 m3/h，制冷量也會降至86 kW。

綜上所述，變風量系統(tǒng)實際上是一個可借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為各艙室提供個性化溫控需求并節(jié)省能耗的空調(diào)系統(tǒng)。隨著相關(guān)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)會變得更加靈活、舒適、節(jié)能。

4 結(jié) 語

本文介紹了客滾船常見的幾種空調(diào)系統(tǒng)方案，分析比較了這些方案在溫度控制、節(jié)能水平、噪聲控制和初始成本投入等方面的表現(xiàn)，重點選取了變風量系統(tǒng)和目前國內(nèi)客滾船最常用的再熱定風量系統(tǒng)進行比較。結(jié)果表明，變風量系統(tǒng)的應(yīng)用可有效提高艙室溫度控制水平和節(jié)能水平，在客滾船上擁有廣闊的應(yīng)用前景，有助于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排理念在大型船舶上進一步實踐。