船用空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設計研究

石蘊玉，于 沁，吳 駿

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及環(huán)境保護問題的日益嚴峻，船舶、航運及海洋工程都逐漸開始以綠色環(huán)保為理念。綠色造船就是這樣大環(huán)境下出現(xiàn)的一個綜合考慮環(huán)境影響和資源利用效率的現(xiàn)代造船理念，綠色船舶就是“綠色環(huán)保、節(jié)能減排、安全適居”的新型現(xiàn)代船舶[1]。船舶作為一個大系統(tǒng)產(chǎn)品，涉及的組成系統(tǒng)很多，空調(diào)系統(tǒng)則為其中之一，因此適用于綠色船舶的環(huán)境協(xié)調(diào)性、技術(shù)先進性和經(jīng)濟性[2]的這3個要素對船用空調(diào)系統(tǒng)的設計具有不可忽視的準繩作用。

本文研究的 18 000 m3挖泥船項目的生活區(qū)空調(diào)系統(tǒng)設計是基于上述的理念和要素展開設計分析。

1 空調(diào)系統(tǒng)設計工況要求

本項目入級BV船級社，需要滿足的船級符號中和空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)的則有 COMF-VIB3、COMF-NOISE 3等，其對空調(diào)系統(tǒng)設計提出的環(huán)境溫濕度要求及換氣次數(shù)參見表1和表2，從中不難看出船東對于空調(diào)系統(tǒng)的溫度及舒適度有較高的要求。根據(jù)表2中要求的換氣次數(shù)結(jié)合對應房間容積計算，得出空調(diào)器的送風量需要24 800 m3/h。

基于計算得到的送風量，考慮船東對艙室的溫度要求，判斷出本項目的空調(diào)系統(tǒng)需要較大的制冷/熱負荷，將會對船廠未來設備采購成本、設備布置造成不良的影響。

2 空調(diào)系統(tǒng)設計方案選定及負荷對比分析

為了解決這一問題，從綠色船舶的節(jié)能減排角度出發(fā)考慮，本項目在目前已有的全新風轉(zhuǎn)輪能量回收空調(diào)的基礎之上進一步優(yōu)化提出并采用了一種新的空調(diào)系統(tǒng)設計方案（下文簡稱：新方案），即采用空調(diào)系統(tǒng)回風與轉(zhuǎn)輪結(jié)合的空調(diào)設計方案，將原來當做廢氣排外部分通過轉(zhuǎn)輪進行能量回收給新風預熱/預冷，并同傳統(tǒng)的定風量空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)全新風轉(zhuǎn)輪空調(diào)系統(tǒng)的負荷能耗進行了具體的研究分析。

表1 空調(diào)系統(tǒng)溫濕度要求

表2 空調(diào)系統(tǒng)溫濕度要求

2.1 新方案負荷計算

新的空調(diào)系統(tǒng)設計思路是將傳統(tǒng)方案中作為廢氣排外的那一部分（如衛(wèi)生間廁所排風），作為預冷/熱空氣，通過能量回收轉(zhuǎn)輪與空調(diào)新風先進行熱交換后，再排到室外；經(jīng)過預冷/預熱之后的新風與同比例的50%回風再進行混合完成系統(tǒng)循環(huán)，典型系統(tǒng)流程圖見圖1。

新方案中作為給新風進行預冷/預熱源的廢氣則主要選用除去病房排氣、洗衣間排氣之外的部分作為氣源，以避免病房氣體中的細菌污染轉(zhuǎn)輪及洗衣間排氣中所含的纖維阻塞轉(zhuǎn)輪，經(jīng)計算得出此部分氣源風量為11 513 m3/h。另外，參與回風循環(huán)的風量以及大氣壓力值的選定均與傳統(tǒng)方案中的參數(shù)一致，根據(jù)環(huán)境溫度對冷、熱負荷分別進行計算。

圖1 新空調(diào)系統(tǒng)設計方案原理簡圖

夏季制冷負荷計算：新風狀態(tài)點為 45℃、60%RH；回風與排氣的狀態(tài)點均為22.5℃、50%RH。本項目新風量與總風量之比為50%，依據(jù)公式結(jié)合焓濕圖（i-d）得到新風經(jīng)能量轉(zhuǎn)輪被排氣預冷之后的狀態(tài)點為30.7℃、73.5%RH；之后同樣依據(jù)公式結(jié)合焓濕圖，得出此部分預冷之后的新風在空調(diào)的混合箱內(nèi)與回風混合后的狀態(tài)點為26.65℃、65.47%RH；同傳統(tǒng)方案相比，設計送風溫差為10 K，則空調(diào)器出口溫度為12.5℃，最終通過計算得到新方案的制冷負荷為～268 kW。

冬季熱負荷計算：新風狀態(tài)點為?20℃；回風與排氣的狀態(tài)點均為 20℃、50%RH；分析過程同冷負荷計算，得新風預熱之后的狀態(tài)點為 5.4℃、65.6%RH；送風溫差同樣取10 K即空調(diào)出口送風溫度為30℃，通過計算得到所需制熱負荷為：～164 kW。

2.2 傳統(tǒng)定風量空調(diào)方案負荷計算

目前大部分船舶的空調(diào)系統(tǒng)多采用定風量中央空調(diào)系統(tǒng)，即利用空調(diào)器對新風、回風進行過濾及混合并進行降溫、除濕、加熱、加濕等處理后，通過風管系統(tǒng)和末端布風器送到各艙室，對相關(guān)艙室進行空調(diào)完成系統(tǒng)循環(huán)，典型系統(tǒng)流程見圖1。

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)中參與循環(huán)的回風量通常為空調(diào)系統(tǒng)總風量的50%。對于本項目則參與回風的風量為12 400 m3/h，同時大氣壓力值選擇95 kPa，根據(jù)環(huán)境溫度對冷、熱負荷分別進行計算[3]。

圖2 傳統(tǒng)定風量空調(diào)系統(tǒng)原理簡圖

夏季制冷負荷計算：新風狀態(tài)點為 45℃、60%RH；回風狀態(tài)點為 22.5℃、50%RH。本項目新風量與總風量之比為50%，依據(jù)公式結(jié)合焓濕圖（i-d）得到新風、回風混合后的狀態(tài)點為34℃、67.59%RH?？照{(diào)系統(tǒng)在設計過程中為了保證艙室內(nèi)的設計溫度，因此空調(diào)器出口的狀態(tài)點溫度均小于設計溫度，本項目設計此溫差為10 K，則本項目空調(diào)器出口溫度為12.5℃，最終通過計算得到制冷負荷為～439 kW。

冬季熱負荷計算：新風狀態(tài)點為?20℃；回風狀態(tài)點為20℃、50%RH；送風溫差同樣取10 K即空調(diào)出口送風溫度為30℃，通過計算得到所需制熱負荷為：～240 kW。

2.3 常規(guī)全新風轉(zhuǎn)輪空調(diào)方案負荷分析

目前行業(yè)內(nèi)常用的全新風轉(zhuǎn)輪空調(diào)系統(tǒng)的設計方案是：將傳統(tǒng)定風量空調(diào)的的回風部分不參與系統(tǒng)再循環(huán)，而是通過能量回收轉(zhuǎn)輪與新風進行能量交換，空調(diào)變?yōu)?100%全新風，衛(wèi)生處所的排風仍然直接排到室外。對于本項目來說若采用全新風轉(zhuǎn)輪空調(diào)，則通過轉(zhuǎn)輪參與能量回收的風量與新風比為1∶2，即回風量為12 400 m3/h，而新風量則為24 800 m3/h。

通過對比2.1節(jié)中新方案的負荷計算分析，可以很容易得知常規(guī)的全新風轉(zhuǎn)輪空調(diào)方案在降低負荷消耗的效果方面不如新方案，甚至不如傳統(tǒng)的定風量空調(diào)系統(tǒng)。其優(yōu)勢性僅體現(xiàn)在系統(tǒng)的送風質(zhì)量上。

3 方案節(jié)能效果對比分析

通過前面對不同設計方案的負荷計算可以直接看出在降低空調(diào)系統(tǒng)負荷方面，新方案比傳統(tǒng)方案節(jié)省制冷負荷～171 kW，節(jié)約制熱負荷～76 kW，更是遠遠優(yōu)于常規(guī)全新風轉(zhuǎn)輪空調(diào)系統(tǒng)方案。因此基于節(jié)省的負荷情況對于新方案和傳統(tǒng)方案做了進一步分析，全新風轉(zhuǎn)輪空調(diào)系統(tǒng)方案被排除。

圖3 常規(guī)全新風空調(diào)系統(tǒng)設計方案原理簡圖

3.1 設備方面影響分析

對于空調(diào)器方面：傳統(tǒng)設計方案因所需要的制冷負荷、制熱負荷近乎是新方案所需負荷的一倍，傳統(tǒng)方案的空調(diào)器內(nèi)部所需要的制冷、制熱盤管數(shù)量也將多于新方案，所以傳統(tǒng)空調(diào)器的制冷段和制熱段的尺寸將會大于新方案；而新方案雖然是在負荷需求方面優(yōu)于傳統(tǒng)方案，但是由于新方案增加了能量回收轉(zhuǎn)輪段以便于回收利用排氣進行新風的預冷/預熱，因此新方案的空調(diào)器在設備高度將高于傳統(tǒng)方案，且設備的風管也因此比傳統(tǒng)方案多了兩路風管，見圖1。

對于制冷機組方面：由于新方案的制冷量比傳統(tǒng)方案的制冷量節(jié)省了～171 kW，直接使冷水機組的制冷負荷降低171 kW，因此新方案系統(tǒng)中所使用的冷水機組將比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)方案中的機組降檔，冷水機組的外形尺寸、耗電量、制冷劑使用量等都相應減小。

3.2 制冷、制熱管路系統(tǒng)方面影響分析

新方案較傳統(tǒng)空調(diào)設計方案節(jié)省的負荷，在制冷、制熱的水系統(tǒng)管路中的影響根據(jù)下方公式分析得出節(jié)約的水流量情況。

式中：Q為熱量，J或kW；C為水的比熱容，4.2×103J/kg.℃；ρ為水的密度，1.0×103kg/m3；V為水的體積或流量，m3或m3/s；ΔT為空調(diào)器制冷/加熱水進出口溫差，℃。

制冷水系統(tǒng)：節(jié)約的能量為171 kW，而空調(diào)器冷媒水進出口的設計溫差為 6℃，根據(jù)上面的公式得出節(jié)約的水流量為0.006 78 m3/s，即24.43 m3/h。

制熱水系統(tǒng)：節(jié)約的能量為76 kW，而空調(diào)器冷媒水進出口的設計溫差為20℃，根據(jù)上面的公式得出節(jié)約的水流量為0.000 9 m3/s，即3.26 m3/h。

3.3 分析結(jié)論

通過對新方案與傳統(tǒng)方案之間以相同的空調(diào)系統(tǒng)設計工況要求下的負荷計算結(jié)果為切入點，對空調(diào)系統(tǒng)的設備、管路進行了詳細分析，可以看出新方案對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能減排、綠色環(huán)保方面具有很明顯的效果，當然在建造成本方面也節(jié)省了很多。

另外需要注意的是，根據(jù)海上勞工組織（MLC）要求，衛(wèi)生處所排風需要獨立排到室外。因此在選用這種新方案時，需要和船東、船檢做好提前溝通，并且要求設備商確保轉(zhuǎn)輪的密性以避免衛(wèi)生處所排風泄漏與新風混合造成污染。

4 結(jié)論

船用空調(diào)系統(tǒng)作為現(xiàn)代船舶必備的系統(tǒng)之一，極大的改善了船舶的內(nèi)部環(huán)境，提高了船舶工作人員和旅客的生活環(huán)境，但是其在制冷、制熱工況下的能耗也是巨大的。隨著各界對航運業(yè)的清潔環(huán)保、綠色船舶理念的日益重視，對船用空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能減排技術(shù)的研究與應用則是十分必要的。以我司建造項目的空調(diào)系統(tǒng)實際應用為例，通過本文對這種新的船用空調(diào)系統(tǒng)的設計方案的介紹以及同傳統(tǒng)設計方案的節(jié)能減排效果對比，希望可以對船用空調(diào)系統(tǒng)的綠色節(jié)能設計提供一種新的考慮思路。