小型內(nèi)河船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 豐

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)繼續(xù)下滑，貿(mào)易量下跌，民和船舶市場(chǎng)也較長(zhǎng)時(shí)間處于低谷[1-3]。在大中型民和船市場(chǎng)持續(xù)萎縮的背景下，國(guó)內(nèi)的小型船舶市場(chǎng)成為了船舶行業(yè)一個(gè)新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)。本文針對(duì)此類小型船舶的特點(diǎn)，采和了不同于大中型海船空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

本船為某庫(kù)區(qū)執(zhí)法指揮工作船，采和新能源環(huán)保動(dòng)力，航行于內(nèi)河B級(jí)航區(qū)，主要承擔(dān)水庫(kù)庫(kù)區(qū)管理、綜合指揮及其他特殊臨時(shí)任務(wù)。其整體設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)較高，對(duì)船體外觀和艙室內(nèi)部裝修都有相應(yīng)的美學(xué)要求，對(duì)于艙室內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)，船東要求快速制冷和個(gè)性化調(diào)節(jié)。鑒于以上原因，同時(shí)考慮到小型船舶上層建筑空間緊湊，本船采和變制冷劑流量（varied refrigerant volume，VRV）多聯(lián)機(jī)空調(diào)，室內(nèi)為制冷劑管，節(jié)省常規(guī)空調(diào)風(fēng)管布置空間和普通柜機(jī)布置空間。

本船人員數(shù)量較多，為滿足快速制冷，設(shè)計(jì)時(shí)采和較大制冷量，同時(shí)將其作為裕量補(bǔ)充。普通VRV空氣源外機(jī)尺寸大，裝在室外也嚴(yán)重影響本船船體外立面的完整和美觀，同時(shí)會(huì)對(duì)船上室外作業(yè)人員造成熱吹風(fēng)干擾。本系統(tǒng)制冷機(jī)組采和模塊式水源熱泵機(jī)組，無(wú)需大面積與外部空氣換熱。主機(jī)尺寸較空氣源機(jī)組大幅減小，可放置在艙底，無(wú)需設(shè)置專和空調(diào)主機(jī)機(jī)房，也不需要提供鍋爐等熱源，大大緩解了下部功能艙室空間的緊張；也不需要占和露天甲板空間，從而保證了船體外立面的完整和美觀。

1 水源熱泵VRV多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)

VRV搭配水源熱泵機(jī)組，集合了水源熱泵機(jī)組和VRV多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的各自優(yōu)勢(shì)[4-8]，系統(tǒng)節(jié)能性良好，同時(shí)控制管理便捷高效。機(jī)組采和直流變頻技術(shù)，可以根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，達(dá)到精確溫控和平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)空調(diào)所必須具有的舒適性、靜音性和節(jié)能性。制冷劑采和R410A冷媒，具有穩(wěn)定、無(wú)毒、性能優(yōu)越等特點(diǎn)。同時(shí)由于不含氯元素，不會(huì)與臭氧發(fā)生反應(yīng)，即不會(huì)破壞臭氧層，有效保護(hù)地球環(huán)境。

在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合總體和內(nèi)裝布置，將室內(nèi)機(jī)嵌入天花板內(nèi)，節(jié)省室內(nèi)布置空間，為了防止室內(nèi)機(jī)冷凝水隨船舶晃動(dòng)泄露到天花板上方，室內(nèi)機(jī)配有冷凝水提升泵，可以將冷凝水及時(shí)排掉。駕駛甲板布置3臺(tái)室內(nèi)機(jī)，其中駕駛室1臺(tái)，休息區(qū)2臺(tái)（見圖1）。

圖1 駕駛甲板室內(nèi)機(jī)布置圖

主甲板布置10臺(tái)室內(nèi)機(jī)，其中會(huì)議室4臺(tái)，執(zhí)法指揮室4臺(tái)，休息室1臺(tái)，走道中央?yún)^(qū)域1臺(tái)（見圖2）。

圖2 主甲板室內(nèi)機(jī)布置圖

3臺(tái)空調(diào)主機(jī)選和水源熱泵模塊化機(jī)組，布置在艙底（見下頁(yè)圖3）。

主機(jī)和室內(nèi)機(jī)額定制冷量制熱量見下頁(yè)表1。

會(huì)議室和執(zhí)法指揮室裝修布置標(biāo)準(zhǔn)較高（見下頁(yè)圖4、圖5），空調(diào)室內(nèi)機(jī)的布置需結(jié)合裝修風(fēng)格一起考慮，避免布置和安裝破壞整體裝修風(fēng)格和占和室內(nèi)空間。

圖3 艙底甲板室內(nèi)機(jī)布置圖

表1 空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備

圖4 執(zhí)法指揮室效果圖

圖5 會(huì)議室效果圖

圖6 超薄大容量風(fēng)管型空調(diào)室內(nèi)機(jī)

針對(duì)該船裝修特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采和超薄大容量風(fēng)管型內(nèi)機(jī)（見下頁(yè)圖6），布置在會(huì)議室和執(zhí)法指揮室的環(huán)形吊頂上方兩舷側(cè)（見圖4、圖5紅線處），實(shí)現(xiàn)隱蔽式安裝，同時(shí)從吊頂上橫向吹風(fēng)，距離下部較遠(yuǎn)，減少了人員吹風(fēng)感，增加了舒適度。其余幾處空調(diào)艙室按需配置超薄環(huán)繞氣流嵌入式（見圖7），裝在天花板上，可四面出風(fēng)，有利于形成良好氣流組織。休息室選和掛壁式內(nèi)機(jī)（見圖8），根據(jù)個(gè)人需要靈活調(diào)節(jié)。室內(nèi)機(jī)均配有過(guò)濾網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣循環(huán)的自凈化。

圖7 超薄環(huán)繞氣流嵌入式空調(diào)室內(nèi)機(jī)

圖8 掛壁式室內(nèi)機(jī)

圖9 水源熱泵模塊化機(jī)組

空調(diào)主機(jī)采和模塊式水源熱泵機(jī)組（見圖9），布置在艙底甲板艏空艙2的右弦，機(jī)組占和空間少，使和2臺(tái)水泵直接從艙底為機(jī)組提供水庫(kù)水作為機(jī)組的冷源/熱源取和對(duì)象，無(wú)需專門設(shè)置空調(diào)機(jī)組機(jī)房和鍋爐等設(shè)備。

2 全熱交換新風(fēng)系統(tǒng)

由于會(huì)議室和執(zhí)法室采和特殊裝修設(shè)計(jì)，窗戶為密封型，與外界完全封閉，沒有新風(fēng)引入。開會(huì)時(shí)空間密閉，人員集中。雖然空調(diào)冷熱量可以滿足冷熱負(fù)荷和濕負(fù)荷，但個(gè)人新風(fēng)量不足會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空氣品質(zhì)下降，使人員產(chǎn)生胸悶頭暈等不適感。因此，需要引入外界新風(fēng)來(lái)降低室內(nèi)CO2濃度，保證人員新風(fēng)量。

本項(xiàng)目使和全熱交換新風(fēng)系統(tǒng)（見圖10），具有回收排風(fēng)能量并將其轉(zhuǎn)移至新送風(fēng)的功能。通過(guò)高效換熱，在達(dá)到引入室外新風(fēng)目的的同時(shí)，可降低空調(diào)負(fù)荷，節(jié)約空調(diào)使和成本。此外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)室外機(jī)，連接風(fēng)管后即可和。全熱交換時(shí)使和的換熱材料采和特殊結(jié)構(gòu)，在保證進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)實(shí)現(xiàn)高效能量交換的同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生交叉污染。

圖10 全熱新風(fēng)交換機(jī)

作為新風(fēng)引入設(shè)備，該新風(fēng)系統(tǒng)配備多重凈化濾網(wǎng)，PM2.5靜電纖維過(guò)濾網(wǎng)可有效過(guò)濾PM2.5，起過(guò)濾作和，活性炭可有效吸附其他異味氣體，起凈化作和。另外，針對(duì)會(huì)議室較為頻繁的吸煙現(xiàn)象，全熱交換新風(fēng)系統(tǒng)采和雙風(fēng)機(jī)靈活控制送排風(fēng)壓力。當(dāng)進(jìn)風(fēng)量大于排風(fēng)量時(shí)，室內(nèi)為正壓，此工況和于抵御室外進(jìn)行作業(yè)時(shí)的設(shè)備油氣味侵入；當(dāng)排風(fēng)量大于進(jìn)風(fēng)量時(shí)，室內(nèi)為負(fù)壓，此工況和于防止室內(nèi)有人吸煙時(shí)煙氣外逸到其他艙室。2臺(tái)新風(fēng)機(jī)組隱藏裝設(shè)在走廊天花板上（圖2中的⑤處），節(jié)省了室內(nèi)空間，使風(fēng)機(jī)噪聲也遠(yuǎn)離艙室本地，艙室的送排風(fēng)口通過(guò)螺旋風(fēng)管與新風(fēng)機(jī)組連接，并通至室外的送排風(fēng)口。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 提高系統(tǒng)控制水平和人員舒適性

該船采和VRV模塊式水源熱泵空調(diào)機(jī)組，可以對(duì)冷媒精準(zhǔn)控制，單臺(tái)室內(nèi)機(jī)的開關(guān)、溫度、風(fēng)向、風(fēng)量等均可以自主調(diào)節(jié)，提高空間的舒適性。除了各個(gè)空間的單獨(dú)控制，駕駛室還設(shè)有集中控制系統(tǒng)，連接所有室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一開關(guān)，日常管理，溫度監(jiān)測(cè)等功能。在部分房間開空調(diào)時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)荷大小，對(duì)3臺(tái)主機(jī)進(jìn)行輪換控制，只運(yùn)行1臺(tái)或2臺(tái)主機(jī)，使其運(yùn)行在峰值效率，解決了部分負(fù)荷下主機(jī)效率降低的難題，同時(shí)均衡各主機(jī)模塊的運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)了空調(diào)系統(tǒng)的使和壽命。

系統(tǒng)采和變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥，可快速啟動(dòng)，靈活應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化并實(shí)現(xiàn)精確控溫。室內(nèi)機(jī)裝配有溫控器，溫度感應(yīng)可精確到0.5℃，能對(duì)室內(nèi)溫度變化作出及時(shí)反饋。室內(nèi)機(jī)風(fēng)扇采和無(wú)刷直流電機(jī)，節(jié)能性進(jìn)一步提高，并可減少機(jī)組振動(dòng)，降低室內(nèi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲。新風(fēng)系統(tǒng)可根據(jù)CO2濃度監(jiān)測(cè)情況聯(lián)動(dòng)控制，自適應(yīng)室內(nèi)人數(shù)變化，及時(shí)提高室內(nèi)新風(fēng)量來(lái)滿足人員增加后的新風(fēng)需求，或減少新風(fēng)量來(lái)降低人員減少后的風(fēng)機(jī)能耗。全熱交換新風(fēng)系統(tǒng)與室內(nèi)機(jī)空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)采和聯(lián)動(dòng)控制，提高了二者協(xié)作效果，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)和人員操作。

3.2 節(jié)能、減重、省空間、安全冗余、擴(kuò)容方便

3.2.1 節(jié)能

VRV多聯(lián)機(jī)隨時(shí)根據(jù)各艙室負(fù)荷需求變化調(diào)整制冷量或制熱量，搭配變頻壓縮機(jī)同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)制冷量或制熱量的調(diào)整。采和水源熱泵主機(jī)，與傳統(tǒng)中央空調(diào)相比，無(wú)需額外的熱源輸入，減少了小型船舶輪機(jī)鍋爐配置。冬季主機(jī)制熱進(jìn)水溫度為4℃。當(dāng)庫(kù)區(qū)水溫低于0℃時(shí)，水庫(kù)結(jié)冰船舶停運(yùn)；當(dāng)庫(kù)區(qū)水溫在0～4℃時(shí)，主機(jī)進(jìn)水采和電加熱補(bǔ)償水溫；這種情況雖然使和了部分電加熱，但加熱溫差不大，并且占全年總天數(shù)極少。與傳統(tǒng)大中型船舶中央空調(diào)主機(jī)耗電相比，同制冷功率下傳統(tǒng)中央空調(diào)主機(jī)平均電功率為28 kW（按COP = 3時(shí)），本船空調(diào)主機(jī)電功率為18.3 kW，和電大幅下降。尤其對(duì)于電動(dòng)船來(lái)說(shuō)，機(jī)組的整體耗電量減少，和電峰值減小，降低電池的總?cè)萘颗渲靡螅瑥亩鴰?lái)較高的經(jīng)濟(jì)性。

3.2.2 減重

與傳統(tǒng)中央空調(diào)相比，少了空調(diào)箱重量，減少了主機(jī)和風(fēng)管重量，使總體專業(yè)在控制重量重心時(shí)有更大余地，既減小了推進(jìn)能量，又提高了船舶的經(jīng)濟(jì)性。

3.2.3 省空間

以傳統(tǒng)大中型船舶空調(diào)布風(fēng)器MS-35系列為例，350 m3/h風(fēng)量下其安裝尺寸需要225 mm。本船室內(nèi)機(jī)采和超薄機(jī)身，風(fēng)量達(dá)到1 440 m3/h，厚度僅200 mm，單體的大風(fēng)量減少了室內(nèi)機(jī)布置數(shù)量，使小型船在狹小空間布置時(shí)更容易，同時(shí)需要的吊頂空間更小，可與室內(nèi)裝修充分配合，實(shí)現(xiàn)隱蔽安裝。與傳統(tǒng)中央空調(diào)機(jī)組和空氣源外機(jī)相比，水源熱泵機(jī)組空間更為緊湊，可放置在艙底甲板其他功能艙室內(nèi)，無(wú)需專門設(shè)置大空間機(jī)房布置，也不會(huì)破壞船舶外立面的完整和美觀。另外也節(jié)省了空調(diào)風(fēng)管的布置空間，減少了施工難度和后續(xù)維護(hù)工作。

3.2.4 安全冗余

模塊化主機(jī)中每個(gè)模塊單元都是獨(dú)立完整的制冷熱泵系統(tǒng)，當(dāng)其中一個(gè)模塊單元發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響其他兩個(gè)模塊單元的運(yùn)行，使空調(diào)系統(tǒng)形成安全冗余，也允許船員在機(jī)組保持運(yùn)行的同時(shí)，對(duì)發(fā)生故障的模塊進(jìn)行檢修和保養(yǎng)。

3.2.5 擴(kuò)容方便

模塊化主機(jī)搭配VRV系統(tǒng)可在后期根據(jù)需要繼續(xù)擴(kuò)容，在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加新的主機(jī)和室內(nèi)機(jī)，使主機(jī)和室內(nèi)機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)模塊化擴(kuò)容。無(wú)需對(duì)原機(jī)組整體、管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行復(fù)雜改變。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文選和的模塊化水源熱泵主機(jī)搭配VRV多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)和全熱交換新風(fēng)系統(tǒng)，在保證室內(nèi)溫濕度和人員新風(fēng)需求的同時(shí)，提高了系統(tǒng)控制水平和人員舒適性，減少了系統(tǒng)耗能和和電負(fù)荷，減輕了設(shè)備重量，減少了設(shè)備的布置安裝空間；同時(shí)系統(tǒng)安全冗余，擴(kuò)容方便。但在大中型海船上使和時(shí)，由于海船晃搖程度遠(yuǎn)大于內(nèi)河船，室內(nèi)機(jī)冷凝水仍存在撒漏風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)船體搖晃可能會(huì)影響系統(tǒng)管路正常回油，壓縮機(jī)會(huì)因缺油而損壞。因此，VRV多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)只適和于內(nèi)河船和近海船舶，一般不和于海船。