影響豪華郵輪EEDI的因素和降低方法

賀明鳴，楊均武

（中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海 200137）

0 引言

據(jù)國際郵輪協(xié)會（Cruise Line International Association，簡稱：CLIA）數(shù)據(jù)，2019年全球遠洋郵輪的客運量為3 000萬人次，2018年是2 820萬人次，平均增幅約為 7%。與此同時，節(jié)能減排的需求愈加強烈，航運業(yè)占全球CO排放量的2.89%。航運業(yè)的溫室氣體排放（包括CO、CH和NO）從2012年的9.77億噸增加到2018年的10.76億噸（增長9.6%），其中CO排放量在2012年為9.62億噸，2018年增至10.56億噸，增長9.3%。2018年海洋環(huán)境保護委員會（Marine Environment Protection Committee，簡稱：MEPC）第72次會議，國際海事組織（International Maritime Organization，簡稱：IMO）通過了航運業(yè)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，提出到2050年航運業(yè)溫室氣體總排放量相比2008年至少降低50%。

每位郵輪乘客平均每天約產(chǎn)生169 kg CO，2018年全球郵輪共排放約2 990萬噸CO，相比2012年的2 470萬噸，增長了21%。因此郵輪提高能源效率、節(jié)能減排的意義重大。

各大郵輪公司也推出節(jié)能計劃：嘉年華集團計劃2020年比2005年碳排放量減少25%，并提高岸電比例，降低碼頭污染物排放。2017年該公司已經(jīng)實現(xiàn)了26.3%的CO減排，比計劃提前了3年完成?；始壹永毡燃瘓F推出“保護海浪計劃（Save the Wave）”，2019年相比2005年減排溫室氣體35%，比計劃提前了 1年完成。并提出新目標，到 2025年再減排25%。

IMO第62次環(huán)保會議上通過《船舶能效規(guī)則》，提出船舶能效設(shè)計指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，簡稱：EEDI）要求，為船舶建立一個最低能源效率的標準，并于2013年1月1日正式生效。EEDI就是船舶消耗的能量換算成CO排量和船舶有效能量換算成CO排量的比例指數(shù)。EEDI指數(shù)越高，能源效率越低。IMO在設(shè)立了EEDI標準后通過設(shè)定最大允許EEDI指數(shù)，然后在未來幾年內(nèi)逐步減?。?015年10%，2020年20%，一直到2025年后達到30%）。

1 豪華郵輪EEDI的特點

1.1 要求的EEDI值計算公式為

式中：

b

為豪華郵輪的船舶總噸，t。

1.2 達到的EEDI值計算公式

按照《2018年新船達到的能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）計算方法指南》，EEDI的計算公式為

式中：

P

為主機功率，kW；

P

為輔機功率，kW；

P

為軸帶發(fā)電機功率，kW；

P

為軸馬達功率，kW；

P

為主機創(chuàng)新機械能效技術(shù)；

P

為輔機創(chuàng)新機械能效技術(shù)；

V

為夏季載重吃水下在深水中的航速，kn；Capacity為載運能力系數(shù)；

SFC

為發(fā)動機單位燃油消耗量，g/kW·h。對于采用電力推進系統(tǒng)的豪華郵輪而言，有些參數(shù)的計算需要注意，如：主機功率

P

為0；

P

為 75%推進電機輸出功率對應(yīng)的柴油機消耗功率；

P

值計算方法也與一般商船有所不同，為

V

航速航行時所要求的提供正常最大海況下的輔機功率，由于非推進功率占比較大，按照規(guī)范要求，

P

值應(yīng)通過電力負荷表，按照24 h平均消耗功率計算；電力負荷表的空調(diào)負荷計算需要將冷卻器的功率修正為100%，備用冷卻器消耗功率考慮為0。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 不同尺度的郵輪EEDI基線

根據(jù)式（1），EEDI要求值與總噸成反比關(guān)系，總噸越大，EEDI要求值越小。根據(jù)MEPC.251(66)，每個階段的折減系數(shù)根據(jù)總噸的大小而定（表2），由于較小總噸的船舶減小EEDI的難度更大，因此1～3階段基線對8.5萬總噸以下的郵輪適當降低了要求。由圖1的第3階段可見，曲線在8.5萬總噸處出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，8.5萬總噸以下曲線明顯陡峭，8.5萬總噸以上曲線則趨于平緩。

表2 EEDI各階段折減

圖1 EEDI基線

3.2 大型和中小型郵輪的EEDI特點

本文選取一艘6.6萬總噸的中小型郵輪和一艘13.55萬總噸的大型郵輪進行對比計算，討論不同尺度郵輪的EEDI計算特點，通過計算分析航速、推進功率、總噸、輔機功率對EEDI計算結(jié)果的影響，評估提高EEDI的方式。

表3 主要尺度

3.3 航速對EEDI的影響

1）通過優(yōu)化船舶阻力和推進效率，在推進功率不增加的前提下，增加航速。

13萬總噸，推進功率不變，航速由20.6 kn增加0.2 kn，EEDI降低1%。同樣的方式，6萬總噸，推進功率不變，航速由19.1 kn增加0.2 kn，EEDI降低1%。由于其他參數(shù)不變，僅改變航速，則EEDI按航速增加的比例降低。郵輪的航速較高，在此基礎(chǔ)上提高0.2 kn航速的難度很大，而EEDI降低不明顯，該方法的性價比較低。

2）通過優(yōu)化船舶阻力和推進效率，在航速不變的前提下，降低推進功率。

6萬總噸，航速不變，推進功率降低5%，EEDI降低3.2%。同樣的方式，13萬總噸，航速不變，推進功率降低5%，EEDI降低3.1%。對6萬總噸而言，5%功率相當于0.2 kn航速；13萬總噸，5%功率相當于0.3 kn航速。通過上例可知，提高0.2 kn航速，EEDI只降低1%，因此若采用優(yōu)化船舶阻力和推進效率的節(jié)能技術(shù)，應(yīng)用于降低推進功率，而不是提高航速，EEDI才能較快降低。

圖2 航速/EEDI曲線（6萬總噸郵輪）

圖3 航速/EEDI曲線（13萬總噸郵輪）

圖3 功率/EEDI曲線（6萬總噸郵輪）

圖4 功率/EEDI曲線（13萬總噸郵輪）

按照《2013年用于計算和驗證EEDI的創(chuàng)新型能效技術(shù)處理指南》的分類，A類和B類技術(shù)能降低推進功率

P

，其中A類為改變功率曲線的技術(shù)，主要有低阻涂料、線型優(yōu)化、螺旋槳優(yōu)化等；B類為可從船舶總體性能中分離的技術(shù)，如氣泡減阻、風(fēng)帆、旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒等。

線型優(yōu)化、提高推進效率是降低EEDI的有效途徑，但采用傳統(tǒng)方法來提升航速的潛力已經(jīng)很小，很難使功率和航速取得較大的優(yōu)化。一些新技術(shù)也已經(jīng)日趨成熟，如氣泡減阻、低阻涂料和旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒等。

（1）氣泡減阻利用氣泵往船底注入氣泡并在船體表面形成氣泡與水的混合層，用以降低船舶的摩擦阻力，能節(jié)能5%～12%。該系統(tǒng)已經(jīng)在郵輪AIDA Prima和AIDA Perla上實船應(yīng)用。

（2）低阻涂料用于降低船舶摩擦阻力，并減少污損物附著，與傳統(tǒng)涂料相比能降低3%～5%的阻力，已有77%的郵輪采用了低阻涂料。

（3）推進器的優(yōu)化，郵輪大多采用POD全回轉(zhuǎn)推進器，相比傳統(tǒng)推進器可以節(jié)能5%～15%，并能提高船舶操縱性。

（4）旋筒風(fēng)帆已應(yīng)用于豪華客滾船，為Viking Grace船降低約300 kW的推進功率。

（5）節(jié)能導(dǎo)管、扭曲舵等裝置已有大量實船安裝，但郵輪的應(yīng)用案例還很少。

3）航速的選擇

在功率航速曲線一定的情況下，如何選取最佳的航速是值得探討的。推進功率隨著航速增加而變大，且曲線斜率會更大。航速和推進功率分別處于EEDI計算公式的分母和分子，且推進能耗占比很高，在公式中影響結(jié)果的權(quán)重也很高，因此航速與功率的選定對EEDI計算至關(guān)重要。圖5和圖6的EEDI/航速曲線是根據(jù)船舶航速功率曲線而得，即計算EEDI時使用的功率與航速是相匹配的。由圖可見，EEDI曲線的曲率是逐漸變化的，航速越高，曲率越大。在一定范圍內(nèi)，航速降低EEDI減小較快，但航速降至一定程度后，EEDI變化較小，甚至可能會出現(xiàn)航速降低，EEDI值升高的情況。因此，在基本設(shè)計確定航速和推進功率時，為控制EEDI，航速不應(yīng)太高，防止EEDI陡增。對于6萬總噸郵輪，EEDI航速選擇18 kn～20 kn比較合理；對于13萬總噸郵輪，航速選擇19 kn～21 kn比較合理，然后還要根據(jù)運營航線規(guī)劃綜合考慮航速。

圖5 EEDI/航速曲線（6萬總噸郵輪）

圖6 EEDI/航速曲線（13萬總噸郵輪）

3.4 用電負荷對EEDI的影響

對郵輪來說，

P

值約占全船用電的40%，因此在前期計算EEDI時，能否準確估算正常航行時的消耗電功率，很大程度上決定了EEDI估算的準確性。計算用的電功率表應(yīng)盡可能接近實際運營數(shù)據(jù)，因此新船設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)母型船運營數(shù)據(jù)進行估算。在試航時船檢會對電力負荷表進行最終驗證，以確定數(shù)據(jù)的準確性。據(jù)估算，如果估算值比實際值小10%，將導(dǎo)致最終EEDI提高4%，可能產(chǎn)生不滿足EEDI要求的嚴重后果。

以13萬總噸郵輪為例（圖7），船舶航行時非推進用電負荷中功率較大的系統(tǒng)主要有空調(diào)、廚房、照明和機器處所服務(wù)等，其中空調(diào)和機器處所服務(wù)各占各1/3，其他系統(tǒng)共占1/3。通過計算，對于13萬總噸郵輪，降低輔機功率5%，能使EEDI降低2%。對于6萬總噸郵輪，降低輔機功率5%，能使EEDI降低1.6%。因此采用節(jié)能措施減少輔機負荷，能較快降低EEDI值。

圖7 非推進用電負荷比例圖（13萬總噸郵輪）

圖8 PAE/EEDI曲線（6萬總噸郵輪）

圖9 PAE/EEDI曲線（13萬總噸郵輪）

1）降低空調(diào)負荷

郵輪EEDI計算中，空調(diào)負荷是除推進器以外全船耗電量最大的系統(tǒng)。對于13萬總噸的大型郵輪，夏季空調(diào)負荷約占非推進功率的1/3以上；對于6萬總噸的中小型郵輪，夏季空調(diào)負荷約占非推進功率的1/5以上。其中冷水機組又是郵輪空調(diào)系統(tǒng)中最耗電的設(shè)備，占比約50%。冷水機組是空調(diào)系統(tǒng)最重要的設(shè)備，且對郵輪的舒適度至關(guān)重要，設(shè)計時會配有備用機組，如配置2用1備或1用1備。規(guī)范要求將所有冷水機組的功率設(shè)為 100%參與計算，備用機組可不參與EEDI計算。

空調(diào)系統(tǒng)負荷占比較大，降低能耗，對優(yōu)化EEDI貢獻很大?？照{(diào)系統(tǒng)關(guān)系到游客的舒適程度，降低能耗但不能降低舒適度。降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要方法有：采用新制冷劑，提高冷水機組的能效比值（Coefficient of Performance，簡稱：COP），從而降低機組電功率，同時還要考慮制冷劑的環(huán)保性。采用吸收式制冷技術(shù)，利用主機余熱，通過消耗熱能實現(xiàn)制冷?！癆IDA Prima”號和“AIDA Perla”號郵輪已經(jīng)實船安裝了吸收式冷水機組，作為主要冷水機組使用。常規(guī)壓縮式機組只在夏季高峰期補充使用，大大降低空調(diào)系統(tǒng)的電力消耗。由于吸收式冷水機組主要消耗熱能制冷，幾乎不消耗電力，因此能使

P

顯著降低。

加強保溫措施減少熱量/冷量的消耗，也能起到節(jié)能效果，如乘客離開房間后，自動降低空調(diào)功率，減少能源消耗。

2）其他方面的負荷優(yōu)化

機器處所負荷中占比最高的是風(fēng)機，在風(fēng)機選型和風(fēng)管設(shè)計時應(yīng)更多考慮節(jié)能。采用LED照明和燈光管理系統(tǒng)，能為酒店區(qū)域節(jié)能30%。泳池加熱利用主機廢熱，降低電加熱消耗。

3）節(jié)能裝置

按照《2013年用于計算和驗證EEDI的創(chuàng)新型能效技術(shù)處理指南》分類，C類為產(chǎn)生電力的節(jié)能技術(shù)，能降低

P

，如主機余熱回收發(fā)電、光伏電池等。

蒸汽透平發(fā)電機能將主機產(chǎn)生的余熱轉(zhuǎn)換成電能。已有不少實船安裝的案例，如“COSTA Venezia”號郵輪配有一臺1 325 kW蒸汽透平發(fā)電機。太陽能板也已經(jīng)在“Celebrity Solstice”號郵輪船上實船應(yīng)用，61塊光伏板為該船提供15.5 kW的電能。

3.5 總噸對EEDI的影響

變化總噸對EEDI的影響比較復(fù)雜，增加總噸會使要求的EEDI值變?。粚EDI達到值來說，增加總噸，會使分母變大，有利于降低 EEDI，但同時也會使空船重量增加，吃水增加，航速略降，還會增加空調(diào)和照明等

P

功率。因此增加總噸對EEDI的影響很難準確判斷。圖10和圖11的計算是在其他參數(shù)不變的前提下，對總噸進行微調(diào)。由圖可見，總噸增加1%，EEDI也相應(yīng)減少1%。若考慮其他參數(shù)的相應(yīng)變化，EEDI減少量會遠小于1%。因此增加總噸減少EEDI的辦法的效果并不明顯。如果大范圍增加總噸，會造成其他參數(shù)顯著變化，很難簡單判斷出EEDI的變化。

圖10 總噸/EEDI曲線（6萬總噸）

圖11 總噸/EEDI曲線（13萬總噸）

3.6 其他降低EEDI的方法

新型燃料主要有LNG、氫燃料和生物燃料等，但現(xiàn)階段技術(shù)最為成熟的還是LNG。由于其碳轉(zhuǎn)化率比重油低15%，結(jié)合LNG單位燃料消耗量較低，在相同功率下，LNG能比重油降低30%的碳排量，因此LNG是目前滿足EEDI三階段最有效的辦法。各類船型都有大量的應(yīng)用案例，全球首艘 LNG郵輪“AIDA Nova”號交付之后，LNG燃料郵輪的訂單呈現(xiàn)明顯上升趨勢。2020年—2027年的訂單顯示，在2020年之后交船的14萬總噸以上的大型郵輪中，LNG郵輪有22艘，占比約6成。

蓄電池動力技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到渡輪等近距離航行船舶上，但對于長距離航行的郵輪應(yīng)用范圍仍然有限。雖不能作為主要動力源，但可以將蓄電池作為補充電源?！癛oald Amundsen”號郵輪已經(jīng)實船安裝了2個大型蓄電池間，當全船電站需求低時，電池充電，當需求量高時，電池放電。能提高郵輪多種工況下的發(fā)電機燃油效率，降低1%～2%的油耗。

為了滿足未來更加嚴格的排放標準，最終達到零排放，氨燃料和氫燃料電池等技術(shù)也在積極研究之中。

4 結(jié)論

郵輪只占全球船舶數(shù)量的0.5%，而CO排放量卻占比2.8%，且呈逐年上升趨勢，因此降低EEDI讓郵輪旅游更環(huán)保具有重要意義。通過以上分析，總結(jié)如下：

1）航速方面，通過新技術(shù)減少船舶阻力，降低推進功率，能有效降低 EEDI，現(xiàn)在比較成熟的技術(shù)有氣泡減阻、低阻涂料和風(fēng)筒等。另外在一定范圍內(nèi)降速對降低EEDI效果較明顯，但應(yīng)在運營航線評估后謹慎應(yīng)用。

2）輔機負荷方面，輔機功率

P

是除推進器外的最大電力負荷，采用節(jié)能措施，降低空調(diào)、照明和生活用電，對降低EEDI是有效的辦法。從降低能耗方面來說，業(yè)界采用較多的方法是使用更節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)、完善保溫措施、采用LED照明。在發(fā)電技術(shù)方面，利用主機廢熱回收技術(shù)、光伏發(fā)電也是降低能耗的有效方法。

3）總噸方面，增加總噸會導(dǎo)致其他負荷增加，降低EEDI的效果很有限，通常不會為了降低EEDI而單獨增加總噸。

新燃料方面，面對日益嚴格的環(huán)保要求，郵輪公司都在積極尋求新的更環(huán)保的燃料，用于替代現(xiàn)有的燃油。LNG無疑是應(yīng)用最為廣泛的新燃料，能降低30%的碳排放，能有效滿足EEDI三階段的要求，但對于未來可能的四階段甚至零排放要求，則需要尋求更加環(huán)保的燃料，如氨燃料、氫燃料電池等。