船舶艙室環(huán)境控制系統(tǒng)制冷空調(diào)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

常烜宇，魏小棟

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

船舶環(huán)境控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)或控制船舶上的人員居住、活動(dòng)區(qū)域，設(shè)備艙室以及貨物儲(chǔ)藏艙室的空氣溫度、濕度、速度、潔凈度和氣壓等，同時(shí)兼顧振動(dòng)噪聲指標(biāo)。船舶環(huán)境控制系統(tǒng)是軍用艦艇和民用船舶的關(guān)鍵技術(shù)之一，而制冷空調(diào)技術(shù)是船舶環(huán)境控制技術(shù)的關(guān)鍵。

近年來，隨著海洋技術(shù)的發(fā)展，人類進(jìn)行深遠(yuǎn)海領(lǐng)域的探索更加深入。同時(shí)，隨著我國(guó)海軍裝備的發(fā)展以及海軍執(zhí)行多樣化任務(wù)的需要，對(duì)艦船空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新要求。一方面，在船舶設(shè)計(jì)中貫徹“以人為本”的理念[1]，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，改進(jìn)船舶空調(diào)系統(tǒng)的舒適性迫在眉睫；另一方面，環(huán)境條件對(duì)船舶設(shè)備的影響極大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)故障中，有52%是環(huán)境因素引起的(如溫度和濕度)[2]。制冷空調(diào)技術(shù)在陸上的發(fā)展和研究日臻成熟[3]，在船舶上的應(yīng)用還處于不斷摸索和創(chuàng)新階段，陳文戰(zhàn)[4]分析了我國(guó)艦船環(huán)境研究的不足，提出了現(xiàn)代化的艦船應(yīng)該采用高效節(jié)能的智能化設(shè)備；李冬冬等[5]提出將大溫差送風(fēng)技術(shù)、變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)和溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)3項(xiàng)技術(shù)整合應(yīng)用于艦船艙室空調(diào)系統(tǒng)。前人沒有全面分析各空調(diào)制冷技術(shù)船用化可行性和前景，為此，本文梳理了船舶環(huán)控特性及需求，并結(jié)合其特性與需求列舉分析了幾種制冷空調(diào)技術(shù)的特點(diǎn)和船舶應(yīng)用情況及發(fā)展方向。

1 船舶環(huán)控系統(tǒng)特性

1.1 船舶航行環(huán)境特點(diǎn)

船舶航行環(huán)境復(fù)雜多變，其包含地理環(huán)境、氣象環(huán)境、水文環(huán)境與通航環(huán)境等，并隨航行過程演變，具有多維性[6]。尤其對(duì)于遠(yuǎn)洋艦船，其在航程過程中，并非航行在某一固定海域。不同季節(jié)和不同海域外界氣候溫度為?50～40 ℃，舷外水溫在?2～35 ℃范圍變化，且在不同緯度的海域，太陽(yáng)平均輻射強(qiáng)度波動(dòng)較大[7]，因此，船舶空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需兼顧船舶航行的不同環(huán)境，確保在任何環(huán)境下，維持船上人員和設(shè)備等處于適宜的溫度和濕度。

1.2 船舶空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)

船舶空調(diào)負(fù)荷隨航區(qū)、航行時(shí)刻發(fā)生變化。通風(fēng)負(fù)荷占總負(fù)荷的51.92%，而艙壁導(dǎo)熱和輻射負(fù)荷僅分別占總負(fù)荷的7.47%和6.68%，在同一航區(qū)同一時(shí)刻，功能艙室最大負(fù)荷為最小負(fù)荷的2.684 倍。由回歸分析可知，可變艙室負(fù)荷的91.72%受室外溫度變化的影響[8]。對(duì)于定航線船舶空調(diào)設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮航行途中航向角變化導(dǎo)致的負(fù)荷波動(dòng)[9]。

1.2.1 船舶參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)目前船舶空調(diào)設(shè)計(jì)，并參照文獻(xiàn)[10]，艙內(nèi)外空氣設(shè)計(jì)條件可根據(jù)航區(qū)進(jìn)行分類，如表1所示。

表1 船舶空調(diào)設(shè)計(jì)溫度和濕度條件Table 1 Temperature and humidity conditions for ship air conditioning design

1.2.2 熱負(fù)荷特性

船舶熱負(fù)荷計(jì)算通常為艙內(nèi)傳入熱、人員散發(fā)熱量、照明熱、食物熱以及艙內(nèi)設(shè)備發(fā)熱的總和。其中，部分船舶設(shè)備散熱量較大，如側(cè)推裝置和舵槳裝置，需要為其配備專門的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)才能保證其正常運(yùn)行。同時(shí)，在全船住艙供暖運(yùn)行時(shí)，這些設(shè)備艙室仍需供冷運(yùn)行。軍用艦船上大功率電子設(shè)備應(yīng)用廣泛，且瞬時(shí)發(fā)熱速率大，發(fā)熱波動(dòng)幅度大，因此，要求制冷系統(tǒng)具有強(qiáng)大的調(diào)節(jié)能力，同時(shí)要求制冷系統(tǒng)在非工況條件下的性能有保障[11]。

1.2.3 濕負(fù)荷特性

海上空氣的濕度較大，尤其是夏季運(yùn)行環(huán)境，空氣中水霧較多，新風(fēng)濕負(fù)荷較大。對(duì)于潛艇，艙室人員多，設(shè)備組成復(fù)雜，內(nèi)部局部相對(duì)濕度高達(dá)80%[12]。在某些設(shè)備艙室如機(jī)房、低溫實(shí)驗(yàn)室等產(chǎn)生凝結(jié)水會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行，為了提高艙室舒適性并保證設(shè)備正常工作，需進(jìn)行除濕處理。

1.2.4 新風(fēng)特性

船舶艙室多為密閉空間，室內(nèi)污染物容易聚集，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量增大新風(fēng)量，改善空氣品質(zhì)。一般船用空調(diào)的新風(fēng)比為50%，有些甚至要求達(dá)到80%，新風(fēng)的能耗占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的55%以上[13]。船舶空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)一般是多臺(tái)空調(diào)機(jī)組通過1個(gè)公共新風(fēng)口引入，若在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)新風(fēng)阻力考慮不充分，則可能造成新風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)回風(fēng)阻力較大，整個(gè)新風(fēng)系統(tǒng)處于負(fù)壓區(qū)，從而導(dǎo)致新風(fēng)量不足，空氣品質(zhì)差[14]。由于船舶空間有限，新風(fēng)口的引風(fēng)口與排風(fēng)口有一定距離，通常新風(fēng)口與排風(fēng)口分別設(shè)置在兩舷，且隨著船舶的航行風(fēng)向，防止新風(fēng)口吸入排氣，通常新風(fēng)口設(shè)置在艏部，排風(fēng)口設(shè)置在船艉。

1.2.5 潔凈度特性

船舶空調(diào)的送風(fēng)往往由新風(fēng)與回風(fēng)混合、過濾后經(jīng)處理而成，因此，新風(fēng)是影響送風(fēng)空氣潔凈度的主要因素。海洋大氣中的顆粒物和鹽霧水汽等被吸入風(fēng)道后，會(huì)沉積在換熱器、風(fēng)機(jī)和管道等設(shè)備的表面，導(dǎo)致設(shè)備性能下降，縮短使用壽命。目前的做法通常在進(jìn)風(fēng)口增設(shè)除水霧百葉窗，該百葉窗由葉片式除霧器和介質(zhì)過濾器組成，采用慣性分離技術(shù)，其可在含液量較低的氣流中將液態(tài)顆粒分離出來。對(duì)于船舶上的醫(yī)療區(qū)域如手術(shù)室等潔凈用房，需要保證一定的潔凈度。無菌環(huán)境的實(shí)現(xiàn)不僅依靠過濾除菌技術(shù)，還需要合適的氣流控制技術(shù)[15]。

2 船舶制冷空調(diào)形式

船舶上的制冷裝置通常為單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)。船舶空調(diào)加熱來源通常為燃油鍋爐產(chǎn)生的高溫飽和蒸氣，目前對(duì)綠色船舶的要求嚴(yán)格，在很多客船上，利用船舶余熱和廢熱作為熱源，通常為船舶主機(jī)高溫缸套冷卻水換熱或是通過廢氣鍋爐收集的主機(jī)排氣余熱。船舶空調(diào)加濕來源通常為船用鍋爐蒸氣、蒸氣發(fā)生器以及水和壓縮空氣[16]。

空調(diào)系統(tǒng)通常為一次回風(fēng)系統(tǒng)，貨運(yùn)船舶一般采用全空氣系統(tǒng)。客船、公務(wù)船這類人員多，艙室種類復(fù)雜的船型較多采用空氣?水系統(tǒng)。船舶空調(diào)風(fēng)管系統(tǒng)分為單風(fēng)管和雙風(fēng)管系統(tǒng)，2種系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 船舶單雙風(fēng)管系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of ship single and double duct systems

雙風(fēng)管系統(tǒng)廣泛適用于豪華客船或有較高要求的商船上。對(duì)于船舶上通常采用的直接膨脹式制冷系統(tǒng)，雙風(fēng)管系統(tǒng)更適合于滿足不同區(qū)域的分別調(diào)節(jié)，對(duì)外部環(huán)境變化的適應(yīng)性更好。但受船上空間限制，船上空調(diào)系統(tǒng)多為單風(fēng)管、中壓和中速集中式定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)布風(fēng)器送風(fēng)量控制室溫，但通常室內(nèi)新風(fēng)量得不到滿足，影響了艙室內(nèi)的衛(wèi)生條件，因此，采用末端再加熱的單風(fēng)管集中式空調(diào)系統(tǒng)。

2.1 蒸氣壓縮式制冷

目前，大部分船舶制冷原理仍是蒸氣壓縮式制冷，制冷裝置中的冷凝器一般使用海水或中央冷卻水系統(tǒng)的低溫淡水作為冷卻介質(zhì)?？照{(diào)系統(tǒng)是船舶耗電大戶，據(jù)統(tǒng)計(jì)，萬(wàn)噸級(jí)以上的民用船舶空調(diào)系統(tǒng)及伙食冷庫(kù)能耗占總能耗的18%，客輪和郵輪則超過總能耗28%[17]。隨著國(guó)際海事組織(IMO)對(duì)船舶能效管理的要求日益嚴(yán)格[18]，降低船舶制冷空調(diào)系統(tǒng)的能耗已成為落實(shí)船舶節(jié)能減排的重要內(nèi)容。目前，船舶余熱的新型節(jié)能制冷方式中，采用蒸氣噴射式制冷和吸附/吸收式制冷技術(shù)。

2.2 蒸氣噴射式制冷

蒸氣噴射式制冷能夠利用低品位熱能驅(qū)動(dòng)，在船舶上的應(yīng)用有一定可行性。船舶廢氣鍋爐所產(chǎn)生的蒸氣可直接作為蒸氣噴射式制冷的流體，其原理圖如圖1所示?；i[19]進(jìn)行了船舶余熱噴射式制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作過程中存在臨界冷凝壓力，并且噴射器對(duì)系統(tǒng)性能的影響較大；李策略[20]提出了一種以閃蒸罐為蒸發(fā)器的蒸氣噴射制冷冷水機(jī)樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案，發(fā)現(xiàn)在蒸氣壓力為401 325 Pa，冷水溫度為14.4 ℃時(shí)，樣機(jī)最高性能系數(shù)為0.4。顯而易見，蒸氣噴射式制冷的效率較低，因此，未在船舶上得到廣泛應(yīng)用[21]。

圖1 蒸氣噴射式制冷原理圖Fig.1 Schematic diagram of ejector refrigeration

2.3 吸附/吸收式制冷技術(shù)

吸收式和吸附式制冷均能夠利用低品位熱能驅(qū)動(dòng)。大部分船舶上主要?jiǎng)恿ν七M(jìn)裝置為柴油機(jī)，受卡諾循環(huán)的限制，其熱效率只有約50%，存在于排煙和循環(huán)冷卻水中大量的廢熱可作為驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組的可行熱源。船舶吸收式制冷系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 船舶吸收式制冷系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of marine absorption refrigeration system

以1艘萬(wàn)噸級(jí)的遠(yuǎn)洋船為例，全船余熱可足夠滿足空調(diào)和冷藏系統(tǒng)的熱量需求[22]。王麗偉等[23]設(shè)計(jì)了1 臺(tái)用于漁船上魚類保鮮的吸附式制冰系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)，吸附工質(zhì)為塊狀活性炭，模擬仿真及試驗(yàn)研究表明，當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間為50 min 時(shí)，制冷功率為1.93 kW。陳傳涓等[24]采用復(fù)合交變分離熱管原理，解決了吸附制冰機(jī)直接用海水冷卻吸附床帶來的腐蝕問題。李志生等[25]結(jié)合大型船舶的工作環(huán)境特點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)，吸收式空調(diào)系統(tǒng)在船舶上節(jié)能效果顯著。

在船舶上應(yīng)用吸附/吸收式制冷技術(shù)可充分利用船舶排氣廢熱，節(jié)能降耗，同時(shí)可以解決CFCs工質(zhì)的環(huán)保問題。但受船舶空間所限，后續(xù)研究需提高系統(tǒng)制冷效率，減小系統(tǒng)裝置體積。由于船舶特殊的航行環(huán)境，傾斜、搖擺和振動(dòng)情況較多，這對(duì)船舶制冷系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性提出更高要求。對(duì)于吸收式制冷，在船舶搖擺或傾斜時(shí)，溶液容易從發(fā)生器內(nèi)進(jìn)入冷凝器或從吸收器內(nèi)進(jìn)入蒸發(fā)器，從而污染制冷劑，導(dǎo)致不能正常運(yùn)行，因而，吸附式制冷相對(duì)于吸收式制冷更能適應(yīng)船舶航行環(huán)境和工況變化帶來的余熱波動(dòng)。未來研究船用吸附劑時(shí)，需考慮其吸附性能在船舶運(yùn)行環(huán)境中的穩(wěn)定性[26]。

2.4 LNG(liquefied natural gas)冷能利用技術(shù)

為了控制船舶污染，打造綠色低碳船舶，以LNG 為燃料的船舶越來越多。LNG 通常要被氣化后應(yīng)用，在此過程中會(huì)產(chǎn)生大量的冷能。根據(jù)LNG 蒸氣的性質(zhì)，其冷能可以應(yīng)用于LNG 船舶伙食冷庫(kù)、海水淡化裝置、空氣分離裝置等領(lǐng)域[27]。LNG 蒸氣的溫度較低，其作為冷源時(shí)對(duì)設(shè)備的材料有較高要求。夏家輝等[28]設(shè)計(jì)了防凍堵的船用繞管式LNG 氣化器，通過一種水加熱型繞管式LNG氣化器，使管側(cè)壁面最低溫度為7.32 ℃，管側(cè)出口平均溫度為31.42 ℃，達(dá)到防凍堵的效果。但是，LNG 船舶蒸發(fā)的蒸氣量有限，不能滿足船舶上大規(guī)模的制冷需求，且由于LNG 管路復(fù)雜，很容易泄露，因此，需經(jīng)過相關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)可后，才能進(jìn)行實(shí)船應(yīng)用。

3 船舶制冷空調(diào)能量管理技術(shù)

船舶制冷空調(diào)系統(tǒng)作為船舶艙室環(huán)境控制系統(tǒng)中的耗能大戶，在熱濕負(fù)荷處理方式、能源利用方式、能源儲(chǔ)存模式和運(yùn)行控制方法等方面均有較大的研究和發(fā)展空間。

3.1 溶液除濕技術(shù)

常規(guī)的船用空調(diào)系統(tǒng)采用直膨式蒸發(fā)器處理系統(tǒng)的熱負(fù)荷和濕負(fù)荷，這需要對(duì)空氣進(jìn)行再熱才能滿足送風(fēng)狀態(tài)。船舶空調(diào)本身濕負(fù)荷大，再加上低溫露點(diǎn)的除濕方式，導(dǎo)致船舶空調(diào)的能耗大，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。為了提高船舶能源利用效率，張小松等[29]提出了余熱梯級(jí)驅(qū)動(dòng)的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)，主要包括沸騰溶液再生技術(shù)和露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻技術(shù)，并計(jì)算驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)可將空氣冷卻到15.3～16.1 ℃。目前，溶液除濕技術(shù)在船舶上的應(yīng)用研究仍然處于起步階段，需重點(diǎn)探究船舶振動(dòng)對(duì)溶液液面穩(wěn)定性的影響。

3.2 轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)

在船舶上裝置轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)可回收利用船舶豐富的余熱，也可利用充足的海水來冷卻經(jīng)由干燥升溫后的處理空氣，節(jié)能效果明顯。DIGIOVANNI等[30]在船舶空調(diào)新風(fēng)的預(yù)處理中應(yīng)用轉(zhuǎn)輪除濕；CHEN等[31]對(duì)比分析了船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)4種方案的可行性；鄭國(guó)杰等[32]研究了轉(zhuǎn)速對(duì)船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，結(jié)合ISO7547-2002 標(biāo)準(zhǔn)，確定系統(tǒng)最佳轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為6 r/h；鄭國(guó)杰等[33]構(gòu)建了單級(jí)和兩級(jí)船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)超過兩級(jí)的多級(jí)除濕方案不適合在船舶上應(yīng)用；俞文勝等[34]研究了新風(fēng)參數(shù)對(duì)船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的性能影響，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)的船用化有助于提高船舶空調(diào)新風(fēng)比，改善空氣品質(zhì)。針對(duì)可能的船舶防疫安全功能升級(jí)要求，在應(yīng)用轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)時(shí)，可在回風(fēng)混合箱處增設(shè)一個(gè)獨(dú)立的機(jī)械排風(fēng)管路，增添備用排風(fēng)口和相應(yīng)的調(diào)風(fēng)門，保證在疫情的時(shí)候新風(fēng)和回風(fēng)不混合。

轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)的船用化仍處在初級(jí)階段，其與陸地應(yīng)用在環(huán)境條件、運(yùn)行工況和再生溫度存在明顯區(qū)別，今后研究的重點(diǎn)是開發(fā)固體吸附劑材料，使設(shè)備小型化、輕型化并優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)等。

3.3 熱泵技術(shù)

船用熱泵有壓縮式熱泵、燃機(jī)熱泵和吸收/吸附式熱泵。經(jīng)綜合分析，水源熱泵在船舶空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用中冷熱源穩(wěn)定性好，供回水管道布置簡(jiǎn)單，效率有保證，因而推廣價(jià)值最高[35]。海水源熱泵分為直接式和間接式，這2種形式的船用優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表3所示。

表3 直接式與間接式海水源熱泵比較Table 3 Comparison of direct and indirect sea source heat pump

水源熱泵技術(shù)在船上的應(yīng)用主要面臨冬季海水溫度過低、海水的腐蝕性等問題。為了適應(yīng)船上的工作環(huán)境，船用熱泵在結(jié)構(gòu)布置、工藝流程和系統(tǒng)形式方面均進(jìn)行了改進(jìn)。如利用滿液式蒸發(fā)器，充分利用大空間沸騰原理，提高蒸發(fā)器換熱系數(shù)，提高機(jī)組性能。直管內(nèi)流動(dòng)江、河、湖海水，避免了干式蒸發(fā)技術(shù)無法解決的換熱器殼側(cè)積沙、臟堵且無法清洗和防腐蝕成本高等問題。水源熱泵空調(diào)機(jī)組采用雙管束殼管冷凝器技術(shù)，保證冷卻水和回收的生活熱水系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，自由切換且互不污染[36]。

付旺[37]以散貨船為研究對(duì)象，提出了用于寒冷海域的船舶雙級(jí)耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)，改善了單級(jí)熱泵系統(tǒng)無法滿足低溫海水條件下的供暖特性，有效提高了機(jī)組的能效比；翁爽等[36]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在內(nèi)河船上采用主機(jī)冷卻水余熱回收，可降低水源熱泵空調(diào)機(jī)組能耗21%以上，具有較好的節(jié)能優(yōu)化效果。在海船上采用主機(jī)冷卻水余熱回收，可降低水源熱泵空調(diào)機(jī)組能耗10%以上，具有節(jié)能優(yōu)化可行性。未來研究可以針對(duì)船舶搖擺特性和水質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)一步改進(jìn)源熱泵空調(diào)機(jī)組。

3.4 蓄冷技術(shù)

潛艇的隱蔽性和機(jī)動(dòng)性在很大程度上依靠潛艇的水下續(xù)航力，而空調(diào)是潛艇水下航行時(shí)的能耗大戶，節(jié)省空調(diào)能耗有利于提高常規(guī)潛艇水下續(xù)航力。曾強(qiáng)洪等[38]計(jì)算制冷機(jī)蓄冷量和蓄冷裝置容積等，初步設(shè)計(jì)了改裝方案，計(jì)算表明局部改造現(xiàn)有常規(guī)潛艇空調(diào)可將蓄冷技術(shù)應(yīng)用于潛艇以減少水下空調(diào)能耗，從而提高潛艇續(xù)航力；吳贊俠等[39]分析比較了2種相變材料的蓄釋冷性能，發(fā)現(xiàn)高溫相變材料蓄冷周期短，蓄冷量大，制冷機(jī)組節(jié)能效果好，能滿足潛艇蓄冷要求，有利于提高潛艇的隱蔽性和水下續(xù)航力。

由于潛艇航行受海浪影響，存在晃動(dòng)，因此，要求蓄冷裝置有較強(qiáng)的耐波性和穩(wěn)定性；潛艇空間狹小，要求蓄冷球有較高的蓄冷密度、較快蓄冷速度、較慢釋冷速度且較易控制。

3.5 控制技術(shù)

控制技術(shù)在船舶制冷空調(diào)領(lǐng)域主要用于制冷裝置和空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的控制，即主要是對(duì)水泵及風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻處理。慕清浩[40]以“育鯤”輪為研究對(duì)象，對(duì)其空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行整體變頻改造時(shí)，節(jié)能率達(dá)到30.2%。

船舶變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的“變”主要體現(xiàn)在空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量變化和各個(gè)艙室末端風(fēng)量的變化。變風(fēng)量系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用不僅能滿足各艙室個(gè)性化的需求，還能在過渡季節(jié)使用更大比例的新風(fēng)以減小制冷量，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。在滿足送排風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量需求的同時(shí)，考慮系統(tǒng)節(jié)能[41]。雖然變風(fēng)量系統(tǒng)在船舶上具有節(jié)能、維修方便等優(yōu)勢(shì)，但系統(tǒng)除濕能力較弱，需要輔以獨(dú)立控制濕度的功能[5]。在艦船上使用變頻器時(shí)要注意可能會(huì)帶來的電磁干擾問題，因此，空調(diào)裝置內(nèi)可設(shè)置變頻控制和磁力控制[42]。

4 船舶空調(diào)舒適送風(fēng)技術(shù)

4.1 孔板送風(fēng)技術(shù)

如今興起的科學(xué)考察船等公務(wù)型船舶，在駕駛室、會(huì)議室和實(shí)驗(yàn)室等相對(duì)寬敞、注重人員熱舒適性的綜合性艙室，靜壓箱孔板送風(fēng)的應(yīng)用較廣泛。

艦船艙室受層高以及艙室天花板上方有電纜等管線鋪設(shè)限制，因而安裝靜壓箱的空間有限，通常艦船上的靜壓箱長(zhǎng)度較大，高度較小，分布在天花板上方。艦船上孔板送風(fēng)的設(shè)計(jì)風(fēng)速通常按艙室層高度減去1進(jìn)行計(jì)算，兼顧設(shè)計(jì)要求和美觀性能，孔板的推薦開孔孔徑為8～10 mm，以此計(jì)算開孔率和總開孔面積，進(jìn)而確定靜壓箱的數(shù)量。艦船冷庫(kù)溫度的波動(dòng)及庫(kù)內(nèi)送風(fēng)方式對(duì)冷庫(kù)內(nèi)果蔬的保存影響較大，為了對(duì)冷庫(kù)進(jìn)行精確控溫，降低冷庫(kù)內(nèi)氣流速度，部分艦船上的冷庫(kù)也由冷風(fēng)機(jī)直吹形式改為孔板送風(fēng)形式，通過果蔬保鮮試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)[43]，采用孔板送風(fēng)形式的冷藏庫(kù)，庫(kù)溫控制在(0±0.5)℃，大部分蔬果都可保鮮貯藏至45 d以上，大幅度提高了果蔬的食用周期，為艦船的長(zhǎng)期遠(yuǎn)航提供了有力保障。

4.2 置換通風(fēng)技術(shù)

目前，艦船艙室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)布置主要采用傳統(tǒng)的上送風(fēng)形式，其特點(diǎn)是上下室內(nèi)溫度基本一致，但工作區(qū)的空氣齡較長(zhǎng)。“雪龍2”號(hào)極地科學(xué)考察破冰船的學(xué)術(shù)報(bào)告廳和某新型訓(xùn)練艦的多功能廳均采用座椅送風(fēng)系統(tǒng)。通過實(shí)際使用和模擬計(jì)算[44]，該方案能有效降低吹風(fēng)感，保證人體周圍的空氣品質(zhì)，熱舒適性指標(biāo)符合要求。在船舶上層較高的公共艙室采用座椅送風(fēng)的置換通風(fēng)形式，一方面，可以優(yōu)化氣流，提高人員熱舒適性，另一方面，天花板上方空調(diào)風(fēng)管數(shù)量大幅減少，有效提高了艙室的凈層高，這對(duì)空間狹窄的船舶艙室來說優(yōu)勢(shì)明顯。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)座椅下方的送風(fēng)柱風(fēng)量為60～80 m3/h較合適，可滿足送風(fēng)量和送風(fēng)溫度的要求。

置換通風(fēng)技術(shù)具有通風(fēng)效率高、空氣品質(zhì)佳和能耗低等特點(diǎn)，在船舶上有一定的應(yīng)用前景。由于應(yīng)用置換通風(fēng)方式的場(chǎng)量多為船舶人員集中空間，后續(xù)可結(jié)合模擬和實(shí)測(cè)，研究置換通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)艙室污染物去除效果。

4.3 大溫差低溫送風(fēng)技術(shù)

低溫送風(fēng)系統(tǒng)具有降低設(shè)備容量、減小布置空間需求、降低成本及運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，低溫送風(fēng)系統(tǒng)可使室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度與露點(diǎn)溫度比常規(guī)系統(tǒng)更低[45]，顯著提高艙室的舒適性，該技術(shù)解決了船上有限空間內(nèi)的布置和船舶空調(diào)舒適性的矛盾，在船舶上有廣闊的應(yīng)用前景。周根明等[46]采用CFD 模擬分析了船舶艙室大溫差低溫送風(fēng)下氣流組織分布，證明了該技術(shù)在船舶空調(diào)領(lǐng)域的可行性；董鵬等[47]結(jié)合潛艇空調(diào)系統(tǒng)能耗高、艙室溫濕度控制難的問題，提出了將大溫差低溫送風(fēng)、變風(fēng)量控制和溫濕度獨(dú)立控制相結(jié)合的系統(tǒng)技術(shù)方案，該方案使系統(tǒng)能耗降低30%，噪聲降低5 dB，減小了設(shè)備體積和質(zhì)量，有利于減小潛艇艙室噪聲。值得注意的是，由于送風(fēng)溫度較低，各部分產(chǎn)生的溫升波動(dòng)比常規(guī)送風(fēng)系統(tǒng)大，設(shè)計(jì)時(shí)要留有一定余量。

5 結(jié)論與展望

安全、舒適和健康的船舶艙室空氣環(huán)境是現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，而船舶艙室環(huán)境控制系統(tǒng)制冷空調(diào)技術(shù)尚處于發(fā)展階段，一些較成熟的技術(shù)在船舶上使用時(shí)存在以下困難。

1)船舶空間局限，導(dǎo)致陸上的大型設(shè)備無法在船上布置，如常規(guī)運(yùn)輸船上，制冷空調(diào)機(jī)組面積供給約為25 m2，很難滿足吸收/吸附式機(jī)組的空間需求。

2)船舶的首要特征為流動(dòng)性。一方面，振動(dòng)和搖擺導(dǎo)致吸收式制冷技術(shù)、溶液除濕技術(shù)等的應(yīng)用受限，需考慮減輕船舶振動(dòng)對(duì)液面不穩(wěn)定的影響；另一方面，船舶空調(diào)負(fù)荷變化，系統(tǒng)運(yùn)行工況多變，且可利用的廢熱、余熱熱源不穩(wěn)定，成為制約船舶制冷空調(diào)余熱利用的重要因素。

3)船舶自持力要求通常在15 d 以上，遠(yuǎn)洋甚至高達(dá)60 d，船舶在海上補(bǔ)給不便，這對(duì)冷藏機(jī)組的保鮮效果提出了更高要求，保鮮技術(shù)的長(zhǎng)久可靠性成為船舶艙室環(huán)境控制中亟需解決的難題。

4)海上空氣中的高鹽霧含量和海水的腐蝕性對(duì)制冷空調(diào)系統(tǒng)中的設(shè)備材料提出了較高要求，通常采用銅質(zhì)管系，這導(dǎo)致造價(jià)昂貴，維護(hù)成本提高。

船舶艙室大氣環(huán)境控制系統(tǒng)制冷空調(diào)技術(shù)將來的發(fā)展方向如下。

1)提升船用制冷空調(diào)設(shè)備能源利用效率主要從系統(tǒng)改進(jìn)和部件性能提升2個(gè)方面展開。系統(tǒng)改進(jìn)主要是利用船舶廢熱和余熱，降低制冷空調(diào)系統(tǒng)能耗，提高船舶的續(xù)航力。如可在航線較固定、空間布局較寬裕的船型(油船)上使用吸附式系統(tǒng)，在開敞的甲板空間布置太陽(yáng)能收集裝置，并進(jìn)行集熱、蓄熱利用。部件性能提升可在制冷機(jī)組中采用能量調(diào)節(jié)裝置，在較大范圍內(nèi)適應(yīng)空調(diào)熱負(fù)荷的變化。

2)船舶艙室環(huán)境舒適性的改善主要依賴于艙室內(nèi)部的空氣質(zhì)量、氣流組織設(shè)計(jì)和設(shè)備的噪音控制?？刹捎脽峁艿葻峄厥昭b置和溫濕度獨(dú)立處理控制方法，在處理艙室內(nèi)部大量濕負(fù)荷的同時(shí)，克服冷凝除濕時(shí)帶來的高能耗和低效率問題。氣流組織設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)船舶特性進(jìn)行CFD 仿真研究，進(jìn)一步根據(jù)實(shí)船測(cè)試結(jié)果優(yōu)化邊界條件設(shè)置。噪聲控制可對(duì)主要振動(dòng)設(shè)備元件如壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等進(jìn)行減振降噪處理，以提升船員在艙室內(nèi)部的舒適度、增加艦艇的隱蔽性。

3)尋求傳統(tǒng)船舶制冷劑的替代物。船用制冷劑選用的首要原則是安全性，即要求無毒、不燃、不爆。在船舶運(yùn)營(yíng)環(huán)保要求日趨嚴(yán)格的今天，臭氧消耗潛值和全球變暖潛能盡可能小、環(huán)境友好、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好的制冷劑將迎來廣闊的發(fā)展機(jī)遇。安全便捷、靈活適用的船舶制冷劑回收利用裝置的研制也值得關(guān)注。