基于防病毒需求的中央空調(diào)全新風節(jié)能設計

徐 謙，崔寶明，陳陵湘，郭 歆，姬佳慧

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

新型冠狀病毒肺炎（以下簡稱“新冠肺炎”）作為一種呼吸道疾病，其病毒可通過空氣傳播，尺寸只有10～100 nm。這種病毒可形成尺寸為0.01～10.00 μm的氣溶膠，普通船用中央空調(diào)的濾器無法對如此小尺寸的病毒進行過濾，從而導致其能通過中央空調(diào)的通風管路傳播。關閉中央空調(diào)系統(tǒng)之后，房間內(nèi)沒有空氣流動，病毒會長時間漂浮在空氣中，并在開關艙室時從一個區(qū)域擴散到另一個區(qū)域。

由于當前新冠肺炎病毒已在世界范圍內(nèi)蔓延，消費者非常擔心客船防疫不到位引發(fā)安全隱患，郵船的運營受到了很大的影響。為恢復客船市場，必須解決客船防疫問題，其中對船舶中央空調(diào)系統(tǒng)進行防病毒設計是關鍵。

新冠肺炎疫情發(fā)生之后，各船級社對空調(diào)系統(tǒng)的設計進行了討論，例如：意大利船級社提出現(xiàn)代郵船在結構上通常會設計若干個區(qū)域，每個區(qū)域的空調(diào)通風系統(tǒng)都是完全獨立運作的；挪威船級社提出新鮮空氣從船體的一側進入，廢氣從船體的另一側排出，從而確保船上的新鮮空氣與廢氣不會相互交叉。

中國船級社在其發(fā)布的《船舶防疫安全指南2020》中的“2級防疫安全要求”中提到，當發(fā)生通過空氣和氣溶膠傳播的傳染性疾病時，若仍需使用空調(diào)系統(tǒng)，則在設計空調(diào)系統(tǒng)和風管時要考慮使各個房間獨立回風，或在送風口和回風口布置高中效空氣濾器［1］。

因此，影響具有防病毒功能的中央空調(diào)系統(tǒng)設計的關鍵因素是全新風。本文根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的特點，提出全新風的3層含義，以及全新風中央空調(diào)對船舶設計的影響，并從能耗方面進行對比，對全新風的節(jié)能設計進行分析。

1 全新風的第一層含義

全新風的第一層含義：回風不能在與新風匯合之后重新送到室內(nèi)。

對于當前的中央空調(diào)系統(tǒng)而言，為了節(jié)能，普遍采用部分回風與新風混合之后向房間送風的作業(yè)方式。對于防病毒來說，這種方式是非常不安全的，會導致病毒從一個房間傳播到另一個房間。因此，應放棄這種設計，使送至各房間的風都直接來自室外，不再與回風混合，見圖1。

圖1 全新風的空調(diào)系統(tǒng)

2 全新風的第二層含義

全新風的第二層含義：能量回收裝置不能導致新風被回風污染。

雖然全新風的中央空調(diào)系統(tǒng)沒用回風，所有送入艙室的風都來自室外，易滿足防疫要求，但空調(diào)系統(tǒng)采用全新風設計會導致能耗大大增加，影響客船運營的經(jīng)濟性。因此，必須考慮能量回收問題。由于當前的能量回收裝置存在傳播病毒的可能性，比如熱轉輪可能會吸附病毒，因此需研究運用新型能量回收裝置，使其既能防止病毒傳播，又比較節(jié)能。全新風設計不僅需運用能量回收裝置，而且不能對新風產(chǎn)生污染。

熱轉輪是以復合纖維材料為載體，覆以蓄熱吸濕材料構成的，有一定的自清能力，換熱效率較高，可回收全熱的60%～70%，新風污染率為1%～10%，當前這種能量回收裝置的防病毒性能還不明確［2］。圖2為帶熱轉輪的中央空調(diào)箱。

圖2 帶熱轉輪的中央空調(diào)箱

板式顯熱回收裝置將回風排放與新風送風徹底隔離開來，完全沒有污染的風險，但只能回收顯熱，效率為50%～60%［3］，見圖3。

圖3 板翅片

為滿足全新風的第二層含義，需對不同的能量回收裝置進行核查討論。板式和熱管這2種能量回收裝置完全能滿足要求，但其回收效率較低；熱轉輪存在污染新風的可能，其防病毒性能暫不明確。

3 全新風的第三層含義

全新風的第三層含義：不能通過使用內(nèi)循環(huán)空調(diào)控制溫度，新風的換氣次數(shù)很少。

當前的空調(diào)系統(tǒng)主要分為2種：一種是全空氣系統(tǒng)，即由中央空調(diào)箱輸送給房間的空氣能完全滿足房間的冷熱負荷需求，這種方式風量大，房間的換氣次數(shù)多，且房間內(nèi)無需布置額外的空氣處理單元，能大大減少冷媒水管和凝水管的數(shù)量，空調(diào)設備都布置在空調(diào)機間內(nèi)，維修簡單，但風管較多，布置困難［4］；另一種是水-氣系統(tǒng)，空調(diào)機間的空調(diào)只輸送少量新風到房間內(nèi)，只是用于滿足人員的呼吸需求，而為滿足房間的冷熱負荷需求，布置有額外的風機盤管，一般布置在衛(wèi)生單元后面的三角區(qū)。

水-氣系統(tǒng)的新風滿足上述第一層和第二層含義，但若新風量很少，導致房間的換氣次數(shù)很少，病毒會長時間留在房間內(nèi)，并在開門和關門過程中向外擴散，因此不是真正意義上的全新風［5］。由此，在使用水-氣系統(tǒng)時，要特別注意新風量，不能為了節(jié)能和便于布置風管而盲目減少新風量。

4 高外界環(huán)境溫度下的空調(diào)節(jié)能設計

為直觀地說明上述全新風的3層含義對中央空調(diào)系統(tǒng)的影響，從某客船上選取一個帶窗戶的雙人間，對其進行計算分析。夏季外界溫度為35℃，相對濕度為70%，室內(nèi)溫度為26℃，房間的空調(diào)負荷來自人（240 W）、窗戶（350 W）和艙壁（100 W），共計690 W。

先考慮使用全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)，房間的送風溫差是8 K，空氣在中央空調(diào)器內(nèi)冷卻到16℃，經(jīng)過風管時有2 K的溫升，通過計算可得房間需要260 m3/h的風量，外界溫度為35℃時不同節(jié)能裝置的全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)負荷對比見表1。

表1 外界溫度為35℃時不同節(jié)能裝置的全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)負荷對比

若使用水-氣中央空調(diào)系統(tǒng)，在房間內(nèi)布置風機盤管，風機盤管的負荷與房間負荷一致，均為690 W，由中央空調(diào)送72 m3/h的新風，將外界的新風處理到與房間內(nèi)空氣焓值相同的溫度，即18.6℃。外界溫度為35℃時不同節(jié)能裝置的水-氣中央空調(diào)系統(tǒng)負荷對比見表2。

表2 外界溫度為35℃時不同節(jié)能裝置的水-氣中央空調(diào)系統(tǒng)負荷對比

由以上計算可知，不同中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷負荷差別很大，會對冷水機組和泵的選擇產(chǎn)生很大影響?？照{(diào)負荷最小的是采用帶熱轉輪的新風機和風機盤管的水-氣中央空調(diào)系統(tǒng)，負荷為1 341 W；空調(diào)負荷最大的是無能量回收的全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)，負荷為4 513 W；空調(diào)負荷居中的是板式顯熱回收的全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)，負荷為3 723 W。因此，在高外界溫度下設計中央空調(diào)系統(tǒng)時，水-氣系統(tǒng)是最節(jié)能的，若運用全空氣系統(tǒng)，必須考慮全熱回收?；陲@熱回收與全熱回收的全空氣系統(tǒng)在高外界溫度下的負荷差距很大，潛熱占支配地位，必須考慮對其進行能量回收。

5 低外界環(huán)境溫度下的空調(diào)節(jié)能設計

以上負荷計算和設備選型是基于最苛刻的外界溫度（35℃）進行的，而在實際船舶運營過程中，隨著季節(jié)和晝夜的變化，外界溫度是不斷變化的，不同空調(diào)系統(tǒng)的負荷會隨著外界溫度的變化做出不同的變化。對比全熱回收（50%）全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)、顯熱回收（50%）全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)和水-氣中央空調(diào)系統(tǒng)（72 m3/h新風量）在不同外界溫度下的負荷，結果見圖4。在全空氣系統(tǒng)中，房間依舊有260 m3/h的風量，房間內(nèi)的熱負荷隨著外界溫度的變化而減小，全空氣系統(tǒng)的送風溫度會下降，3種中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷負荷也隨之減小。從圖4中可看出，在較低的外界溫度下，全空氣系統(tǒng)在節(jié)能方面比水-氣系統(tǒng)更有優(yōu)勢，全熱回收全空氣系統(tǒng)與顯熱回收全空氣系統(tǒng)的差距隨著外界溫度的下降而逐步減小，直至外界溫度為26℃時重合，說明在該溫度下，外界新鮮空氣的溫度在中央空調(diào)箱內(nèi)降到了露點溫度以上，沒有潛熱產(chǎn)生，也說明當外界溫度低于26℃時，顯熱回收全空氣系統(tǒng)與全熱回收全空氣系統(tǒng)的熱效率無差別。

圖4 不同中央空調(diào)系統(tǒng)在不同外界溫度下的負荷曲線

6 結 語

本文在新冠肺炎疫情大暴發(fā)的背景下對客船的中央空調(diào)系統(tǒng)進行了研究。據(jù)調(diào)查，絕大多數(shù)新冠肺炎患者都是在室內(nèi)感染病毒的，通過增加新風量使室內(nèi)的環(huán)境更接近于室外，能有效降低病毒傳播的可能性［6］。雖然滿足上述3層含義的全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)能有效抗病毒，但必須考慮能耗問題，不能盲目增加新風量而導致電力負荷劇增。因此，本文重點對比討論了不同中央空調(diào)系統(tǒng)在不同外界溫度下的能耗特點，從而在設計空調(diào)系統(tǒng)時做出最合理的選擇。

滿足全新風3層含義的中央空調(diào)系統(tǒng)不一定是全空氣系統(tǒng)，在不將新風量降得很低的前提下合理使用風機盤管，能起到很好的節(jié)能效果，大大減少設計工況下的制冷負荷，非常有助于整個中央空調(diào)系統(tǒng)的設計。在較高的外部環(huán)境溫度下，滿足全新風3層含義的全空氣系統(tǒng)有較高的能耗，但在實際運用過程中，當外界溫度下降時，該系統(tǒng)有很好的節(jié)能作用，可利用外部空氣直接帶走室內(nèi)的熱量，起到很好的環(huán)保效果。