同程式空調水系統的實船設計應用

由成良

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

同程式空調水系統的實船設計應用

由成良

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

分析了空調水系統阻力的特點和水力不平衡的原因，并對同程和異程兩種空調水系統管路設計方式的優缺點進行了比較。結合某兩型船舶的總體布局和空調區域特點，分別采用環形同程冷熱媒水系統和開式同程冷卻水系統，顯著提高了系統水力穩定性，取得較好的空調效果。

同程；異程；船舶；空調水系統

引 言

中央空調水系統一般由主干管路和連接各末端設備的分支管路組成。空調末端設備經常需要根據空調冷、熱負荷的變化調節流量，而各水管支路的流量間存在耦合，某個支路的流量改變將會導致整個系統水量重新分配，其余各支路的水量也會改變。因此，根據工程實際情況選用合適的空調水系統形式不僅可以減少系統調試工作量，而且能提高空調的舒適性［1］。本文將結合具體工程案例探討同程式水系統在船舶空調中的應用。

1 水系統阻力

在沒有摩擦力的理想狀態下，根據能量守恒原則，流體在管道內流動時，流體的能量是不變的。然而自然界中，任何流體都具有粘性，管道會對流體產生阻力。要使流體在管道內克服阻力向前運動，必定要消耗能量。在實際情況下，流體在管道內的流動能量變化如圖1所示。

流體在管道內從斷面1至斷面2的能量方程式為：

圖1 流體在管道內流動能量變化

式中：E為單位體積流量流體具有的總能量，Pa；Pj1、Pj2為單位體積流量流體具有的壓能，亦稱靜壓，Pa；ρ為流體的密度，kg/m3；v1、v2為流體在斷面上的平均流速，m/s；ρv12/ 2、ρv2

2/ 2為單位體積流量流體具有的動能，亦稱動壓，Pa；g為重力加速度，m/s2；Z1、Z2為單位體積流量流體具有的位能，Pa；H為單位體積流量實際流體從斷面1流向斷面2時，為克服阻力而造成的能量損失。

管路阻力作為管系阻力的一部分，包括管路的摩擦阻力和局部阻力。摩擦阻力計算公式為：

式中：hf為長度為l（m）的直管段的摩擦阻力，Pa；λ為流體與管內壁間的摩擦阻力系數，無因次量；d為管內徑，m；ρ為流體的密度，kg/m3；R為長度為1 m的直管段的摩擦阻力，簡稱比摩阻，Pa/m；v為流體在某斷面上的平均流速，m/s。

局部阻力計算公式為：

式中：hd為管路某局部配件的阻力，Pa；ξ為配件的局部阻力系數，無因次量； ρ為流體的密度，kg/m3；v為流體在某斷面上的平均流速，m/s。

由上述流體在管內流動的能量和阻力計算公式可見，在水系統設計中，水管路的長短、管內水流速的高低以及局部配件的數量等因素，均會直接造成水管系統阻力大小不同。在空調水系統設計中，由于各設備水流量不一、布置不規則且離水泵距離相差懸殊，因此各相互并聯的水管支路之間系統阻力相差可達10倍以上，由此給系統調試和系統正常運行帶來極大的負面影響。

2 空調水系統分類

同程式系統與異程式系統是空調水系統的兩種基本形式［2］。圖2和圖3是典型的異程式水系統與同程式水系統的示意圖，圖中共有6個帶調節功能的末端設備。同程式系統流經各終端設備的水流程相等，而異程式系統則不等。

圖2 典型異程空調水系統

圖3 典型同程空調水系統

同程空調水系統各末端環路的總長度相等，水流阻力較接近，而異程空調水系統各并聯環路的管路總長度不相等，水流阻力不平衡。水系統環路間水流阻力不平衡是導致系統水力穩定性差的一個重要因素，因此異程空調水系統更易導致流量不勻、調試困難、系統運行不穩定，甚至需要在某些并聯支管上安裝流量調節裝置以穩定支管流量。相關研究表明，一般同程式系統的水力穩定性較異程式系統有所改善［3-4］，但典型的同程式空調水系統比異程式系統管路復雜，需增加一根主管。不過，這樣雖然能獲得較好的水力穩定性，卻增大了系統阻力，特別是當空調末端離冷水機組距離較遠時，系統水泵能耗將顯著增加。

如圖4所示是同程空調水系統的一種特殊形式——環形同程空調冷熱媒水系統，兼具管路緊湊和水力穩定的特點，適用于環形的空調區域。環形同程空調水系統比典型的同程空調水系統缺少一根主管，因此系統阻力下降，同時系統水力穩定性也更好［5］。當然，并非所有工程采用同程水系統比異程水系統的水力穩定性更好，每個系統都有各自的適用范圍［6］。

圖4 環形同程空調冷熱媒水系統原理圖

通常，在船舶空調水系統管路設計中，由于空間布局限制以及質量控制的需要，間接式中央空調系統的冷熱媒水管系與合用一套冷卻海水管路的直接蒸發單元空調機冷卻水管系往往選用配置簡單、管材較節省的異程式系統。

然而，某些具有環形空調區域的船型，其閉式中央空調冷熱媒水管采用環形同程式設計，既不增加管路又不多占空間，而且能達到比異程式好得多的效果。

上述空調冷熱媒水系統都是閉式循環，即水自水泵排出，最終又回到水泵。由于大海可以認為是無限大的容器，所以船舶上使用的海水冷卻單元空調機一般采用開式循環，可以從舷側就近將海水排出，而不必返回水泵附近。開式同程空調冷卻水系統如圖5所示。

圖5 開式同程空調冷卻水系統原理圖

下面介紹兩個實例，來說明閉式和開式同程式水管系統在船舶空調中的設計運用。

3 某船同程式中央空調冷熱媒水管系的設計應用

某改進型運載船（類似滾裝船），全船中央空調冷源為兩臺冷水機組，熱源為一臺汽水熱交換器。空調末端設備為間接式空調裝置和風機盤管。詳細設計參數和主要設備配置分別列于表1和下頁表2。

表1 中央空調設計參數

該船主甲板以下有前后貫通的大型裝載艙，裝載艙的兩側有居住和工作艙室，裝載艙的上一層甲板和下一層甲板均有居住及工作艙室，裝載艙不需要空調，周邊的住艙及部分工作艙室需要空調。

該船中央空調冷熱媒水主管的設計充分利用前后貫通的大型裝載艙周圍空調區域程環狀的特點，在裝載艙的頂部形成一個供水環路及一個回水環路，兩個環路內的冷熱媒水均為順時針流動。沿著冷熱媒水流動方向，供水管逐漸變細，而回水管則逐漸變粗。供水以及回水管路布置分別如下頁圖6和圖7所示。

該船空調冷熱媒水系統通過采用上述環形同程管路設計，與原來采用異程管路設計的早期產品相比，既提高了空調舒適性，又降低了系統的調試難度及工作量，且不需要增設管路，從而取得較好的工程經濟效益。

表2 主要空調設備

圖6 某船空調冷熱媒水供水管路布置示意圖

圖7 某船空調冷熱媒水回水管路布置示意圖

4 某船同程式冷卻海水管系的設計應用

在某試驗船的全船空調系統設計中，在后區設有6臺海水源熱泵型單元式空調機，根據船體結構特點，這6臺單元式空調機合用1臺海水冷卻水泵，在海水管系走向的設計中采取了同程式設計。詳細設計參數見表3，管路走向布置見圖8。

表3 單元式空調機設計參數

圖8 某試驗船冷卻水管路布置示意圖

從圖8中可以看到：1號、2號、3號、4號單元式空調機由一路海水管供應海水，5號、6號單元式空調機由另一路海水管供應海水，兩路海水管系分別按同程設計。流經1號、2號、3號、4號單元式空調機的冷卻海水流程長度接近，流經5號、6號單元式空調機的冷卻海水流程長度接近。設計過程中通過控制好兩路海水管各自的管路阻力，使流量達到設備所需（即2∶1）。

經實船使用驗證，該船后區的6臺海水源熱泵型單元式空調機的冷卻水通過簡單調試即可達到水量平衡，而且在使用過程中也未出現明顯流量分配不均現象，能夠很好地滿足設計要求。

5 結 論

同程式系統和異程式系統是兩種基本的空調水管路設計方式。同程式系統水力平衡且穩定性好，異程式系統結構簡單，這兩種系統都有各自適用的場合。

船舶空調系統因空間緊湊、質量敏感等原因大都采用異程式水系統。本文將同程設計應用于兩型船舶空調的冷熱媒水系統和空調機冷卻水系統設計中，取得了較好的實船使用效果。用事實證明，在船舶空調水管路設計中，根據具體情況而采用同程式系統，也能取得非常好的使用效果。

［1］ 由成良.輔助船空調、通風系統的噪聲分析與控制［J］.船舶， 2012（6）： 48-53.

［2］ 潘云鋼. 高層民用建筑空調設計［M］. 北京： 中國建筑工業出版社， 1999： 152～221.

［3］ 秦緒忠，江億. 供暖空調系統的穩定性分析［J］. 暖通空調， 2002， 32（1）： 12-16.

［4］ 張再鵬，陳焰華. 壓差控制對變流量空調水系統水力穩定性的影響［J］. 暖通空調， 2009， 39（6）： 63-66.

［5］ 符永正，蔡亞橋. 異程系統與同程系統的水力穩定性分析和比較［J］. 武漢科技大學學報（自然科學版）， 2006， 29（3）： 289-292.

［6］ 孟憲法，高興，聞豪，等. 空調水系統同程式與異程式選擇依據探討［J］. 建筑科學， 2009， 25（8）： 39-51.

Practical design and application of water system in reverse return air conditioning water system

YOU Cheng-liang
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper analyzes the characteristics of water resistance and the reasons of the hydraulic imbalance in air conditioning system, and compares the advantages and disadvantages of pipeline design for the reverse return and direct return air conditioning water system. Considered the overall layout and the air-conditioning area characteristics of the two ships, a circular reverse return of the chilled (heat) water system and an open reverse return of the cooling water system have been adopted respectively, which obviously improve the hydraulic stability of the system to gain the better air conditioning effect.

reverse return; direct return; ship; air conditioning water system

U664.86

A

1001-9855（2014）03-0056-05

2013-07-08 ；

2013-12-20

由成良（1966-），男，研究員，主要從事船舶空調與制冷技術研究。