某標準型48 000 t散貨船空冷通專業電力負荷分析

張俊杰

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

船舶電站的配置一直是設計工作中的重點難點。在設計初期各專業能準確給出本專業設備的電力負荷可以很好地幫助電氣專業進行電站選型。空冷通專業設備負荷在整船負荷中占了很大一部分。為更好地分析研究空冷通專業的設備負荷，以我院某標準型48 000 t散貨船為例，詳細分析此船的空冷通設備的電力負荷狀況，并以此船型為標準，供后續船或其他船型設計提供參考。

1 空調系統設備配置

1.1 概 述

本船空調系統將是集中供冷和集中供暖的中壓、單風管中央空調系統。并為下列處所服務：

（1）居住處所、公共處所、航海和控制處所為空調處所。

（2）駕駛室、報務室、廚房、配餐間、洗衣室、更衣室、海關儲藏室和干糧庫為空調局部冷卻/采暖處所。

（3）除病室、吸煙室外，空調處所的空調風經空調房間門下方的百葉柵流入走道。部分空調風經艙室抽風系統排至戶外；部分空調風經回風管系回流至空調器，并與新風混合，經空氣處理后形成空調風，由送風管及布風器送入空調房間。

（4）按SOLAS有關規定，廚房設置一套獨立的廚房空調裝置。

（5）機艙集控室設置一臺柜式空調機。

1.2 空調設計條件

空調系統的設計參數的取值適用于無限航區船舶。對于有限航區船舶，按各航區有關規定確定，并原則上遵循該船航行海域的海洋氣象資料。本船的外部環境參數取值如表1所示。

表1 外部環境參數

駕駛室/海圖室、廚房、配餐間等均采用局部冷卻或加熱，該類區域的溫度、濕度不作考核。夏季和冬季的空調系統新風比均約為50%，過渡季節則接近100%新風。人均最小新風量可根據ISO要求，私人房間為30 m3/h·人，公共艙室為17 m3/h·人。

1.3 空調負荷計算

全船中央空調負荷的計算按照ISO 7547-2002標準（GB/T 13409-92相等同）進行計算，并采用單位面積熱負荷法進行校核計算。

1.3.1 空調負荷計算說明

本船空調負荷計算按照ISO 7547-2002標準執行。每個艙室的風量從以下四個方面進行計算，最終取最大值：

（1）按夏季艙內得熱量計算風量；

（2）按冬季艙內熱損失計算風量；

（3）按新風量計算風量；

（4）按換氣次數要求計算風量。

根據目前標準船型的總圖，按照ISO 7547-2002標準風量計算所得結果如下：

A. 夏季

1）送風量 14 500 m3/h

2）冷卻負荷 210 kW

B. 冬季

1）送風量 14 500 m3/h

2）加熱蒸汽量 1 290 kg/h

3）加濕量 161.17 kg/h

1.3.2 空調柜機冷卻能量的確定

船舶機艙集控室的空調柜機的冷卻能量的計算參照CB/T 3773-1996 （等同于ISO 8862-1987標準），船舶駕駛室的空調柜機的冷卻能量的計算參照CB/T 3774-1996 （等同于ISO 8864-1987標準），船舶廚房的空調柜機的冷卻能量的計算參照ISO 9943-1991。

本船空調柜機的計算結果如表2所示。

表2 空調柜機計算結果

1.4 空調設備選型

根據目前船舶空調的常規配置，中央空調壓縮冷凝機組采用2×50%能量配置，中央空調器采用1×100%能量配置。壓縮機的COP值可按近似值3進行取值。

空調冷藏設備的冷卻水量關系到冷卻水泵的配置，對電力負荷也有一定的影響。目前對于冷卻水量的計算在設備未定前，一般是按照冷凝器排熱量來估算的，冷凝器的排熱量可以根據壓縮機冷凝機組的制冷量乘以1.2倍的排熱系數來估算，計算冷卻水量時，冷卻水溫升也是影響比較大的參數。按一般設計手冊要求，冷卻水溫升一般取4℃，但由于在設備訂貨過程中，各設備供應商由于設備配置情況不同，冷卻水溫升取值也不同，造成冷卻水量的選取值不一致。

根據目前主要設備供應商以往的資料，我們認為冷卻水溫升的取值范圍可以取在3.5～4.5范圍之間比較合理，在基本設計時可以按此估算冷卻水量。按COP為3估算，本船的空調電負荷約為100 kW。

2 機械通風系統設備配置

2.1 概 述

每個通風系統的風量根據艙室容積以及換氣次數來確定。通風系統分組和風機數量等根據最終艙室布置進行調整。

2.2 風量的計算

系統通風量的計算遵循下列原則：

（1）按照艙室換氣次數來確定艙室通風量；

（2）對于設備散熱量較大的房間，需根據房間的最大熱負荷和允許的最大溫升來計算艙室通風量。

根據計算取大值來確定艙室最終的送風量，對于有空調送風的艙室還需要考慮中央空調系統的風量平衡等因素。

2.3 風機設備的選型

本船的風機選型參照國產風機型號，由于國產風機和進口風機在風機效率上有一些差別，因此選用進口風機時，電機配用功率通常小于國產風機。

按國產風機選型，本船風機的總功率為14 kW。

3 伙食冷藏系統設備配置

3.1 概 述

伙食冷庫主要由肉庫、魚庫、蔬菜庫等組成，其相應庫容及庫溫如表3所示。

表3 伙食冷庫主要組成部分

3.2 伙食冷庫負荷計算

伙食冷庫的設計條件和計算結果見表4。

表4 不同工況下伙食冷庫的負荷計算結果W

一套制冷機組應能在36℃冷卻淡水、35℃外界空氣溫度條件下，每天運轉18 h可保證上述的庫溫要求；另有一套機組作為備用。機組每天平均運行18 h。

根據上述計算結果，選用壓縮機單臺制冷量為：4×1.1≈4.4 kW。

3.3 伙食冷藏壓縮冷凝機組及冷風機的選型

根據壓縮機的制冷量選擇Bitzer壓縮機4T.2Y，軸功率為3.21 kW，冷風機總功率為5.3 kW。

4 空調冷藏專業設備電力負荷狀況分析

作為設計人員，通常基于負荷的計算結果，并據此結合設備特性，選用恰當的設備。因此，較為準確地計算整船的負荷對于選用合適設備進而給出準確的電力負荷而言至關重要。下面分別從中央空調設備（主要包括空調壓縮冷凝機組和冷水機組、空調箱和空調柜機等）、風機以及伙食冷藏裝置（主要包括伙食冷藏壓縮冷凝機組和冷風機等）等三個主要方面對用電負荷進行分析。

4.1 從空調系統設計角度

作為空調系統設計基礎的外界環境參數，一般根據ISO標準和船東要求，以極端氣候條件進行計算，但在實船航行中，這種極端氣候條件出現的幾率并不高。此外，就夏季工況而言，與陸用建筑朝向固定不同，由于船舶航行導致的朝向不確定性，各艙室均以最不利條件確定空調負荷，空調系統根據這些最大負荷的累加確定設備參數。但即便在最不利環境條件下，在任何時刻，當部分艙室處于不利的朝向（日曬面）時，必然有部分艙室處于部分負荷狀態（處于日陰面）。因此，即使船舶航行在設計工況下，空調系統所需的制冷量也小于系統實際配備的制冷量。

4.2 從風機設備選用角度

機械通風系統要保證船上除中央空調區域外所有艙室的通風換氣要求，船上的風機基本上一直運行。單臺風機功率雖不大，但由于風機數量多，所以總電力負荷也較大。在風機設備的選用上除非船東明確要求，船廠大多從成本考慮選用國產風機，而目前國產風機的效率普遍低于進口風機，所以選用國產風機的電力負荷大大超過進口風機。因此，如果要較好地控制整船的電力負荷，船東不應忽視風機這一相對不起眼的設備，選用高效率的風機可以使整船用電功率減小不少。

4.3 從伙食冷藏系統設計角度

伙食冷藏系統在海上運行時屬于間歇運轉系統，由于伙食冷藏系統一般配置2套壓縮冷凝機組（1用1備），在碼頭進貨初期，由于需要快速將貨品溫度降低，故可能2套機組同時運行，此時的設備負荷最大。對于庫品的進貨溫度（尤其是低溫庫），設計手冊上給的是-10℃，但在很多實際情況中，船東進貨往往買的是新鮮貨品，因此在負荷計算的時候應特別注意。進貨溫度的不同對于設備的容量又有著較大影響，同時也影響了設備的選型，從而影響電負荷。海上航行階段由于處于維持工況下，設備負荷很小，而且1套機組是停機的，只有1套機組間歇運行維持冷庫的庫溫。需要說明的是，當冷風機結霜嚴重時需要進行電加熱除霜，此時除霜的電加熱功率比較大，并且可能超過1臺壓縮機運行時的設備電負荷。

5 結 論

綜上所述，由于空調系統大部分時間都是處于部分負荷運行狀態，因此在系統設計時不宜過多考慮設備負荷余量，在設備選型時應盡可能選用能效比（COP）高的壓縮冷凝機組，這樣可以有效降低海上設備運行時的電力負荷，提高設備運行效率，達到降低空調系統能耗，節省能源的目的。

機械通風系統中，對高效率風機的選擇，則能大大減小電力負荷，但在選型時仍應考慮成本，合理選擇風機。而冷藏系統在船舶航行狀態中絕大多數情況下負小，負荷的變化也較為穩定，故設計時也不宜過多考慮設備負荷余量，選擇能效比（COP）較高的壓縮冷凝機組，并在船舶運行時注意系統的工作狀態，提高設備運行效率，達到節能目的。

HVAC系統電力負荷在整船中占較大比例，做好HVAC系統的設備選型對于電站的配置有很重要的作用。在提倡節能環保的今天，如何更妥善合理地選用HVAC設備，達到節電節能，對于設計人員而言，將是一個永久的課題。

［1］ 中國船舶工業集團公司.船舶設計實用手冊：輪機分冊［M］.北京：國防工業出版社，2013：646-681.

［2］ 中國船舶工業集團公司.船舶設計實用手冊：電氣分冊［M］.北京：國防工業出版社，2013：27-54.

［3］ 王靜靜. 某船舶中央空調負荷的確定［J］.工程建設與設計，2016（7）：59-60.

［4］ 李崇，李亞文. 船舶空調系統的節能設計［J］.工程建設與設計，2016（7）：77.