客滾船空調系統方案探討

胡崇偉

(青島遠洋國際船舶貿易有限公司，山東 青島 266071)

0 引 言

客滾船是一種人車兩用運輸船，主要用于裝運卡車、小汽車、集裝箱拖車和游客，并為游客提供住宿和娛樂服務，在經濟發達地區的內海、海灣、海峽和沿海島嶼間的短途水運中具有一定的競爭優勢。

近年來，隨著經濟的不斷發展和社會的不斷進步，人們對客滾船的安全性、穩定性、快速性、舒適性、豪華性和裝載車輛大型化提出了更高的要求。目前，國際客滾船運輸主要集中在歐洲的波羅的海、北海、地中海地區、日本列島之間及美國沿海地區。我國的客滾船運輸已形成以渤海灣為中心的渤海灣客滾運輸市場，隨著亞洲區域旅游日益活躍和中韓自貿區建設的推進，將進一步推動中韓航線客貨運事業的發展。

客滾船作為一種人車兩用的特殊船型，其空調系統的設計對乘客的舒適度和節能環保有著重要影響。本文主要圍繞這2個方面對客滾船空調系統的使用要求和技術特點進行闡述,參考的主要標準如下。

1) 舒適度。中國船級社(China Classification Society, CCS)在國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)SOLAS修正案決議的基礎上制定了“舒適度附加標志”的細則，包括COMF(NOISEN)噪聲舒適性附加標志和COMF(VIBN)振動舒適性附加標志,N為舒適度等級1，2，3，其中：1表示舒適度最高等級；3表示可接受舒適度等級。由此可看出，船級社在隨著航運發展的變革,逐步將客滾船舒適度要求標準化、具體化、規范化。

2) 節能環保。我國船舶帶來的大氣污染主要來自于含硫量較高的燃油。按照IMO《防止船舶污染國際公約》的規定，遠洋船舶燃油含硫量最高不超過3.5%，但這已是國產柴油標準含硫量上限0.005%的700倍。內河船舶使用燃油沒有強制性標準。在船舶設計過程中，應合理使用節能減排技術，特別是空調系統作為客滾船上的主要耗能設備之一，更要在設計上加入節能方法。

1 客滾船空調系統方案介紹

目前正在運行的客滾船安裝的空調系統主要有單風管集中式再加熱定風量空調系統、雙風管空調系統、變風量空調系統和獨立盤管空調系統等4種。

1) 單風管集中式再加熱定風量空調系統(見圖1)從空調中央處理機吹出的風量恒定，以提供空調區域所需的冷(暖)氣。當空調區域負荷變動時，通過末端再加熱系統調節送風溫度，以滿足室內溫度的舒適度要求。在該系統中，空調中央處理機接通電源之后以恒定的轉速運行，風量是恒定的，控制簡單；采取空氣集中處理方式，節省空間，便于維護；系統初期投入成本相對較少。

圖1 單風管集中式再加熱定風量空調系統示意

2) 雙風管空調系統主要采用雙風溫布風器實現。雙風溫布風器有2路溫度不同的進風，通過調節2路的通風量對送風溫度進行調節，滿足不同房間的溫度需求。由于雙風管空調系統可單獨調節各艙室的溫度，因此乘客可根據自己的熱體感調節艙室內的溫度。與再加熱定風量系統相比，該方式下的送風溫度雙向可調，溫度可調范圍更廣，使得房間的舒適性大大提高。

①-空調箱；②-送風管；③-風機盤管；④-布風器；⑤-回風口；⑥-回風管

3) 變風量系統主要通過變風量布風器實現。中央空調器提供的送風溫度不變，變風量布風器通過艙室內的溫度對送風量進行調節，滿足不同房間的溫度要求。此外，變風量系統一般會配置末端輔助加熱系統，具有室內熱舒適性良好和空氣潔凈度較高等優點。

4) 獨立盤管系統(見圖2)采用空氣-水系統空調型式，獨立風機盤管既可安裝于艙室衛生單元背部或艙室其他空間，也可安裝于艙室外部區域，使用靈活，可有效利用船上的布置空間。經過新風空調機組處理的風送至風機盤管與回風混合，混合后經過冷媒水盤管或電加熱盤管處理，通過風管送至房間內的布風器。房間內的溫度由安裝的溫度控制器設定。溫度控制器通過控制風機盤管的風量達到控制室內溫度的目的。風機盤管相當于一套變風量子系統。

2 客滾船不同空調系統方案對比

1) 對于全空氣的空調系統，當同一個系統作用于多個房間時，若采用帶再熱功能的定風量系統，無法使每個房間內的溫度都得到控制，只能控制某個主要房間的溫度，或在大多數情況下控制一個綜合的回風溫度。若某個房間的回風溫度低于該綜合回風溫度，可通過再熱系統將其調節至適宜的溫度；若某些房間的回風溫度高于該綜合回風溫度，則無法通過末端再熱系統進行調節。因為再熱定風量系統具有單向調節的特性只能通過降低送風溫度來兼顧絕大多數房間的溫度控制要求，而制冷量和末端再加熱量同時上升會帶來能耗損失。此外，定風量系統按房間最大熱負荷和濕負荷來確定送風量，但在大多數情況下空調房間的負荷低于最大負荷。當實際負荷低于最大負荷時，為維持室溫設計水平，通過再熱合，用額外消耗的熱量抵消部分冷量，形成冷熱能量抵消。當室內負荷不是最大負荷時，送風量大于實際需要量，為輸送多余的風量，風機需多消耗電能。

2) 對于雙風管系統，可根據每個房間設定的溫度實時調節2種不同溫度的空調送風混合比例，達到控制溫度的目的，房間的個性化控制精度是這4種方案中最高的。缺點是每個房間都會存在冷熱風的混合，造成能量損失，在送風量基本不變、部分負荷下，風機能耗依然很大，總的能耗要高于另外幾種方案。

3) 對于變風量系統，在運行過程中隨著室內負荷的變化，能實時調節風機轉速以改變送風量，達到滿足室內熱舒適性要求的目的。同時，系統內不存在冷熱量相互抵消的情況，因此變風量的能耗明顯低于再熱定風量系統和雙風管系統。變風量末端的風量調節會引起系統風量發生變化，進而影響整個系統內其他房間風量控制的精度，因此對變風量布風器的配置要求較高，目前僅有少數幾個廠家生產的變風量布風器能滿足精確的控制要求。

4) 對于獨立盤管系統，通風末端的獨立風機盤管可較好地實現房間的溫度控制，達到與變風量系統相同的舒適度和能耗水平，且集中送風量更小，系統的噪聲更低。缺點是雖然可布置在艙室衛生單元的背部空間或艙室外部區域，但仍對設備的布置空間有較高要求。同時，需供給末端冷媒水，艙室需設置冷媒水管道，需船廠具有較高的施工工藝以避免產生凝水，是4種方案中最復雜的。

綜上所述，4種方案按溫度控制水平排序是雙風管系統>獨立盤管系統=變風量系統>再熱定風量系統；按照系統的節能水平排序是獨立盤管系統=變風量系統>再熱定風量系統>雙風管系統；按噪聲控制水平排序是獨立盤管系統>變風量系統>再熱定風量系統>雙風管系統；綜合考慮系統復雜性、安裝空間要求和設備價格，按初始成本投入排序是再熱定風量系統<變風量系統<雙風管系統<獨立盤管系統。

3 變風量空調系統的應用

根據上述方案對比，綜合空調系統的溫度控制水平、節能要求、噪聲控制和初始成本投入，變風量系統是現階段最適宜客滾船空調系統采用的方案，是目前國外客滾船空調系統的主流選擇。本文選取變風量系統和目前國內客滾船最常用的再熱定風量系統進行分析比較。

變風量空調系統是通過改變室內的送風量來對室內的溫度進行調節的全空氣空調系統，其送風狀態保持不變。定風量空調系統是通過控制風量來保證空調區域溫度和濕度要求的空調系統，具有單個區域控制能力強、局部區域運行靈活性和節能性好等優點。

空調系統全年大部分時間都是在部分負荷下運行的，而變風量空調系統可根據空調負荷的變化和室內參數的要求，通過改變送風量來調節室內的溫度。在自動控制系統的控制下，空調和制冷設備都只按實際負荷需要運行，因此可大幅度降低送風風機的動力耗能和運行費用，大大節約冷量。根據風機的風量與功率之間的關系，當送風量減少時，風機的功率大大下降。有關研究結果表明，與定風量空調系統相比，變風量空調系統的全年空氣系統輸送能耗一般可節約1/3。

對于定風量空調系統與變風量空調系統在耗能方面的差別，以某正在研制的最新客滾船的某中央空調的計算結果為例進行說明。該船的室內設計溫度為24 ℃@50%RH，室外設計溫度為35 ℃@80%RH，人均新風量為30 m3/h，最小新風比為50%。在夏季工況下，每個艙室的空調送風量計算結果見表1。

該中央空調器為36個房間提供服務，其中有20個雙人靠舷側外艙，并有16個四人內艙。根據熱負荷計算：雙人外艙因有較大的飄窗，每個艙室的熱負荷為1 100 W；四人內艙每個艙室的熱負荷為400 W。

在設計條件下，在常規的定風量系統中，不考慮管路損失，將送風溫度控制在14 ℃，每個雙人外艙為保證帶走1 100 W的熱量，計算送風量為330 m3/h。在四人內艙中，為保證同時滿足熱負荷要求和人均新風量要求，送風量必須是240 m3/h，而240 m3/h的14 ℃空氣送入艙室會造成艙室內的溫度過低，因此在該系統設計下，內艙需打開電加熱以提高送風溫度，每個房間需500 W的電加熱。由此，在定風量系統中，這層系統配置需包括1臺空氣處理單元，送風量為10 440 m3/h，制冷量為142 kW。此外，還需配備16個500 W的電加熱裝置。這些制冷能耗和風機能耗及電加熱能耗是固定不變的。

在同樣的設計條件下采用變風量系統，若在實際航行中外艙有1/2處于太陽陰面，則陰面的熱量會大大降低，經過計算將變為650 W，送風量只需195 m3/h。僅這一個變化就可減小空氣處理單元1 350 m3/h的送風量，制冷量會相應減少19 kW。在部分負荷工況下，所有靠舷邊艙室的送風量可低至170 m3/h，只需滿足最低換氣次數要求即可，中央空調器的總送風可減少3 200 m3/h，制冷量會減少44 kW。圖3為變風量空調系統靜壓控制原理圖。

圖3 變風量空調系統靜壓控制原理圖

若在設計船舶通風系統時能將變風量系統接入互聯網控制，使其能自動識別艙內的情況并控制變風量末端，則將進一步降低不必要的空調能耗。若系統除了檢測到外艙都有乘員，但有1/2是陰面艙室以外，還檢測到內艙有16個房間沒有乘員，則送風量只要保證與廁所抽風量平衡即可，一個艙室為72 m3/h，送風量隨之降低2 688 m3/h，制冷量也會降至86 kW。

綜上所述，變風量系統實際上是一個可借助互聯網技術為各艙室提供個性化溫控需求并節省能耗的空調系統。隨著相關領域的不斷發展，空調系統會變得更加靈活、舒適、節能。

4 結 語

本文介紹了客滾船常見的幾種空調系統方案，分析比較了這些方案在溫度控制、節能水平、噪聲控制和初始成本投入等方面的表現，重點選取了變風量系統和目前國內客滾船最常用的再熱定風量系統進行比較。結果表明，變風量系統的應用可有效提高艙室溫度控制水平和節能水平，在客滾船上擁有廣闊的應用前景，有助于空調系統節能減排理念在大型船舶上進一步實踐。