船用空調系統節能設計研究

石蘊玉，于 沁，吳 駿

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著全球經濟的不斷發展以及環境保護問題的日益嚴峻，船舶、航運及海洋工程都逐漸開始以綠色環保為理念。綠色造船就是這樣大環境下出現的一個綜合考慮環境影響和資源利用效率的現代造船理念，綠色船舶就是“綠色環保、節能減排、安全適居”的新型現代船舶[1]。船舶作為一個大系統產品，涉及的組成系統很多，空調系統則為其中之一，因此適用于綠色船舶的環境協調性、技術先進性和經濟性[2]的這3個要素對船用空調系統的設計具有不可忽視的準繩作用。

本文研究的 18 000 m3挖泥船項目的生活區空調系統設計是基于上述的理念和要素展開設計分析。

1 空調系統設計工況要求

本項目入級BV船級社，需要滿足的船級符號中和空調系統相關的則有 COMF-VIB3、COMF-NOISE 3等，其對空調系統設計提出的環境溫濕度要求及換氣次數參見表1和表2，從中不難看出船東對于空調系統的溫度及舒適度有較高的要求。根據表2中要求的換氣次數結合對應房間容積計算，得出空調器的送風量需要24 800 m3/h。

基于計算得到的送風量，考慮船東對艙室的溫度要求，判斷出本項目的空調系統需要較大的制冷/熱負荷，將會對船廠未來設備采購成本、設備布置造成不良的影響。

2 空調系統設計方案選定及負荷對比分析

為了解決這一問題，從綠色船舶的節能減排角度出發考慮，本項目在目前已有的全新風轉輪能量回收空調的基礎之上進一步優化提出并采用了一種新的空調系統設計方案（下文簡稱：新方案），即采用空調系統回風與轉輪結合的空調設計方案，將原來當做廢氣排外部分通過轉輪進行能量回收給新風預熱/預冷，并同傳統的定風量空調系統和常規全新風轉輪空調系統的負荷能耗進行了具體的研究分析。

表1 空調系統溫濕度要求

表2 空調系統溫濕度要求

2.1 新方案負荷計算

新的空調系統設計思路是將傳統方案中作為廢氣排外的那一部分（如衛生間廁所排風），作為預冷/熱空氣，通過能量回收轉輪與空調新風先進行熱交換后，再排到室外；經過預冷/預熱之后的新風與同比例的50%回風再進行混合完成系統循環，典型系統流程圖見圖1。

新方案中作為給新風進行預冷/預熱源的廢氣則主要選用除去病房排氣、洗衣間排氣之外的部分作為氣源，以避免病房氣體中的細菌污染轉輪及洗衣間排氣中所含的纖維阻塞轉輪，經計算得出此部分氣源風量為11 513 m3/h。另外，參與回風循環的風量以及大氣壓力值的選定均與傳統方案中的參數一致，根據環境溫度對冷、熱負荷分別進行計算。

圖1 新空調系統設計方案原理簡圖

夏季制冷負荷計算：新風狀態點為 45℃、60%RH；回風與排氣的狀態點均為22.5℃、50%RH。本項目新風量與總風量之比為50%，依據公式結合焓濕圖（i-d）得到新風經能量轉輪被排氣預冷之后的狀態點為30.7℃、73.5%RH；之后同樣依據公式結合焓濕圖，得出此部分預冷之后的新風在空調的混合箱內與回風混合后的狀態點為26.65℃、65.47%RH；同傳統方案相比，設計送風溫差為10 K，則空調器出口溫度為12.5℃，最終通過計算得到新方案的制冷負荷為～268 kW。

冬季熱負荷計算：新風狀態點為?20℃；回風與排氣的狀態點均為 20℃、50%RH；分析過程同冷負荷計算，得新風預熱之后的狀態點為 5.4℃、65.6%RH；送風溫差同樣取10 K即空調出口送風溫度為30℃，通過計算得到所需制熱負荷為：～164 kW。

2.2 傳統定風量空調方案負荷計算

目前大部分船舶的空調系統多采用定風量中央空調系統，即利用空調器對新風、回風進行過濾及混合并進行降溫、除濕、加熱、加濕等處理后，通過風管系統和末端布風器送到各艙室，對相關艙室進行空調完成系統循環，典型系統流程見圖1。

傳統的空調系統中參與循環的回風量通常為空調系統總風量的50%。對于本項目則參與回風的風量為12 400 m3/h，同時大氣壓力值選擇95 kPa，根據環境溫度對冷、熱負荷分別進行計算[3]。

圖2 傳統定風量空調系統原理簡圖

夏季制冷負荷計算：新風狀態點為 45℃、60%RH；回風狀態點為 22.5℃、50%RH。本項目新風量與總風量之比為50%，依據公式結合焓濕圖（i-d）得到新風、回風混合后的狀態點為34℃、67.59%RH。空調系統在設計過程中為了保證艙室內的設計溫度，因此空調器出口的狀態點溫度均小于設計溫度，本項目設計此溫差為10 K，則本項目空調器出口溫度為12.5℃，最終通過計算得到制冷負荷為～439 kW。

冬季熱負荷計算：新風狀態點為?20℃；回風狀態點為20℃、50%RH；送風溫差同樣取10 K即空調出口送風溫度為30℃，通過計算得到所需制熱負荷為：～240 kW。

2.3 常規全新風轉輪空調方案負荷分析

目前行業內常用的全新風轉輪空調系統的設計方案是：將傳統定風量空調的的回風部分不參與系統再循環，而是通過能量回收轉輪與新風進行能量交換，空調變為 100%全新風，衛生處所的排風仍然直接排到室外。對于本項目來說若采用全新風轉輪空調，則通過轉輪參與能量回收的風量與新風比為1∶2，即回風量為12 400 m3/h，而新風量則為24 800 m3/h。

通過對比2.1節中新方案的負荷計算分析，可以很容易得知常規的全新風轉輪空調方案在降低負荷消耗的效果方面不如新方案，甚至不如傳統的定風量空調系統。其優勢性僅體現在系統的送風質量上。

3 方案節能效果對比分析

通過前面對不同設計方案的負荷計算可以直接看出在降低空調系統負荷方面，新方案比傳統方案節省制冷負荷～171 kW，節約制熱負荷～76 kW，更是遠遠優于常規全新風轉輪空調系統方案。因此基于節省的負荷情況對于新方案和傳統方案做了進一步分析，全新風轉輪空調系統方案被排除。

圖3 常規全新風空調系統設計方案原理簡圖

3.1 設備方面影響分析

對于空調器方面：傳統設計方案因所需要的制冷負荷、制熱負荷近乎是新方案所需負荷的一倍，傳統方案的空調器內部所需要的制冷、制熱盤管數量也將多于新方案，所以傳統空調器的制冷段和制熱段的尺寸將會大于新方案；而新方案雖然是在負荷需求方面優于傳統方案，但是由于新方案增加了能量回收轉輪段以便于回收利用排氣進行新風的預冷/預熱，因此新方案的空調器在設備高度將高于傳統方案，且設備的風管也因此比傳統方案多了兩路風管，見圖1。

對于制冷機組方面：由于新方案的制冷量比傳統方案的制冷量節省了～171 kW，直接使冷水機組的制冷負荷降低171 kW，因此新方案系統中所使用的冷水機組將比傳統空調系統方案中的機組降檔，冷水機組的外形尺寸、耗電量、制冷劑使用量等都相應減小。

3.2 制冷、制熱管路系統方面影響分析

新方案較傳統空調設計方案節省的負荷，在制冷、制熱的水系統管路中的影響根據下方公式分析得出節約的水流量情況。

式中：Q為熱量，J或kW；C為水的比熱容，4.2×103J/kg.℃；ρ為水的密度，1.0×103kg/m3；V為水的體積或流量，m3或m3/s；ΔT為空調器制冷/加熱水進出口溫差，℃。

制冷水系統：節約的能量為171 kW，而空調器冷媒水進出口的設計溫差為 6℃，根據上面的公式得出節約的水流量為0.006 78 m3/s，即24.43 m3/h。

制熱水系統：節約的能量為76 kW，而空調器冷媒水進出口的設計溫差為20℃，根據上面的公式得出節約的水流量為0.000 9 m3/s，即3.26 m3/h。

3.3 分析結論

通過對新方案與傳統方案之間以相同的空調系統設計工況要求下的負荷計算結果為切入點，對空調系統的設備、管路進行了詳細分析，可以看出新方案對空調系統的節能減排、綠色環保方面具有很明顯的效果，當然在建造成本方面也節省了很多。

另外需要注意的是，根據海上勞工組織（MLC）要求，衛生處所排風需要獨立排到室外。因此在選用這種新方案時，需要和船東、船檢做好提前溝通，并且要求設備商確保轉輪的密性以避免衛生處所排風泄漏與新風混合造成污染。

4 結論

船用空調系統作為現代船舶必備的系統之一，極大的改善了船舶的內部環境，提高了船舶工作人員和旅客的生活環境，但是其在制冷、制熱工況下的能耗也是巨大的。隨著各界對航運業的清潔環保、綠色船舶理念的日益重視，對船用空調系統的節能減排技術的研究與應用則是十分必要的。以我司建造項目的空調系統實際應用為例，通過本文對這種新的船用空調系統的設計方案的介紹以及同傳統設計方案的節能減排效果對比，希望可以對船用空調系統的綠色節能設計提供一種新的考慮思路。