基于溶液除濕的船舶節能空調裝置

李 峰，許光映

(浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022)

近年來，船舶所引起的能耗和環境污染問題逐漸引起人們的注意。國際海事組織在會議上通過了修正案，促使業界必須考慮綠色船舶的發展。綠色船舶是綠色環保、技術先進、安全適居、經濟最優的新型現代船舶。

船舶空調是船舶上的主要用電設備之一，其耗能占整個電網的20%左右[1]，能耗大且浪費嚴重。空調表冷器經常處于潮濕狀態，給霉菌生長提供機會，造成送風空氣品質變差。由于船舶受到航海海域、外界溫度、船速以及太陽輻射等因素影響，艙室內的熱濕比變化范圍較大，進而船用空調降低對濕度的要求，僅滿足溫度的需要，導致送風的品質差。最后，制冷劑R22(含有氯元素)和大量碳排放會破壞生態環境。因此，船舶空調的節能和室內空氣品質的提高是綠色船舶空調面臨的2個重要挑戰。

1 現有船舶空調及其用能模式

目前，船舶上使用的空調大部分采用半集中式空調系統，半集中式空調系統結構示意圖見圖1，該系統包含制冷機組、表冷器、風機、風機盤管及其他附件。其工作原理是：制冷機組制取冷水(7 ℃)，冷水中的一部分提供給表冷器處理室外新風，另一部分提供給艙內的風機盤管對室內進行降溫除濕。處理完室外新風和室內回風的冷水，最后又回到制冷機組中。從半集中式空調的空氣處理方案來說，傳統設計中夏季的空氣處理焓濕圖如圖2所示，處理過程為：室外新風W通過表冷器處理到室內空氣的焓值線hN上，室內回風N通過風機盤管降溫除濕到空氣L，空氣L和處理后的新風A在艙室內混合到送風狀態O。

圖1 半集中式空調系統結構示意圖

圖2 傳統設計中夏季空氣處理焓濕圖

半集中式空調機組最大的耗電設備是制冷機組，制冷機組采用蒸汽壓縮式制冷循環系統，這種循環系統主要由壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器4大件組成。蒸汽壓縮式制冷系統循環可概括為壓縮過程、冷凝過程、節流過程和蒸發過程，蒸汽壓縮式制冷循環示意圖如圖3所示。

圖3 蒸汽壓縮式制冷循環示意圖

1)蒸發過程(4→1)。低溫低壓的液體制冷劑從冷庫中以汽化潛熱方式吸收熱量冷卻后，變成低溫低壓的制冷劑蒸汽。

2)壓縮過程(1→2)。從蒸發器出來的制冷劑蒸汽被壓縮機吸入并被壓縮成高壓氣體。在壓縮過程中，制冷劑蒸汽的溫度有所升高，制冷劑蒸汽呈過熱狀態。

3)冷凝過程(2→3)。從制冷壓縮機排出的高溫高壓過熱的制冷劑蒸汽，進入冷凝器后受到冷卻物的冷卻變成液體。

4)節流過程(3→4)。從冷凝器出來的制冷劑液體經過降壓設備減壓到蒸汽壓力，溫度下降到蒸發溫度。

根據制冷原理，要想減少壓縮機功耗，最主要的途徑就是提高蒸發溫度和降低冷凝溫度，而目前制冷系統的蒸發溫度是由空調載冷劑的水溫確定的。冷水機組提供的水溫大約在7 ℃，而夏季艙內溫度在26 ℃左右，冷水機組提供的冷水用于冷卻室內外空氣和處理顯熱負荷，實際上無需7 ℃冷水，之所以使用7 ℃的冷水主要是用于風機盤管冷凝除濕。目前空調表冷器和室內風機盤管的工作方式都是耦合式冷凝除濕方式，即冷水機組制取的冷水溫度要低于風機盤管冷凝除濕所需要的溫度，空調標準中，舒適工況對應的冷凝溫度是16 ℃左右，考慮到風機盤管和蒸汽發生器的傳熱溫差，因此蒸發器制取水溫在7 ℃。綜上所述，將降溫和除濕分開處理是降低冷水機組能耗的有效途徑。

目前這種空調耗能主要是消耗柴油發電機產生的電能。以舟山渡輪為例，渡輪載客量約200人，由居住艙室和公共艙室組成。居住艙室要求換氣次數6次/小時，公共艙室要求換氣次數8次/小時，室外環境為35 ℃，相對濕度70%，艙內設計溫度為27 ℃，相對濕度為50%。總負荷的計算分為各個艙室的負荷，各個艙室的負荷是由圍護結構傳熱負荷、人體負荷、機器負荷、換氣負荷等組成，圍護結構傳熱負荷和換氣負荷可以用公式計算。根據設計規范，人體負荷可按顯熱50 瓦/人，潛熱63 瓦/人計算。設備負荷按銘牌標注計算。夏季降溫空調總負荷為174.24 kW。船用分體空調制冷工況的空調能效比(COP)值在5.4左右時,每小時輸入32.27 kW的電能，產生174.24 kW制冷量。柴油發電機組的轉化效率約為31%，1升柴油能產生3.065 kW·h電量，即產生32.27 kW·h的電量需要10.53 L柴油。

2 熱、濕獨立處理的空調方案

空調熱負荷包括顯熱負荷和潛熱負荷，室內顯熱負荷是對室內26 ℃空氣降溫引起的負荷，其潛熱負荷是對室內除濕引起的負荷。新風處理過程同樣也包含顯熱負荷和潛熱負荷。新風處理顯熱負荷時，不必使用7 ℃左右的冷水，可以將冷水的溫度提高到18 ℃左右；制冷機組提供18 ℃的高溫冷水，其蒸發溫度可以提高到13 ℃，而提供7 ℃冷水的制冷系統蒸發溫度一般是2 ℃，顯然蒸發溫度為13 ℃機組能效比高于蒸發溫度為2 ℃的制冷機組。參考上一節案例，如果對于顯熱負荷采用高溫冷水處理的話，根據文獻[2],蒸發溫度每提高1 ℃，COP升高4.4%，則提供18 ℃水的制冷機組COP為8.07。假設制冷機組的COP提高近似50%的話，前面舉例的油耗將減少一半，壓縮式制冷可以繼續作為制冷方法。

對于船舶空調能耗包括熱負荷和濕負荷，降低顯熱能耗可以采用高溫冷水，高溫冷水可以通過電動壓縮制冷方法解決，也可以通過船舶余熱結合吸收式機組技術方案。處理潛熱負荷(空氣中水分)可以采用液體吸收、固體吸附等方法。因此利用船舶主機和發電機的余熱可以通過制取高溫冷水和溶液再生方案來處理顯熱負荷和潛熱負荷。結合當今環境，船舶自身產生的廢熱越來越多，在船舶空調領域得到重視，特別是在船舶行業IMO法規實施和船運市場不景氣的雙重壓力下，節能減排必將日益受到船舶所有人的持續關注,范昌明[3]提出利用船舶主機和發電機余熱用于船舶供熱，有效解決燃煤鍋爐和電加熱冷媒水的傳統方式存在的不足。也有學者提出利用廢熱來處理降溫和除濕。如朱軍[4]等研究轉輪除濕空調對系統的熱、濕負荷進行分開單獨處理，除濕轉輪對空氣除濕，中冷器和輔助制冷機對空氣降溫。張小松[5]等結合船舶自身能耗，提出了船舶余熱梯級驅動的溶液除濕空調，利用溶液除濕器對空氣進行除濕，海水和露點蒸發冷卻器對空氣二次降溫。趙晨旭[6]提出了轉輪除濕系統將空氣的濕負荷轉變為顯熱負荷，在通過船舶廢熱驅動噴射制冷系統處理顯熱負荷。這些研究都是基于全空氣船舶空調系統進行設計的，且制冷方法或是蒸汽壓縮式制冷[7]，或是水蒸發式制冷[8]，這些工作為船舶空調的進一步研究奠定了基礎。本文在此基礎上提出利用余熱吸收制冷制取高溫18 ℃冷卻水，和溶液除濕相結合為船舶艙室提供溫度和濕度獨立調節的空調系統。

3 船舶除濕節能空調

新型船舶除濕節能空調裝置如圖4所示，技術路徑是利用船舶柴油機的尾氣熱能制取高溫冷水，處理顯熱負荷；同時利用缸套冷卻水余熱作為溶液再生能耗，處理新風濕負荷，為艙室提供干燥清新的空氣。空調裝置主要分為制冷水系統和新風除濕系統，其連接方式如圖4。

1-第一空冷器；2-溶液冷卻器；3-溶液槽；4-第一溶液泵；5-空氣管道；6-第二空冷器；7-艙室；8-盤管冷卻器；9-溴化鋰吸收式制冷機組；10-除濕器；11-第二溶液泵;12-余熱加熱器；13-再生器圖4 新型船舶除濕節能空調裝置

制冷水系統分為3個回路。溴化鋰吸收式制冷機組吸收余熱制取冷水，3個回路同時從制冷機的一個管路出發。第一根管路通入除濕器，用于吸收的氯化鋰溶液吸收水蒸氣產生的熱量。第二根管路通入第二空冷器，給干燥后的空氣二次降溫。第三根管道通入艙內的盤管冷卻器，達到給室內的混合空氣降溫的目的，最后三根管道匯集后回到制冷機組形成閉合回路。

新風除濕系統分為2個環路：除濕環路和再生環路，2個環路在溶液槽處交匯。溶液槽具有分隔溶液的功能，使除濕環路的第一溶液泵能從溶液槽中抽取濃度較高的溶液，通入除濕器頂部的布液管，由布液管上的噴嘴噴出，溶液吸收空氣中的水蒸氣后濃度降低，同時除濕器內的冷卻盤管會將除濕過程放出的熱量帶走，稀溶液由重力作用流回溶液槽[9]。再生環路的第二溶液泵則從溶液交換器抽取濃度較低的溶液，通入余熱加熱器將稀溶液加熱，余熱加熱器中的熱源可來自主機缸套冷卻水，出口處溫度80～90 ℃，可以有效地利用廢棄熱能。在再生器內，室內回風與被加熱的溶液直接接觸，進行熱量和質量的交換，空氣被加熱加濕后直接排出。再生的濃溶液，靠重力作用流回溶液槽，同時被海水冷卻器冷卻，完成再生過程，這樣持續不斷的吸收空氣中的水蒸氣。

該空調裝置的空氣處理方案如圖5所示，新風35 ℃(W點)進入空調系統，首先通過第一空冷器(海水溫度25～30 ℃)進行初次降溫，溫度降至33 ℃。這是一個等濕冷卻的過程，即圖5中W→A部分。初次降溫的空氣再通過除濕器進行除濕，空氣直接與溶液接觸，濃溶液將空氣中的水蒸氣帶走后變成了稀溶液，空氣除濕過程伴隨高溫冷水降溫，保持除濕空氣溫度不變。這是一個等溫除濕的過程，即圖5中A→B過程。除濕后的空氣又通過第二空冷器(制冷機組產生18 ℃冷水)冷卻至25 ℃，這又是一個等濕冷卻的過程。干燥后的新風與室內空氣混合后，空氣的溫度不變，混合后的空氣濕度增加，即圖中C→N的過程。C點空氣吹入艙室內，處理室內潛熱負荷。顯熱負荷由室內干式風機盤管承擔，即N→L過程。

圖5 設計空氣處理方案

新風送風量Vx為：

(1)

式中，m為室內需除濕水分質量；ρa為空氣密度；dN、dC分別為N、C點的含濕量。

風機盤管送風量為：

(2)

式中,Qx為室內顯熱負荷；cp為室內空氣質量定壓比熱容；tN、tL分別為N、L點的溫度。

在該系統中，船舶柴油機氣缸冷卻水(出口溫度85 ℃左右)主要用于余熱加熱器，對除濕后的稀溶液加熱，在再生器中除去其中的水分，形成溶液除濕循環。發動機尾氣余熱主要用作溴化鋰吸收式制冷機組的發生器熱源，制取高溫冷水。普通船用空調除濕方式是先將表冷器的溫度降到室內空氣露點溫度17 ℃以下，用冷凝的方法去除空氣中的水蒸氣。與這種系統相比，除濕后的空氣溫度低，相對濕度大，影響人的舒適度。該空調系統實現對濕負荷和熱負荷獨立處理，對艙室濕度和溫度獨立控制，提高送風品質、節能環保，符合綠色船舶的發展理念。同時新風經過溶液除濕后可以對空氣殺菌和消毒，提高室內衛生水平。最后，該系統減少燃油消耗，避免更多的二氧化硫等污染氣體的排放，從而達到節能減排的目的。

綜上所述，該空調裝置合理利用船舶自身的主機和發電機余熱資源，為綠色船舶的進一步發展奠定了基礎。