基于防病毒需求的中央空調全新風節能設計

徐 謙，崔寶明，陳陵湘，郭 歆，姬佳慧

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

新型冠狀病毒肺炎（以下簡稱“新冠肺炎”）作為一種呼吸道疾病，其病毒可通過空氣傳播，尺寸只有10～100 nm。這種病毒可形成尺寸為0.01～10.00 μm的氣溶膠，普通船用中央空調的濾器無法對如此小尺寸的病毒進行過濾，從而導致其能通過中央空調的通風管路傳播。關閉中央空調系統之后，房間內沒有空氣流動，病毒會長時間漂浮在空氣中，并在開關艙室時從一個區域擴散到另一個區域。

由于當前新冠肺炎病毒已在世界范圍內蔓延，消費者非常擔心客船防疫不到位引發安全隱患，郵船的運營受到了很大的影響。為恢復客船市場，必須解決客船防疫問題，其中對船舶中央空調系統進行防病毒設計是關鍵。

新冠肺炎疫情發生之后，各船級社對空調系統的設計進行了討論，例如：意大利船級社提出現代郵船在結構上通常會設計若干個區域，每個區域的空調通風系統都是完全獨立運作的；挪威船級社提出新鮮空氣從船體的一側進入，廢氣從船體的另一側排出，從而確保船上的新鮮空氣與廢氣不會相互交叉。

中國船級社在其發布的《船舶防疫安全指南2020》中的“2級防疫安全要求”中提到，當發生通過空氣和氣溶膠傳播的傳染性疾病時，若仍需使用空調系統，則在設計空調系統和風管時要考慮使各個房間獨立回風，或在送風口和回風口布置高中效空氣濾器［1］。

因此，影響具有防病毒功能的中央空調系統設計的關鍵因素是全新風。本文根據空調系統的特點，提出全新風的3層含義，以及全新風中央空調對船舶設計的影響，并從能耗方面進行對比，對全新風的節能設計進行分析。

1 全新風的第一層含義

全新風的第一層含義：回風不能在與新風匯合之后重新送到室內。

對于當前的中央空調系統而言，為了節能，普遍采用部分回風與新風混合之后向房間送風的作業方式。對于防病毒來說，這種方式是非常不安全的，會導致病毒從一個房間傳播到另一個房間。因此，應放棄這種設計，使送至各房間的風都直接來自室外，不再與回風混合，見圖1。

圖1 全新風的空調系統

2 全新風的第二層含義

全新風的第二層含義：能量回收裝置不能導致新風被回風污染。

雖然全新風的中央空調系統沒用回風，所有送入艙室的風都來自室外，易滿足防疫要求，但空調系統采用全新風設計會導致能耗大大增加，影響客船運營的經濟性。因此，必須考慮能量回收問題。由于當前的能量回收裝置存在傳播病毒的可能性，比如熱轉輪可能會吸附病毒，因此需研究運用新型能量回收裝置，使其既能防止病毒傳播，又比較節能。全新風設計不僅需運用能量回收裝置，而且不能對新風產生污染。

熱轉輪是以復合纖維材料為載體，覆以蓄熱吸濕材料構成的，有一定的自清能力，換熱效率較高，可回收全熱的60%～70%，新風污染率為1%～10%，當前這種能量回收裝置的防病毒性能還不明確［2］。圖2為帶熱轉輪的中央空調箱。

圖2 帶熱轉輪的中央空調箱

板式顯熱回收裝置將回風排放與新風送風徹底隔離開來，完全沒有污染的風險，但只能回收顯熱，效率為50%～60%［3］，見圖3。

圖3 板翅片

為滿足全新風的第二層含義，需對不同的能量回收裝置進行核查討論。板式和熱管這2種能量回收裝置完全能滿足要求，但其回收效率較低；熱轉輪存在污染新風的可能，其防病毒性能暫不明確。

3 全新風的第三層含義

全新風的第三層含義：不能通過使用內循環空調控制溫度，新風的換氣次數很少。

當前的空調系統主要分為2種：一種是全空氣系統，即由中央空調箱輸送給房間的空氣能完全滿足房間的冷熱負荷需求，這種方式風量大，房間的換氣次數多，且房間內無需布置額外的空氣處理單元，能大大減少冷媒水管和凝水管的數量，空調設備都布置在空調機間內，維修簡單，但風管較多，布置困難［4］；另一種是水-氣系統，空調機間的空調只輸送少量新風到房間內，只是用于滿足人員的呼吸需求，而為滿足房間的冷熱負荷需求，布置有額外的風機盤管，一般布置在衛生單元后面的三角區。

水-氣系統的新風滿足上述第一層和第二層含義，但若新風量很少，導致房間的換氣次數很少，病毒會長時間留在房間內，并在開門和關門過程中向外擴散，因此不是真正意義上的全新風［5］。由此，在使用水-氣系統時，要特別注意新風量，不能為了節能和便于布置風管而盲目減少新風量。

4 高外界環境溫度下的空調節能設計

為直觀地說明上述全新風的3層含義對中央空調系統的影響，從某客船上選取一個帶窗戶的雙人間，對其進行計算分析。夏季外界溫度為35℃，相對濕度為70%，室內溫度為26℃，房間的空調負荷來自人（240 W）、窗戶（350 W）和艙壁（100 W），共計690 W。

先考慮使用全空氣中央空調系統，房間的送風溫差是8 K，空氣在中央空調器內冷卻到16℃，經過風管時有2 K的溫升，通過計算可得房間需要260 m3/h的風量，外界溫度為35℃時不同節能裝置的全空氣中央空調系統負荷對比見表1。

表1 外界溫度為35℃時不同節能裝置的全空氣中央空調系統負荷對比

若使用水-氣中央空調系統，在房間內布置風機盤管，風機盤管的負荷與房間負荷一致，均為690 W，由中央空調送72 m3/h的新風，將外界的新風處理到與房間內空氣焓值相同的溫度，即18.6℃。外界溫度為35℃時不同節能裝置的水-氣中央空調系統負荷對比見表2。

表2 外界溫度為35℃時不同節能裝置的水-氣中央空調系統負荷對比

由以上計算可知，不同中央空調系統的制冷負荷差別很大，會對冷水機組和泵的選擇產生很大影響?？照{負荷最小的是采用帶熱轉輪的新風機和風機盤管的水-氣中央空調系統，負荷為1 341 W；空調負荷最大的是無能量回收的全空氣中央空調系統，負荷為4 513 W；空調負荷居中的是板式顯熱回收的全空氣中央空調系統，負荷為3 723 W。因此，在高外界溫度下設計中央空調系統時，水-氣系統是最節能的，若運用全空氣系統，必須考慮全熱回收。基于顯熱回收與全熱回收的全空氣系統在高外界溫度下的負荷差距很大，潛熱占支配地位，必須考慮對其進行能量回收。

5 低外界環境溫度下的空調節能設計

以上負荷計算和設備選型是基于最苛刻的外界溫度（35℃）進行的，而在實際船舶運營過程中，隨著季節和晝夜的變化，外界溫度是不斷變化的，不同空調系統的負荷會隨著外界溫度的變化做出不同的變化。對比全熱回收（50%）全空氣中央空調系統、顯熱回收（50%）全空氣中央空調系統和水-氣中央空調系統（72 m3/h新風量）在不同外界溫度下的負荷，結果見圖4。在全空氣系統中，房間依舊有260 m3/h的風量，房間內的熱負荷隨著外界溫度的變化而減小，全空氣系統的送風溫度會下降，3種中央空調系統的制冷負荷也隨之減小。從圖4中可看出，在較低的外界溫度下，全空氣系統在節能方面比水-氣系統更有優勢，全熱回收全空氣系統與顯熱回收全空氣系統的差距隨著外界溫度的下降而逐步減小，直至外界溫度為26℃時重合，說明在該溫度下，外界新鮮空氣的溫度在中央空調箱內降到了露點溫度以上，沒有潛熱產生，也說明當外界溫度低于26℃時，顯熱回收全空氣系統與全熱回收全空氣系統的熱效率無差別。

圖4 不同中央空調系統在不同外界溫度下的負荷曲線

6 結 語

本文在新冠肺炎疫情大暴發的背景下對客船的中央空調系統進行了研究。據調查，絕大多數新冠肺炎患者都是在室內感染病毒的，通過增加新風量使室內的環境更接近于室外，能有效降低病毒傳播的可能性［6］。雖然滿足上述3層含義的全空氣中央空調系統能有效抗病毒，但必須考慮能耗問題，不能盲目增加新風量而導致電力負荷劇增。因此，本文重點對比討論了不同中央空調系統在不同外界溫度下的能耗特點，從而在設計空調系統時做出最合理的選擇。

滿足全新風3層含義的中央空調系統不一定是全空氣系統，在不將新風量降得很低的前提下合理使用風機盤管，能起到很好的節能效果，大大減少設計工況下的制冷負荷，非常有助于整個中央空調系統的設計。在較高的外部環境溫度下，滿足全新風3層含義的全空氣系統有較高的能耗，但在實際運用過程中，當外界溫度下降時，該系統有很好的節能作用，可利用外部空氣直接帶走室內的熱量，起到很好的環保效果。