張建華，闞安康，韓厚德

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 200135）

0 前 言

船舶空調(diào)不僅為船員、旅客的工作和生活創(chuàng)造適宜的人工氣候，還為船舶其它器械設(shè)備正常運(yùn)行提供必備的環(huán)境[1]。遠(yuǎn)洋船舶的空調(diào)設(shè)備是船舶的主要設(shè)備之一，其用電量占全船電網(wǎng)容量的20%以上。伴隨著船舶大型化和高智能化，及時掌握船舶空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測診斷潛在的故障，是船舶安全運(yùn)行的重要保障和提高船舶經(jīng)濟(jì)性能的必要因素。如何實現(xiàn)船舶空調(diào)的安全運(yùn)行和節(jié)能，已經(jīng)成為航運(yùn)界關(guān)注的重要課題[2]。船舶中央空調(diào)仿真系統(tǒng)，不僅可以作為輪機(jī)員培訓(xùn)和學(xué)習(xí)的教學(xué)工具，還可為科研人員進(jìn)行故障診斷、安全運(yùn)營及節(jié)能技術(shù)提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 船舶空調(diào)的設(shè)計參數(shù)

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的作用分類，船舶空調(diào)主要是用以維持良好的艙內(nèi)空氣質(zhì)量，為在船人員提供舒適的熱環(huán)境，屬于舒適性空調(diào)。熱環(huán)境包括空氣溫度，空氣濕度，流動速度及艙室壁面溫度等?？諝獾那逍鲁潭?，人體的衣著，艙室墻體內(nèi)表面及器械家具表面的溫度等因素，都會影響人體的熱感覺。為了保證艙室內(nèi)的空氣質(zhì)量，船舶空調(diào)系統(tǒng)還要保證一定的新風(fēng)量。船舶空調(diào)裝置應(yīng)在規(guī)定的室外工況參數(shù)下，使艙內(nèi)空氣滿足表1中的要求。

表1 船舶空調(diào)艙室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

2 船舶空調(diào)試驗系統(tǒng)設(shè)計

船舶中央空調(diào)系統(tǒng)一般都是將空氣集中處理后，再由風(fēng)機(jī)和管道輸送到各個部位。為了研究船舶空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況及節(jié)能技術(shù)，專門建立了船舶空調(diào)仿真實驗室，其仿真系統(tǒng)見圖1。

該系統(tǒng)完全按照船舶設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)建造，主要設(shè)備包括制冷常規(guī)機(jī)組（主機(jī)采用往復(fù)式制冷壓縮機(jī)）、空調(diào)箱和循環(huán)水泵等。冷卻塔模擬相應(yīng)海況，教室模擬船艙室。該系統(tǒng)可以真實再現(xiàn)船舶空調(diào)夏季制冷工況，或者作為水源熱泵研究船舶中央空調(diào)運(yùn)行的能效情況，還可以對各部件運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和能耗分析。同時機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)還可以實時保存，以便仿真時再現(xiàn)主機(jī)運(yùn)行參數(shù)供科研人員分析研究之用。該系統(tǒng)還可以人為設(shè)置故障，并根據(jù)故障現(xiàn)象來分析實船空調(diào)故障原因，完善船舶中央空調(diào)故障數(shù)據(jù)庫，也可以用于船員的學(xué)習(xí)和實操培訓(xùn)。

圖1 遠(yuǎn)洋船舶中央空調(diào)仿真系統(tǒng)

3 船舶中央空調(diào)能耗分析及節(jié)能措施

經(jīng)過系統(tǒng)在設(shè)計航線海況下模擬運(yùn)行一段時間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，系統(tǒng)的耗能設(shè)備主要是壓縮機(jī)，空調(diào)箱、循環(huán)水泵和冷卻塔，冷卻塔在該系統(tǒng)中用于模擬海況，其運(yùn)行耗能不計入該系統(tǒng)的總耗能。

3.1 制冷壓縮機(jī)

制冷壓縮機(jī)是主要的耗能設(shè)備，其耗電量占整個空調(diào)系統(tǒng)耗電量的43%。對于無限航區(qū)的船舶空調(diào)設(shè)備的壓縮機(jī)[3]，其額定制冷量往往比實際的峰值熱負(fù)荷高出 20%～30%，而空調(diào)全年運(yùn)行在峰值負(fù)載的幾率相當(dāng)?shù)停?0%以上的時間是運(yùn)行在壓縮機(jī)額定負(fù)荷的70%左右，因此壓縮機(jī)大部分時間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的。

船舶空調(diào)系統(tǒng)一般采用2臺往復(fù)式制冷壓縮機(jī)并聯(lián)供冷的方式，2臺壓縮機(jī)的容量足以滿足船舶熱負(fù)荷峰值的需求，大部分情況下1臺壓縮機(jī)工作就可以滿足船舶供冷。當(dāng)艙內(nèi)達(dá)到設(shè)計溫度時，提高冷凍水的出水溫度有助于節(jié)能。為了達(dá)到節(jié)能的目的，在運(yùn)行管理時，可以先同時啟動2組壓縮機(jī)，讓冷凍水的出水溫度迅速降到 8℃以下，運(yùn)行一段時間，艙內(nèi)空氣參數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，關(guān)閉其中1臺制冷壓縮機(jī)，保留1臺工作以維持空調(diào)制冷量。這時空調(diào)冷凍水的出水溫度會出現(xiàn)小幅上升并維持在某一值上下小幅波動（一般在 10℃附近）。但艙內(nèi)空氣參數(shù)變化不大，這樣就可以節(jié)省1臺壓縮機(jī)的能耗。也可以采用壓縮機(jī)變頻技術(shù)，通過室內(nèi)空氣參數(shù)來控制壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)制冷劑流量伴隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變，從而用時間制冷量的變化來調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)。

3.2 空調(diào)箱

空調(diào)箱在整個空調(diào)系統(tǒng)中是運(yùn)行時間最長的設(shè)備，其能耗約占整個中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的30%，其中新風(fēng)負(fù)荷所占的比例較大，所以這一環(huán)節(jié)的節(jié)能具有較大經(jīng)濟(jì)意義。

船舶空調(diào)一般采用定速組合式空調(diào)裝置，按船上各艙室熱濕負(fù)荷最大時的總和確定送風(fēng)量，其風(fēng)量是恒定的。而在實際使用過程中，各艙室熱濕負(fù)荷的上下波動，忽冷忽熱，舒適性不理想，尤其是過渡季節(jié)，新風(fēng)量不夠，會造成艙室的二氧化碳等有害氣體濃度過高。為了提高空調(diào)裝置的送風(fēng)量，新型船舶采用變頻組合式空調(diào)裝置，該裝置是對空氣集中處理后進(jìn)行送風(fēng)的，可達(dá)到變風(fēng)量的要求，滿足各封閉船在不同季節(jié)的使用。

該系統(tǒng)采用變頻組合式空調(diào)箱，空氣經(jīng)集中處理（除濕、加熱、加濕、除塵凈化等）輸送到模擬艙室，艙室采用頂部靜壓箱送風(fēng)，側(cè)面回風(fēng)的方式，可保證模擬艙室溫度場的均勻。試驗測試顯示，艙室溫度場最大溫差不大于 3℃?？照{(diào)箱采用變頻風(fēng)機(jī)，可根據(jù)艙室內(nèi)的溫度和二氧化碳含量變化情況調(diào)節(jié)送風(fēng)量。但需要采用自動控制系統(tǒng)來監(jiān)控艙室內(nèi)二氧化碳濃度的變化，并及時作出反應(yīng)，調(diào)節(jié)新風(fēng)閥門的開度，改變送入艙室內(nèi)的新風(fēng)量。這樣提供的新風(fēng)量與實際所需要的新風(fēng)量基本吻合，不僅提高了空氣質(zhì)量，而且還降低了冷、熱量的消耗，節(jié)約了能源。模糊控制系統(tǒng)的框架見圖2。

圖2 空調(diào)箱新風(fēng)量模糊控制系統(tǒng)框架

通常，風(fēng)機(jī)是以控制和調(diào)節(jié)風(fēng)門和擋板的開度大小來適應(yīng)艙室要求和各種海況，這樣不論負(fù)荷的大小和海況的變化，風(fēng)機(jī)均全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則在風(fēng)門、擋板等處造成能量的瞬時節(jié)流，不僅控制精度受到限制，還會造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗，從而增加船舶空調(diào)運(yùn)行成本。由文獻(xiàn)[4]可以知道，電機(jī)的能耗功率與轉(zhuǎn)速近似成立方關(guān)系，降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可使流量成正比減少，功率成立方關(guān)系降低，節(jié)能效果顯著。變頻在改變輸出效率的同時也改變了電壓，使電機(jī)運(yùn)行曲線平行下移，電機(jī)就可以在低電壓下啟動，使之以較小的啟動電流、最大的扭矩?zé)o沖擊地啟動。低電壓啟動，不僅可以降低風(fēng)機(jī)對電網(wǎng)的沖擊，減輕對電量需求的壓力，保障船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定，還可延長設(shè)備使用壽命，有助于節(jié)能。

風(fēng)機(jī)大部分時間是在滿足負(fù)荷需求的情況下以較低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，噪聲和磨損都遠(yuǎn)比額定轉(zhuǎn)速工況下低，這不僅可以提高船員居室的舒適度，還可以降低維修維護(hù)費(fèi)用，延長空氣冷卻器的使用壽命。系統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速裝置后，一般控制在額定轉(zhuǎn)速的30%～110%范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，大部分時間是運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速的 35%～55%。實際運(yùn)行中，風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速可取得顯著的節(jié)能效果。

3.3 循環(huán)水泵

循環(huán)水系統(tǒng)的耗電量約占整個中央空調(diào)系統(tǒng)的27%，因此，節(jié)能同樣也具有重要的意義。

H=KQ2

即在不同轉(zhuǎn)速下將泵的特性曲線畫在同一坐標(biāo)圖上，并將等效率點連成線，得到通用特性曲線。

對于無限航區(qū)的船舶，變流量冷卻方式與以往的定流量冷卻相比具有以下特點：

采用變流量冷卻可根據(jù)工況的改變來調(diào)整冷卻水量，以減少運(yùn)行費(fèi)用。與定流量冷卻相比，變流量冷卻增加了控制難度，對控制系統(tǒng)的要求有所提高，應(yīng)對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

海水在殼管式冷凝器管中對流換熱過程中，采用海水泵變頻調(diào)節(jié)，可大大節(jié)省功率；當(dāng)冷凝溫度越高，冷凝負(fù)荷越大，所需要的冷卻水量也就會越多，水泵消耗的功率就會增大，此時采用變頻水泵，節(jié)能效果會更加顯著。

4 結(jié) 語

在仿真試驗的基礎(chǔ)上，通過對船舶中央空調(diào)系統(tǒng)的分析和研究發(fā)現(xiàn)，在耗能的主要設(shè)備制冷壓縮機(jī)，空調(diào)箱及循環(huán)水泵中，采用新技術(shù)，新科技，加強(qiáng)船舶空調(diào)的運(yùn)行管理，將會改變船舶中央空調(diào)系統(tǒng)的低效、高能耗狀況，實現(xiàn)節(jié)能。

[1] 費(fèi) 千.船舶輔機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2003.

[2] 韓厚德.船舶節(jié)能[J].廣東航海，2007(2)：10-13.

[3] 劉 鑫.中央冷卻系統(tǒng)節(jié)能研究[D].大連：大連海事大學(xué)輪機(jī)學(xué)院，2003.

[4] 欒世超，徐東雁，楊翠玲.變頻空調(diào)調(diào)速器節(jié)能原理及應(yīng)用[J].信息技術(shù).2000（2）：21-24.