戴 晶，陳劍波，印文理

● （上海理工大學(xué)，上海 200093）

海水源變頻模塊化冷熱水機(jī)組在船舶中的應(yīng)用

戴 晶，陳劍波，印文理

● （上海理工大學(xué)，上海 200093）

本文介紹了一種新型海水源變頻模塊化冷熱水機(jī)組在某船舶中的應(yīng)用，包括項目概況、負(fù)荷計算過程、機(jī)組比選和方案介紹等。并列出了全船空調(diào)整系統(tǒng)的原理圖。

全水系統(tǒng)；變頻；負(fù)荷計算；啟動電流；低頻運(yùn)行；經(jīng)濟(jì)性分析；空調(diào)系統(tǒng)圖

0 引言

近十年來，我國船舶工業(yè)蓬勃發(fā)展，按船舶載重噸位計算，2012年前三季度，中國船舶已經(jīng)占到全球市場份額的40.6%[1]。隨著船舶業(yè)的發(fā)展，艙室內(nèi)人員對室內(nèi)環(huán)境舒適性要求也逐漸提高，各種空調(diào)在船舶中的應(yīng)用越來越廣泛。 變頻空調(diào)技術(shù)因其節(jié)電、高效、低噪音等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們青睞，目前在樓宇建筑大型中央空調(diào)及家用空調(diào)中應(yīng)用已經(jīng)較廣泛。 但經(jīng)過文獻(xiàn)的查閱可得出，變頻空調(diào)技術(shù)在船舶領(lǐng)域中的應(yīng)用還很少，鑒于此，本文介紹了一種海水源變頻模塊化冷水熱機(jī)組在某船舶中的應(yīng)用。

1 項目概況

該船空調(diào)區(qū)域包括駕駛甲板、艏樓甲板、主甲板、艙底4個甲板的18個大小不等的艙室。各艙室功能各異，包括船員艙室、餐廳 、廚房、駕駛室、作業(yè)儀器室和機(jī)艙值班室等，全船空調(diào)區(qū)域總面積約為248.5m2。該船空調(diào)區(qū)域平面布置圖見圖1。

按負(fù)擔(dān)室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷所用的介質(zhì)來分類，船用空調(diào)系統(tǒng)可分為全空氣系統(tǒng)、空氣-水系統(tǒng)、全水系統(tǒng)及制冷劑系統(tǒng)[2]，該船采用全水系統(tǒng)?？照{(diào)機(jī)組選用海水源變頻模塊化冷熱水機(jī)組，空調(diào)末端使用3種形式的風(fēng)機(jī)盤管對各個艙室進(jìn)行空氣處理，新風(fēng)通過門窗滲漏來滿足。

圖1 全船空調(diào)區(qū)域平面布置圖

2 負(fù)荷計算

2.1 負(fù)荷計算過程[3]

表1為船舶工況艙內(nèi)外設(shè)計計算溫度。

表1 船舶工況艙內(nèi)外設(shè)計計算溫度

1）夏季降溫工況，空調(diào)系統(tǒng)總熱負(fù)荷按式(1)計算

式中：φ為總熱負(fù)荷，W；φ1為艙內(nèi)得熱量，W；φ2為風(fēng)機(jī)熱量，W；φ3為送風(fēng)管內(nèi)空氣溫升熱量，W；φ4為回風(fēng)溫升熱量，W；φ5為新鮮空氣熱量，W；ρ為空氣密度，1.2kg/m3；V’為由空調(diào)器送入各不受規(guī)定溫度、濕度參數(shù)限制局部冷卻的艙室以及其他艙室的風(fēng)量，m3/h；Δi為空調(diào)冷卻器出風(fēng)焓差，kJ/kg。

由于該船沒有特殊艙室，所以冷負(fù)荷計算中忽略∑ρV’Δi項。

2）冬季采暖工況，總熱負(fù)荷按式(2)計算：

式中：φ’為采暖工況熱負(fù)荷，W；φ1’為艙內(nèi)熱損失，W；φ5’ 為加熱新鮮空氣熱量，W；ρ為空氣密度，1.2kg/m3；V’為由空調(diào)器送入各不受規(guī)定溫度、濕度參數(shù)限制局部冷卻的艙室以及其他艙室的風(fēng)量，m3/h；Δi’為空調(diào)冷卻器出風(fēng)焓差，kJ/kg。

由于該船沒有特殊艙室，所以冬季采暖熱負(fù)荷計算中也忽略∑ρV’Δi’項。

2.2 計算結(jié)果

全船空調(diào)區(qū)域總冷負(fù)荷 125kW，各個房間的冷負(fù)荷指標(biāo)為 179W/m2～860W/m2；總熱負(fù)荷 91kW，各個房間的熱負(fù)荷指188W/m2～912W/m2。各艙室負(fù)荷指標(biāo)見表2。

表2 各艙室冷熱負(fù)荷計算結(jié)果

3 方案確定過程

3.1 方案設(shè)計

根據(jù)各方綜合考量，該船空調(diào)方案確定為：海水源熱泵冷熱水機(jī)組+熱水鍋爐+風(fēng)機(jī)盤管的全水系統(tǒng)。海水源熱泵冷熱水機(jī)組提供全船所需的冷熱負(fù)荷，在冬季溫度較低時，切換到熱水鍋爐，通過熱水鍋爐及熱水板式換熱器加熱冷媒水給全船供暖。末端根據(jù)艙室的要求采用不同形式的風(fēng)機(jī)盤管，通過門窗滲漏提供所需新風(fēng)。

3.2 冷熱源機(jī)組比選

3.2.1 冷熱源機(jī)組選擇

該船可選用兩種冷熱源機(jī)組。

冷熱源機(jī)組一：船用模塊化冷熱水機(jī)組。包含三個模塊單元，制冷制熱量52.7kW/單元，總制冷制熱量158.1kW。機(jī)組制冷制熱量變化范圍為52.7kW～158.1kW。機(jī)組配置圖見圖2。

圖2 船用模塊化冷熱水機(jī)組配置

冷熱源機(jī)組二：海水源變頻模塊化冷熱水機(jī)組。也包含三個模塊單元，兩個單元為常規(guī)定頻模塊，制冷制熱量52.7kW/單元，一個單元為變頻模塊，模塊制冷制熱量為25.2kW～81.3kW，變頻模塊運(yùn)行頻率范圍為30 Hz～90Hz。機(jī)組總制冷制熱量變化范圍為52.7kW～186.7kW。機(jī)組配置圖見圖3。

圖3 海水源變頻模塊化冷熱水機(jī)組配置

3.2.2 兩種冷熱源機(jī)組特點(diǎn)對比

1）制冷、制熱速度，對水溫的控制精度。

機(jī)組一啟動后，三個模塊依次按順序打開，機(jī)組進(jìn)入制冷、制熱狀態(tài)，機(jī)組通過艙室內(nèi)負(fù)荷的變化來控制各模塊的啟停，當(dāng)回水溫度低于設(shè)定溫度1℃時關(guān)閉1個模塊，當(dāng)回水溫度高于設(shè)定溫度1℃時開啟一個模塊。機(jī)組二開啟后，三個模塊也是依次按順序打開，變頻模塊最后啟動，啟動后變頻模塊立即高速運(yùn)轉(zhuǎn)，迅速冷卻或加熱艙室內(nèi)空氣，然后根據(jù)艙室內(nèi)負(fù)荷變化自動調(diào)節(jié)頻率控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，將回水溫度與設(shè)定溫度之差控制在0.5℃之內(nèi)。顯然，機(jī)組二制冷、制熱的速度以及對水溫的控制精度都要高于機(jī)組一。

2）啟動性能、適應(yīng)船用發(fā)電機(jī)負(fù)荷能力。

機(jī)組一的三個模塊單元均為常規(guī)定頻模塊，啟動時逐個模塊啟動，定頻模塊采用直接啟動，啟動時間較快，啟動瞬間電流為模塊額定運(yùn)行電流的5倍～8倍[4]；機(jī)組二啟動時先啟動2個定頻模塊，最后再啟動變頻模塊，變頻模塊啟動時間相對定頻要慢，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由最低頻率轉(zhuǎn)速慢慢變化至額定轉(zhuǎn)速，啟動電流也由最低頻率電流慢慢增至模塊的額定電流。顯然，機(jī)組二的啟動電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機(jī)組一。

根據(jù)設(shè)計要求，該船空調(diào)系統(tǒng)總的用電負(fù)荷約占該船發(fā)電機(jī)總負(fù)荷的30%，由此可見空調(diào)系統(tǒng)是該船的用電大戶。同時，由于船舶上采用獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，因而發(fā)電機(jī)供電的穩(wěn)定性尤為重要。機(jī)組二的變頻模塊的啟動電流較小，因而機(jī)組所產(chǎn)生的電壓降也較小，從而提高了發(fā)電機(jī)供電的穩(wěn)定性。而機(jī)組一啟動電流較大，產(chǎn)生的電壓降較大，不利于發(fā)電機(jī)組供電的穩(wěn)定性。

3）適應(yīng)艙室空調(diào)負(fù)荷的能力。

大連理工大學(xué)的高山對某航區(qū)的的某船員艙室動態(tài)負(fù)荷做了詳細(xì)計算[5]，如圖4所示。

圖4 某航區(qū)某船某艙室空調(diào)動態(tài)負(fù)荷

參考圖4可知，船舶艙室空調(diào)一天內(nèi)負(fù)荷波動性還是比較明顯的，其19點(diǎn)時的最大負(fù)荷約為18點(diǎn)最小負(fù)荷的2.5倍，其它時段空調(diào)負(fù)荷也有不同程度的波動。由此可知，船舶空調(diào)負(fù)荷的波動性比較大，尤其是一些特殊的時段。因而對于航行中的船舶由于航區(qū)的不斷變化其總的空調(diào)負(fù)荷的波動性也表現(xiàn)得更為明顯。

機(jī)組一只能通過模塊的啟停來適應(yīng)整船的負(fù)荷變化，水溫波動范圍可達(dá) 2℃。由于船舶空調(diào)負(fù)荷波動性明顯，會造成機(jī)組頻繁啟動，可能會造成艙室內(nèi)環(huán)境忽冷忽熱，影響空調(diào)的舒適性，同時不利于機(jī)組的壽命。

機(jī)組二可通過變頻來適應(yīng)整船的負(fù)荷變化，機(jī)組制冷制熱量變化范圍為52.7kW～186.7kW。船舶艙室內(nèi)負(fù)荷較小時機(jī)組控制在低頻狀態(tài)運(yùn)行，負(fù)荷較大時則自動調(diào)節(jié)至高頻狀態(tài)，而無需頻繁啟停，也不會出現(xiàn)忽冷忽熱的情況，控制水溫波動范圍不超過0.5℃，最高精度可達(dá)0.1℃，同時也增加了機(jī)組運(yùn)行壽命。當(dāng)遇到極端天氣時，空調(diào)負(fù)荷可能超過設(shè)計的額定負(fù)荷，機(jī)組二可通過高頻運(yùn)行來達(dá)到要求，機(jī)組一則不能滿足這一要求。

綜上知，機(jī)組二相比機(jī)組一能更好的適應(yīng)船舶空調(diào)負(fù)荷的波動。

4）定頻模塊與變頻模塊運(yùn)行性能比較。

在制冷模式下，冷卻水進(jìn)水溫度 25℃時，對變頻模塊性能做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測試，分別測定了頻率為45、50Hz時變頻模塊的制冷量、耗電量并通過計算得出兩種頻率下的EER值。詳細(xì)的制冷量、耗電量、EER值及不同頻率下的趨勢線如圖5、6所示。由圖5、6可知，變頻模塊在低頻運(yùn)行時其制冷量及耗電量隨著頻率下降而下降，其EER值隨著頻率的下降而上升。其50Hz運(yùn)行時的參數(shù)可視作是同等工況下定頻模塊的運(yùn)行參數(shù)，由此可知變頻模塊在低頻運(yùn)行時耗電量要低于定頻模塊，EER值要高于定頻模塊

圖5 冷卻水進(jìn)水溫度25℃時不同頻率下的制冷量、耗電量

圖6 冷卻水進(jìn)水溫度25℃時不同頻率下的EER值

圖7是制熱模式下，蒸發(fā)側(cè)進(jìn)水溫度12℃時對變頻模塊做的相關(guān)測試，分別對應(yīng)50、60、70Hz時機(jī)組的制熱量、耗電量。由圖7可知，變頻模塊在高頻運(yùn)行時其制熱量及耗電量都隨著運(yùn)行頻率上升而上升。同樣其50Hz運(yùn)行時的參數(shù)可視作是同等工況下定頻模塊的運(yùn)行參數(shù)，由圖6可知變頻模塊在高頻運(yùn)行時其制熱量要大于定頻模塊，同時耗電量上升。

圖7 蒸發(fā)側(cè)進(jìn)水溫度12℃時不同頻率下的制熱量、耗電量

眾所周知，在船舶航行過程中，船舶空調(diào)負(fù)荷是不斷變化的，大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，平均運(yùn)行負(fù)荷一般在50%～60%[6]。當(dāng)采用機(jī)組一時，機(jī)組只能根據(jù)負(fù)荷變化而啟停各個模塊。而使用機(jī)組二時，機(jī)組會根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)到低頻或高頻運(yùn)行狀態(tài)，并且大部分時間將處于低頻運(yùn)行的模式。在低頻運(yùn)行時變頻模塊EER值上升，耗電量減小，所以能起到一定的節(jié)電節(jié)能效果。

5）機(jī)組性能特點(diǎn)對比匯總。

表3為機(jī)組性能特點(diǎn)比較。

表3 機(jī)組性能特點(diǎn)比較

3.2.3 冷熱源機(jī)組經(jīng)濟(jì)性比較

1）初投資

機(jī)組初投資主要是兩個冷熱源機(jī)組的設(shè)備費(fèi)用，經(jīng)概算及廠家提供的報價，機(jī)組一初投資為36萬元，機(jī)組二初投資為44萬元。

2）年運(yùn)行費(fèi)

年運(yùn)行費(fèi)主要包括燃料費(fèi)(通過用電量折合成消耗燃油量)初步估算[7-8]：

（1）夏季使用空調(diào)按140d計算，冬季年使用天數(shù)按70d計；

（2）定頻模塊節(jié)能系數(shù)按0.95計，變頻模塊節(jié)能系數(shù)按0.435計；

機(jī)組一燃料費(fèi)：

(51.3×(140+70)×24×0.95×0.22)×5.5=297205.15 元

機(jī)組二燃料費(fèi)：

(34.2×(140+70)×24×0.95×0.22+17.1×(140+70)×24×

0.435×0.22)×5.5=242499.85元

通過估算，每年機(jī)組二比機(jī)組一可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)：

297205.15-242499.85=53705.3元

機(jī)組二投資回報期估計為：

(440000-360000)/53705.3=1.5年

3）環(huán)境效益

由以上的估算可知，機(jī)組二相對機(jī)組一理論上每年可節(jié)省約18%的一次能源，大大減少廢氣及溫室氣體的排放，在注重節(jié)能環(huán)保的今天顯得尤為重要。

4）使用壽命

根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)及綜合考量，機(jī)組一使用壽命在8年～10年，機(jī)組二使用壽命在10年～12年。

5）維護(hù)管理

機(jī)組一維護(hù)管理方便，系統(tǒng)簡單、可靠；機(jī)組二維護(hù)則相對復(fù)雜。

6）兩機(jī)組經(jīng)濟(jì)性比較匯總

兩機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較如表4所示。通過以上分析比較可看出，在初投資方面機(jī)組二比機(jī)組一要高出約22%；年運(yùn)行費(fèi)方面：機(jī)組一約高出機(jī)組二18%，可算得使用機(jī)組二的投資回報期僅1.5年左右。另外，在環(huán)保、使用壽命方面，機(jī)組二優(yōu)于機(jī)組一，但在維護(hù)管理方面機(jī)組一優(yōu)于機(jī)組二。

表4 機(jī)組各項經(jīng)濟(jì)性比較

3.2.4 機(jī)組最終確定

綜合考量機(jī)組一及機(jī)組二的機(jī)組特性和經(jīng)濟(jì)性，最后確定使用機(jī)組二，海水源變頻模塊化熱冷水機(jī)組。

3.3 空調(diào)管系主要附件配置

板式熱水中間換熱器1臺，熱交換量120kW；海水泵2臺，一用一備，流量55m3/h；循環(huán)水泵2臺，一用一備，流量40m3/h；其他管路閥等附件若干。

3.4 空調(diào)末端及新風(fēng)

根據(jù)全船艙室的布局及各艙室冷量的分配選用不同類型的風(fēng)機(jī)盤管，全船共使用22臺風(fēng)機(jī)盤管，風(fēng)量范圍為680m3/h～1380m3/h不等。大部分艙室末端風(fēng)機(jī)盤管選卡式風(fēng)機(jī)盤管，個別艙室選用頂置臥式暗裝風(fēng)機(jī)盤管及立式暗裝風(fēng)機(jī)盤管。風(fēng)機(jī)盤管形式見圖8。

圖8 三種形式風(fēng)機(jī)盤管(從左到右依次為，卡式風(fēng)機(jī)盤管、頂置臥式暗裝風(fēng)機(jī)盤、立式暗裝風(fēng)機(jī)盤管)

各艙室使用風(fēng)機(jī)盤管詳細(xì)類型見表5。

表5 各艙室風(fēng)機(jī)盤管類型明細(xì)

卡式風(fēng)機(jī)盤管采用四周上送風(fēng)，中間上回風(fēng)形式；頂置臥式暗裝風(fēng)機(jī)盤管采用上側(cè)送風(fēng)，同側(cè)上回風(fēng)形式；立式暗裝風(fēng)機(jī)盤管選用下側(cè)送風(fēng)，同側(cè)下回風(fēng)形式。

新風(fēng)主要通過門窗滲漏來滿足艙室內(nèi)人員對新風(fēng)的需求。

3.5 全船空調(diào)系統(tǒng)圖

全船空調(diào)系統(tǒng)圖見圖9。

圖9 全船水管系簡圖

4 結(jié)論及展望

4.1 變頻冷熱水機(jī)組運(yùn)行性能有顯著優(yōu)勢

海水源變頻模塊化冷熱水機(jī)組配備變頻模塊，相對定頻機(jī)組其制冷制熱速度快，對水溫控制精度高，啟動電流小提高了船用發(fā)電機(jī)組供電的穩(wěn)定性，其適應(yīng)負(fù)荷能力強(qiáng)，能適應(yīng)船舶空調(diào)負(fù)荷較強(qiáng)的波動性，大部分時間處于低頻運(yùn)行狀態(tài)，不會因頻繁啟動而出現(xiàn)忽冷忽熱的情況，增加了空調(diào)的舒適性。在低頻運(yùn)行狀態(tài)時可減少耗電功率、EER值上升，在極端工況下可實(shí)現(xiàn)高頻運(yùn)行，從而滿足艙內(nèi)冷熱負(fù)荷的要求。

4.2 變頻冷熱水機(jī)組經(jīng)濟(jì)性優(yōu)點(diǎn)多

在經(jīng)濟(jì)性方面，海水源變頻模塊化冷熱水機(jī)組相對定頻冷熱水機(jī)組初投資高，但年運(yùn)行費(fèi)用低，投資回報時間短，僅為 1.5年。在環(huán)保、使用壽命方面都有一定優(yōu)勢，但維護(hù)管理要復(fù)雜一些。

4.3 變頻冷熱水機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)需在實(shí)際運(yùn)行中確認(rèn)

該船空調(diào)系統(tǒng)選用新型的海水源變頻模塊化冷熱水機(jī)組，其適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷變化的能力對船用發(fā)電機(jī)供電穩(wěn)定性及運(yùn)行過程中節(jié)電節(jié)能等方面的優(yōu)點(diǎn)還有待在船舶運(yùn)營過程中驗(yàn)證。這個希望得到業(yè)內(nèi)人士的進(jìn)一步論證，以得到較好的運(yùn)用、運(yùn)營效果及大范圍的推廣。

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Application of Sea Water Variable Frequency Modular Chillers Air Conditioning Unit in Ship

DAI Jing,CHEN Jian-bo,YIN Wen-li
(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

This paper is mainly about a new type of sea water variable frequency modular chillers air conditioning unit applicated in a ship,including the project profiles,load calculation,comparison and election of the air conditioning unit,program description,etc.,and the whole ship air conditioning system schematic is listed.

entire water system; variable frequency; load calculation; starting current; low frequency operation; economic analysis; air conditioning system schematic

TP 183

A

戴晶(1985-)，男，碩士研究生。研究方向：供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程。