沈雅鈞

（浙江海洋學(xué)院東海科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316004）

船舶空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

沈雅鈞

（浙江海洋學(xué)院東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316004）

結(jié)合船舶的特點，討論了船舶空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計途徑，并針對實際中存在的一些問題給出了建議，希望能對船舶節(jié)能的實施有一定的幫助。

船舶；空調(diào)系統(tǒng)；節(jié)能設(shè)計；系統(tǒng)布置

21世紀是人類利用與開發(fā)海洋的新時代，無疑也是船舶工業(yè)發(fā)展的重要時期。但因環(huán)境以及能源問題的不斷突出，對船舶的節(jié)能也提出了更高的要求?？照{(diào)系統(tǒng)，作為現(xiàn)代船舶的重要設(shè)備之一，又是一個主要的耗能裝置。有資料表明遠洋船舶空調(diào)系統(tǒng)的用電量占全船用電量的20%以上（客船將達到45%）[1]。因此，船舶空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能具有非常重要的地位和現(xiàn)實意義，已成為船舶節(jié)能的重要組成部分而得到了業(yè)界普遍的關(guān)注。

空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能可從設(shè)計與運行管理兩方面入手，而節(jié)能設(shè)計又是基礎(chǔ)。本文將對船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中的節(jié)能措施作一探討。

1 設(shè)計方案確定

方案設(shè)計是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系到系統(tǒng)的工作特性、能耗水平、投資和運行費用、安全性能等。在以往的設(shè)計中，因各種原因，設(shè)計者往往對方案設(shè)計環(huán)節(jié)不夠重視，以致設(shè)計方案不合理，造成很大的損失，且由此產(chǎn)生的不利影響往往是長期性的，也不易在后續(xù)環(huán)節(jié)中得到修改[2]。

因此，為提高系統(tǒng)的整體性能，確定船舶空調(diào)設(shè)計方案時必須綜合各方面的要求，與船舶其他部分的設(shè)計協(xié)調(diào)配合，綜合考慮，采用科學(xué)的綜合評價方法。就節(jié)能性能而言，如能在船舶設(shè)計的各階段就能體現(xiàn)節(jié)能的思想，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與其他環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合，則能收到更好的節(jié)能效果。

（1）在船舶總體設(shè)計階段即采取相應(yīng)的節(jié)能措施（如船體圍壁結(jié)構(gòu)絕熱保溫標準的選用、船體絕熱結(jié)構(gòu)形式、艙室溫度的確定、船舶不同功能艙室的布置、平面形狀、窗戶大小等）以減小冷負荷。

（2）實施船舶供熱和供冷綜合性節(jié)能規(guī)劃。

（3）實行分區(qū)設(shè)計。不同功能船艙（如工作艙、居住艙等）的空調(diào)負荷特性存在較明顯的差別；居住艙也由于艙室所在層數(shù)、位置等差別，熱濕負荷差異較大。因此，在船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)按區(qū)域設(shè)計的思想進行分區(qū)設(shè)計，使空調(diào)系統(tǒng)能有效地跟蹤負荷變化，降低能耗，改善室內(nèi)熱環(huán)境。

2 設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

船舶空調(diào)主要是維持船艙內(nèi)良好的空氣質(zhì)量，為船上人員提供舒適的工作和生活環(huán)境，屬于舒適性空。船舶空調(diào)系統(tǒng)的負荷隨溫度和相對濕度的增大而減少。因而，當溫度一定時適當增大相對濕度，可以減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗。我國和ISO7730標準所規(guī)定的船舶空調(diào)裝置設(shè)計參數(shù)為：冬季室溫為19～22℃，相對濕度30%～40%；夏季室溫為24～28℃，相對濕度40%～50%；夏季室內(nèi)外溫差不超過6～10℃，室內(nèi)各處溫差不超過3～5℃[3]。

文獻[4]通過模型分析可知，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)可以達到明顯的節(jié)能效果，并推薦在滿足熱舒適性要求的條件下，我國船舶空調(diào)夏季設(shè)計參數(shù)為：t=25℃時，φ＞35%；t=27℃時，φ＜55%；最佳的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為：t= 26℃，55%＜φ＜60%，基本符合ISO7730標準的規(guī)定。并建議在需同時考慮節(jié)能的與熱舒適度要求的條件下，選取船舶空調(diào)系統(tǒng)夏季設(shè)計參數(shù)時，不宜采用提高溫度值的方法體現(xiàn)節(jié)能，而相對濕度則可在允許的范圍內(nèi)取高一些。

3 設(shè)計負荷確定

空調(diào)負荷是整個空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的船舶空調(diào)負荷計算主要采用估算法，所得負荷值往往偏大。而相關(guān)設(shè)備的容量一般又按全負荷條件來選定，再加以一定的裕量。這樣，經(jīng)過層層加碼，有的設(shè)備容量裕度可高達30%左右。而在實際中，這些設(shè)備多數(shù)時間是在部分負荷下工作的，設(shè)備的設(shè)計容量遠遠超過實際使用負荷，造成很大的能源浪費。對于船舶而言，過大的裝機容量還會過度占用船舶寶貴的艙室空間和載重量，成為另一種形式的能源浪費。

為此筆者建議：首先，設(shè)計負荷應(yīng)采用計算方法確定，盡量不用估算法；第二，在設(shè)計之初應(yīng)先對系統(tǒng)運行工況進行綜合分析，在確認工況合理的基礎(chǔ)上選配設(shè)備時盡可能選取小的裕量；第三，對于船用空調(diào)，考慮到因船舶的不停運動造成太陽照射面積、船舶所在航區(qū)與緯度等都在不停變化，負荷不可能計算得很準確、總體空間又有限的特點，建議采用的方案是：在保證滿足運行負荷要求的前提下，選取盡可能小的裕量，并選用可調(diào)節(jié)負荷的機型以滿足變工況需求。既能滿足船舶規(guī)范的要求，又達到節(jié)能的目的。

4 風(fēng)道系統(tǒng)與水系統(tǒng)布置

船舶空調(diào)中空氣、水的輸送動力消耗占有很大的比例。如能通過合理布置風(fēng)道系統(tǒng)與水系統(tǒng)，減少冷熱空氣、水系統(tǒng)輸送過程中的能耗，將有效降低系統(tǒng)的總能耗。

4.1 風(fēng)道系統(tǒng)

如風(fēng)道系統(tǒng)布置不合理，將使空氣流動阻力大大增加，從而增加能耗。特別是回風(fēng)系統(tǒng)，以往的設(shè)計中往往不夠重視，故而出現(xiàn)的問題也較多。如回風(fēng)管道阻力過大，不僅使能耗增大，同時還會造成回風(fēng)不暢，艙室的進風(fēng)量遠大于回風(fēng)量，致使艙室內(nèi)壓力過高，舒適性大受影響。

在風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計中，以下措施將有助于減小能耗。

（1）將送風(fēng)、回風(fēng)系統(tǒng)進行綜合考慮，通過合理設(shè)置送（回）風(fēng)口、布置管道，盡可縮短管路長度、簡化系統(tǒng)、減少彎道等局部阻力部件，以減少空氣流動過程中的能量消耗。

（2）合理使用回風(fēng)管以提高回風(fēng)效率。

（3）采用變風(fēng)量系統(tǒng)，根據(jù)負荷大小自動調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少動力耗損。但目前多數(shù)船用空調(diào)基本上仍沿用了傳統(tǒng)的定風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計，僅有少量豪華客船、軍船以及特種船舶采用了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，變風(fēng)量系統(tǒng)并沒有充分發(fā)揮其所有的全部功能，還有很大的應(yīng)用空間[5]。

就調(diào)節(jié)方法而言，在目前采用的定靜壓法、總風(fēng)量法、變靜壓法等風(fēng)量調(diào)節(jié)法中，總風(fēng)量控制方法的控制系統(tǒng)形式較簡單，同時可靠性也較高，使得控制系統(tǒng)不僅減少了初投資，而且在初調(diào)試時可以大大減少工作量。

（4）合理選用送風(fēng)溫差及風(fēng)道流速。

采用大溫差送風(fēng)是可以考慮的一種選擇。與常規(guī)系統(tǒng)比較，采用大溫差送風(fēng)，可在人體的熱舒適感沒有明顯改變的情況下，減少能源尤其是高品位電能的消耗；同時由于系統(tǒng)風(fēng)量減小，可減少系統(tǒng)的初投資。因此，系統(tǒng)的耗能可有較大幅度的下降。文獻[6]針對船舶空調(diào)領(lǐng)域?qū)嵤┐鬁夭钏惋L(fēng)技術(shù)的可行性進行了分析和探討，通過對典型艙室進行負荷計算和建立物理模型分析，表明了大溫差低溫送風(fēng)技術(shù)在船舶空調(diào)領(lǐng)域?qū)嵤┑目尚行浴?/p>

降低風(fēng)速可降低風(fēng)機壓力及能耗，噪聲也可減小，但減少風(fēng)管截面積將增大，占用更多的空間。因此，管內(nèi)風(fēng)速的選取應(yīng)綜合平衡建筑空間、能耗、噪音等各種因素后確定。對于船舶來說，建筑空間這一因素比之于普通的陸上建筑顯得更為重要，故不建議通過降低風(fēng)速來降低能耗。

4.2 水系統(tǒng)

水系統(tǒng)（包括冷凍水系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)）是空調(diào)系統(tǒng)的一個重要組成部分，水系統(tǒng)的能耗在整個空調(diào)能耗中也占了很大的比例。為使空調(diào)系統(tǒng)在最低的能耗水平下提供需要的室內(nèi)溫度,前提條件是水系統(tǒng)達到全面的平衡。

長期以來，水系統(tǒng)的平衡設(shè)計一直是空調(diào)設(shè)計中比較薄弱的環(huán)節(jié)。設(shè)計人員在設(shè)計過程中雖然也會采取一些節(jié)能措施，但重視程度不夠,在實際工程中的應(yīng)用情況仍不夠理想。因此，水系統(tǒng)的節(jié)能還有很大的潛力。

（1）管路布置

空調(diào)水系統(tǒng)的管路布置方式有同程式與異程式之分。與同程式系統(tǒng)相比，異程式系統(tǒng)因少了一條回水總管，初投資與管道占用空間都較省，總阻力也比同程式小，可節(jié)省水泵能耗。其主要缺點是阻力不易平衡，在設(shè)計計算中也需進行并聯(lián)環(huán)路的阻力不平衡率校核，設(shè)計過程較為復(fù)雜。但異程式系統(tǒng)如與變水量方式相結(jié)合，則由阻力不平衡而引起的相關(guān)問題就可有效避免，而其節(jié)能特性將得到明顯的體現(xiàn)，是一種比較適合于船舶空調(diào)系統(tǒng)的管路布置方式[7]。

（2）流量控制

在空調(diào)水系統(tǒng)中,水泵若按定流量運行，幾乎所有水泵均處在超流量狀態(tài)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，其在船舶行業(yè)的應(yīng)用也有著廣泛的應(yīng)用前景。采用變流量控制，系統(tǒng)將根據(jù)未端負荷的變化自動調(diào)節(jié)水流量（也即調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速），從而有效地控制水泵消耗功率，實現(xiàn)最佳的節(jié)能。

文獻[8]研究了變冷凍水流量對冷水機組性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：系統(tǒng)采用變冷凍水流量與定冷凍水流量相比，機組制冷量減小最大不超過4.1%，COP降低最大不超過4.2%，而冷凍水泵功耗可減少81%以上，具有明顯的節(jié)能效果。

（3）傳熱溫差與進、出水溫差選擇

空調(diào)水系統(tǒng)中換熱設(shè)備的設(shè)計溫差將直接影響設(shè)備的尺寸和金屬消耗量。

在換熱器傳熱系數(shù)一定的前提下，對應(yīng)于一定的換熱量，傳熱溫差大，所需的傳熱面積就小，從而設(shè)備尺寸與金屬耗量都將減小。

而從冷凍水或冷卻水的角度，在符合空調(diào)系統(tǒng)運行工況和滿足舒適性的前提下，增大冷凍水供回水溫差和冷卻水的進出水溫差，就可以減少冷凍水和冷卻水的流量，降低管道的損耗，節(jié)約能源。而在傳統(tǒng)的船舶空調(diào)系統(tǒng)中，一般都按滿負荷狀態(tài)設(shè)計和運行，水泵功率和管道尺寸都偏大，水系統(tǒng)基本處于大流量小溫差的運行狀態(tài)，形成很大的能量浪費。

（4）水流速度

流速是影響對流傳熱的主要因素，流速大，雷諾數(shù)就大，還可降低污垢的沉積，水側(cè)的換熱系數(shù)增大，傳熱效果增強，換熱器的尺寸及金屬耗量均可減小。但另一方面，過高的流速會使管子的侵蝕加劇，管道阻力與噪音增大，水泵的耗功率加大，使泵的初投資和換熱器的運行費用增加。故水流速度應(yīng)維持在一定的范圍內(nèi)，過高、過低均不適宜。不同場合下的水流速度可參考相關(guān)手冊選取。

5 設(shè)備選用

考慮船用設(shè)備的特殊性，在制冷空調(diào)設(shè)備的設(shè)計中應(yīng)盡可能選用高效、節(jié)能的設(shè)備，提高設(shè)備的制造質(zhì)量。這雖然會使初投資增加，卻可大大減少運行成本，同時又能減少占用的空間與船舶的空船重量，這對于船舶空調(diào)系統(tǒng)而言顯得尤為重要。有資料表明，在其它參數(shù)不變的情況下，空船重量越輕載重量越大[9]。特別是壓縮機與換熱設(shè)備的選用，必須遵循高效、節(jié)能的原則。

5.1 壓縮機

高效化的壓縮機，可降低空調(diào)機的消耗功率。對于變頻空調(diào)，還需結(jié)合壓縮機的性能曲線，合理選用壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率，使其在“最佳工作點”下工作。

5.2 熱交換器

前已述及，在傳熱系數(shù)、換熱量一定的前提下，大的傳熱溫可減小傳熱面積小、減少金屬耗量。但傳熱溫差的增大會導(dǎo)致蒸發(fā)器降低或冷凝溫度升高，從而制冷系數(shù)下降。因此，設(shè)計中蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱溫差應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)。如采用了高性能的熱交換器，在制冷溫度與制冷量均一定的情況下，所需傳熱溫差就小，引起的蒸發(fā)溫度降低幅度也可減小，從而制冷系數(shù)下降較少，壓縮機的功耗也就較?。粚τ诶淠^程，也存在類似情況。

6 其他環(huán)節(jié)的節(jié)能

（1）應(yīng)用全能系統(tǒng)，以提高能量利用效率，尤其對大型船舶的供電、供熱和供冷，應(yīng)在船舶中就地產(chǎn)生和綜合利用，以減少發(fā)電、輸配電過程和能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗。普通系統(tǒng)發(fā)電效率僅30%左右，而全能系統(tǒng)的整個效率可達84%左右。如在船上推廣應(yīng)用冷熱全效熱泵，既可用熱泵實現(xiàn)全部的制冷、供熱、提供生活熱水等功能，改善現(xiàn)有船舶空調(diào)裝置只能提供冷量的局限；又可大幅度提高現(xiàn)有船舶空調(diào)系統(tǒng)的能耗水平，節(jié)能效益顯著[10]。

（2）推廣船舶動力裝置的余熱綜合利用

船舶裝置中柴油機的排氣、柴油機的冷卻水、還有冷凝器(制冷機)的冷卻水等的廢熱均存在利用的潛力。這些余熱如能加以綜合利用，不但可以節(jié)約石油資源，提高船舶運行的經(jīng)濟性，而且可以減少對大氣和海洋環(huán)境污染。

7 結(jié)束語

由于節(jié)能和環(huán)保的需要，對船舶空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能提出了更高的要求，暖通空調(diào)業(yè)界人員在這方面已做了大量研究。但與陸上空調(diào)系統(tǒng)相比，船舶空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計和運行管理仍處于相對落后的狀況，同時也存在很大的提高與發(fā)展空間。就船舶空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計而言，從方案的確定、設(shè)計參數(shù)的選取、空調(diào)負荷的確定、系統(tǒng)布置、設(shè)備選用等多方面均存在著很大的節(jié)能潛力。業(yè)界人員需要共同努力，將節(jié)能意識充分體現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計的各個階段，并緊密結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使船舶空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計水平上一個新的臺階，達到安全、舒適、高效節(jié)能的要求。

參考文獻：

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[10]中國船級社.船用冷熱全效熱泵技術(shù)應(yīng)用[J].交通節(jié)能與環(huán)保,2011(4):58-62.

Energy-saving Design of Air Conditioning System of the Ship

SHEN Ya-jun
(Donghai Science Technology School of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316004,China)

According to the characteristics of the ship,discusses the energy saving design way of ship air conditioning systems,and aiming at some problems in practical suggestions are given,hope to have certain help to the implementation of the ship energy saving.

ship;air conditioning system;energy saving design;system layout

U664.86

A

1008－830X(2015)05－0465－05

2015-03-20

沈雅鈞（1958-），女，浙江嵊州人，副教授，研究方向：空調(diào)、制冷技術(shù).