張俊杰

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

船舶電站的配置一直是設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)初期各專業(yè)能準(zhǔn)確給出本專業(yè)設(shè)備的電力負(fù)荷可以很好地幫助電氣專業(yè)進(jìn)行電站選型?？绽渫▽I(yè)設(shè)備負(fù)荷在整船負(fù)荷中占了很大一部分。為更好地分析研究空冷通專業(yè)的設(shè)備負(fù)荷，以我院某標(biāo)準(zhǔn)型48 000 t散貨船為例，詳細(xì)分析此船的空冷通設(shè)備的電力負(fù)荷狀況，并以此船型為標(biāo)準(zhǔn)，供后續(xù)船或其他船型設(shè)計(jì)提供參考。

1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備配置

1.1 概 述

本船空調(diào)系統(tǒng)將是集中供冷和集中供暖的中壓、單風(fēng)管中央空調(diào)系統(tǒng)。并為下列處所服務(wù)：

（1）居住處所、公共處所、航海和控制處所為空調(diào)處所。

（2）駕駛室、報(bào)務(wù)室、廚房、配餐間、洗衣室、更衣室、海關(guān)儲藏室和干糧庫為空調(diào)局部冷卻/采暖處所。

（3）除病室、吸煙室外，空調(diào)處所的空調(diào)風(fēng)經(jīng)空調(diào)房間門下方的百葉柵流入走道。部分空調(diào)風(fēng)經(jīng)艙室抽風(fēng)系統(tǒng)排至戶外；部分空調(diào)風(fēng)經(jīng)回風(fēng)管系回流至空調(diào)器，并與新風(fēng)混合，經(jīng)空氣處理后形成空調(diào)風(fēng)，由送風(fēng)管及布風(fēng)器送入空調(diào)房間。

（4）按SOLAS有關(guān)規(guī)定，廚房設(shè)置一套獨(dú)立的廚房空調(diào)裝置。

（5）機(jī)艙集控室設(shè)置一臺柜式空調(diào)機(jī)。

1.2 空調(diào)設(shè)計(jì)條件

空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)的取值適用于無限航區(qū)船舶。對于有限航區(qū)船舶，按各航區(qū)有關(guān)規(guī)定確定，并原則上遵循該船航行海域的海洋氣象資料。本船的外部環(huán)境參數(shù)取值如表1所示。

表1 外部環(huán)境參數(shù)

駕駛室/海圖室、廚房、配餐間等均采用局部冷卻或加熱，該類區(qū)域的溫度、濕度不作考核。夏季和冬季的空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)比均約為50%，過渡季節(jié)則接近100%新風(fēng)。人均最小新風(fēng)量可根據(jù)ISO要求，私人房間為30 m3/h·人，公共艙室為17 m3/h·人。

1.3 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

全船中央空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算按照ISO 7547-2002標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 13409-92相等同）進(jìn)行計(jì)算，并采用單位面積熱負(fù)荷法進(jìn)行校核計(jì)算。

1.3.1 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算說明

本船空調(diào)負(fù)荷計(jì)算按照ISO 7547-2002標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。每個艙室的風(fēng)量從以下四個方面進(jìn)行計(jì)算，最終取最大值：

（1）按夏季艙內(nèi)得熱量計(jì)算風(fēng)量；

（2）按冬季艙內(nèi)熱損失計(jì)算風(fēng)量；

（3）按新風(fēng)量計(jì)算風(fēng)量；

（4）按換氣次數(shù)要求計(jì)算風(fēng)量。

根據(jù)目前標(biāo)準(zhǔn)船型的總圖，按照ISO 7547-2002標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量計(jì)算所得結(jié)果如下：

A. 夏季

1）送風(fēng)量 14 500 m3/h

2）冷卻負(fù)荷 210 kW

B. 冬季

1）送風(fēng)量 14 500 m3/h

2）加熱蒸汽量 1 290 kg/h

3）加濕量 161.17 kg/h

1.3.2 空調(diào)柜機(jī)冷卻能量的確定

船舶機(jī)艙集控室的空調(diào)柜機(jī)的冷卻能量的計(jì)算參照CB/T 3773-1996 （等同于ISO 8862-1987標(biāo)準(zhǔn)），船舶駕駛室的空調(diào)柜機(jī)的冷卻能量的計(jì)算參照CB/T 3774-1996 （等同于ISO 8864-1987標(biāo)準(zhǔn)），船舶廚房的空調(diào)柜機(jī)的冷卻能量的計(jì)算參照ISO 9943-1991。

本船空調(diào)柜機(jī)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 空調(diào)柜機(jī)計(jì)算結(jié)果

1.4 空調(diào)設(shè)備選型

根據(jù)目前船舶空調(diào)的常規(guī)配置，中央空調(diào)壓縮冷凝機(jī)組采用2×50%能量配置，中央空調(diào)器采用1×100%能量配置。壓縮機(jī)的COP值可按近似值3進(jìn)行取值。

空調(diào)冷藏設(shè)備的冷卻水量關(guān)系到冷卻水泵的配置，對電力負(fù)荷也有一定的影響。目前對于冷卻水量的計(jì)算在設(shè)備未定前，一般是按照冷凝器排熱量來估算的，冷凝器的排熱量可以根據(jù)壓縮機(jī)冷凝機(jī)組的制冷量乘以1.2倍的排熱系數(shù)來估算，計(jì)算冷卻水量時，冷卻水溫升也是影響比較大的參數(shù)。按一般設(shè)計(jì)手冊要求，冷卻水溫升一般取4℃，但由于在設(shè)備訂貨過程中，各設(shè)備供應(yīng)商由于設(shè)備配置情況不同，冷卻水溫升取值也不同，造成冷卻水量的選取值不一致。

根據(jù)目前主要設(shè)備供應(yīng)商以往的資料，我們認(rèn)為冷卻水溫升的取值范圍可以取在3.5～4.5范圍之間比較合理，在基本設(shè)計(jì)時可以按此估算冷卻水量。按COP為3估算，本船的空調(diào)電負(fù)荷約為100 kW。

2 機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備配置

2.1 概 述

每個通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量根據(jù)艙室容積以及換氣次數(shù)來確定。通風(fēng)系統(tǒng)分組和風(fēng)機(jī)數(shù)量等根據(jù)最終艙室布置進(jìn)行調(diào)整。

2.2 風(fēng)量的計(jì)算

系統(tǒng)通風(fēng)量的計(jì)算遵循下列原則：

（1）按照艙室換氣次數(shù)來確定艙室通風(fēng)量；

（2）對于設(shè)備散熱量較大的房間，需根據(jù)房間的最大熱負(fù)荷和允許的最大溫升來計(jì)算艙室通風(fēng)量。

根據(jù)計(jì)算取大值來確定艙室最終的送風(fēng)量，對于有空調(diào)送風(fēng)的艙室還需要考慮中央空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量平衡等因素。

2.3 風(fēng)機(jī)設(shè)備的選型

本船的風(fēng)機(jī)選型參照國產(chǎn)風(fēng)機(jī)型號，由于國產(chǎn)風(fēng)機(jī)和進(jìn)口風(fēng)機(jī)在風(fēng)機(jī)效率上有一些差別，因此選用進(jìn)口風(fēng)機(jī)時，電機(jī)配用功率通常小于國產(chǎn)風(fēng)機(jī)。

按國產(chǎn)風(fēng)機(jī)選型，本船風(fēng)機(jī)的總功率為14 kW。

3 伙食冷藏系統(tǒng)設(shè)備配置

3.1 概 述

伙食冷庫主要由肉庫、魚庫、蔬菜庫等組成，其相應(yīng)庫容及庫溫如表3所示。

表3 伙食冷庫主要組成部分

3.2 伙食冷庫負(fù)荷計(jì)算

伙食冷庫的設(shè)計(jì)條件和計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同工況下伙食冷庫的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果W

一套制冷機(jī)組應(yīng)能在36℃冷卻淡水、35℃外界空氣溫度條件下，每天運(yùn)轉(zhuǎn)18 h可保證上述的庫溫要求；另有一套機(jī)組作為備用。機(jī)組每天平均運(yùn)行18 h。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選用壓縮機(jī)單臺制冷量為：4×1.1≈4.4 kW。

3.3 伙食冷藏壓縮冷凝機(jī)組及冷風(fēng)機(jī)的選型

根據(jù)壓縮機(jī)的制冷量選擇Bitzer壓縮機(jī)4T.2Y，軸功率為3.21 kW，冷風(fēng)機(jī)總功率為5.3 kW。

4 空調(diào)冷藏專業(yè)設(shè)備電力負(fù)荷狀況分析

作為設(shè)計(jì)人員，通?；谪?fù)荷的計(jì)算結(jié)果，并據(jù)此結(jié)合設(shè)備特性，選用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備。因此，較為準(zhǔn)確地計(jì)算整船的負(fù)荷對于選用合適設(shè)備進(jìn)而給出準(zhǔn)確的電力負(fù)荷而言至關(guān)重要。下面分別從中央空調(diào)設(shè)備（主要包括空調(diào)壓縮冷凝機(jī)組和冷水機(jī)組、空調(diào)箱和空調(diào)柜機(jī)等）、風(fēng)機(jī)以及伙食冷藏裝置（主要包括伙食冷藏壓縮冷凝機(jī)組和冷風(fēng)機(jī)等）等三個主要方面對用電負(fù)荷進(jìn)行分析。

4.1 從空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度

作為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的外界環(huán)境參數(shù)，一般根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)和船東要求，以極端氣候條件進(jìn)行計(jì)算，但在實(shí)船航行中，這種極端氣候條件出現(xiàn)的幾率并不高。此外，就夏季工況而言，與陸用建筑朝向固定不同，由于船舶航行導(dǎo)致的朝向不確定性，各艙室均以最不利條件確定空調(diào)負(fù)荷，空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)這些最大負(fù)荷的累加確定設(shè)備參數(shù)。但即便在最不利環(huán)境條件下，在任何時刻，當(dāng)部分艙室處于不利的朝向（日曬面）時，必然有部分艙室處于部分負(fù)荷狀態(tài)（處于日陰面）。因此，即使船舶航行在設(shè)計(jì)工況下，空調(diào)系統(tǒng)所需的制冷量也小于系統(tǒng)實(shí)際配備的制冷量。

4.2 從風(fēng)機(jī)設(shè)備選用角度

機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)要保證船上除中央空調(diào)區(qū)域外所有艙室的通風(fēng)換氣要求，船上的風(fēng)機(jī)基本上一直運(yùn)行。單臺風(fēng)機(jī)功率雖不大，但由于風(fēng)機(jī)數(shù)量多，所以總電力負(fù)荷也較大。在風(fēng)機(jī)設(shè)備的選用上除非船東明確要求，船廠大多從成本考慮選用國產(chǎn)風(fēng)機(jī)，而目前國產(chǎn)風(fēng)機(jī)的效率普遍低于進(jìn)口風(fēng)機(jī)，所以選用國產(chǎn)風(fēng)機(jī)的電力負(fù)荷大大超過進(jìn)口風(fēng)機(jī)。因此，如果要較好地控制整船的電力負(fù)荷，船東不應(yīng)忽視風(fēng)機(jī)這一相對不起眼的設(shè)備，選用高效率的風(fēng)機(jī)可以使整船用電功率減小不少。

4.3 從伙食冷藏系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度

伙食冷藏系統(tǒng)在海上運(yùn)行時屬于間歇運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，由于伙食冷藏系統(tǒng)一般配置2套壓縮冷凝機(jī)組（1用1備），在碼頭進(jìn)貨初期，由于需要快速將貨品溫度降低，故可能2套機(jī)組同時運(yùn)行，此時的設(shè)備負(fù)荷最大。對于庫品的進(jìn)貨溫度（尤其是低溫庫），設(shè)計(jì)手冊上給的是-10℃，但在很多實(shí)際情況中，船東進(jìn)貨往往買的是新鮮貨品，因此在負(fù)荷計(jì)算的時候應(yīng)特別注意。進(jìn)貨溫度的不同對于設(shè)備的容量又有著較大影響，同時也影響了設(shè)備的選型，從而影響電負(fù)荷。海上航行階段由于處于維持工況下，設(shè)備負(fù)荷很小，而且1套機(jī)組是停機(jī)的，只有1套機(jī)組間歇運(yùn)行維持冷庫的庫溫。需要說明的是，當(dāng)冷風(fēng)機(jī)結(jié)霜嚴(yán)重時需要進(jìn)行電加熱除霜，此時除霜的電加熱功率比較大，并且可能超過1臺壓縮機(jī)運(yùn)行時的設(shè)備電負(fù)荷。

5 結(jié) 論

綜上所述，由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時間都是處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時不宜過多考慮設(shè)備負(fù)荷余量，在設(shè)備選型時應(yīng)盡可能選用能效比（COP）高的壓縮冷凝機(jī)組，這樣可以有效降低海上設(shè)備運(yùn)行時的電力負(fù)荷，提高設(shè)備運(yùn)行效率，達(dá)到降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，節(jié)省能源的目的。

機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)中，對高效率風(fēng)機(jī)的選擇，則能大大減小電力負(fù)荷，但在選型時仍應(yīng)考慮成本，合理選擇風(fēng)機(jī)。而冷藏系統(tǒng)在船舶航行狀態(tài)中絕大多數(shù)情況下負(fù)小，負(fù)荷的變化也較為穩(wěn)定，故設(shè)計(jì)時也不宜過多考慮設(shè)備負(fù)荷余量，選擇能效比（COP）較高的壓縮冷凝機(jī)組，并在船舶運(yùn)行時注意系統(tǒng)的工作狀態(tài)，提高設(shè)備運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能目的。

HVAC系統(tǒng)電力負(fù)荷在整船中占較大比例，做好HVAC系統(tǒng)的設(shè)備選型對于電站的配置有很重要的作用。在提倡節(jié)能環(huán)保的今天，如何更妥善合理地選用HVAC設(shè)備，達(dá)到節(jié)電節(jié)能，對于設(shè)計(jì)人員而言，將是一個永久的課題。

［1］ 中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊：輪機(jī)分冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013：646-681.

［2］ 中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊：電氣分冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013：27-54.

［3］ 王靜靜. 某船舶中央空調(diào)負(fù)荷的確定［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2016（7）：59-60.

［4］ 李崇，李亞文. 船舶空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2016（7）：77.