胡崇偉

(青島遠(yuǎn)洋國(guó)際船舶貿(mào)易有限公司，山東 青島 266071)

0 引 言

客滾船是一種人車兩用運(yùn)輸船，主要用于裝運(yùn)卡車、小汽車、集裝箱拖車和游客，并為游客提供住宿和娛樂服務(wù)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的內(nèi)海、海灣、海峽和沿海島嶼間的短途水運(yùn)中具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)客滾船的安全性、穩(wěn)定性、快速性、舒適性、豪華性和裝載車輛大型化提出了更高的要求。目前，國(guó)際客滾船運(yùn)輸主要集中在歐洲的波羅的海、北海、地中海地區(qū)、日本列島之間及美國(guó)沿海地區(qū)。我國(guó)的客滾船運(yùn)輸已形成以渤海灣為中心的渤海灣客滾運(yùn)輸市場(chǎng)，隨著亞洲區(qū)域旅游日益活躍和中韓自貿(mào)區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，將進(jìn)一步推動(dòng)中韓航線客貨運(yùn)事業(yè)的發(fā)展。

客滾船作為一種人車兩用的特殊船型，其空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)乘客的舒適度和節(jié)能環(huán)保有著重要影響。本文主要圍繞這2個(gè)方面對(duì)客滾船空調(diào)系統(tǒng)的使用要求和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行闡述,參考的主要標(biāo)準(zhǔn)如下。

1) 舒適度。中國(guó)船級(jí)社(China Classification Society, CCS)在國(guó)際海事組織(International Maritime Organization, IMO)SOLAS修正案決議的基礎(chǔ)上制定了“舒適度附加標(biāo)志”的細(xì)則，包括COMF(NOISEN)噪聲舒適性附加標(biāo)志和COMF(VIBN)振動(dòng)舒適性附加標(biāo)志,N為舒適度等級(jí)1，2，3，其中：1表示舒適度最高等級(jí)；3表示可接受舒適度等級(jí)。由此可看出，船級(jí)社在隨著航運(yùn)發(fā)展的變革,逐步將客滾船舒適度要求標(biāo)準(zhǔn)化、具體化、規(guī)范化。

2) 節(jié)能環(huán)保。我國(guó)船舶帶來(lái)的大氣污染主要來(lái)自于含硫量較高的燃油。按照IMO《防止船舶污染國(guó)際公約》的規(guī)定，遠(yuǎn)洋船舶燃油含硫量最高不超過3.5%，但這已是國(guó)產(chǎn)柴油標(biāo)準(zhǔn)含硫量上限0.005%的700倍。內(nèi)河船舶使用燃油沒有強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。在船舶設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)合理使用節(jié)能減排技術(shù)，特別是空調(diào)系統(tǒng)作為客滾船上的主要耗能設(shè)備之一，更要在設(shè)計(jì)上加入節(jié)能方法。

1 客滾船空調(diào)系統(tǒng)方案介紹

目前正在運(yùn)行的客滾船安裝的空調(diào)系統(tǒng)主要有單風(fēng)管集中式再加熱定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)、雙風(fēng)管空調(diào)系統(tǒng)、變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和獨(dú)立盤管空調(diào)系統(tǒng)等4種。

1) 單風(fēng)管集中式再加熱定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)(見圖1)從空調(diào)中央處理機(jī)吹出的風(fēng)量恒定，以提供空調(diào)區(qū)域所需的冷(暖)氣。當(dāng)空調(diào)區(qū)域負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，通過末端再加熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度，以滿足室內(nèi)溫度的舒適度要求。在該系統(tǒng)中，空調(diào)中央處理機(jī)接通電源之后以恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，風(fēng)量是恒定的，控制簡(jiǎn)單；采取空氣集中處理方式，節(jié)省空間，便于維護(hù)；系統(tǒng)初期投入成本相對(duì)較少。

圖1 單風(fēng)管集中式再加熱定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)示意

2) 雙風(fēng)管空調(diào)系統(tǒng)主要采用雙風(fēng)溫布風(fēng)器實(shí)現(xiàn)。雙風(fēng)溫布風(fēng)器有2路溫度不同的進(jìn)風(fēng)，通過調(diào)節(jié)2路的通風(fēng)量對(duì)送風(fēng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同房間的溫度需求。由于雙風(fēng)管空調(diào)系統(tǒng)可單獨(dú)調(diào)節(jié)各艙室的溫度，因此乘客可根據(jù)自己的熱體感調(diào)節(jié)艙室內(nèi)的溫度。與再加熱定風(fēng)量系統(tǒng)相比，該方式下的送風(fēng)溫度雙向可調(diào)，溫度可調(diào)范圍更廣，使得房間的舒適性大大提高。

①-空調(diào)箱；②-送風(fēng)管；③-風(fēng)機(jī)盤管；④-布風(fēng)器；⑤-回風(fēng)口；⑥-回風(fēng)管

3) 變風(fēng)量系統(tǒng)主要通過變風(fēng)量布風(fēng)器實(shí)現(xiàn)。中央空調(diào)器提供的送風(fēng)溫度不變，變風(fēng)量布風(fēng)器通過艙室內(nèi)的溫度對(duì)送風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同房間的溫度要求。此外，變風(fēng)量系統(tǒng)一般會(huì)配置末端輔助加熱系統(tǒng)，具有室內(nèi)熱舒適性良好和空氣潔凈度較高等優(yōu)點(diǎn)。

4) 獨(dú)立盤管系統(tǒng)(見圖2)采用空氣-水系統(tǒng)空調(diào)型式，獨(dú)立風(fēng)機(jī)盤管既可安裝于艙室衛(wèi)生單元背部或艙室其他空間，也可安裝于艙室外部區(qū)域，使用靈活，可有效利用船上的布置空間。經(jīng)過新風(fēng)空調(diào)機(jī)組處理的風(fēng)送至風(fēng)機(jī)盤管與回風(fēng)混合，混合后經(jīng)過冷媒水盤管或電加熱盤管處理，通過風(fēng)管送至房間內(nèi)的布風(fēng)器。房間內(nèi)的溫度由安裝的溫度控制器設(shè)定。溫度控制器通過控制風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)量達(dá)到控制室內(nèi)溫度的目的。風(fēng)機(jī)盤管相當(dāng)于一套變風(fēng)量子系統(tǒng)。

2 客滾船不同空調(diào)系統(tǒng)方案對(duì)比

1) 對(duì)于全空氣的空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)同一個(gè)系統(tǒng)作用于多個(gè)房間時(shí)，若采用帶再熱功能的定風(fēng)量系統(tǒng)，無(wú)法使每個(gè)房間內(nèi)的溫度都得到控制，只能控制某個(gè)主要房間的溫度，或在大多數(shù)情況下控制一個(gè)綜合的回風(fēng)溫度。若某個(gè)房間的回風(fēng)溫度低于該綜合回風(fēng)溫度，可通過再熱系統(tǒng)將其調(diào)節(jié)至適宜的溫度；若某些房間的回風(fēng)溫度高于該綜合回風(fēng)溫度，則無(wú)法通過末端再熱系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因?yàn)樵贌岫L(fēng)量系統(tǒng)具有單向調(diào)節(jié)的特性只能通過降低送風(fēng)溫度來(lái)兼顧絕大多數(shù)房間的溫度控制要求，而制冷量和末端再加熱量同時(shí)上升會(huì)帶來(lái)能耗損失。此外，定風(fēng)量系統(tǒng)按房間最大熱負(fù)荷和濕負(fù)荷來(lái)確定送風(fēng)量，但在大多數(shù)情況下空調(diào)房間的負(fù)荷低于最大負(fù)荷。當(dāng)實(shí)際負(fù)荷低于最大負(fù)荷時(shí)，為維持室溫設(shè)計(jì)水平，通過再熱合，用額外消耗的熱量抵消部分冷量，形成冷熱能量抵消。當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷不是最大負(fù)荷時(shí)，送風(fēng)量大于實(shí)際需要量，為輸送多余的風(fēng)量，風(fēng)機(jī)需多消耗電能。

2) 對(duì)于雙風(fēng)管系統(tǒng)，可根據(jù)每個(gè)房間設(shè)定的溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)2種不同溫度的空調(diào)送風(fēng)混合比例，達(dá)到控制溫度的目的，房間的個(gè)性化控制精度是這4種方案中最高的。缺點(diǎn)是每個(gè)房間都會(huì)存在冷熱風(fēng)的混合，造成能量損失，在送風(fēng)量基本不變、部分負(fù)荷下，風(fēng)機(jī)能耗依然很大，總的能耗要高于另外幾種方案。

3) 對(duì)于變風(fēng)量系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中隨著室內(nèi)負(fù)荷的變化，能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以改變送風(fēng)量，達(dá)到滿足室內(nèi)熱舒適性要求的目的。同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)不存在冷熱量相互抵消的情況，因此變風(fēng)量的能耗明顯低于再熱定風(fēng)量系統(tǒng)和雙風(fēng)管系統(tǒng)。變風(fēng)量末端的風(fēng)量調(diào)節(jié)會(huì)引起系統(tǒng)風(fēng)量發(fā)生變化，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)其他房間風(fēng)量控制的精度，因此對(duì)變風(fēng)量布風(fēng)器的配置要求較高，目前僅有少數(shù)幾個(gè)廠家生產(chǎn)的變風(fēng)量布風(fēng)器能滿足精確的控制要求。

4) 對(duì)于獨(dú)立盤管系統(tǒng)，通風(fēng)末端的獨(dú)立風(fēng)機(jī)盤管可較好地實(shí)現(xiàn)房間的溫度控制，達(dá)到與變風(fēng)量系統(tǒng)相同的舒適度和能耗水平，且集中送風(fēng)量更小，系統(tǒng)的噪聲更低。缺點(diǎn)是雖然可布置在艙室衛(wèi)生單元的背部空間或艙室外部區(qū)域，但仍對(duì)設(shè)備的布置空間有較高要求。同時(shí)，需供給末端冷媒水，艙室需設(shè)置冷媒水管道，需船廠具有較高的施工工藝以避免產(chǎn)生凝水，是4種方案中最復(fù)雜的。

綜上所述，4種方案按溫度控制水平排序是雙風(fēng)管系統(tǒng)>獨(dú)立盤管系統(tǒng)=變風(fēng)量系統(tǒng)>再熱定風(fēng)量系統(tǒng)；按照系統(tǒng)的節(jié)能水平排序是獨(dú)立盤管系統(tǒng)=變風(fēng)量系統(tǒng)>再熱定風(fēng)量系統(tǒng)>雙風(fēng)管系統(tǒng)；按噪聲控制水平排序是獨(dú)立盤管系統(tǒng)>變風(fēng)量系統(tǒng)>再熱定風(fēng)量系統(tǒng)>雙風(fēng)管系統(tǒng)；綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜性、安裝空間要求和設(shè)備價(jià)格，按初始成本投入排序是再熱定風(fēng)量系統(tǒng)<變風(fēng)量系統(tǒng)<雙風(fēng)管系統(tǒng)<獨(dú)立盤管系統(tǒng)。

3 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)上述方案對(duì)比，綜合空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制水平、節(jié)能要求、噪聲控制和初始成本投入，變風(fēng)量系統(tǒng)是現(xiàn)階段最適宜客滾船空調(diào)系統(tǒng)采用的方案，是目前國(guó)外客滾船空調(diào)系統(tǒng)的主流選擇。本文選取變風(fēng)量系統(tǒng)和目前國(guó)內(nèi)客滾船最常用的再熱定風(fēng)量系統(tǒng)進(jìn)行分析比較。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過改變室內(nèi)的送風(fēng)量來(lái)對(duì)室內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)，其送風(fēng)狀態(tài)保持不變。定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是通過控制風(fēng)量來(lái)保證空調(diào)區(qū)域溫度和濕度要求的空調(diào)系統(tǒng)，具有單個(gè)區(qū)域控制能力強(qiáng)、局部區(qū)域運(yùn)行靈活性和節(jié)能性好等優(yōu)點(diǎn)。

空調(diào)系統(tǒng)全年大部分時(shí)間都是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的，而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化和室內(nèi)參數(shù)的要求，通過改變送風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度。在自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下，空調(diào)和制冷設(shè)備都只按實(shí)際負(fù)荷需要運(yùn)行，因此可大幅度降低送風(fēng)風(fēng)機(jī)的動(dòng)力耗能和運(yùn)行費(fèi)用，大大節(jié)約冷量。根據(jù)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與功率之間的關(guān)系，當(dāng)送風(fēng)量減少時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率大大下降。有關(guān)研究結(jié)果表明，與定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的全年空氣系統(tǒng)輸送能耗一般可節(jié)約1/3。

對(duì)于定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在耗能方面的差別，以某正在研制的最新客滾船的某中央空調(diào)的計(jì)算結(jié)果為例進(jìn)行說明。該船的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為24 ℃@50%RH，室外設(shè)計(jì)溫度為35 ℃@80%RH，人均新風(fēng)量為30 m3/h，最小新風(fēng)比為50%。在夏季工況下，每個(gè)艙室的空調(diào)送風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見表1。

該中央空調(diào)器為36個(gè)房間提供服務(wù)，其中有20個(gè)雙人靠舷側(cè)外艙，并有16個(gè)四人內(nèi)艙。根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算：雙人外艙因有較大的飄窗，每個(gè)艙室的熱負(fù)荷為1 100 W；四人內(nèi)艙每個(gè)艙室的熱負(fù)荷為400 W。

在設(shè)計(jì)條件下，在常規(guī)的定風(fēng)量系統(tǒng)中，不考慮管路損失，將送風(fēng)溫度控制在14 ℃，每個(gè)雙人外艙為保證帶走1 100 W的熱量，計(jì)算送風(fēng)量為330 m3/h。在四人內(nèi)艙中，為保證同時(shí)滿足熱負(fù)荷要求和人均新風(fēng)量要求，送風(fēng)量必須是240 m3/h，而240 m3/h的14 ℃空氣送入艙室會(huì)造成艙室內(nèi)的溫度過低，因此在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)下，內(nèi)艙需打開電加熱以提高送風(fēng)溫度，每個(gè)房間需500 W的電加熱。由此，在定風(fēng)量系統(tǒng)中，這層系統(tǒng)配置需包括1臺(tái)空氣處理單元，送風(fēng)量為10 440 m3/h，制冷量為142 kW。此外，還需配備16個(gè)500 W的電加熱裝置。這些制冷能耗和風(fēng)機(jī)能耗及電加熱能耗是固定不變的。

在同樣的設(shè)計(jì)條件下采用變風(fēng)量系統(tǒng)，若在實(shí)際航行中外艙有1/2處于太陽(yáng)陰面，則陰面的熱量會(huì)大大降低，經(jīng)過計(jì)算將變?yōu)?50 W，送風(fēng)量只需195 m3/h。僅這一個(gè)變化就可減小空氣處理單元1 350 m3/h的送風(fēng)量，制冷量會(huì)相應(yīng)減少19 kW。在部分負(fù)荷工況下，所有靠舷邊艙室的送風(fēng)量可低至170 m3/h，只需滿足最低換氣次數(shù)要求即可，中央空調(diào)器的總送風(fēng)可減少3 200 m3/h，制冷量會(huì)減少44 kW。圖3為變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)靜壓控制原理圖。

圖3 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)靜壓控制原理圖

若在設(shè)計(jì)船舶通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)能將變風(fēng)量系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)控制，使其能自動(dòng)識(shí)別艙內(nèi)的情況并控制變風(fēng)量末端，則將進(jìn)一步降低不必要的空調(diào)能耗。若系統(tǒng)除了檢測(cè)到外艙都有乘員，但有1/2是陰面艙室以外，還檢測(cè)到內(nèi)艙有16個(gè)房間沒有乘員，則送風(fēng)量只要保證與廁所抽風(fēng)量平衡即可，一個(gè)艙室為72 m3/h，送風(fēng)量隨之降低2 688 m3/h，制冷量也會(huì)降至86 kW。

綜上所述，變風(fēng)量系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)可借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為各艙室提供個(gè)性化溫控需求并節(jié)省能耗的空調(diào)系統(tǒng)。隨著相關(guān)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)會(huì)變得更加靈活、舒適、節(jié)能。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了客滾船常見的幾種空調(diào)系統(tǒng)方案，分析比較了這些方案在溫度控制、節(jié)能水平、噪聲控制和初始成本投入等方面的表現(xiàn)，重點(diǎn)選取了變風(fēng)量系統(tǒng)和目前國(guó)內(nèi)客滾船最常用的再熱定風(fēng)量系統(tǒng)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，變風(fēng)量系統(tǒng)的應(yīng)用可有效提高艙室溫度控制水平和節(jié)能水平，在客滾船上擁有廣闊的應(yīng)用前景，有助于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排理念在大型船舶上進(jìn)一步實(shí)踐。