徐 謙，崔寶明，陳陵湘，郭 歆，姬佳慧

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

新型冠狀病毒肺炎（以下簡稱“新冠肺炎”）作為一種呼吸道疾病，其病毒可通過空氣傳播，尺寸只有10～100 nm。這種病毒可形成尺寸為0.01～10.00 μm的氣溶膠，普通船用中央空調(diào)的濾器無法對(duì)如此小尺寸的病毒進(jìn)行過濾，從而導(dǎo)致其能通過中央空調(diào)的通風(fēng)管路傳播。關(guān)閉中央空調(diào)系統(tǒng)之后，房間內(nèi)沒有空氣流動(dòng)，病毒會(huì)長時(shí)間漂浮在空氣中，并在開關(guān)艙室時(shí)從一個(gè)區(qū)域擴(kuò)散到另一個(gè)區(qū)域。

由于當(dāng)前新冠肺炎病毒已在世界范圍內(nèi)蔓延，消費(fèi)者非常擔(dān)心客船防疫不到位引發(fā)安全隱患，郵船的運(yùn)營受到了很大的影響。為恢復(fù)客船市場，必須解決客船防疫問題，其中對(duì)船舶中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行防病毒設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

新冠肺炎疫情發(fā)生之后，各船級(jí)社對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，例如：意大利船級(jí)社提出現(xiàn)代郵船在結(jié)構(gòu)上通常會(huì)設(shè)計(jì)若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)都是完全獨(dú)立運(yùn)作的；挪威船級(jí)社提出新鮮空氣從船體的一側(cè)進(jìn)入，廢氣從船體的另一側(cè)排出，從而確保船上的新鮮空氣與廢氣不會(huì)相互交叉。

中國船級(jí)社在其發(fā)布的《船舶防疫安全指南2020》中的“2級(jí)防疫安全要求”中提到，當(dāng)發(fā)生通過空氣和氣溶膠傳播的傳染性疾病時(shí)，若仍需使用空調(diào)系統(tǒng)，則在設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)和風(fēng)管時(shí)要考慮使各個(gè)房間獨(dú)立回風(fēng)，或在送風(fēng)口和回風(fēng)口布置高中效空氣濾器［1］。

因此，影響具有防病毒功能的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素是全新風(fēng)。本文根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出全新風(fēng)的3層含義，以及全新風(fēng)中央空調(diào)對(duì)船舶設(shè)計(jì)的影響，并從能耗方面進(jìn)行對(duì)比，對(duì)全新風(fēng)的節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 全新風(fēng)的第一層含義

全新風(fēng)的第一層含義：回風(fēng)不能在與新風(fēng)匯合之后重新送到室內(nèi)。

對(duì)于當(dāng)前的中央空調(diào)系統(tǒng)而言，為了節(jié)能，普遍采用部分回風(fēng)與新風(fēng)混合之后向房間送風(fēng)的作業(yè)方式。對(duì)于防病毒來說，這種方式是非常不安全的，會(huì)導(dǎo)致病毒從一個(gè)房間傳播到另一個(gè)房間。因此，應(yīng)放棄這種設(shè)計(jì)，使送至各房間的風(fēng)都直接來自室外，不再與回風(fēng)混合，見圖1。

圖1 全新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)

2 全新風(fēng)的第二層含義

全新風(fēng)的第二層含義：能量回收裝置不能導(dǎo)致新風(fēng)被回風(fēng)污染。

雖然全新風(fēng)的中央空調(diào)系統(tǒng)沒用回風(fēng)，所有送入艙室的風(fēng)都來自室外，易滿足防疫要求，但空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致能耗大大增加，影響客船運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。因此，必須考慮能量回收問題。由于當(dāng)前的能量回收裝置存在傳播病毒的可能性，比如熱轉(zhuǎn)輪可能會(huì)吸附病毒，因此需研究運(yùn)用新型能量回收裝置，使其既能防止病毒傳播，又比較節(jié)能。全新風(fēng)設(shè)計(jì)不僅需運(yùn)用能量回收裝置，而且不能對(duì)新風(fēng)產(chǎn)生污染。

熱轉(zhuǎn)輪是以復(fù)合纖維材料為載體，覆以蓄熱吸濕材料構(gòu)成的，有一定的自清能力，換熱效率較高，可回收全熱的60%～70%，新風(fēng)污染率為1%～10%，當(dāng)前這種能量回收裝置的防病毒性能還不明確［2］。圖2為帶熱轉(zhuǎn)輪的中央空調(diào)箱。

圖2 帶熱轉(zhuǎn)輪的中央空調(diào)箱

板式顯熱回收裝置將回風(fēng)排放與新風(fēng)送風(fēng)徹底隔離開來，完全沒有污染的風(fēng)險(xiǎn)，但只能回收顯熱，效率為50%～60%［3］，見圖3。

圖3 板翅片

為滿足全新風(fēng)的第二層含義，需對(duì)不同的能量回收裝置進(jìn)行核查討論。板式和熱管這2種能量回收裝置完全能滿足要求，但其回收效率較低；熱轉(zhuǎn)輪存在污染新風(fēng)的可能，其防病毒性能暫不明確。

3 全新風(fēng)的第三層含義

全新風(fēng)的第三層含義：不能通過使用內(nèi)循環(huán)空調(diào)控制溫度，新風(fēng)的換氣次數(shù)很少。

當(dāng)前的空調(diào)系統(tǒng)主要分為2種：一種是全空氣系統(tǒng)，即由中央空調(diào)箱輸送給房間的空氣能完全滿足房間的冷熱負(fù)荷需求，這種方式風(fēng)量大，房間的換氣次數(shù)多，且房間內(nèi)無需布置額外的空氣處理單元，能大大減少冷媒水管和凝水管的數(shù)量，空調(diào)設(shè)備都布置在空調(diào)機(jī)間內(nèi)，維修簡單，但風(fēng)管較多，布置困難［4］；另一種是水-氣系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)間的空調(diào)只輸送少量新風(fēng)到房間內(nèi)，只是用于滿足人員的呼吸需求，而為滿足房間的冷熱負(fù)荷需求，布置有額外的風(fēng)機(jī)盤管，一般布置在衛(wèi)生單元后面的三角區(qū)。

水-氣系統(tǒng)的新風(fēng)滿足上述第一層和第二層含義，但若新風(fēng)量很少，導(dǎo)致房間的換氣次數(shù)很少，病毒會(huì)長時(shí)間留在房間內(nèi)，并在開門和關(guān)門過程中向外擴(kuò)散，因此不是真正意義上的全新風(fēng)［5］。由此，在使用水-氣系統(tǒng)時(shí)，要特別注意新風(fēng)量，不能為了節(jié)能和便于布置風(fēng)管而盲目減少新風(fēng)量。

4 高外界環(huán)境溫度下的空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)

為直觀地說明上述全新風(fēng)的3層含義對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的影響，從某客船上選取一個(gè)帶窗戶的雙人間，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。夏季外界溫度為35℃，相對(duì)濕度為70%，室內(nèi)溫度為26℃，房間的空調(diào)負(fù)荷來自人（240 W）、窗戶（350 W）和艙壁（100 W），共計(jì)690 W。

先考慮使用全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)，房間的送風(fēng)溫差是8 K，空氣在中央空調(diào)器內(nèi)冷卻到16℃，經(jīng)過風(fēng)管時(shí)有2 K的溫升，通過計(jì)算可得房間需要260 m3/h的風(fēng)量，外界溫度為35℃時(shí)不同節(jié)能裝置的全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)比見表1。

表1 外界溫度為35℃時(shí)不同節(jié)能裝置的全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)比

若使用水-氣中央空調(diào)系統(tǒng)，在房間內(nèi)布置風(fēng)機(jī)盤管，風(fēng)機(jī)盤管的負(fù)荷與房間負(fù)荷一致，均為690 W，由中央空調(diào)送72 m3/h的新風(fēng)，將外界的新風(fēng)處理到與房間內(nèi)空氣焓值相同的溫度，即18.6℃。外界溫度為35℃時(shí)不同節(jié)能裝置的水-氣中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)比見表2。

表2 外界溫度為35℃時(shí)不同節(jié)能裝置的水-氣中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)比

由以上計(jì)算可知，不同中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷負(fù)荷差別很大，會(huì)對(duì)冷水機(jī)組和泵的選擇產(chǎn)生很大影響。空調(diào)負(fù)荷最小的是采用帶熱轉(zhuǎn)輪的新風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)盤管的水-氣中央空調(diào)系統(tǒng)，負(fù)荷為1 341 W；空調(diào)負(fù)荷最大的是無能量回收的全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)，負(fù)荷為4 513 W；空調(diào)負(fù)荷居中的是板式顯熱回收的全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)，負(fù)荷為3 723 W。因此，在高外界溫度下設(shè)計(jì)中央空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，水-氣系統(tǒng)是最節(jié)能的，若運(yùn)用全空氣系統(tǒng)，必須考慮全熱回收。基于顯熱回收與全熱回收的全空氣系統(tǒng)在高外界溫度下的負(fù)荷差距很大，潛熱占支配地位，必須考慮對(duì)其進(jìn)行能量回收。

5 低外界環(huán)境溫度下的空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)

以上負(fù)荷計(jì)算和設(shè)備選型是基于最苛刻的外界溫度（35℃）進(jìn)行的，而在實(shí)際船舶運(yùn)營過程中，隨著季節(jié)和晝夜的變化，外界溫度是不斷變化的，不同空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷會(huì)隨著外界溫度的變化做出不同的變化。對(duì)比全熱回收（50%）全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)、顯熱回收（50%）全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)和水-氣中央空調(diào)系統(tǒng)（72 m3/h新風(fēng)量）在不同外界溫度下的負(fù)荷，結(jié)果見圖4。在全空氣系統(tǒng)中，房間依舊有260 m3/h的風(fēng)量，房間內(nèi)的熱負(fù)荷隨著外界溫度的變化而減小，全空氣系統(tǒng)的送風(fēng)溫度會(huì)下降，3種中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷負(fù)荷也隨之減小。從圖4中可看出，在較低的外界溫度下，全空氣系統(tǒng)在節(jié)能方面比水-氣系統(tǒng)更有優(yōu)勢，全熱回收全空氣系統(tǒng)與顯熱回收全空氣系統(tǒng)的差距隨著外界溫度的下降而逐步減小，直至外界溫度為26℃時(shí)重合，說明在該溫度下，外界新鮮空氣的溫度在中央空調(diào)箱內(nèi)降到了露點(diǎn)溫度以上，沒有潛熱產(chǎn)生，也說明當(dāng)外界溫度低于26℃時(shí)，顯熱回收全空氣系統(tǒng)與全熱回收全空氣系統(tǒng)的熱效率無差別。

圖4 不同中央空調(diào)系統(tǒng)在不同外界溫度下的負(fù)荷曲線

6 結(jié) 語

本文在新冠肺炎疫情大暴發(fā)的背景下對(duì)客船的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。據(jù)調(diào)查，絕大多數(shù)新冠肺炎患者都是在室內(nèi)感染病毒的，通過增加新風(fēng)量使室內(nèi)的環(huán)境更接近于室外，能有效降低病毒傳播的可能性［6］。雖然滿足上述3層含義的全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)能有效抗病毒，但必須考慮能耗問題，不能盲目增加新風(fēng)量而導(dǎo)致電力負(fù)荷劇增。因此，本文重點(diǎn)對(duì)比討論了不同中央空調(diào)系統(tǒng)在不同外界溫度下的能耗特點(diǎn)，從而在設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)做出最合理的選擇。

滿足全新風(fēng)3層含義的中央空調(diào)系統(tǒng)不一定是全空氣系統(tǒng)，在不將新風(fēng)量降得很低的前提下合理使用風(fēng)機(jī)盤管，能起到很好的節(jié)能效果，大大減少設(shè)計(jì)工況下的制冷負(fù)荷，非常有助于整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在較高的外部環(huán)境溫度下，滿足全新風(fēng)3層含義的全空氣系統(tǒng)有較高的能耗，但在實(shí)際運(yùn)用過程中，當(dāng)外界溫度下降時(shí)，該系統(tǒng)有很好的節(jié)能作用，可利用外部空氣直接帶走室內(nèi)的熱量，起到很好的環(huán)保效果。