鄧小軍，邱 延，何 寶，景彥銘

（1. 中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司，遼寧大連 116001；2. 中國船舶集團有限公司，上海 200011）

0 引言

電池及其管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）[1]是純電池動力船舶的核心系統(tǒng)，其他系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)盡可能適用于電池的供電模式（直流供電），輔助機械設(shè)備應(yīng)盡可能選用低能耗、高效率的產(chǎn)品，以便減少電池的裝船容量。

在中大型客船上，空調(diào)系統(tǒng)能耗較高，根據(jù)以往常規(guī)柴電推進船型的配置經(jīng)驗，整個系統(tǒng)所需電功率占到整個電力負(fù)荷的20%～30%，僅次于推進系統(tǒng)。對于純電池動力客船，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的裝船功率將對電池容量的大小存在較大的影響。

本文對某型內(nèi)河純電池動力客船空調(diào)系統(tǒng)開展方案設(shè)計及選型研究，提出可同步解決冬季空調(diào)供熱和生活用熱水的技術(shù)方案。方案在滿足航程要求的前提下，盡量降低電池裝船容量，減少船舶的初始投資，提高運營的經(jīng)濟性。

1 項目基本信息

目標(biāo)船舶為某型用于旅游觀光的客船，以純電池作為動力源，往返航行于湖北宜昌長江段的“兩壩一峽”航段。該船定員為乘客1 300 人，船員30人。船上設(shè)有5 層甲板，主甲板以上空間大部分為乘客艙及休閑娛樂區(qū)。該船不提供乘客住宿服務(wù)，不設(shè)乘客住艙。主甲板艉部設(shè)有船員住艙、廚房和船員餐廳。本船的總布置圖見圖1。

圖1 純電動客船總布置圖

2 空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計與選型

2.1 船用空調(diào)系統(tǒng)與船型適用性分析

該船主要用途為旅游觀光，每天1 個航次，正常航行工況下單航次最長耗時約為10 h。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計，該航段氣候類型為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，夏季悶熱潮濕且高溫持續(xù)時間較長。6 月—8 月日均最高溫度超過30 ℃，日最高溫度可達40 ℃，相對濕度超過80%；冬季濕冷，1 月—2 月氣溫在5 ℃左右，最低氣溫可達到-5 ℃?？照{(diào)系統(tǒng)須具備較強的制冷和制熱功能。

船舶艙室常用空調(diào)系統(tǒng)可分為以下3 類：

1）全空氣直接膨脹式空調(diào)系統(tǒng)。

2）全空氣間接式空調(diào)系統(tǒng)。

3）空氣-水空調(diào)系統(tǒng)。

對比分析船舶常用空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點，結(jié)合船舶艙室布局、乘客活動特點、空調(diào)系統(tǒng)舒適度等級、可用冷熱源系統(tǒng)匹配等因素，對常用船用空調(diào)系統(tǒng)類型與船型適用性進行分析（見表1）。

表1 空調(diào)系統(tǒng)類型與船型適用性分析

本船的空調(diào)處所集中布置于主甲板、宴會甲板、陽光甲板和駕駛甲板，空調(diào)處所面積較大，乘客數(shù)量較多?？紤]到觀光需求，兩舷側(cè)設(shè)置了大面積的玻璃窗，環(huán)境熱傳導(dǎo)及陽光熱輻射較強。船上乘客進出客艙的頻率較高，夏季頻繁開門將促進室內(nèi)外空氣對流，產(chǎn)生較多的滲入得熱，室外人員進入客艙內(nèi)休息，也將帶進來較多的熱量。冬季則相反，乘客活動往往會給室內(nèi)帶來較多的冷負(fù)荷。受此影響，客艙內(nèi)的溫度和濕度難以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。根據(jù)船上乘客的實際活動規(guī)律（大部分乘客在客艙休息的時間不會太長）及出行衣著偏好，當(dāng)夏季室內(nèi)溫度維持在23～27 ℃、冬季維持在18～22 ℃時，乘客對客艙內(nèi)外的溫差感覺明顯，但對空調(diào)系統(tǒng)的精度不會有直觀的感受，故空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時可不參照常規(guī)國際航行船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[2]，只要保證乘客在客艙內(nèi)休息時的舒適度即可。

由于乘客數(shù)量較多，其對客艙和公共活動區(qū)域面積的需求較大，為盡可能擴大乘客艙及公共活動區(qū)域的面積，在主甲板以上區(qū)域應(yīng)考慮盡量減少機器處所占用的空間。由于乘客對空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計精度 的要求不高，該船可以不設(shè)集中處理空氣的空調(diào)機室，而僅在末端設(shè)置風(fēng)機盤管和新風(fēng)機，室內(nèi)設(shè)置溫度傳感器和CO2濃度檢測儀。風(fēng)機盤管根據(jù)艙室溫度的變化自動調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)量，新風(fēng)機根據(jù)CO2濃度自動調(diào)節(jié)新風(fēng)供風(fēng)量。這種不設(shè)空氣集中處理設(shè)備的空調(diào)設(shè)計方案既能節(jié)省甲板平面空間，又能避免供風(fēng)機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲和振動影響。

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)適用性分析結(jié)果，空氣-水空調(diào)系統(tǒng)為最佳設(shè)計方案。下文將對該方案的可行性和經(jīng)濟性進行進一步分析論證。

2.2 可行性分析

空氣-水空調(diào)系統(tǒng)是指以空氣和水為介質(zhì)共同承擔(dān)所控制環(huán)境的冷負(fù)荷、濕負(fù)荷或熱負(fù)荷的系 統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)向房間內(nèi)送入處理后的空氣，并在房間內(nèi)設(shè)有以水作為介質(zhì)的末端設(shè)備，對室內(nèi)空氣進行冷卻或加熱。使用風(fēng)機盤管作為主要熱交換設(shè)備，對房間內(nèi)的空氣進行循環(huán)冷卻/加熱。使用新風(fēng)機連接冷/熱媒水管，對新風(fēng)進行適當(dāng)處理，避免因新風(fēng)送風(fēng)溫差過大而對新風(fēng)出風(fēng)口下方周圍的乘客造成不舒適的體感。

對于安裝燃油發(fā)電機組和熱水鍋爐的船舶，空氣-水空調(diào)系統(tǒng)中的冷媒水通常由冷水機組制取，熱媒水則需通過熱水鍋爐提供。然而，對于純電動船，不宜再設(shè)置燃油熱水鍋爐或電熱水柜，前者與純電動綠色船舶的設(shè)計理念相違背，后者制熱效率毫無優(yōu)勢，消耗電能較多，會對電池的裝船容量及運營經(jīng)濟性產(chǎn)生不利影響。因此，要進一步考慮將陸地上已成熟的水源熱泵空調(diào)技術(shù)引用到船上使用。

在水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方案中，水源的溫度變化將影響熱泵機組的效率，甚至?xí)绊懙綑C組的正常運轉(zhuǎn)。對于夏季制冷工況，江水溫度低于大氣溫度，且不超過35 ℃，江水作為制冷劑冷卻介質(zhì)不存在任何技術(shù)問題，完全滿足空調(diào)設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的要求；對于冬季制熱工況，當(dāng)江水溫度接近5 ℃時，若將低溫江水作為低品位熱源，則其在氣化制冷時可能會達到冰點進而造成管路堵塞，給機組正常運行帶來隱患。為確保機組運行正常，通常要求進入蒸發(fā)側(cè)的外部水源的溫度不得低于10 ℃。針對此隱患，純電動船具有得天獨厚的便利解決條件，由于主直流母線變頻控制配電系統(tǒng)的散熱量較大（目標(biāo)船該系統(tǒng)的散熱量為205 kW），需設(shè)置水冷卻系統(tǒng)進行散熱?？蓪⑴潆娤到y(tǒng)換熱器的出口江水作為熱泵蒸發(fā)器的熱源，這樣僅需使用一套熱交換系統(tǒng)即可將配電系統(tǒng)的廢熱加以回收利用，進而解決低水溫環(huán)境下熱泵機組管路結(jié)冰堵塞的難題，并能進一步提高熱泵系統(tǒng)的能效比。水源熱泵機組的基本構(gòu)成見圖2。

圖2 水源熱泵機組的基本構(gòu)成

在船舶領(lǐng)域，空調(diào)熱泵系統(tǒng)已通過實船試驗[4]，2014 年，中國船級社承擔(dān)的工信部國家高技術(shù)船舶科研項目“熱泵技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用研究”已通過驗收評審?？照{(diào)熱泵系統(tǒng)也已應(yīng)用于“長江黃金”系列游船上，并取得了良好的節(jié)能效果。

2.3 經(jīng)濟性分析

能效比是衡量空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性的一個重要參數(shù)，能效比越高，說明空調(diào)系統(tǒng)越節(jié)能。根據(jù)專業(yè)船用空調(diào)廠家設(shè)備標(biāo)定數(shù)據(jù)換算，水源熱泵空調(diào)冷水機組在制冷工況的能效比超過4，制熱工況能效比接近4，具有非常好的節(jié)能效果。目標(biāo)船運營航段的水質(zhì)相對較好，而且提取和排放極為方便，江水可作為天然的冷源和熱源加以利用。對于春季、夏季和秋季，江水可用于冷卻制冷劑、間接制取冷媒水，用于船舶空調(diào)制冷；對于冬季，江水的低品位熱能將被制冷劑吸收，通過熱泵技術(shù)有效提取，間接制取熱媒水，不但可用于船舶空調(diào)系統(tǒng)的供暖，還可用于船舶日常生活用水。在正常航行工況下，水源熱泵空調(diào)冷水機組完全可以替代熱水鍋爐或電熱水器，大大降低燃油或電能的消耗，也能節(jié)約熱水設(shè)備的初始投資和運營費用。因此，從經(jīng)濟性方面分析，熱泵型空調(diào)冷水機組非常適合在純電動船上應(yīng)用。

2.4 選型方案優(yōu)化

船用水源熱泵機組可分為常規(guī)型和模塊組合型。對于常規(guī)型機組，若配備非變頻壓縮機組，則其能量調(diào)節(jié)通常為固定的幾個擋位，調(diào)節(jié)范圍相對固定；若配備變頻壓縮機組，則價格較高，且初始投資較大。

模塊組合型機組由若干臺相對獨立的小型冷水機組單元組成。相對于常規(guī)型機組，模塊組合型機組能夠根據(jù)實際負(fù)荷需求靈活調(diào)節(jié)能量，不僅可實現(xiàn)單個機組的變負(fù)荷工作，還可以自動增加或減少模塊機組的工作臺數(shù)。模塊組合型機組的能量調(diào)節(jié)范圍更廣、更精細，也更節(jié)能。從初始投資角度考慮，當(dāng)制冷量在7 kW 以上時，模塊組合型機組與常規(guī)型機組的報價基本一致，在價格上具有同等競爭力。模塊組合型機組示意圖見圖3。

圖3 模塊組合型機組示意圖

為配合模塊組合型機組的使用，冷卻水泵、冷媒水泵、風(fēng)機盤管均采用變頻控制，以便進一步節(jié)省電力消耗。

2.5 空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)選方案

使用中國船級社《郵輪空調(diào)系統(tǒng)檢驗指南》（2017）[5]中空調(diào)負(fù)荷計算方法對全船空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷進行計算，計算結(jié)果見表2 和表3。

表2 夏季空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷

表3 冬季空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷

該船空調(diào)系統(tǒng)選型方案如下：

1）全船客艙艙室布置2 套（一用一備）熱泵型模塊組合型空調(diào)冷水機組，每套機組包含6 臺小型冷水機組單元，為全船客艙提供空調(diào)冷/熱媒水及客艙洗手盆用熱水。每套機組的額定制冷量約為421 kW，額定電功率約為100.8 kW，制冷工況能效比約為4.18；每套機組的額定制熱量約為 484 kW，額定電功率約為120.6 kW，制熱工況能效比約為4.01。

2）船員艙室區(qū)獨立布置1 套熱泵型空調(diào)冷水 機組，包括4 臺小型冷水機組單元，分別為全船船員艙室、駕駛室、變頻器艙、值班室和電池艙提供空調(diào)冷/熱媒水。每套機組的額定制冷量約為140 kW，額定電功率約為34 kW，制冷工況能效比約為4.12；每套機組的額定制熱量約為167 kW，制熱額定電功率約為43 kW，制熱工況能效比約為3.88。

3）根據(jù)所需制冷量和制熱量為空調(diào)艙室配置 風(fēng)機盤管。

4）客艙設(shè)置新風(fēng)機，兩舷側(cè)位置均布置新風(fēng)進口，新風(fēng)機的風(fēng)量按15 立方米/(人·時)選配。

5）客艙區(qū)設(shè)有溫度及CO2濃度傳感器，可根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)客艙區(qū)的溫度及新鮮空氣量。

6）空調(diào)冷卻水泵、冷媒水泵、風(fēng)機盤管、新風(fēng)機均采用變頻控制。

7）在客艙門口上方布置風(fēng)幕機以提供垂直氣 流，盡量阻斷室外空氣的滲入，進而減少開門引成的冷熱損失。

3 結(jié)論

大型化和遠程化是純電動船未來發(fā)展的趨勢，減少蓄電池裝船容量有助于增強純電動船的經(jīng)濟性。本文對某型內(nèi)河純電池動力客船空調(diào)系統(tǒng)開展方案設(shè)計及選型研究，提出可同步解決冬季空調(diào)供熱和生活用熱水的技術(shù)方案。該方案解決了船上水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低水溫應(yīng)用中的瓶頸問題，對后續(xù)類似中大型純電動客船的空調(diào)設(shè)計選型具有良好的借鑒性和推廣價值。