摘" " 要：由于船舶種類繁多，目前存在多種中央空調(diào)系統(tǒng)形式，需兼顧船上人員居住環(huán)境以及建造成本，選擇合適的系統(tǒng)形式。本文主要從初始投入建造成本、節(jié)能效果和艙室環(huán)境參數(shù)等方面對(duì)幾種典型的船舶中央空調(diào)系統(tǒng)形式進(jìn)行分析與對(duì)比，可給新造船時(shí)進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)形式選擇和設(shè)計(jì)提供參考與幫助。

關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng)；成本；節(jié)能；降噪

中圖分類號(hào)：U664.5+1 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Analysis and Comparison of Ship Central Air Conditioning System

SUN Renzhong

（ Shanghai Marine Equipment Research Institute，" Shanghai 200031 ）

Abstract： As there are many types of ships and different types of marine central air conditioning systems， living environment of the people on board and the cost of construction are both considerd in choosing the appropriate types of systems. This paper analyses and compares several typical forms of ship central air conditioning systems in terms of initial input construction costs， energy saving effects and cabin environmental parameters， and provides reference and help for the selection of system forms in new shipbuilding.

Key words： air conditioning system; prime cost;" energy conservation;" noise reduction

1" " "引言

隨著船上人員對(duì)居住環(huán)境舒適性的要求以及船東對(duì)船舶運(yùn)營(yíng)節(jié)能增效的要求越來(lái)越高，空調(diào)系統(tǒng)兼顧舒適性和節(jié)能性的重要性日益凸顯。舒適性要求涉及溫度、濕度、風(fēng)速、潔凈度和氣壓，同時(shí)還要考慮振動(dòng)噪聲指標(biāo)。本著“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，在中央空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段就會(huì)考慮如何達(dá)到以上幾個(gè)因素的要求。

目前常用的空氣調(diào)節(jié)方式按負(fù)擔(dān)空調(diào)負(fù)荷所用的工作介質(zhì)分類有：全空氣式空調(diào)系統(tǒng)、空氣-水式空調(diào)系統(tǒng)、全水式空調(diào)系統(tǒng)和冷劑式系統(tǒng)。按系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)方式分類有：定風(fēng)量和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。這些方式可以交叉選擇設(shè)計(jì)。下面研究幾種典型的船舶中央空調(diào)系統(tǒng)形式，主要從初始投入建造成本、節(jié)能效果和艙室環(huán)境參數(shù)指標(biāo)等因素來(lái)分析各形式的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)初期空調(diào)系統(tǒng)形式的選擇和設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)意義。

2" " 定風(fēng)量間接式空調(diào)系統(tǒng)

定風(fēng)量間接式空調(diào)系統(tǒng)是利用艙室回風(fēng)溫、濕度進(jìn)行控制空調(diào)器的空氣調(diào)節(jié)。主要應(yīng)用于空調(diào)區(qū)域面積大且相對(duì)分散，負(fù)荷大的區(qū)域.這類型的空調(diào)系統(tǒng)一般采用間接式，由水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)兩部分組成，通過(guò)調(diào)節(jié)冷、熱水量和加濕量而改變送風(fēng)溫度和濕度來(lái)滿足艙室對(duì)溫濕度的要求。目前，大部分海工船舶或者平臺(tái)采用定風(fēng)量間接式空調(diào)系統(tǒng)。定風(fēng)量間接式空調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示。

所謂定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)就是在運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)量始終保持不變，空調(diào)器內(nèi)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變。但考慮到節(jié)能和艙室噪聲的要求，目前大部分空調(diào)器已采用對(duì)其中的風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，根據(jù)空調(diào)送風(fēng)主管路背壓自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。目前大部分電機(jī)（以50 Hz為例）允許在30-50 Hz范圍調(diào)節(jié)，如果采用定頻控制，必須在風(fēng)管生產(chǎn)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行管路壓力損失預(yù)估后確定風(fēng)機(jī)的靜壓值，勢(shì)必會(huì)影響空調(diào)器的生產(chǎn)周期[1]。另外，在公共區(qū)域非使用狀態(tài)下，完全可以通過(guò)手動(dòng)關(guān)閉空調(diào)送風(fēng)出風(fēng)口，整個(gè)空調(diào)器所需供風(fēng)量就會(huì)隨之減小，從而到達(dá)節(jié)能減噪的效果。以下是傳統(tǒng)定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和采用變頻風(fēng)機(jī)的定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的對(duì)比。風(fēng)機(jī)變頻和定頻的對(duì)比如表1。

3" " 定風(fēng)量間接式熱回收空調(diào)系統(tǒng)

定風(fēng)量間接式熱回收空調(diào)系統(tǒng)是利用余熱回收的空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)常用于空調(diào)器數(shù)量較多且所需冷（熱）源較大的船舶類型。由于規(guī)范強(qiáng)制要求帶回風(fēng)的空調(diào)器新風(fēng)比不小于40%，也就是說(shuō)系統(tǒng)中至少40%的風(fēng)量作為廢氣被排出室外，此部分風(fēng)量攜帶的能量則一并被浪費(fèi)了[2]。利用帶余熱回收的空調(diào)系統(tǒng)將廢氣收集，對(duì)其攜帶的余熱和新風(fēng)充分進(jìn)行熱交換，室外氣象參數(shù)越惡劣，節(jié)能效果越明顯，從而達(dá)到節(jié)能的效果。轉(zhuǎn)輪熱（濕）的回收效率非常高，可以達(dá)到65%以上。定風(fēng)量間接式熱回收空調(diào)系統(tǒng)原理如圖2所示。

由于載客數(shù)量較多的船舶居住區(qū)域較為集中，廁所排風(fēng)量相比空調(diào)器送風(fēng)量占比比較大，高達(dá)60%，應(yīng)考慮廁所排風(fēng)進(jìn)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行熱回收。但考慮到ILO-92第13.8條/MLC 2006中“所有衛(wèi)生間都應(yīng)與室外空氣通風(fēng)，獨(dú)立于住宿的任何其它部分”的要求，為了達(dá)到環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少用電能耗，我們希望采用以下技術(shù)設(shè)計(jì)的廁所排氣管布置和空調(diào)器設(shè)計(jì)，為乘客提供高安全、健康和福利。

為防止交叉感染，采取了以下措施：

1）克服因轉(zhuǎn)輪干燥劑吸附和攜帶，采用3A分子篩干燥劑，防止直徑大于3A的分子進(jìn)入分子篩干燥劑；

2）克服因轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)攜帶，如圖3所示，配置清潔扇面。在轉(zhuǎn)輪芯體旋轉(zhuǎn)進(jìn)入送風(fēng)管道之前用外部空氣沖洗轉(zhuǎn)輪芯體。

3）克服排風(fēng)向新風(fēng)泄露的方法，包括新風(fēng)相對(duì)排風(fēng)采用正壓布置，多重密封等手段。

從設(shè)備組件、初始成本投入等方面和傳統(tǒng)的一次回風(fēng)空調(diào)器對(duì)比如表2所示。

4" " "變風(fēng)量間接式空調(diào)系統(tǒng)

變風(fēng)量間接式空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)艙室內(nèi)的負(fù)荷變化、溫度需求及CO2變化等自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)中相應(yīng)變風(fēng)量末端的送風(fēng)量，使室內(nèi)溫度、空氣質(zhì)量達(dá)到設(shè)定要求，具有節(jié)能、降噪、艙室溫度個(gè)性化要求等優(yōu)勢(shì)。目前，變風(fēng)量間接式空調(diào)系統(tǒng)常用于科考船以及部分對(duì)艙室環(huán)境要求較高的海工平臺(tái)。

變風(fēng)量控制現(xiàn)有三種方式：定靜壓控制、總風(fēng)量控制和變靜壓控制。船舶中央空調(diào)變風(fēng)量系統(tǒng)常采用前兩種控制方式。而目前定靜壓控制的變風(fēng)量末端只有進(jìn)口商可以提供，成本比較高，總風(fēng)量控制的變風(fēng)量末端已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，價(jià)格相對(duì)便宜些。定靜壓和總風(fēng)量控制的對(duì)比如表3所示。

相比較而言，總風(fēng)量控制更適合應(yīng)用在船舶中央空調(diào)系統(tǒng)。

夏季的時(shí)候，艙室設(shè)有獨(dú)立的溫度設(shè)定器，一般按設(shè)計(jì)要求設(shè)定為25 ℃，當(dāng)人員體感感覺(jué)冷的時(shí)候，適當(dāng)調(diào)高溫度設(shè)定器的溫度，此時(shí)變風(fēng)量布風(fēng)器減少風(fēng)量，將信號(hào)傳輸至空調(diào)器控制系統(tǒng)，由空調(diào)器控制系統(tǒng)累加各變風(fēng)量布風(fēng)器所需風(fēng)量調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)頻率，實(shí)現(xiàn)空調(diào)器的送風(fēng)量和所需風(fēng)量相匹配，空調(diào)器制冷盤(pán)管所需冷量會(huì)通過(guò)水閥進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)維持空調(diào)器送風(fēng)溫度，但每個(gè)變風(fēng)量布風(fēng)器最小風(fēng)量不會(huì)小于艙室人員所需新風(fēng)量。如果還覺(jué)得實(shí)際溫度偏低，則啟用電加熱予以輔助，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。反之，當(dāng)人員體感感覺(jué)熱的時(shí)候，適當(dāng)調(diào)低溫度設(shè)定器溫度，此時(shí)變風(fēng)量布風(fēng)器增加風(fēng)量，但最大風(fēng)量不超過(guò)設(shè)定風(fēng)量的110%。

冬季一般按設(shè)計(jì)要求設(shè)定為20 ℃，當(dāng)人員體感感覺(jué)冷的時(shí)候，適當(dāng)調(diào)高溫度設(shè)定器溫度，此時(shí)變風(fēng)量布風(fēng)器增加風(fēng)量，但最大風(fēng)量不超過(guò)設(shè)定風(fēng)量的110%，空調(diào)器盤(pán)管所需熱量會(huì)通過(guò)水閥進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)維持空調(diào)器送風(fēng)溫度，如果此時(shí)還覺(jué)得冷，則啟動(dòng)電加熱予以補(bǔ)充。反之，當(dāng)人員體感感覺(jué)熱的時(shí)候，適當(dāng)調(diào)低溫度設(shè)定器溫度，先切斷電加熱，再依次減少風(fēng)量，但最小風(fēng)量不低于艙室人員所需新風(fēng)量。

變風(fēng)量間接式空調(diào)系統(tǒng)原理如圖4所示。

經(jīng)過(guò)軟件模擬，單人間的艙室熱舒適性PPD＜10%，-0.5＜PMV＜0.5。人員活動(dòng)區(qū)PPD 和人員活動(dòng)區(qū)PMV如圖5和圖6所示。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)利用控制送風(fēng)溫度不變，調(diào)節(jié)風(fēng)量大小來(lái)滿足艙室負(fù)荷需求。艙室負(fù)荷計(jì)算時(shí)，按人員新風(fēng)量、艙室換氣次數(shù)、冬季負(fù)荷和夏季負(fù)荷所需風(fēng)量取大值，在艙室風(fēng)量調(diào)節(jié)減小時(shí)，應(yīng)考慮不小于人員所需最小新風(fēng)量。有時(shí)同一臺(tái)空調(diào)器服務(wù)一層甲板，不分內(nèi)外區(qū)，例如內(nèi)區(qū)的4人間的額定送風(fēng)量和最小人員新風(fēng)量相差不大，無(wú)法調(diào)節(jié)風(fēng)量，這樣會(huì)造成該艙室過(guò)熱或過(guò)冷的現(xiàn)象，這是該系統(tǒng)目前存在的最大弊端，溫度個(gè)性化需求和空氣衛(wèi)生質(zhì)量只能二選一。

5" "OPTI智能區(qū)域式空調(diào)系統(tǒng)

OPTI智能區(qū)域式空調(diào)系統(tǒng)，也是一種變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。通常OPTI空調(diào)單元系統(tǒng)適用于大型載客類船舶的空調(diào)系統(tǒng)，其空調(diào)分區(qū)內(nèi)居住艙室的空調(diào)負(fù)荷類型相近或公共艙室等。例如，按照同主豎區(qū)內(nèi)同層甲板的左舷、右舷、內(nèi)區(qū)進(jìn)行空調(diào)分區(qū)，其分區(qū)的艙室的日曬、人員數(shù)基本相同，空調(diào)負(fù)荷類型相近?？梢员苊獍赐髫Q區(qū)內(nèi)同層甲板的因左舷、右舷、內(nèi)區(qū)負(fù)荷差異較大帶來(lái)的過(guò)冷、過(guò)熱或送風(fēng)量偏少的現(xiàn)象。OPTI智能區(qū)域式空調(diào)系統(tǒng)原理如圖7所示。

該系統(tǒng)和傳統(tǒng)的變風(fēng)量系統(tǒng)對(duì)比如下表4所示。

由于后來(lái)出現(xiàn)IDFC產(chǎn)品，該系統(tǒng)逐漸被取代，其造價(jià)與后期的IDFC智能區(qū)域式相差無(wú)幾，另外主要還是因?yàn)樵撓到y(tǒng)在設(shè)備布置和管路布置上比較困難，加大生產(chǎn)設(shè)計(jì)放樣的難度。

6" " IDFC智能區(qū)域式空調(diào)系統(tǒng)

IDFC智能區(qū)域式空調(diào)系統(tǒng)，主要由一臺(tái)全新風(fēng)空調(diào)器和若干IDFC空調(diào)單元組成。新風(fēng)空調(diào)器通過(guò)中低壓?jiǎn)物L(fēng)管系統(tǒng)向各艙室提供新風(fēng)空調(diào)器處理過(guò)的新風(fēng)，滿足衛(wèi)生要求。IDFC空調(diào)單元對(duì)各自艙室的回風(fēng)進(jìn)行處理，負(fù)責(zé)艙室其它負(fù)荷。主要應(yīng)用于郵輪、客滾船、游船等載客型船舶。由于居住艙室較多，人員較多，IDFC空調(diào)系統(tǒng)在空調(diào)器和風(fēng)管系統(tǒng)的布置和安裝方面可以有效節(jié)省空間，達(dá)到空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，艙室環(huán)境舒適和個(gè)性化的需求。IDFC智能區(qū)域式空調(diào)系統(tǒng)原理如圖8所示。

IDFC在節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮房間有無(wú)人員情況、陽(yáng)臺(tái)門(mén)打開(kāi)關(guān)閉情況等特殊節(jié)能模式。特殊節(jié)能模式就是擴(kuò)大IDFC不工作區(qū)溫度范圍的方式，能使在房間無(wú)人或人員處在陽(yáng)臺(tái)活動(dòng)的情況下，在夏季時(shí)風(fēng)機(jī)盤(pán)管主要運(yùn)行在不工作區(qū)及房間高溫區(qū)間，在冬季時(shí)IDFC主要運(yùn)行在不工作區(qū)及房間低溫區(qū)間，在春秋季節(jié)時(shí)IDFC主要運(yùn)行在不工作區(qū)，節(jié)能模式IDFC運(yùn)行規(guī)則如圖9所示。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

1）無(wú)論分時(shí)負(fù)荷如何變化，艙室人員新風(fēng)量按艙室人員數(shù)量設(shè)定恒定，保證人員對(duì)新風(fēng)衛(wèi)生的需求；

2）新風(fēng)空調(diào)器設(shè)備容量??；

3）艙室溫度控制由IDFC智能控制，其所需冷量直接影響全船的冷源供給，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，有助于節(jié)能；

4）風(fēng)管尺寸??；

5）個(gè)性化調(diào)節(jié)能力強(qiáng)；

6）艙室噪音特別低，系統(tǒng)消音器配置數(shù)量較少[3]。

但這種系統(tǒng)形式的缺點(diǎn)非常明顯就是在初始成本投入比較高，不僅使用了帶余熱回收的空調(diào)器，每個(gè)艙室還額外增加了IDFC設(shè)備。

7" " 結(jié)論

空調(diào)系統(tǒng)型式多種多樣，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用兩方面來(lái)考慮和選擇，每一種形式都有自己的優(yōu)點(diǎn)，同樣還會(huì)存在或多或少的缺點(diǎn)。選擇合適的系統(tǒng)形式要考慮的因素有很多：初始投入成本、建造條件是否適合、船舶類型、船上人員需求等。以上分析與對(duì)比在空調(diào)系統(tǒng)形式選擇時(shí)具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

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