淺談液貨船中央空調(diào)的設(shè)計

蔡秀安

(福建交通技術(shù)職業(yè)學(xué)院,福建福州350007)

0 引言

船舶常年航行于海上,是流動的工作和生活場所,其所處的氣候環(huán)境,隨著航行的區(qū)域及季節(jié)變化多端。為消除外界惡劣氣象因素的不良影響,營造適宜的內(nèi)部環(huán)境,改善船員的工作生活條件,保證船上重要監(jiān)控設(shè)施處于良好工作狀態(tài)之中,現(xiàn)代設(shè)計建造的船舶幾乎都配備空調(diào)裝置?？照{(diào)的設(shè)計提倡以人為本,在確保防火安全的前提下,做到舒適節(jié)能。本文著重論述油船、集裝箱船以及散貨船中央空調(diào)的設(shè)計。

1 艙內(nèi)外溫濕度及新鮮空氣量的確定

1.1 艙內(nèi)外溫濕度

對于無限航區(qū)的船舶,我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:

夏季工況艙內(nèi)外設(shè)計計算空氣溫度和相對濕度為:

艙外:干球溫度35℃、相對濕度70%,海水溫度35℃;

艙內(nèi):干球溫度27℃、相對濕度50%。

冬季工況艙內(nèi)外設(shè)計計算空氣溫度和相對濕度為:

艙外:干球溫度-20℃;

艙內(nèi):干球溫度22℃、相對濕度50%。其他有限航區(qū)的船舶,根據(jù)各航區(qū)具體決定。上述規(guī)定世界各國雖有出入,但大致范圍相同。也有船東要求更高,筆者設(shè)計的船舶中,就有個別新加坡船東要求:夏季艙內(nèi)設(shè)計干球溫度須達到22℃。航行于東南亞一帶航區(qū)的船舶,基本都不要求冬季采暖。

1.2 新鮮空氣量

新鮮空氣量國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)為:

船員室、住室每人28m3/h;

辦公室、公共艙室每人20～25m3/h。

若按空調(diào)總風(fēng)量計算:有限航區(qū)船舶,新鮮空氣量不小于空調(diào)總風(fēng)量的40%;無限航區(qū)船舶,不小于空調(diào)總風(fēng)量的50%。最后取值按以上兩種算法中取其大值。

近幾年筆者給歐洲設(shè)計建造的集裝箱船、散貨船以及給新加坡造的油船,大部分船舶建造合同規(guī)格書均要求 “空調(diào)新鮮空氣量不小于空調(diào)總風(fēng)量的50%”。因貨船船員人數(shù)較少,人均占有居住艙室面積遠多于客船,且各個艙室通風(fēng)換氣次數(shù)規(guī)格書也都有明確的規(guī)定,其范圍在8～15次/時。

新鮮空氣量按空調(diào)總風(fēng)量50%取值,其標(biāo)準(zhǔn)遠高于按人均補充最小新風(fēng)量的統(tǒng)計值。

2 空調(diào)冷熱負荷計算

空調(diào)熱負荷分為夏季降溫工況和冬季采暖工況。

夏季工況應(yīng)計算艙內(nèi)傳入熱、太陽輻射熱、人體散發(fā)熱 (包括顯熱和潛熱)、燈光照明熱、設(shè)備發(fā)熱量和新鮮空氣熱量。

冬季采暖工況按艙內(nèi)熱損失量和加熱新鮮空氣熱量計算。

雖然這些計算可按相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計手冊推導(dǎo)的公式及計算方法進行,但船舶設(shè)計的前中期,相當(dāng)一部分的尺寸數(shù)據(jù)尚未確定,這就要求設(shè)計者憑經(jīng)驗先估算概算,確定空調(diào)裝置主要技術(shù)參數(shù)和系統(tǒng)形式,再與總體設(shè)計人員商議空調(diào)機間的尺寸和坐落位置。這估算盡可能準(zhǔn)確,取值太小達不到技術(shù)要求;取值太大相應(yīng)的冷卻水泵、電力設(shè)備及空調(diào)機間和主要風(fēng)管占位也增大,中后期若更改將延遲設(shè)計進程,不改將浪費船上寶貴的空間。

隨著技術(shù)設(shè)計的展開,主要圖紙陸續(xù)繪出,必須及時地按圖進行細致核算,如與原先初定數(shù)據(jù)有出入,須爭取主動及早更改修正。

船舶規(guī)范嚴格限制機艙和廚房的空調(diào)風(fēng)管穿過生活艙室,若不可避免需要穿管,須采用一系列嚴密措施進行防火隔離。

監(jiān)控室通常位于機艙之內(nèi),為簡化空調(diào)通風(fēng)管的設(shè)計施工,往往分設(shè)兩套局部空調(diào)裝置對廚房和機艙監(jiān)控室各自供冷或采暖?？照{(diào)熱負荷計算時,可將機艙監(jiān)控室及廚房單獨進行統(tǒng)計。

從熱負荷計算結(jié)果可以看出,占據(jù)熱負荷較大分量的是:新鮮空氣負荷和駕駛室空調(diào)負荷。

新鮮空氣負荷如前面敘述的與空調(diào)總風(fēng)量及各個艙室通風(fēng)換氣次數(shù)相關(guān)。因此,除了 “合同規(guī)格書”特別注明的艙室通風(fēng)換氣次數(shù)外,一般按掛旗國規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的空調(diào)艙室每小時最小換氣次數(shù)正常取值,不要再額外增大風(fēng)量。

駕駛室空調(diào)負荷大一是因為太陽直接射到的駕駛室頂面,日曬甲板溫度比環(huán)境溫度高22～32℃,增大了外界滲入熱,二是玻璃窗通過導(dǎo)熱和輻射熱傳入的熱量。根據(jù)計算對比,玻璃窗的傳熱比一般艙壁高45～70倍。在設(shè)計上須重點關(guān)注日曬頂面的隔熱,盡可能地減少高溫差傳入空調(diào)艙室的熱量。

3 空調(diào)系統(tǒng)的選擇

3.1 空調(diào)系統(tǒng)的選擇

船舶空調(diào)按空調(diào)器與空調(diào)艙室的布置關(guān)系,以及空氣處理過程的不同,可分成:集中式、半集中式和全分散式 (局部式)系統(tǒng)。

貨船主空調(diào)系統(tǒng)通常采用集中式空調(diào)系統(tǒng),而特殊的與居住艙室有防火隔離要求且距離較遠的機艙監(jiān)控室和廚房,則配備分散式局部空調(diào)機組,其空氣調(diào)節(jié)獨立地不與其他居住艙室關(guān)聯(lián)。

風(fēng)機盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),集中供冷、熱水至各艙室末端風(fēng)機盤管進行換熱和艙室內(nèi)部全回風(fēng)循環(huán),由于水管系統(tǒng)占空間小,適合于層高有限的艙室空調(diào);筆者設(shè)計的冷藏船,曾采用過這種系統(tǒng)。

但風(fēng)機盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是間接冷卻系統(tǒng),存在制冷劑與載冷劑水之間兩個換熱過程,在相同設(shè)計艙室溫度情況下,蒸發(fā)溫度比直接蒸發(fā)冷卻低,使制冷機產(chǎn)冷量減少。且艙室內(nèi)的布置風(fēng)機盤管也擠占了室內(nèi)地面有限的空間,各空調(diào)艙室還要設(shè)置風(fēng)機盤管的凝水管排出艙外以及在高端安裝膨脹水箱等麻煩。因此,貨船空調(diào)不推薦采用這種空調(diào)方式。

船舶空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)方式有單風(fēng)管和雙風(fēng)管二種。單風(fēng)管系統(tǒng)所有艙室的供風(fēng)溫度相同,靠改變供風(fēng)量對個別艙室的溫度進行調(diào)節(jié)。雙風(fēng)管系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能好,由兩根風(fēng)管分別供應(yīng)溫度不同的兩種空氣,調(diào)節(jié)性好。但風(fēng)管尺寸和造價都較大,近幾年建造的貨船,除了個別的西歐船東對空調(diào)要求較高,特指空調(diào)系統(tǒng)要采用雙風(fēng)管之外,大部分貨船送風(fēng)均采用單風(fēng)管系統(tǒng)。送風(fēng)管的風(fēng)速一般為12～20m/s。這種單風(fēng)管中速全空氣集中空調(diào)系統(tǒng),在貨船上得到廣泛的應(yīng)用。

船上空間極為珍貴,占用較大空間的蓄冷設(shè)備不宜采用。

3.2 空調(diào)制冷機的選用

作為船用空調(diào)制冷機,在重量、外形尺寸、安全可靠以及備件方面的要求比陸用更高,空調(diào)的制冷機組一般設(shè)置二套,也就是壓縮機、冷凝器、翅片蒸發(fā)盤管多設(shè)一套。制冷機的冷量裕度按規(guī)定的10%,亦可酌情再提高5%～10%,以利在氣候特別炎熱時,在不提高現(xiàn)有的送風(fēng)速度,而采用低溫送風(fēng)方式來應(yīng)對。當(dāng)然,在最炎熱季節(jié)里空調(diào)滿負荷運轉(zhuǎn)時,必須避開操縱錨機、絞車等甲板機械短暫的用電高峰期。此舉雖加大制冷機的容量,但綜合權(quán)衡風(fēng)機、水泵和風(fēng)管等設(shè)備配置,明顯降低了投資費用。

3.3 空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的選擇

遠洋液貨船上空調(diào)制冷裝置冷卻方式有:設(shè)置中央冷卻系統(tǒng)的淡水冷卻和海水直接冷卻。淡水經(jīng)過中央冷卻器向海水放熱后,進入空調(diào)冷凝器時,溫度一般為36℃。淡水冷卻主要優(yōu)點是對冷凝器腐蝕較輕。一般船用臥式冷凝器針對海水冷卻內(nèi)部采用復(fù)合銅板和銅管材料,能夠保證冷凝器的正常工作壽命。無限航區(qū)的海水溫度為32℃,比淡水冷卻低4℃左右。同比制冷量可高出約8%～11%。還減少了與淡水熱交換的管道和閥門。

冷卻水量按冷凝負荷、冷凝面積、冷凝器傳熱系數(shù)以及冷卻水進出溫差計算,也可按選用的空調(diào)機廠家樣本要求的冷卻水量進行合計。液貨船上通常專門設(shè)置一臺空調(diào)的專用冷卻水泵,另外從壓載泵或消防泵出口再引一路冷卻海水備用?？照{(diào)冷卻水也常作伙食冷庫系統(tǒng)的備用冷卻水。液貨船上的空調(diào)冷卻水泵流量為20～60m3/h,揚程為0.15～0.25MPa之間。

4 中央空調(diào)的風(fēng)管設(shè)計及火災(zāi)的抑制

4.1 空調(diào)管的防火規(guī)定

《國際海上人命安全條約》指出:如果導(dǎo)管有效面積超過0.02 m2的通風(fēng)導(dǎo)管穿過 “A”級艙壁或甲板,開口應(yīng)襯有鋼套管。導(dǎo)管和套管應(yīng)至少厚3mm并至少長900mm。在穿過艙壁時,此長度以在艙壁兩側(cè)各450mm為宜。對這些導(dǎo)管所襯套管應(yīng)加以隔熱。該隔熱應(yīng)至少與導(dǎo)管所貫穿艙壁或甲板具有相同的耐火完整性;有效面積超過0.075m2的導(dǎo)管,除滿足以上要求外,還應(yīng)裝設(shè)擋火閘。擋火閘應(yīng)自動工作,但還應(yīng)能夠從艙壁或甲板的兩側(cè)手動關(guān)閉。

各國船舶規(guī)范均有這樣規(guī)定:通風(fēng)系統(tǒng)穿過甲板,除滿足有關(guān)保持甲板耐火完整性的要求外,還應(yīng)采取預(yù)防措施以減少煙和熾熱氣體通過該管從一甲板間處所流經(jīng)另一甲板間處的可能性。

4.2 中央空調(diào)的風(fēng)管設(shè)計

空調(diào)送風(fēng)管大部分采用預(yù)絕熱圓形螺旋管,盡量選擇通徑在PR160以下的螺旋管,以減少管道中防火閥的設(shè)置。在中央空氣處理器各送風(fēng)管的輸出端,宜分設(shè)調(diào)風(fēng)閥,平衡各送風(fēng)管道的風(fēng)量。螺旋風(fēng)管的布置應(yīng)盡量避開主干電纜及衛(wèi)生落水管等大口徑管路,有些貨船層高較低,而管道交叉又多,為保證2.1m以上的凈層高,可采用扁圓形螺旋管。只是扁圓形管彎轉(zhuǎn)不如圓管那么隨意靈活。

各層甲板艙室的回風(fēng)大都通過走道集中一根矩形管回風(fēng),回風(fēng)管一般都超過0.02m2,須設(shè)防火閥與其他甲板層艙室防火隔開。有些船為少占空間,直接設(shè)置帶防火閥回風(fēng)格柵進行回風(fēng)?；仫L(fēng)管應(yīng)包覆隔熱阻汽層,以防止回風(fēng)管跑冷結(jié)露。船上矩形空調(diào)回風(fēng)管常用橡膠塑料保溫。

新風(fēng)管尺寸較大屬于常溫管道,在布置空調(diào)機間的同時,一并考慮新風(fēng)管的位置,其入口處須遠離柴油機排氣管口、廚房排煙處、衛(wèi)生間排風(fēng)氣流以及油艙透氣口等污濁氣體排放場所。并設(shè)置帶蓋風(fēng)雨密百葉窗或帶手輪可關(guān)閉的無門風(fēng)雨密百葉窗,以防止風(fēng)雨及海浪的侵襲。

衛(wèi)生間、浴室、洗衣房內(nèi)污濁氣體的排放,其換氣次數(shù)為10～15次/時,如果每個衛(wèi)生間各自設(shè)風(fēng)機單獨排風(fēng),這類排量為50～200m3/h的小風(fēng)機目下尚無船用產(chǎn)品,只能用單相220V管道排風(fēng)機。而設(shè)計成衛(wèi)生間統(tǒng)一匯總排風(fēng)的方式,必須遵循船舶規(guī)范,防止發(fā)生火災(zāi)時,造成各層甲板煙火相互串通。

以筆者2008年參與批量設(shè)計的6800DWT供油船為例,通常的做法是,風(fēng)管穿過各層甲板處或防火隔離艙壁均須設(shè)置船用擋火閥。對影響環(huán)境衛(wèi)生的醫(yī)務(wù)室、廚房、衛(wèi)生間、浴室、洗衣房等艙室進行機械排風(fēng),保持室內(nèi)處于負壓狀態(tài)。向醫(yī)務(wù)間送風(fēng)的送風(fēng)管上裝止回風(fēng)閥,直流送風(fēng)。

此外,在駕駛室內(nèi),空調(diào)的布風(fēng)器、螺旋風(fēng)管以及固定隔熱層的噴釘必須用不銹鋼材質(zhì),避免與磁羅經(jīng)產(chǎn)生干擾。

5 貨船空調(diào)的自動控制

貨船的特點是,船員人數(shù)一般在15～30人之間,居住艙室大多布置在艉部主甲板以上,且各個房間幾乎都有靠艙外的窗口。不存在客船那樣在過渡季節(jié)里,有的艙室供冷,有的供熱的現(xiàn)象。除駕駛室處于頂部太陽直射位置,其空調(diào)需重點處理之外,多數(shù)居住艙室所處的周圍環(huán)境差異不大,且室內(nèi)的溫濕度參數(shù)以及控制精度的要求不會象豪華客輪那樣高。

因此,貨船空調(diào)的自動控制以安全可靠,簡單實用為主。

空調(diào)艙室的溫度控制可通過改變供風(fēng)溫度或供風(fēng)量實現(xiàn),但因為調(diào)節(jié)風(fēng)溫比調(diào)節(jié)風(fēng)量容易、準(zhǔn)確,另外如供風(fēng)量太小會惡化衛(wèi)生條件,所以船舶空調(diào)常用調(diào)節(jié)風(fēng)溫來控制室溫,自動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥作為補充,或者不設(shè)。

在直接冷卻系統(tǒng)中,廣泛采用的是,夏季利用溫度控制器控制室內(nèi)的溫度,這種控制方式是以感溫元件直接感受空調(diào)室的回風(fēng)溫度,然后將信號傳送給溫度控制器,溫度控制器按其設(shè)定回風(fēng)溫度的高低上下限值操作供液電磁閥的啟閉。通過熱力膨脹閥或電子膨脹閥自動調(diào)節(jié)冷劑的供液量,同時制冷機能量自動調(diào)節(jié)裝置配合工作,使送風(fēng)溫度隨外界氣溫變化相應(yīng)改變,并穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。

冬季取暖時,其熱源主要是0.2～0.3MPa的減壓蒸汽,近幾年筆者設(shè)計的一些船舶也有用熱油鍋爐取代蒸汽鍋爐,則熱源是用進出溫度分別為180℃和140℃的熱油,加熱淡水至90℃,送至空氣加熱器,加熱艙室空氣。熱介質(zhì)的流量用溫度控制器控制。冬季采用蒸汽或水霧噴濕,并用濕度控制器控制艙室的相對濕度。

6 船舶空調(diào)設(shè)計上的節(jié)能措施

筆者常用的船舶空調(diào)設(shè)計上的節(jié)能措施有如下幾點:

1)新風(fēng)量如前面所述,可按衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)略為提高些,但不能超出過多,以免增大空調(diào)機組的負荷。過渡季節(jié)切斷回風(fēng),空調(diào)系統(tǒng)全部采用新風(fēng)。

2)注重隔熱尤其是駕駛室及直接日曬艙室的隔熱。駕駛室玻璃窗的面積按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置,在次要的玻璃窗處配以較厚的窗簾遮掩日曬。

3)在淡水冷卻和海水冷卻方式對比中,優(yōu)先選用海水冷卻系統(tǒng)。在空調(diào)制冷設(shè)計時,設(shè)計成二臺制冷壓縮機和二臺冷凝器,在供液和回氣管上設(shè)置過橋閥,互為備用。在氣候不太炎熱或過渡季節(jié)時,可以調(diào)整為一臺制冷壓縮機對應(yīng)兩臺冷凝器和兩臺蒸發(fā)器,以提高產(chǎn)冷量。

4)使用新一代控制精度高的電子膨脹閥,特別是與制冷系統(tǒng)中的微處理器結(jié)合,根據(jù)給定溫度值與室溫差進行比例和積分運算,以控制閥的開度,直接改變蒸發(fā)器中制冷劑的流量,使蒸發(fā)器能力的得以最大限度的發(fā)揮,實現(xiàn)高效制冷系統(tǒng)的最佳控制,達到節(jié)能的目的。

5)海上環(huán)境與陸上不同,空氣潔凈度較高,空氣處理器中過濾網(wǎng)不宜太密,以免增加氣流的流動阻力,高耗風(fēng)機的功率,增大空調(diào)系統(tǒng)的噪音。設(shè)計布置空調(diào)機間時,須預(yù)留拆卸濾網(wǎng)的操作空間,以便經(jīng)常清洗。

6)冷劑管從中央空調(diào)制冷機分出兩路供液廚房和機艙集控室的空調(diào)器。取消廚房、機艙集控室單獨的局部空調(diào),因為冷管通徑較小,不會影響防火隔離。

7 結(jié)語

在從事十多年船舶中央空調(diào)的設(shè)計中,筆者有如下的體會:

(1)貨船中央空調(diào)設(shè)計首要確保防火安全的要求;

(2)貨船中央空調(diào)設(shè)計講究舒適節(jié)能,滿足新風(fēng)量要求,并盡可能地減少設(shè)備和風(fēng)管占用的空間尺寸,保證各空調(diào)艙室的層高不低于2.1米,這方面歐洲的船東尺度把握較嚴,驗收時往往用2.1米豎杠,在各處量測,一經(jīng)發(fā)現(xiàn)低于規(guī)定的凈高,就執(zhí)意要求返工重改;

(3)在控制造船成本的同時,盡可能采用新技術(shù),如選用對臭氧損耗潛能 (ODP)為0、全球變暖潛能 (GWP)為低值的制冷劑;選用變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的空調(diào)制冷壓縮機;采用風(fēng)管尺寸較小,溫度為4～6℃的低溫送風(fēng)技術(shù)以及將陸上先進的輻射板傳熱新技術(shù)應(yīng)用到船舶空調(diào)上。

總之,船用空調(diào)有其獨特性,在設(shè)計上仍有不少的新課題,值得研究和探索。

[1] 俞炳豐等.中央空調(diào)新技術(shù)及其應(yīng)用 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004

[2] 孫見君等.制冷與空調(diào)裝置自動控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004

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