海水源變頻模塊化冷熱水機組在船舶中的應用

戴 晶，陳劍波，印文理

● （上海理工大學，上海 200093）

海水源變頻模塊化冷熱水機組在船舶中的應用

戴 晶，陳劍波，印文理

● （上海理工大學，上海 200093）

本文介紹了一種新型海水源變頻模塊化冷熱水機組在某船舶中的應用，包括項目概況、負荷計算過程、機組比選和方案介紹等。并列出了全船空調整系統(tǒng)的原理圖。

全水系統(tǒng)；變頻；負荷計算；啟動電流；低頻運行；經(jīng)濟性分析；空調系統(tǒng)圖

0 引言

近十年來，我國船舶工業(yè)蓬勃發(fā)展，按船舶載重噸位計算，2012年前三季度，中國船舶已經(jīng)占到全球市場份額的40.6%[1]。隨著船舶業(yè)的發(fā)展，艙室內人員對室內環(huán)境舒適性要求也逐漸提高，各種空調在船舶中的應用越來越廣泛。 變頻空調技術因其節(jié)電、高效、低噪音等優(yōu)點越來越受到人們青睞，目前在樓宇建筑大型中央空調及家用空調中應用已經(jīng)較廣泛。 但經(jīng)過文獻的查閱可得出，變頻空調技術在船舶領域中的應用還很少，鑒于此，本文介紹了一種海水源變頻模塊化冷水熱機組在某船舶中的應用。

1 項目概況

該船空調區(qū)域包括駕駛甲板、艏樓甲板、主甲板、艙底4個甲板的18個大小不等的艙室。各艙室功能各異，包括船員艙室、餐廳 、廚房、駕駛室、作業(yè)儀器室和機艙值班室等，全船空調區(qū)域總面積約為248.5m2。該船空調區(qū)域平面布置圖見圖1。

按負擔室內空調負荷所用的介質來分類，船用空調系統(tǒng)可分為全空氣系統(tǒng)、空氣-水系統(tǒng)、全水系統(tǒng)及制冷劑系統(tǒng)[2]，該船采用全水系統(tǒng)。空調機組選用海水源變頻模塊化冷熱水機組，空調末端使用3種形式的風機盤管對各個艙室進行空氣處理，新風通過門窗滲漏來滿足。

圖1 全船空調區(qū)域平面布置圖

2 負荷計算

2.1 負荷計算過程[3]

表1為船舶工況艙內外設計計算溫度。

表1 船舶工況艙內外設計計算溫度

1）夏季降溫工況，空調系統(tǒng)總熱負荷按式(1)計算

式中：φ為總熱負荷，W；φ1為艙內得熱量，W；φ2為風機熱量，W；φ3為送風管內空氣溫升熱量，W；φ4為回風溫升熱量，W；φ5為新鮮空氣熱量，W；ρ為空氣密度，1.2kg/m3；V’為由空調器送入各不受規(guī)定溫度、濕度參數(shù)限制局部冷卻的艙室以及其他艙室的風量，m3/h；Δi為空調冷卻器出風焓差，kJ/kg。

由于該船沒有特殊艙室，所以冷負荷計算中忽略∑ρV’Δi項。

2）冬季采暖工況，總熱負荷按式(2)計算：

式中：φ’為采暖工況熱負荷，W；φ1’為艙內熱損失，W；φ5’ 為加熱新鮮空氣熱量，W；ρ為空氣密度，1.2kg/m3；V’為由空調器送入各不受規(guī)定溫度、濕度參數(shù)限制局部冷卻的艙室以及其他艙室的風量，m3/h；Δi’為空調冷卻器出風焓差，kJ/kg。

由于該船沒有特殊艙室，所以冬季采暖熱負荷計算中也忽略∑ρV’Δi’項。

2.2 計算結果

全船空調區(qū)域總冷負荷 125kW，各個房間的冷負荷指標為 179W/m2～860W/m2；總熱負荷 91kW，各個房間的熱負荷指188W/m2～912W/m2。各艙室負荷指標見表2。

表2 各艙室冷熱負荷計算結果

3 方案確定過程

3.1 方案設計

根據(jù)各方綜合考量，該船空調方案確定為：海水源熱泵冷熱水機組+熱水鍋爐+風機盤管的全水系統(tǒng)。海水源熱泵冷熱水機組提供全船所需的冷熱負荷，在冬季溫度較低時，切換到熱水鍋爐，通過熱水鍋爐及熱水板式換熱器加熱冷媒水給全船供暖。末端根據(jù)艙室的要求采用不同形式的風機盤管，通過門窗滲漏提供所需新風。

3.2 冷熱源機組比選

3.2.1 冷熱源機組選擇

該船可選用兩種冷熱源機組。

冷熱源機組一：船用模塊化冷熱水機組。包含三個模塊單元，制冷制熱量52.7kW/單元，總制冷制熱量158.1kW。機組制冷制熱量變化范圍為52.7kW～158.1kW。機組配置圖見圖2。

圖2 船用模塊化冷熱水機組配置

冷熱源機組二：海水源變頻模塊化冷熱水機組。也包含三個模塊單元，兩個單元為常規(guī)定頻模塊，制冷制熱量52.7kW/單元，一個單元為變頻模塊，模塊制冷制熱量為25.2kW～81.3kW，變頻模塊運行頻率范圍為30 Hz～90Hz。機組總制冷制熱量變化范圍為52.7kW～186.7kW。機組配置圖見圖3。

圖3 海水源變頻模塊化冷熱水機組配置

3.2.2 兩種冷熱源機組特點對比

1）制冷、制熱速度，對水溫的控制精度。

機組一啟動后，三個模塊依次按順序打開，機組進入制冷、制熱狀態(tài)，機組通過艙室內負荷的變化來控制各模塊的啟停，當回水溫度低于設定溫度1℃時關閉1個模塊，當回水溫度高于設定溫度1℃時開啟一個模塊。機組二開啟后，三個模塊也是依次按順序打開，變頻模塊最后啟動，啟動后變頻模塊立即高速運轉，迅速冷卻或加熱艙室內空氣，然后根據(jù)艙室內負荷變化自動調節(jié)頻率控制壓縮機轉速，將回水溫度與設定溫度之差控制在0.5℃之內。顯然，機組二制冷、制熱的速度以及對水溫的控制精度都要高于機組一。

2）啟動性能、適應船用發(fā)電機負荷能力。

機組一的三個模塊單元均為常規(guī)定頻模塊，啟動時逐個模塊啟動，定頻模塊采用直接啟動，啟動時間較快，啟動瞬間電流為模塊額定運行電流的5倍～8倍[4]；機組二啟動時先啟動2個定頻模塊，最后再啟動變頻模塊，變頻模塊啟動時間相對定頻要慢，壓縮機轉速由最低頻率轉速慢慢變化至額定轉速，啟動電流也由最低頻率電流慢慢增至模塊的額定電流。顯然，機組二的啟動電流要遠遠低于機組一。

根據(jù)設計要求，該船空調系統(tǒng)總的用電負荷約占該船發(fā)電機總負荷的30%，由此可見空調系統(tǒng)是該船的用電大戶。同時，由于船舶上采用獨立的發(fā)電系統(tǒng)，因而發(fā)電機供電的穩(wěn)定性尤為重要。機組二的變頻模塊的啟動電流較小，因而機組所產(chǎn)生的電壓降也較小，從而提高了發(fā)電機供電的穩(wěn)定性。而機組一啟動電流較大，產(chǎn)生的電壓降較大，不利于發(fā)電機組供電的穩(wěn)定性。

3）適應艙室空調負荷的能力。

大連理工大學的高山對某航區(qū)的的某船員艙室動態(tài)負荷做了詳細計算[5]，如圖4所示。

圖4 某航區(qū)某船某艙室空調動態(tài)負荷

參考圖4可知，船舶艙室空調一天內負荷波動性還是比較明顯的，其19點時的最大負荷約為18點最小負荷的2.5倍，其它時段空調負荷也有不同程度的波動。由此可知，船舶空調負荷的波動性比較大，尤其是一些特殊的時段。因而對于航行中的船舶由于航區(qū)的不斷變化其總的空調負荷的波動性也表現(xiàn)得更為明顯。

機組一只能通過模塊的啟停來適應整船的負荷變化，水溫波動范圍可達 2℃。由于船舶空調負荷波動性明顯，會造成機組頻繁啟動，可能會造成艙室內環(huán)境忽冷忽熱，影響空調的舒適性，同時不利于機組的壽命。

機組二可通過變頻來適應整船的負荷變化，機組制冷制熱量變化范圍為52.7kW～186.7kW。船舶艙室內負荷較小時機組控制在低頻狀態(tài)運行，負荷較大時則自動調節(jié)至高頻狀態(tài)，而無需頻繁啟停，也不會出現(xiàn)忽冷忽熱的情況，控制水溫波動范圍不超過0.5℃，最高精度可達0.1℃，同時也增加了機組運行壽命。當遇到極端天氣時，空調負荷可能超過設計的額定負荷，機組二可通過高頻運行來達到要求，機組一則不能滿足這一要求。

綜上知，機組二相比機組一能更好的適應船舶空調負荷的波動。

4）定頻模塊與變頻模塊運行性能比較。

在制冷模式下，冷卻水進水溫度 25℃時，對變頻模塊性能做了相關的實驗測試，分別測定了頻率為45、50Hz時變頻模塊的制冷量、耗電量并通過計算得出兩種頻率下的EER值。詳細的制冷量、耗電量、EER值及不同頻率下的趨勢線如圖5、6所示。由圖5、6可知，變頻模塊在低頻運行時其制冷量及耗電量隨著頻率下降而下降，其EER值隨著頻率的下降而上升。其50Hz運行時的參數(shù)可視作是同等工況下定頻模塊的運行參數(shù)，由此可知變頻模塊在低頻運行時耗電量要低于定頻模塊，EER值要高于定頻模塊

圖5 冷卻水進水溫度25℃時不同頻率下的制冷量、耗電量

圖6 冷卻水進水溫度25℃時不同頻率下的EER值

圖7是制熱模式下，蒸發(fā)側進水溫度12℃時對變頻模塊做的相關測試，分別對應50、60、70Hz時機組的制熱量、耗電量。由圖7可知，變頻模塊在高頻運行時其制熱量及耗電量都隨著運行頻率上升而上升。同樣其50Hz運行時的參數(shù)可視作是同等工況下定頻模塊的運行參數(shù)，由圖6可知變頻模塊在高頻運行時其制熱量要大于定頻模塊，同時耗電量上升。

圖7 蒸發(fā)側進水溫度12℃時不同頻率下的制熱量、耗電量

眾所周知，在船舶航行過程中，船舶空調負荷是不斷變化的，大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，平均運行負荷一般在50%～60%[6]。當采用機組一時，機組只能根據(jù)負荷變化而啟停各個模塊。而使用機組二時，機組會根據(jù)負荷的變化調節(jié)到低頻或高頻運行狀態(tài)，并且大部分時間將處于低頻運行的模式。在低頻運行時變頻模塊EER值上升，耗電量減小，所以能起到一定的節(jié)電節(jié)能效果。

5）機組性能特點對比匯總。

表3為機組性能特點比較。

表3 機組性能特點比較

3.2.3 冷熱源機組經(jīng)濟性比較

1）初投資

機組初投資主要是兩個冷熱源機組的設備費用，經(jīng)概算及廠家提供的報價，機組一初投資為36萬元，機組二初投資為44萬元。

2）年運行費

年運行費主要包括燃料費(通過用電量折合成消耗燃油量)初步估算[7-8]：

（1）夏季使用空調按140d計算，冬季年使用天數(shù)按70d計；

（2）定頻模塊節(jié)能系數(shù)按0.95計，變頻模塊節(jié)能系數(shù)按0.435計；

機組一燃料費：

(51.3×(140+70)×24×0.95×0.22)×5.5=297205.15 元

機組二燃料費：

(34.2×(140+70)×24×0.95×0.22+17.1×(140+70)×24×

0.435×0.22)×5.5=242499.85元

通過估算，每年機組二比機組一可節(jié)省運行費：

297205.15-242499.85=53705.3元

機組二投資回報期估計為：

(440000-360000)/53705.3=1.5年

3）環(huán)境效益

由以上的估算可知，機組二相對機組一理論上每年可節(jié)省約18%的一次能源，大大減少廢氣及溫室氣體的排放，在注重節(jié)能環(huán)保的今天顯得尤為重要。

4）使用壽命

根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)及綜合考量，機組一使用壽命在8年～10年，機組二使用壽命在10年～12年。

5）維護管理

機組一維護管理方便，系統(tǒng)簡單、可靠；機組二維護則相對復雜。

6）兩機組經(jīng)濟性比較匯總

兩機組技術經(jīng)濟分析比較如表4所示。通過以上分析比較可看出，在初投資方面機組二比機組一要高出約22%；年運行費方面：機組一約高出機組二18%，可算得使用機組二的投資回報期僅1.5年左右。另外，在環(huán)保、使用壽命方面，機組二優(yōu)于機組一，但在維護管理方面機組一優(yōu)于機組二。

表4 機組各項經(jīng)濟性比較

3.2.4 機組最終確定

綜合考量機組一及機組二的機組特性和經(jīng)濟性，最后確定使用機組二，海水源變頻模塊化熱冷水機組。

3.3 空調管系主要附件配置

板式熱水中間換熱器1臺，熱交換量120kW；海水泵2臺，一用一備，流量55m3/h；循環(huán)水泵2臺，一用一備，流量40m3/h；其他管路閥等附件若干。

3.4 空調末端及新風

根據(jù)全船艙室的布局及各艙室冷量的分配選用不同類型的風機盤管，全船共使用22臺風機盤管，風量范圍為680m3/h～1380m3/h不等。大部分艙室末端風機盤管選卡式風機盤管，個別艙室選用頂置臥式暗裝風機盤管及立式暗裝風機盤管。風機盤管形式見圖8。

圖8 三種形式風機盤管(從左到右依次為，卡式風機盤管、頂置臥式暗裝風機盤、立式暗裝風機盤管)

各艙室使用風機盤管詳細類型見表5。

表5 各艙室風機盤管類型明細

卡式風機盤管采用四周上送風，中間上回風形式；頂置臥式暗裝風機盤管采用上側送風，同側上回風形式；立式暗裝風機盤管選用下側送風，同側下回風形式。

新風主要通過門窗滲漏來滿足艙室內人員對新風的需求。

3.5 全船空調系統(tǒng)圖

全船空調系統(tǒng)圖見圖9。

圖9 全船水管系簡圖

4 結論及展望

4.1 變頻冷熱水機組運行性能有顯著優(yōu)勢

海水源變頻模塊化冷熱水機組配備變頻模塊，相對定頻機組其制冷制熱速度快，對水溫控制精度高，啟動電流小提高了船用發(fā)電機組供電的穩(wěn)定性，其適應負荷能力強，能適應船舶空調負荷較強的波動性，大部分時間處于低頻運行狀態(tài)，不會因頻繁啟動而出現(xiàn)忽冷忽熱的情況，增加了空調的舒適性。在低頻運行狀態(tài)時可減少耗電功率、EER值上升，在極端工況下可實現(xiàn)高頻運行，從而滿足艙內冷熱負荷的要求。

4.2 變頻冷熱水機組經(jīng)濟性優(yōu)點多

在經(jīng)濟性方面，海水源變頻模塊化冷熱水機組相對定頻冷熱水機組初投資高，但年運行費用低，投資回報時間短，僅為 1.5年。在環(huán)保、使用壽命方面都有一定優(yōu)勢，但維護管理要復雜一些。

4.3 變頻冷熱水機組的優(yōu)點需在實際運行中確認

該船空調系統(tǒng)選用新型的海水源變頻模塊化冷熱水機組，其適應空調負荷變化的能力對船用發(fā)電機供電穩(wěn)定性及運行過程中節(jié)電節(jié)能等方面的優(yōu)點還有待在船舶運營過程中驗證。這個希望得到業(yè)內人士的進一步論證，以得到較好的運用、運營效果及大范圍的推廣。

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Application of Sea Water Variable Frequency Modular Chillers Air Conditioning Unit in Ship

DAI Jing,CHEN Jian-bo,YIN Wen-li
(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

This paper is mainly about a new type of sea water variable frequency modular chillers air conditioning unit applicated in a ship,including the project profiles,load calculation,comparison and election of the air conditioning unit,program description,etc.,and the whole ship air conditioning system schematic is listed.

entire water system; variable frequency; load calculation; starting current; low frequency operation; economic analysis; air conditioning system schematic

TP 183

A

戴晶(1985-)，男，碩士研究生。研究方向：供熱、供燃氣、通風及空調工程。