船舶空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

沈雅鈞

（浙江海洋學(xué)院東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316004）

船舶空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

沈雅鈞

（浙江海洋學(xué)院東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316004）

結(jié)合船舶的特點(diǎn)，討論了船舶空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)途徑，并針對(duì)實(shí)際中存在的一些問(wèn)題給出了建議，希望能對(duì)船舶節(jié)能的實(shí)施有一定的幫助。

船舶；空調(diào)系統(tǒng)；節(jié)能設(shè)計(jì)；系統(tǒng)布置

21世紀(jì)是人類利用與開(kāi)發(fā)海洋的新時(shí)代，無(wú)疑也是船舶工業(yè)發(fā)展的重要時(shí)期。但因環(huán)境以及能源問(wèn)題的不斷突出，對(duì)船舶的節(jié)能也提出了更高的要求?？照{(diào)系統(tǒng)，作為現(xiàn)代船舶的重要設(shè)備之一，又是一個(gè)主要的耗能裝置。有資料表明遠(yuǎn)洋船舶空調(diào)系統(tǒng)的用電量占全船用電量的20%以上（客船將達(dá)到45%）[1]。因此，船舶空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能具有非常重要的地位和現(xiàn)實(shí)意義，已成為船舶節(jié)能的重要組成部分而得到了業(yè)界普遍的關(guān)注。

空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能可從設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理兩方面入手，而節(jié)能設(shè)計(jì)又是基礎(chǔ)。本文將對(duì)船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的節(jié)能措施作一探討。

1 設(shè)計(jì)方案確定

方案設(shè)計(jì)是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系到系統(tǒng)的工作特性、能耗水平、投資和運(yùn)行費(fèi)用、安全性能等。在以往的設(shè)計(jì)中，因各種原因，設(shè)計(jì)者往往對(duì)方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不夠重視，以致設(shè)計(jì)方案不合理，造成很大的損失，且由此產(chǎn)生的不利影響往往是長(zhǎng)期性的，也不易在后續(xù)環(huán)節(jié)中得到修改[2]。

因此，為提高系統(tǒng)的整體性能，確定船舶空調(diào)設(shè)計(jì)方案時(shí)必須綜合各方面的要求，與船舶其他部分的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)配合，綜合考慮，采用科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法。就節(jié)能性能而言，如能在船舶設(shè)計(jì)的各階段就能體現(xiàn)節(jié)能的思想，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與其他環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合，則能收到更好的節(jié)能效果。

（1）在船舶總體設(shè)計(jì)階段即采取相應(yīng)的節(jié)能措施（如船體圍壁結(jié)構(gòu)絕熱保溫標(biāo)準(zhǔn)的選用、船體絕熱結(jié)構(gòu)形式、艙室溫度的確定、船舶不同功能艙室的布置、平面形狀、窗戶大小等）以減小冷負(fù)荷。

（2）實(shí)施船舶供熱和供冷綜合性節(jié)能規(guī)劃。

（3）實(shí)行分區(qū)設(shè)計(jì)。不同功能船艙（如工作艙、居住艙等）的空調(diào)負(fù)荷特性存在較明顯的差別；居住艙也由于艙室所在層數(shù)、位置等差別，熱濕負(fù)荷差異較大。因此，在船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按區(qū)域設(shè)計(jì)的思想進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，使空調(diào)系統(tǒng)能有效地跟蹤負(fù)荷變化，降低能耗，改善室內(nèi)熱環(huán)境。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

船舶空調(diào)主要是維持船艙內(nèi)良好的空氣質(zhì)量，為船上人員提供舒適的工作和生活環(huán)境，屬于舒適性空。船舶空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷隨溫度和相對(duì)濕度的增大而減少。因而，當(dāng)溫度一定時(shí)適當(dāng)增大相對(duì)濕度，可以減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗。我國(guó)和ISO7730標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的船舶空調(diào)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)為：冬季室溫為19～22℃，相對(duì)濕度30%～40%；夏季室溫為24～28℃，相對(duì)濕度40%～50%；夏季室內(nèi)外溫差不超過(guò)6～10℃，室內(nèi)各處溫差不超過(guò)3～5℃[3]。

文獻(xiàn)[4]通過(guò)模型分析可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)可以達(dá)到明顯的節(jié)能效果，并推薦在滿足熱舒適性要求的條件下，我國(guó)船舶空調(diào)夏季設(shè)計(jì)參數(shù)為：t=25℃時(shí)，φ＞35%；t=27℃時(shí)，φ＜55%；最佳的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)為：t= 26℃，55%＜φ＜60%，基本符合ISO7730標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。并建議在需同時(shí)考慮節(jié)能的與熱舒適度要求的條件下，選取船舶空調(diào)系統(tǒng)夏季設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，不宜采用提高溫度值的方法體現(xiàn)節(jié)能，而相對(duì)濕度則可在允許的范圍內(nèi)取高一些。

3 設(shè)計(jì)負(fù)荷確定

空調(diào)負(fù)荷是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的船舶空調(diào)負(fù)荷計(jì)算主要采用估算法，所得負(fù)荷值往往偏大。而相關(guān)設(shè)備的容量一般又按全負(fù)荷條件來(lái)選定，再加以一定的裕量。這樣，經(jīng)過(guò)層層加碼，有的設(shè)備容量裕度可高達(dá)30%左右。而在實(shí)際中，這些設(shè)備多數(shù)時(shí)間是在部分負(fù)荷下工作的，設(shè)備的設(shè)計(jì)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際使用負(fù)荷，造成很大的能源浪費(fèi)。對(duì)于船舶而言，過(guò)大的裝機(jī)容量還會(huì)過(guò)度占用船舶寶貴的艙室空間和載重量，成為另一種形式的能源浪費(fèi)。

為此筆者建議：首先，設(shè)計(jì)負(fù)荷應(yīng)采用計(jì)算方法確定，盡量不用估算法；第二，在設(shè)計(jì)之初應(yīng)先對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行綜合分析，在確認(rèn)工況合理的基礎(chǔ)上選配設(shè)備時(shí)盡可能選取小的裕量；第三，對(duì)于船用空調(diào)，考慮到因船舶的不停運(yùn)動(dòng)造成太陽(yáng)照射面積、船舶所在航區(qū)與緯度等都在不停變化，負(fù)荷不可能計(jì)算得很準(zhǔn)確、總體空間又有限的特點(diǎn)，建議采用的方案是：在保證滿足運(yùn)行負(fù)荷要求的前提下，選取盡可能小的裕量，并選用可調(diào)節(jié)負(fù)荷的機(jī)型以滿足變工況需求。既能滿足船舶規(guī)范的要求，又達(dá)到節(jié)能的目的。

4 風(fēng)道系統(tǒng)與水系統(tǒng)布置

船舶空調(diào)中空氣、水的輸送動(dòng)力消耗占有很大的比例。如能通過(guò)合理布置風(fēng)道系統(tǒng)與水系統(tǒng)，減少冷熱空氣、水系統(tǒng)輸送過(guò)程中的能耗，將有效降低系統(tǒng)的總能耗。

4.1 風(fēng)道系統(tǒng)

如風(fēng)道系統(tǒng)布置不合理，將使空氣流動(dòng)阻力大大增加，從而增加能耗。特別是回風(fēng)系統(tǒng)，以往的設(shè)計(jì)中往往不夠重視，故而出現(xiàn)的問(wèn)題也較多。如回風(fēng)管道阻力過(guò)大，不僅使能耗增大，同時(shí)還會(huì)造成回風(fēng)不暢，艙室的進(jìn)風(fēng)量遠(yuǎn)大于回風(fēng)量，致使艙室內(nèi)壓力過(guò)高，舒適性大受影響。

在風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以下措施將有助于減小能耗。

（1）將送風(fēng)、回風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，通過(guò)合理設(shè)置送（回）風(fēng)口、布置管道，盡可縮短管路長(zhǎng)度、簡(jiǎn)化系統(tǒng)、減少?gòu)澋赖染植孔枇Σ考?，以減少空氣流動(dòng)過(guò)程中的能量消耗。

（2）合理使用回風(fēng)管以提高回風(fēng)效率。

（3）采用變風(fēng)量系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)荷大小自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少動(dòng)力耗損。但目前多數(shù)船用空調(diào)基本上仍沿用了傳統(tǒng)的定風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，僅有少量豪華客船、軍船以及特種船舶采用了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，變風(fēng)量系統(tǒng)并沒(méi)有充分發(fā)揮其所有的全部功能，還有很大的應(yīng)用空間[5]。

就調(diào)節(jié)方法而言，在目前采用的定靜壓法、總風(fēng)量法、變靜壓法等風(fēng)量調(diào)節(jié)法中，總風(fēng)量控制方法的控制系統(tǒng)形式較簡(jiǎn)單，同時(shí)可靠性也較高，使得控制系統(tǒng)不僅減少了初投資，而且在初調(diào)試時(shí)可以大大減少工作量。

（4）合理選用送風(fēng)溫差及風(fēng)道流速。

采用大溫差送風(fēng)是可以考慮的一種選擇。與常規(guī)系統(tǒng)比較，采用大溫差送風(fēng)，可在人體的熱舒適感沒(méi)有明顯改變的情況下，減少能源尤其是高品位電能的消耗；同時(shí)由于系統(tǒng)風(fēng)量減小，可減少系統(tǒng)的初投資。因此，系統(tǒng)的耗能可有較大幅度的下降。文獻(xiàn)[6]針對(duì)船舶空調(diào)領(lǐng)域?qū)嵤┐鬁夭钏惋L(fēng)技術(shù)的可行性進(jìn)行了分析和探討，通過(guò)對(duì)典型艙室進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算和建立物理模型分析，表明了大溫差低溫送風(fēng)技術(shù)在船舶空調(diào)領(lǐng)域?qū)嵤┑目尚行浴?/p>

降低風(fēng)速可降低風(fēng)機(jī)壓力及能耗，噪聲也可減小，但減少風(fēng)管截面積將增大，占用更多的空間。因此，管內(nèi)風(fēng)速的選取應(yīng)綜合平衡建筑空間、能耗、噪音等各種因素后確定。對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)，建筑空間這一因素比之于普通的陸上建筑顯得更為重要，故不建議通過(guò)降低風(fēng)速來(lái)降低能耗。

4.2 水系統(tǒng)

水系統(tǒng)（包括冷凍水系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)）是空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，水系統(tǒng)的能耗在整個(gè)空調(diào)能耗中也占了很大的比例。為使空調(diào)系統(tǒng)在最低的能耗水平下提供需要的室內(nèi)溫度,前提條件是水系統(tǒng)達(dá)到全面的平衡。

長(zhǎng)期以來(lái)，水系統(tǒng)的平衡設(shè)計(jì)一直是空調(diào)設(shè)計(jì)中比較薄弱的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然也會(huì)采取一些節(jié)能措施，但重視程度不夠,在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況仍不夠理想。因此，水系統(tǒng)的節(jié)能還有很大的潛力。

（1）管路布置

空調(diào)水系統(tǒng)的管路布置方式有同程式與異程式之分。與同程式系統(tǒng)相比，異程式系統(tǒng)因少了一條回水總管，初投資與管道占用空間都較省，總阻力也比同程式小，可節(jié)省水泵能耗。其主要缺點(diǎn)是阻力不易平衡，在設(shè)計(jì)計(jì)算中也需進(jìn)行并聯(lián)環(huán)路的阻力不平衡率校核，設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜。但異程式系統(tǒng)如與變水量方式相結(jié)合，則由阻力不平衡而引起的相關(guān)問(wèn)題就可有效避免，而其節(jié)能特性將得到明顯的體現(xiàn)，是一種比較適合于船舶空調(diào)系統(tǒng)的管路布置方式[7]。

（2）流量控制

在空調(diào)水系統(tǒng)中,水泵若按定流量運(yùn)行，幾乎所有水泵均處在超流量狀態(tài)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，其在船舶行業(yè)的應(yīng)用也有著廣泛的應(yīng)用前景。采用變流量控制，系統(tǒng)將根據(jù)未端負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)水流量（也即調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速），從而有效地控制水泵消耗功率，實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能。

文獻(xiàn)[8]研究了變冷凍水流量對(duì)冷水機(jī)組性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：系統(tǒng)采用變冷凍水流量與定冷凍水流量相比，機(jī)組制冷量減小最大不超過(guò)4.1%，COP降低最大不超過(guò)4.2%，而冷凍水泵功耗可減少81%以上，具有明顯的節(jié)能效果。

（3）傳熱溫差與進(jìn)、出水溫差選擇

空調(diào)水系統(tǒng)中換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)溫差將直接影響設(shè)備的尺寸和金屬消耗量。

在換熱器傳熱系數(shù)一定的前提下，對(duì)應(yīng)于一定的換熱量，傳熱溫差大，所需的傳熱面積就小，從而設(shè)備尺寸與金屬耗量都將減小。

而從冷凍水或冷卻水的角度，在符合空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況和滿足舒適性的前提下，增大冷凍水供回水溫差和冷卻水的進(jìn)出水溫差，就可以減少冷凍水和冷卻水的流量，降低管道的損耗，節(jié)約能源。而在傳統(tǒng)的船舶空調(diào)系統(tǒng)中，一般都按滿負(fù)荷狀態(tài)設(shè)計(jì)和運(yùn)行，水泵功率和管道尺寸都偏大，水系統(tǒng)基本處于大流量小溫差的運(yùn)行狀態(tài)，形成很大的能量浪費(fèi)。

（4）水流速度

流速是影響對(duì)流傳熱的主要因素，流速大，雷諾數(shù)就大，還可降低污垢的沉積，水側(cè)的換熱系數(shù)增大，傳熱效果增強(qiáng)，換熱器的尺寸及金屬耗量均可減小。但另一方面，過(guò)高的流速會(huì)使管子的侵蝕加劇，管道阻力與噪音增大，水泵的耗功率加大，使泵的初投資和換熱器的運(yùn)行費(fèi)用增加。故水流速度應(yīng)維持在一定的范圍內(nèi)，過(guò)高、過(guò)低均不適宜。不同場(chǎng)合下的水流速度可參考相關(guān)手冊(cè)選取。

5 設(shè)備選用

考慮船用設(shè)備的特殊性，在制冷空調(diào)設(shè)備的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能選用高效、節(jié)能的設(shè)備，提高設(shè)備的制造質(zhì)量。這雖然會(huì)使初投資增加，卻可大大減少運(yùn)行成本，同時(shí)又能減少占用的空間與船舶的空船重量，這對(duì)于船舶空調(diào)系統(tǒng)而言顯得尤為重要。有資料表明，在其它參數(shù)不變的情況下，空船重量越輕載重量越大[9]。特別是壓縮機(jī)與換熱設(shè)備的選用，必須遵循高效、節(jié)能的原則。

5.1 壓縮機(jī)

高效化的壓縮機(jī)，可降低空調(diào)機(jī)的消耗功率。對(duì)于變頻空調(diào)，還需結(jié)合壓縮機(jī)的性能曲線，合理選用壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，使其在“最佳工作點(diǎn)”下工作。

5.2 熱交換器

前已述及，在傳熱系數(shù)、換熱量一定的前提下，大的傳熱溫可減小傳熱面積小、減少金屬耗量。但傳熱溫差的增大會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器降低或冷凝溫度升高，從而制冷系數(shù)下降。因此，設(shè)計(jì)中蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱溫差應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)。如采用了高性能的熱交換器，在制冷溫度與制冷量均一定的情況下，所需傳熱溫差就小，引起的蒸發(fā)溫度降低幅度也可減小，從而制冷系數(shù)下降較少，壓縮機(jī)的功耗也就較??；對(duì)于冷凝過(guò)程，也存在類似情況。

6 其他環(huán)節(jié)的節(jié)能

（1）應(yīng)用全能系統(tǒng)，以提高能量利用效率，尤其對(duì)大型船舶的供電、供熱和供冷，應(yīng)在船舶中就地產(chǎn)生和綜合利用，以減少發(fā)電、輸配電過(guò)程和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損耗。普通系統(tǒng)發(fā)電效率僅30%左右，而全能系統(tǒng)的整個(gè)效率可達(dá)84%左右。如在船上推廣應(yīng)用冷熱全效熱泵，既可用熱泵實(shí)現(xiàn)全部的制冷、供熱、提供生活熱水等功能，改善現(xiàn)有船舶空調(diào)裝置只能提供冷量的局限；又可大幅度提高現(xiàn)有船舶空調(diào)系統(tǒng)的能耗水平，節(jié)能效益顯著[10]。

（2）推廣船舶動(dòng)力裝置的余熱綜合利用

船舶裝置中柴油機(jī)的排氣、柴油機(jī)的冷卻水、還有冷凝器(制冷機(jī))的冷卻水等的廢熱均存在利用的潛力。這些余熱如能加以綜合利用，不但可以節(jié)約石油資源，提高船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而且可以減少對(duì)大氣和海洋環(huán)境污染。

7 結(jié)束語(yǔ)

由于節(jié)能和環(huán)保的需要，對(duì)船舶空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能提出了更高的要求，暖通空調(diào)業(yè)界人員在這方面已做了大量研究。但與陸上空調(diào)系統(tǒng)相比，船舶空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理仍處于相對(duì)落后的狀況，同時(shí)也存在很大的提高與發(fā)展空間。就船舶空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，從方案的確定、設(shè)計(jì)參數(shù)的選取、空調(diào)負(fù)荷的確定、系統(tǒng)布置、設(shè)備選用等多方面均存在著很大的節(jié)能潛力。業(yè)界人員需要共同努力，將節(jié)能意識(shí)充分體現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，并緊密結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使船舶空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平上一個(gè)新的臺(tái)階，達(dá)到安全、舒適、高效節(jié)能的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建華,闞安康,韓厚德.船舶中央空調(diào)系統(tǒng)能耗分析及節(jié)能措施[J].上海造船,2011(1):59-61.

[2]李兆堅(jiān),江 億.暖通空調(diào)方案設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析[J].暖通空調(diào),2005,35(9):42-46.

[3]孫建平,甘念重.現(xiàn)代船舶空調(diào)裝置特點(diǎn)綜述[J].中國(guó)水運(yùn),2008,8(10):148-149.

[4]邢 娜,劉紅敏.基于熱舒適的船舶空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化[J].暖通空調(diào),2007,37(7):107-109.

[5]陳安揚(yáng).船舶變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].上海造船,2011(1):62-64.

[6]周根明,厲盼盼.大溫差技術(shù)在船舶空調(diào)中應(yīng)用的可行性分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,28(1):41-45.

[7]孟憲法,高 興,聞 豪,等.空調(diào)水系統(tǒng)同程式與異程式選擇依據(jù)探討[J].建筑科學(xué),2009,25(8):39-43.

[8]梁彩華,張小松,梅 奎,等.變冷凍水流量對(duì)冷水機(jī)組性能影響及其節(jié)能優(yōu)化控制研究[J].建筑科學(xué),2008,24(6):40-44.

[9]婁建偉.淺談船舶的節(jié)能工作[J].中國(guó)水運(yùn),2012,12(8):1-2.

[10]中國(guó)船級(jí)社.船用冷熱全效熱泵技術(shù)應(yīng)用[J].交通節(jié)能與環(huán)保,2011(4):58-62.

Energy-saving Design of Air Conditioning System of the Ship

SHEN Ya-jun
(Donghai Science Technology School of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316004,China)

According to the characteristics of the ship,discusses the energy saving design way of ship air conditioning systems,and aiming at some problems in practical suggestions are given,hope to have certain help to the implementation of the ship energy saving.

ship;air conditioning system;energy saving design;system layout

U664.86

A

1008－830X(2015)05－0465－05

2015-03-20

沈雅鈞（1958-），女，浙江嵊州人，副教授，研究方向：空調(diào)、制冷技術(shù).