浅谈液货船中央空调的设计

蔡秀安

(福建交通技术职业学院,福建福州350007)

0 引言

船舶常年航行于海上,是流动的工作和生活场所,其所处的气候环境,随着航行的区域及季节变化多端。为消除外界恶劣气象因素的不良影响,营造适宜的内部环境,改善船员的工作生活条件,保证船上重要监控设施处于良好工作状态之中,现代设计建造的船舶几乎都配备空调装置。空调的设计提倡以人为本,在确保防火安全的前提下,做到舒适节能。本文着重论述油船、集装箱船以及散货船中央空调的设计。

1 舱内外温湿度及新鲜空气量的确定

1.1 舱内外温湿度

对于无限航区的船舶,我国国家标准规定:

夏季工况舱内外设计计算空气温度和相对湿度为:

舱外:干球温度35℃、相对湿度70%,海水温度35℃;

舱内:干球温度27℃、相对湿度50%。

冬季工况舱内外设计计算空气温度和相对湿度为:

舱外:干球温度-20℃;

舱内:干球温度22℃、相对湿度50%。其他有限航区的船舶,根据各航区具体决定。上述规定世界各国虽有出入,但大致范围相同。也有船东要求更高,笔者设计的船舶中,就有个别新加坡船东要求:夏季舱内设计干球温度须达到22℃。航行于东南亚一带航区的船舶,基本都不要求冬季采暖。

1.2 新鲜空气量

新鲜空气量国内的标准为:

船员室、住室每人28m3/h;

办公室、公共舱室每人20～25m3/h。

若按空调总风量计算:有限航区船舶,新鲜空气量不小于空调总风量的40%;无限航区船舶,不小于空调总风量的50%。最后取值按以上两种算法中取其大值。

近几年笔者给欧洲设计建造的集装箱船、散货船以及给新加坡造的油船,大部分船舶建造合同规格书均要求 “空调新鲜空气量不小于空调总风量的50%”。因货船船员人数较少,人均占有居住舱室面积远多于客船,且各个舱室通风换气次数规格书也都有明确的规定,其范围在8～15次/时。

新鲜空气量按空调总风量50%取值,其标准远高于按人均补充最小新风量的统计值。

2 空调冷热负荷计算

空调热负荷分为夏季降温工况和冬季采暖工况。

夏季工况应计算舱内传入热、太阳辐射热、人体散发热 (包括显热和潜热)、灯光照明热、设备发热量和新鲜空气热量。

冬季采暖工况按舱内热损失量和加热新鲜空气热量计算。

虽然这些计算可按相关规范标准和设计手册推导的公式及计算方法进行,但船舶设计的前中期,相当一部分的尺寸数据尚未确定,这就要求设计者凭经验先估算概算,确定空调装置主要技术参数和系统形式,再与总体设计人员商议空调机间的尺寸和坐落位置。这估算尽可能准确,取值太小达不到技术要求;取值太大相应的冷却水泵、电力设备及空调机间和主要风管占位也增大,中后期若更改将延迟设计进程,不改将浪费船上宝贵的空间。

随着技术设计的展开,主要图纸陆续绘出,必须及时地按图进行细致核算,如与原先初定数据有出入,须争取主动及早更改修正。

船舶规范严格限制机舱和厨房的空调风管穿过生活舱室,若不可避免需要穿管,须采用一系列严密措施进行防火隔离。

监控室通常位于机舱之内,为简化空调通风管的设计施工,往往分设两套局部空调装置对厨房和机舱监控室各自供冷或采暖。空调热负荷计算时,可将机舱监控室及厨房单独进行统计。

从热负荷计算结果可以看出,占据热负荷较大分量的是:新鲜空气负荷和驾驶室空调负荷。

新鲜空气负荷如前面叙述的与空调总风量及各个舱室通风换气次数相关。因此,除了 “合同规格书”特别注明的舱室通风换气次数外,一般按挂旗国规范及标准规定的空调舱室每小时最小换气次数正常取值,不要再额外增大风量。

驾驶室空调负荷大一是因为太阳直接射到的驾驶室顶面,日晒甲板温度比环境温度高22～32℃,增大了外界渗入热,二是玻璃窗通过导热和辐射热传入的热量。根据计算对比,玻璃窗的传热比一般舱壁高45～70倍。在设计上须重点关注日晒顶面的隔热,尽可能地减少高温差传入空调舱室的热量。

3 空调系统的选择

3.1 空调系统的选择

船舶空调按空调器与空调舱室的布置关系,以及空气处理过程的不同,可分成:集中式、半集中式和全分散式 (局部式)系统。

货船主空调系统通常采用集中式空调系统,而特殊的与居住舱室有防火隔离要求且距离较远的机舱监控室和厨房,则配备分散式局部空调机组,其空气调节独立地不与其他居住舱室关联。

风机盘管加新风空调系统,集中供冷、热水至各舱室末端风机盘管进行换热和舱室内部全回风循环,由于水管系统占空间小,适合于层高有限的舱室空调;笔者设计的冷藏船,曾采用过这种系统。

但风机盘管加新风空调系统是间接冷却系统,存在制冷剂与载冷剂水之间两个换热过程,在相同设计舱室温度情况下,蒸发温度比直接蒸发冷却低,使制冷机产冷量减少。且舱室内的布置风机盘管也挤占了室内地面有限的空间,各空调舱室还要设置风机盘管的凝水管排出舱外以及在高端安装膨胀水箱等麻烦。因此,货船空调不推荐采用这种空调方式。

船舶空调系统送风方式有单风管和双风管二种。单风管系统所有舱室的供风温度相同,靠改变供风量对个别舱室的温度进行调节。双风管系统调节性能好,由两根风管分别供应温度不同的两种空气,调节性好。但风管尺寸和造价都较大,近几年建造的货船,除了个别的西欧船东对空调要求较高,特指空调系统要采用双风管之外,大部分货船送风均采用单风管系统。送风管的风速一般为12～20m/s。这种单风管中速全空气集中空调系统,在货船上得到广泛的应用。

船上空间极为珍贵,占用较大空间的蓄冷设备不宜采用。

3.2 空调制冷机的选用

作为船用空调制冷机,在重量、外形尺寸、安全可靠以及备件方面的要求比陆用更高,空调的制冷机组一般设置二套,也就是压缩机、冷凝器、翅片蒸发盘管多设一套。制冷机的冷量裕度按规定的10%,亦可酌情再提高5%～10%,以利在气候特别炎热时,在不提高现有的送风速度,而采用低温送风方式来应对。当然,在最炎热季节里空调满负荷运转时,必须避开操纵锚机、绞车等甲板机械短暂的用电高峰期。此举虽加大制冷机的容量,但综合权衡风机、水泵和风管等设备配置,明显降低了投资费用。

3.3 空调冷却水系统的选择

远洋液货船上空调制冷装置冷却方式有:设置中央冷却系统的淡水冷却和海水直接冷却。淡水经过中央冷却器向海水放热后,进入空调冷凝器时,温度一般为36℃。淡水冷却主要优点是对冷凝器腐蚀较轻。一般船用卧式冷凝器针对海水冷却内部采用复合铜板和铜管材料,能够保证冷凝器的正常工作寿命。无限航区的海水温度为32℃,比淡水冷却低4℃左右。同比制冷量可高出约8%～11%。还减少了与淡水热交换的管道和阀门。

冷却水量按冷凝负荷、冷凝面积、冷凝器传热系数以及冷却水进出温差计算,也可按选用的空调机厂家样本要求的冷却水量进行合计。液货船上通常专门设置一台空调的专用冷却水泵,另外从压载泵或消防泵出口再引一路冷却海水备用。空调冷却水也常作伙食冷库系统的备用冷却水。液货船上的空调冷却水泵流量为20～60m3/h,扬程为0.15～0.25MPa之间。

4 中央空调的风管设计及火灾的抑制

4.1 空调管的防火规定

《国际海上人命安全条约》指出:如果导管有效面积超过0.02 m2的通风导管穿过 “A”级舱壁或甲板,开口应衬有钢套管。导管和套管应至少厚3mm并至少长900mm。在穿过舱壁时,此长度以在舱壁两侧各450mm为宜。对这些导管所衬套管应加以隔热。该隔热应至少与导管所贯穿舱壁或甲板具有相同的耐火完整性;有效面积超过0.075m2的导管,除满足以上要求外,还应装设挡火闸。挡火闸应自动工作,但还应能够从舱壁或甲板的两侧手动关闭。

各国船舶规范均有这样规定:通风系统穿过甲板,除满足有关保持甲板耐火完整性的要求外,还应采取预防措施以减少烟和炽热气体通过该管从一甲板间处所流经另一甲板间处的可能性。

4.2 中央空调的风管设计

空调送风管大部分采用预绝热圆形螺旋管,尽量选择通径在PR160以下的螺旋管,以减少管道中防火阀的设置。在中央空气处理器各送风管的输出端,宜分设调风阀,平衡各送风管道的风量。螺旋风管的布置应尽量避开主干电缆及卫生落水管等大口径管路,有些货船层高较低,而管道交叉又多,为保证2.1m以上的净层高,可采用扁圆形螺旋管。只是扁圆形管弯转不如圆管那么随意灵活。

各层甲板舱室的回风大都通过走道集中一根矩形管回风,回风管一般都超过0.02m2,须设防火阀与其他甲板层舱室防火隔开。有些船为少占空间,直接设置带防火阀回风格栅进行回风。回风管应包覆隔热阻汽层,以防止回风管跑冷结露。船上矩形空调回风管常用橡胶塑料保温。

新风管尺寸较大属于常温管道,在布置空调机间的同时,一并考虑新风管的位置,其入口处须远离柴油机排气管口、厨房排烟处、卫生间排风气流以及油舱透气口等污浊气体排放场所。并设置带盖风雨密百叶窗或带手轮可关闭的无门风雨密百叶窗,以防止风雨及海浪的侵袭。

卫生间、浴室、洗衣房内污浊气体的排放,其换气次数为10～15次/时,如果每个卫生间各自设风机单独排风,这类排量为50～200m3/h的小风机目下尚无船用产品,只能用单相220V管道排风机。而设计成卫生间统一汇总排风的方式,必须遵循船舶规范,防止发生火灾时,造成各层甲板烟火相互串通。

以笔者2008年参与批量设计的6800DWT供油船为例,通常的做法是,风管穿过各层甲板处或防火隔离舱壁均须设置船用挡火阀。对影响环境卫生的医务室、厨房、卫生间、浴室、洗衣房等舱室进行机械排风,保持室内处于负压状态。向医务间送风的送风管上装止回风阀,直流送风。

此外,在驾驶室内,空调的布风器、螺旋风管以及固定隔热层的喷钉必须用不锈钢材质,避免与磁罗经产生干扰。

5 货船空调的自动控制

货船的特点是,船员人数一般在15～30人之间,居住舱室大多布置在艉部主甲板以上,且各个房间几乎都有靠舱外的窗口。不存在客船那样在过渡季节里,有的舱室供冷,有的供热的现象。除驾驶室处于顶部太阳直射位置,其空调需重点处理之外,多数居住舱室所处的周围环境差异不大,且室内的温湿度参数以及控制精度的要求不会象豪华客轮那样高。

因此,货船空调的自动控制以安全可靠,简单实用为主。

空调舱室的温度控制可通过改变供风温度或供风量实现,但因为调节风温比调节风量容易、准确,另外如供风量太小会恶化卫生条件,所以船舶空调常用调节风温来控制室温,自动风量调节阀作为补充,或者不设。

在直接冷却系统中,广泛采用的是,夏季利用温度控制器控制室内的温度,这种控制方式是以感温元件直接感受空调室的回风温度,然后将信号传送给温度控制器,温度控制器按其设定回风温度的高低上下限值操作供液电磁阀的启闭。通过热力膨胀阀或电子膨胀阀自动调节冷剂的供液量,同时制冷机能量自动调节装置配合工作,使送风温度随外界气温变化相应改变,并稳定在一定范围之内。

冬季取暖时,其热源主要是0.2～0.3MPa的减压蒸汽,近几年笔者设计的一些船舶也有用热油锅炉取代蒸汽锅炉,则热源是用进出温度分别为180℃和140℃的热油,加热淡水至90℃,送至空气加热器,加热舱室空气。热介质的流量用温度控制器控制。冬季采用蒸汽或水雾喷湿,并用湿度控制器控制舱室的相对湿度。

6 船舶空调设计上的节能措施

笔者常用的船舶空调设计上的节能措施有如下几点:

1)新风量如前面所述,可按卫生标准略为提高些,但不能超出过多,以免增大空调机组的负荷。过渡季节切断回风,空调系统全部采用新风。

2)注重隔热尤其是驾驶室及直接日晒舱室的隔热。驾驶室玻璃窗的面积按标准设置,在次要的玻璃窗处配以较厚的窗帘遮掩日晒。

3)在淡水冷却和海水冷却方式对比中,优先选用海水冷却系统。在空调制冷设计时,设计成二台制冷压缩机和二台冷凝器,在供液和回气管上设置过桥阀,互为备用。在气候不太炎热或过渡季节时,可以调整为一台制冷压缩机对应两台冷凝器和两台蒸发器,以提高产冷量。

4)使用新一代控制精度高的电子膨胀阀,特别是与制冷系统中的微处理器结合,根据给定温度值与室温差进行比例和积分运算,以控制阀的开度,直接改变蒸发器中制冷剂的流量,使蒸发器能力的得以最大限度的发挥,实现高效制冷系统的最佳控制,达到节能的目的。

5)海上环境与陆上不同,空气洁净度较高,空气处理器中过滤网不宜太密,以免增加气流的流动阻力,高耗风机的功率,增大空调系统的噪音。设计布置空调机间时,须预留拆卸滤网的操作空间,以便经常清洗。

6)冷剂管从中央空调制冷机分出两路供液厨房和机舱集控室的空调器。取消厨房、机舱集控室单独的局部空调,因为冷管通径较小,不会影响防火隔离。

7 结语

在从事十多年船舶中央空调的设计中,笔者有如下的体会:

(1)货船中央空调设计首要确保防火安全的要求;

(2)货船中央空调设计讲究舒适节能,满足新风量要求,并尽可能地减少设备和风管占用的空间尺寸,保证各空调舱室的层高不低于2.1米,这方面欧洲的船东尺度把握较严,验收时往往用2.1米竖杠,在各处量测,一经发现低于规定的净高,就执意要求返工重改;

(3)在控制造船成本的同时,尽可能采用新技术,如选用对臭氧损耗潜能 (ODP)为0、全球变暖潜能 (GWP)为低值的制冷剂;选用变频调节转速的空调制冷压缩机;采用风管尺寸较小,温度为4～6℃的低温送风技术以及将陆上先进的辐射板传热新技术应用到船舶空调上。

总之,船用空调有其独特性,在设计上仍有不少的新课题,值得研究和探索。

[1] 俞炳丰等.中央空调新技术及其应用 [M].北京:化学工业出版社,2004

[2] 孙见君等.制冷与空调装置自动控制技术[M].北京:机械工业出版社,2004

(1)708所.船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法[S],1993