船舶空调系统的节能设计

沈雅钧

（浙江海洋学院东海科学技术学院，浙江舟山 316004）

船舶空调系统的节能设计

沈雅钧

（浙江海洋学院东海科学技术学院，浙江舟山 316004）

结合船舶的特点，讨论了船舶空调系统的节能设计途径，并针对实际中存在的一些问题给出了建议，希望能对船舶节能的实施有一定的帮助。

船舶；空调系统；节能设计；系统布置

21世纪是人类利用与开发海洋的新时代，无疑也是船舶工业发展的重要时期。但因环境以及能源问题的不断突出，对船舶的节能也提出了更高的要求。空调系统，作为现代船舶的重要设备之一，又是一个主要的耗能装置。有资料表明远洋船舶空调系统的用电量占全船用电量的20%以上（客船将达到45%）[1]。因此，船舶空调系统的节能具有非常重要的地位和现实意义，已成为船舶节能的重要组成部分而得到了业界普遍的关注。

空调系统的节能可从设计与运行管理两方面入手，而节能设计又是基础。本文将对船舶空调系统设计过程中的节能措施作一探讨。

1 设计方案确定

方案设计是空调系统设计中最重要的环节之一，直接关系到系统的工作特性、能耗水平、投资和运行费用、安全性能等。在以往的设计中，因各种原因，设计者往往对方案设计环节不够重视，以致设计方案不合理，造成很大的损失，且由此产生的不利影响往往是长期性的，也不易在后续环节中得到修改[2]。

因此，为提高系统的整体性能，确定船舶空调设计方案时必须综合各方面的要求，与船舶其他部分的设计协调配合，综合考虑，采用科学的综合评价方法。就节能性能而言，如能在船舶设计的各阶段就能体现节能的思想，空调系统的设计与其他环节协调配合，则能收到更好的节能效果。

（1）在船舶总体设计阶段即采取相应的节能措施（如船体围壁结构绝热保温标准的选用、船体绝热结构形式、舱室温度的确定、船舶不同功能舱室的布置、平面形状、窗户大小等）以减小冷负荷。

（2）实施船舶供热和供冷综合性节能规划。

（3）实行分区设计。不同功能船舱（如工作舱、居住舱等）的空调负荷特性存在较明显的差别；居住舱也由于舱室所在层数、位置等差别，热湿负荷差异较大。因此，在船舶空调系统设计时应按区域设计的思想进行分区设计，使空调系统能有效地跟踪负荷变化，降低能耗，改善室内热环境。

2 设计参数优化

船舶空调主要是维持船舱内良好的空气质量，为船上人员提供舒适的工作和生活环境，属于舒适性空。船舶空调系统的负荷随温度和相对湿度的增大而减少。因而，当温度一定时适当增大相对湿度，可以减少空调系统的能耗。我国和ISO7730标准所规定的船舶空调装置设计参数为：冬季室温为19～22℃，相对湿度30%～40%；夏季室温为24～28℃，相对湿度40%～50%；夏季室内外温差不超过6～10℃，室内各处温差不超过3～5℃[3]。

文献[4]通过模型分析可知，优化设计参数可以达到明显的节能效果，并推荐在满足热舒适性要求的条件下，我国船舶空调夏季设计参数为：t=25℃时，φ＞35%；t=27℃时，φ＜55%；最佳的室内设计参数为：t= 26℃，55%＜φ＜60%，基本符合ISO7730标准的规定。并建议在需同时考虑节能的与热舒适度要求的条件下，选取船舶空调系统夏季设计参数时，不宜采用提高温度值的方法体现节能，而相对湿度则可在允许的范围内取高一些。

3 设计负荷确定

空调负荷是整个空调系统设计的基础。传统的船舶空调负荷计算主要采用估算法，所得负荷值往往偏大。而相关设备的容量一般又按全负荷条件来选定，再加以一定的裕量。这样，经过层层加码，有的设备容量裕度可高达30%左右。而在实际中，这些设备多数时间是在部分负荷下工作的，设备的设计容量远远超过实际使用负荷，造成很大的能源浪费。对于船舶而言，过大的装机容量还会过度占用船舶宝贵的舱室空间和载重量，成为另一种形式的能源浪费。

为此笔者建议：首先，设计负荷应采用计算方法确定，尽量不用估算法；第二，在设计之初应先对系统运行工况进行综合分析，在确认工况合理的基础上选配设备时尽可能选取小的裕量；第三，对于船用空调，考虑到因船舶的不停运动造成太阳照射面积、船舶所在航区与纬度等都在不停变化，负荷不可能计算得很准确、总体空间又有限的特点，建议采用的方案是：在保证满足运行负荷要求的前提下，选取尽可能小的裕量，并选用可调节负荷的机型以满足变工况需求。既能满足船舶规范的要求，又达到节能的目的。

4 风道系统与水系统布置

船舶空调中空气、水的输送动力消耗占有很大的比例。如能通过合理布置风道系统与水系统，减少冷热空气、水系统输送过程中的能耗，将有效降低系统的总能耗。

4.1 风道系统

如风道系统布置不合理，将使空气流动阻力大大增加，从而增加能耗。特别是回风系统，以往的设计中往往不够重视，故而出现的问题也较多。如回风管道阻力过大，不仅使能耗增大，同时还会造成回风不畅，舱室的进风量远大于回风量，致使舱室内压力过高，舒适性大受影响。

在风道系统设计中，以下措施将有助于减小能耗。

（1）将送风、回风系统进行综合考虑，通过合理设置送（回）风口、布置管道，尽可缩短管路长度、简化系统、减少弯道等局部阻力部件，以减少空气流动过程中的能量消耗。

（2）合理使用回风管以提高回风效率。

（3）采用变风量系统，根据负荷大小自动调节风量，减少动力耗损。但目前多数船用空调基本上仍沿用了传统的定风量系统设计，仅有少量豪华客船、军船以及特种船舶采用了变风量空调系统，变风量系统并没有充分发挥其所有的全部功能，还有很大的应用空间[5]。

就调节方法而言，在目前采用的定静压法、总风量法、变静压法等风量调节法中，总风量控制方法的控制系统形式较简单，同时可靠性也较高，使得控制系统不仅减少了初投资，而且在初调试时可以大大减少工作量。

（4）合理选用送风温差及风道流速。

采用大温差送风是可以考虑的一种选择。与常规系统比较，采用大温差送风，可在人体的热舒适感没有明显改变的情况下，减少能源尤其是高品位电能的消耗；同时由于系统风量减小，可减少系统的初投资。因此，系统的耗能可有较大幅度的下降。文献[6]针对船舶空调领域实施大温差送风技术的可行性进行了分析和探讨，通过对典型舱室进行负荷计算和建立物理模型分析，表明了大温差低温送风技术在船舶空调领域实施的可行性。

降低风速可降低风机压力及能耗，噪声也可减小，但减少风管截面积将增大，占用更多的空间。因此，管内风速的选取应综合平衡建筑空间、能耗、噪音等各种因素后确定。对于船舶来说，建筑空间这一因素比之于普通的陆上建筑显得更为重要，故不建议通过降低风速来降低能耗。

4.2 水系统

水系统（包括冷冻水系统与冷却水系统）是空调系统的一个重要组成部分，水系统的能耗在整个空调能耗中也占了很大的比例。为使空调系统在最低的能耗水平下提供需要的室内温度,前提条件是水系统达到全面的平衡。

长期以来，水系统的平衡设计一直是空调设计中比较薄弱的环节。设计人员在设计过程中虽然也会采取一些节能措施，但重视程度不够,在实际工程中的应用情况仍不够理想。因此，水系统的节能还有很大的潜力。

（1）管路布置

空调水系统的管路布置方式有同程式与异程式之分。与同程式系统相比，异程式系统因少了一条回水总管，初投资与管道占用空间都较省，总阻力也比同程式小，可节省水泵能耗。其主要缺点是阻力不易平衡，在设计计算中也需进行并联环路的阻力不平衡率校核，设计过程较为复杂。但异程式系统如与变水量方式相结合，则由阻力不平衡而引起的相关问题就可有效避免，而其节能特性将得到明显的体现，是一种比较适合于船舶空调系统的管路布置方式[7]。

（2）流量控制

在空调水系统中,水泵若按定流量运行，几乎所有水泵均处在超流量状态。随着变频调速技术的日益成熟，其在船舶行业的应用也有着广泛的应用前景。采用变流量控制，系统将根据未端负荷的变化自动调节水流量（也即调节水泵转速），从而有效地控制水泵消耗功率，实现最佳的节能。

文献[8]研究了变冷冻水流量对冷水机组性能的影响规律，结果表明：系统采用变冷冻水流量与定冷冻水流量相比，机组制冷量减小最大不超过4.1%，COP降低最大不超过4.2%，而冷冻水泵功耗可减少81%以上，具有明显的节能效果。

（3）传热温差与进、出水温差选择

空调水系统中换热设备的设计温差将直接影响设备的尺寸和金属消耗量。

在换热器传热系数一定的前提下，对应于一定的换热量，传热温差大，所需的传热面积就小，从而设备尺寸与金属耗量都将减小。

而从冷冻水或冷却水的角度，在符合空调系统运行工况和满足舒适性的前提下，增大冷冻水供回水温差和冷却水的进出水温差，就可以减少冷冻水和冷却水的流量，降低管道的损耗，节约能源。而在传统的船舶空调系统中，一般都按满负荷状态设计和运行，水泵功率和管道尺寸都偏大，水系统基本处于大流量小温差的运行状态，形成很大的能量浪费。

（4）水流速度

流速是影响对流传热的主要因素，流速大，雷诺数就大，还可降低污垢的沉积，水侧的换热系数增大，传热效果增强，换热器的尺寸及金属耗量均可减小。但另一方面，过高的流速会使管子的侵蚀加剧，管道阻力与噪音增大，水泵的耗功率加大，使泵的初投资和换热器的运行费用增加。故水流速度应维持在一定的范围内，过高、过低均不适宜。不同场合下的水流速度可参考相关手册选取。

5 设备选用

考虑船用设备的特殊性，在制冷空调设备的设计中应尽可能选用高效、节能的设备，提高设备的制造质量。这虽然会使初投资增加，却可大大减少运行成本，同时又能减少占用的空间与船舶的空船重量，这对于船舶空调系统而言显得尤为重要。有资料表明，在其它参数不变的情况下，空船重量越轻载重量越大[9]。特别是压缩机与换热设备的选用，必须遵循高效、节能的原则。

5.1 压缩机

高效化的压缩机，可降低空调机的消耗功率。对于变频空调，还需结合压缩机的性能曲线，合理选用压缩机的运转频率，使其在“最佳工作点”下工作。

5.2 热交换器

前已述及，在传热系数、换热量一定的前提下，大的传热温可减小传热面积小、减少金属耗量。但传热温差的增大会导致蒸发器降低或冷凝温度升高，从而制冷系数下降。因此，设计中蒸发器和冷凝器的传热温差应控制在一定范围之内。如采用了高性能的热交换器，在制冷温度与制冷量均一定的情况下，所需传热温差就小，引起的蒸发温度降低幅度也可减小，从而制冷系数下降较少，压缩机的功耗也就较小；对于冷凝过程，也存在类似情况。

6 其他环节的节能

（1）应用全能系统，以提高能量利用效率，尤其对大型船舶的供电、供热和供冷，应在船舶中就地产生和综合利用，以减少发电、输配电过程和能量转换过程中的损耗。普通系统发电效率仅30%左右，而全能系统的整个效率可达84%左右。如在船上推广应用冷热全效热泵，既可用热泵实现全部的制冷、供热、提供生活热水等功能，改善现有船舶空调装置只能提供冷量的局限；又可大幅度提高现有船舶空调系统的能耗水平，节能效益显著[10]。

（2）推广船舶动力装置的余热综合利用

船舶装置中柴油机的排气、柴油机的冷却水、还有冷凝器(制冷机)的冷却水等的废热均存在利用的潜力。这些余热如能加以综合利用，不但可以节约石油资源，提高船舶运行的经济性，而且可以减少对大气和海洋环境污染。

7 结束语

由于节能和环保的需要，对船舶空调系统的节能提出了更高的要求，暖通空调业界人员在这方面已做了大量研究。但与陆上空调系统相比，船舶空调系统的设计和运行管理仍处于相对落后的状况，同时也存在很大的提高与发展空间。就船舶空调系统的设计而言，从方案的确定、设计参数的选取、空调负荷的确定、系统布置、设备选用等多方面均存在着很大的节能潜力。业界人员需要共同努力，将节能意识充分体现在系统设计的各个阶段，并紧密结合现代科学技术的发展，使船舶空调系统的设计水平上一个新的台阶，达到安全、舒适、高效节能的要求。

参考文献：

[1]张建华,阚安康,韩厚德.船舶中央空调系统能耗分析及节能措施[J].上海造船,2011(1):59-61.

[2]李兆坚,江 亿.暖通空调方案设计现状分析[J].暖通空调,2005,35(9):42-46.

[3]孙建平,甘念重.现代船舶空调装置特点综述[J].中国水运,2008,8(10):148-149.

[4]邢 娜,刘红敏.基于热舒适的船舶空调设计参数优化[J].暖通空调,2007,37(7):107-109.

[5]陈安扬.船舶变风量空调系统的应用[J].上海造船,2011(1):62-64.

[6]周根明,厉盼盼.大温差技术在船舶空调中应用的可行性分析[J].江苏科技大学学报:自然科学版,2014,28(1):41-45.

[7]孟宪法,高 兴,闻 豪,等.空调水系统同程式与异程式选择依据探讨[J].建筑科学,2009,25(8):39-43.

[8]梁彩华,张小松,梅 奎,等.变冷冻水流量对冷水机组性能影响及其节能优化控制研究[J].建筑科学,2008,24(6):40-44.

[9]娄建伟.浅谈船舶的节能工作[J].中国水运,2012,12(8):1-2.

[10]中国船级社.船用冷热全效热泵技术应用[J].交通节能与环保,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

沈雅钧（1958-），女，浙江嵊州人，副教授，研究方向：空调、制冷技术.