船用空调冷凝水在厕所冲洗系统的应用1

魏文俊，朱 磊，张传岗，王 柳

（1. 沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129；2. 特灵空调系统（中国）有限公司上海研发分公司，上海 200051；3. 江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引言

全船空调冷凝水系统是船用空调系统的重要组成部分，用于处理空调设备在制冷时产生的冷凝水。冷凝水是由热空气中析出的水蒸气凝结、积聚而成[1]，是一种品质尚可的淡水资源。目前处理空调冷凝水的方法是将其直接排出舷外或落至舱底。对于在海上航行的船舶而言，这2 种处理方法均会造成冷凝水资源的浪费和船舶运营成本的增加[2-3]。本文对空调冷凝水的形成和处理方法进行介绍，并对船用空调冷凝水的收集和利用方案进行分析。

1 空调冷凝水的形成和处理方法

船用空调设备包括直冷式空调器、间接式空调器、柜式空调机、风机盘管和分体式空调等。空调设备在制冷时，与空调设备内部的冷却器进行热交换的空气温度降低，对应的饱和含湿量会相应减少。当空气温度降低到露点温度以下时，水蒸气会从空气中析出并凝结成水[1]。

目前船舶对空调冷凝水的处理方法主要有2 种：直接排出舷外或落至舱底。对于一般位于水线以上的空调设备，只需满足在制船舶所参照的设计规范的要求即可（见表1）。冷凝水管所接的舷侧排水孔要满足高度要求，管路中设置的阀件要满足安全要求，即可通过舷侧排水孔直接排出冷凝水。当冷凝水管的高度无法满足规范要求时，冷凝水将落至舱底，作为舱底水的一部分，通过全船舱底疏排水系统进行统一处理。

表1 设计规范要求

2 空调冷凝水量计算

2.1 空调冷凝水计算方法

湿空气是由干空气和水蒸气组成的，将湿空气中与1 kg干空气同时并存的水蒸汽量定义为含湿量[1]。因此，只需计算空气在被空调设备降温前后的含湿量，通过两者的差值即可求得冷凝水量。

式中：Qv为冷凝水量；qv为空调设备风量；ρ为进风和出风的平均密度；d1为进风的含湿量；d2为出风的含湿量。

引用《空气调节》中的相关经验公式，为满足冷凝水量的计算，需要用的基本公式为

式（2）～式（7）中：T为湿空气温度；t为干球温度；Pqb为饱和水蒸气分压力；rdh为相对湿度；Pq为水蒸气分压力；d为含湿量；B为标准大气压；rho为干空气密度；rho1为进风干空气密度；rho2为出风干空气密度。

由式（1）～式（7）可知，只需测得每一型空调设备实际使用时的进出风状态，即可算得冷凝水量。然而，该计算方法无法在船舶设计前根据预先定型的空调设备的制冷量和数量对冷凝水量进行理论计算。本文对计算过程进行相应调整，只需确定空调设备的制冷量和风量、外界环境的温度和相对湿度，即可对该空调设备的冷凝水量进行理论计算。

以某型风机盘管为例，其风量为800 m3/h，制冷量为4 000 kcal；空调设备的进风状态取大气环境状态：干球温度为34°C，相对湿度为65%。由于出风相对湿度的范围基本在85%～95%，其具体数值取决于风速、传热温差和空气露点温度等因素，故先取平均值为90%。将上述参数代入公式组，即可算出该空调设备的理论冷凝水量。其中，进风状态是根据在制船舶所参照的设计规范中大气温度和相对湿度选取的。如表2 所示，各设计规范要求的舱外空气条件的范围为：气温32～35 ℃，相对湿度60%～80%。以此作为夏季工况下空调设备的进风状态，计算出1 kW 制冷量的空调设备产生的冷凝水量为0.000 55～0.001 04 m3/h，见图1。

图1 相对湿度与凝水量的对应关系

表2 各设计规范要求的大气温和湿度设计参数

2.2 空调冷凝水总量

将4 种不同船型的船舶作为研究对象，假定1 kW 制冷量的空调设备产生的冷凝水量平均值为0.000 77 m3/h，按上述方法进行理论计算，可得出不同船型空调设备产生的冷凝水总量的理论值，见表3。

表3 不同船型空调设备产生的冷凝水总量的理论值

3 空调冷凝水收集利用

3.1 船用淡水系统冷凝水利用

对于长期在海上航行的船舶而言，船舶动力装置和船员每天都需要消耗相当数量的淡水[8]，因此淡水作为一种宝贵的资源，除在出航前补充外，还会在航行期间通过船舶上配备的海水淡化装置按需进行补充。因此，船舶在设计时会根据自身需求，选择合适的海水淡化装置。以表3 所列船舶为例，全船空调的冷凝水总量和海水淡化能力之比约为20%～50%（见表4）。其中，以货品运输为主的20 000 t散货船和13 000 t重吊船的空调冷凝水总量为海水淡化能力的20%，舰船和某外贸船的空调冷凝水总量为海水淡化能力的50%。由此可见，假设空调冷凝水可以作为船用淡水的补充，则在船用空调系统运行时，该船的海水淡化能力至少可增加20%。

表4 船舶制淡能力和空调冷凝水总量对比

目前船舶上使用淡水的系统主要包括：1）用于机舱或上层建筑清洗的日用淡水系统；2）用于饮水机、餐厨等的饮用水系统；3）用于设备冷却的淡水冷却水系统；4）用于盥洗室、淋浴室和厕所冲洗的洗涤水系统；5）用于锅炉的锅炉给水和凝水系统；6）用于空调冷（热）媒水的循环水系统。每型船根据自身的功能和使用需求分别具备一个或多个淡水系统，并配备相应的淡水舱、淡水柜和造水机。理论上，空调冷凝水作为淡水资源，可应用于上述任意淡水系统，但是空调设备产生的冷凝水中必然存在灰尘以及部分病菌[9]，故不能将其直接作为海水淡化装置产生的淡水使用。饮用水对淡水的品质要求最高，用于盥洗室、淋浴室和清洗使用的淡水品质低于饮用水，而空调冷凝水在未经处理前，显然无法达到这两者对品质的要求。此外，用于锅炉给水、设备冷却水和空调冷（热）媒水的内循环式的淡水，在船舶投入使用前已充注完毕，航行期间只需视情况稍作补充即可。对于部分直接使用海水对厕所进行冲洗的水系统而言，只需对空调冷凝水进行过滤、消毒和除菌，满足水管不易堵塞的基本条件，即可投入厕所冲洗的使用中。

将空调冷凝水用于船上厕所冲洗，具有以下3个特点：

1）对于使用淡水洗涤水冲洗厕所的船舶而言，在夏季工况下，空调冷凝水的收集和再利用在理论上可节省不小于本船制淡能力20%的淡水量。

2）对于使用海水冲洗厕所的船舶而言，在夏季工况下，当空调冷凝水量收集到一定程度时，将海水切换成空调冷凝水使用，可在清洗厕所的同时顺带冲洗水管，减缓残留海水对水管的腐蚀作用，提高水管的使用寿命。

3）将空调冷凝水用于厕所冲洗增加了对淡水资源的利用，在一定程度上增加了船舶的自持力。

3.2 船用空调冷凝水利用方案

空调冷凝水的收集量受外界环境温湿度、空调设备的使用情况和使用时间影响，不能持续、稳定和长期地作为厕所冲洗的固定用水，却可以周期性地为淡水压力水柜补充淡水，或为厕所用具和管路提供清洗用水。

以某外贸船为例，该船采用真空便具，冲洗水量为35 L/(人·天)[6]，随船人数满员为196 人，则厕所配备的便具总冲洗水量为6.86 m3/天，小于空调冷凝水总量20.616 m3/天。由理论计算可知，本船的空调凝水总量能够满足厕所便具总冲洗量的要求。外贸船的厕所冲洗原理图见图2，该船的厕所用具采用洗涤水进行冲洗的，与其他淡水设备，如淋浴、洗脸池和厕所洗池等共用一套洗涤水系统。

图2 外贸船的厕所冲洗原理

某外贸船在夏季航行期间产生的冷凝水量为20.616 m3/h，能达到本船海水淡化能力的50%。为此，可以在底舱设置1 个容积不超过20 m3/h 的冷凝水舱，并配置一套用于空调冷凝水收集、消毒、使用和泄放的系统（见图3），用于厕所便具的冲洗。

图3 空调冷凝水再利用原理

船用空调冷凝水再利用的具体实施方案如下：

1）由空调凝水舱收集冷凝水，舱内布置有静电离子棒、低位传感器、高位报警和高位泄放。静电离子棒间隙输出8 500 V 直流电源，在水中形成高压电场，可实现杀菌、灭藻、除垢等改善水质的功能[10-11]，经高压静电离子净化处理后的水质符合饮用水卫生标准：每毫升细菌总数不超过100 个[12]。当冷凝水不超过低位时，凝水泵和静电离子棒无法启动，避免2 个设备空载运行对自身寿命造成影响。当冷凝水处于高位时，凝水泵自动启动，通过厕所便具和洗池进行泄放。此外，还设有高位泄放功能，用于凝水泵故障时的应急手动泄放。

2）淋浴和洗脸池之间采用电子三通阀连接，电子三通阀和其他淡水设备之间设置单向阀，用于防止空调冷凝水进入其他淡水设备。当空调冷凝水量不足低位时，电子三通阀关闭，各用户直接使用洗涤水；当空调冷凝水量达到低位及以上时，电子三通阀开启，厕所的便具和洗池使用空调冷凝水，其他淡水设备继续使用洗涤水；当空调冷凝水量达到高位报警时，电子三通阀维持开启状态，凝水泵自动启动，通过厕所的便具和洗脸池泄放冷凝水，在泄放的同时实现定时、定量冲洗厕所便具的功能。

3）如图4 所示，在厕所内设置冷凝水控制箱，与厕所便具和洗池的冲洗开关联锁。当电子三通阀开启时，使用厕所便具和洗池的冲洗开关，通过冷凝水控制箱启动凝水泵，为用户提供空调冷凝水。若使用过程中冷凝水液位低于低位传感器，则冷凝水控制箱自动停止凝水泵，并关闭电子三通阀，切换至洗涤水系统后继续为厕所便具和洗池供水，用来防止冷凝水液位过低引起的凝水泵空转。此外，冷凝水控制箱与空调凝水舱内的静电离子棒、传感器、高位报警和水管上的电子三通阀联锁，可对静电离子棒的运行时长和间隔时间进行设置。通过传感器对水位的监控，启动电子三通阀的转向，通过高位报警的信号，操控凝水泵进行泄放，对凝水泵进行监控，当凝水泵故障时发出声光报警。

图4 冷凝水控制原理

上述方案可对空调冷凝水进行收集、消毒和使用，并具备安全报警、自动和手动泄放功能。除用于本船的洗涤水系统外，也可稍作调整来适应不同船型的厕所冲洗水系统。

4 结论

本文介绍了空调冷凝水的形成和处理方法，并分析了船用空调冷凝水的收集和利用方案。研究表明：将船用空调冷凝水用于厕所冲洗系统，能够节省淡水资源、减轻船舶海水淡化的负担，有效提升船舶航行期间的自持力。