李 峰，許光映

(浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

近年來(lái)，船舶所引起的能耗和環(huán)境污染問(wèn)題逐漸引起人們的注意。國(guó)際海事組織在會(huì)議上通過(guò)了修正案，促使業(yè)界必須考慮綠色船舶的發(fā)展。綠色船舶是綠色環(huán)保、技術(shù)先進(jìn)、安全適居、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的新型現(xiàn)代船舶。

船舶空調(diào)是船舶上的主要用電設(shè)備之一，其耗能占整個(gè)電網(wǎng)的20%左右[1]，能耗大且浪費(fèi)嚴(yán)重?？照{(diào)表冷器經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)，給霉菌生長(zhǎng)提供機(jī)會(huì)，造成送風(fēng)空氣品質(zhì)變差。由于船舶受到航海海域、外界溫度、船速以及太陽(yáng)輻射等因素影響，艙室內(nèi)的熱濕比變化范圍較大，進(jìn)而船用空調(diào)降低對(duì)濕度的要求，僅滿足溫度的需要，導(dǎo)致送風(fēng)的品質(zhì)差。最后，制冷劑R22(含有氯元素)和大量碳排放會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境。因此，船舶空調(diào)的節(jié)能和室內(nèi)空氣品質(zhì)的提高是綠色船舶空調(diào)面臨的2個(gè)重要挑戰(zhàn)。

1 現(xiàn)有船舶空調(diào)及其用能模式

目前，船舶上使用的空調(diào)大部分采用半集中式空調(diào)系統(tǒng)，半集中式空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，該系統(tǒng)包含制冷機(jī)組、表冷器、風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管及其他附件。其工作原理是：制冷機(jī)組制取冷水(7 ℃)，冷水中的一部分提供給表冷器處理室外新風(fēng)，另一部分提供給艙內(nèi)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管對(duì)室內(nèi)進(jìn)行降溫除濕。處理完室外新風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)的冷水，最后又回到制冷機(jī)組中。從半集中式空調(diào)的空氣處理方案來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中夏季的空氣處理焓濕圖如圖2所示，處理過(guò)程為：室外新風(fēng)W通過(guò)表冷器處理到室內(nèi)空氣的焓值線hN上，室內(nèi)回風(fēng)N通過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管降溫除濕到空氣L，空氣L和處理后的新風(fēng)A在艙室內(nèi)混合到送風(fēng)狀態(tài)O。

圖1 半集中式空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中夏季空氣處理焓濕圖

半集中式空調(diào)機(jī)組最大的耗電設(shè)備是制冷機(jī)組，制冷機(jī)組采用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)，這種循環(huán)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器4大件組成。蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)循環(huán)可概括為壓縮過(guò)程、冷凝過(guò)程、節(jié)流過(guò)程和蒸發(fā)過(guò)程，蒸汽壓縮式制冷循環(huán)示意圖如圖3所示。

圖3 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)示意圖

1)蒸發(fā)過(guò)程(4→1)。低溫低壓的液體制冷劑從冷庫(kù)中以汽化潛熱方式吸收熱量冷卻后，變成低溫低壓的制冷劑蒸汽。

2)壓縮過(guò)程(1→2)。從蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑蒸汽被壓縮機(jī)吸入并被壓縮成高壓氣體。在壓縮過(guò)程中，制冷劑蒸汽的溫度有所升高，制冷劑蒸汽呈過(guò)熱狀態(tài)。

3)冷凝過(guò)程(2→3)。從制冷壓縮機(jī)排出的高溫高壓過(guò)熱的制冷劑蒸汽，進(jìn)入冷凝器后受到冷卻物的冷卻變成液體。

4)節(jié)流過(guò)程(3→4)。從冷凝器出來(lái)的制冷劑液體經(jīng)過(guò)降壓設(shè)備減壓到蒸汽壓力，溫度下降到蒸發(fā)溫度。

根據(jù)制冷原理，要想減少壓縮機(jī)功耗，最主要的途徑就是提高蒸發(fā)溫度和降低冷凝溫度，而目前制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度是由空調(diào)載冷劑的水溫確定的。冷水機(jī)組提供的水溫大約在7 ℃，而夏季艙內(nèi)溫度在26 ℃左右，冷水機(jī)組提供的冷水用于冷卻室內(nèi)外空氣和處理顯熱負(fù)荷，實(shí)際上無(wú)需7 ℃冷水，之所以使用7 ℃的冷水主要是用于風(fēng)機(jī)盤(pán)管冷凝除濕。目前空調(diào)表冷器和室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的工作方式都是耦合式冷凝除濕方式，即冷水機(jī)組制取的冷水溫度要低于風(fēng)機(jī)盤(pán)管冷凝除濕所需要的溫度，空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)中，舒適工況對(duì)應(yīng)的冷凝溫度是16 ℃左右，考慮到風(fēng)機(jī)盤(pán)管和蒸汽發(fā)生器的傳熱溫差，因此蒸發(fā)器制取水溫在7 ℃。綜上所述，將降溫和除濕分開(kāi)處理是降低冷水機(jī)組能耗的有效途徑。

目前這種空調(diào)耗能主要是消耗柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。以舟山渡輪為例，渡輪載客量約200人，由居住艙室和公共艙室組成。居住艙室要求換氣次數(shù)6次/小時(shí)，公共艙室要求換氣次數(shù)8次/小時(shí)，室外環(huán)境為35 ℃，相對(duì)濕度70%，艙內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為27 ℃，相對(duì)濕度為50%。總負(fù)荷的計(jì)算分為各個(gè)艙室的負(fù)荷，各個(gè)艙室的負(fù)荷是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷、人體負(fù)荷、機(jī)器負(fù)荷、換氣負(fù)荷等組成，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷和換氣負(fù)荷可以用公式計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，人體負(fù)荷可按顯熱50 瓦/人，潛熱63 瓦/人計(jì)算。設(shè)備負(fù)荷按銘牌標(biāo)注計(jì)算。夏季降溫空調(diào)總負(fù)荷為174.24 kW。船用分體空調(diào)制冷工況的空調(diào)能效比(COP)值在5.4左右時(shí),每小時(shí)輸入32.27 kW的電能，產(chǎn)生174.24 kW制冷量。柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)化效率約為31%，1升柴油能產(chǎn)生3.065 kW·h電量，即產(chǎn)生32.27 kW·h的電量需要10.53 L柴油。

2 熱、濕獨(dú)立處理的空調(diào)方案

空調(diào)熱負(fù)荷包括顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷，室內(nèi)顯熱負(fù)荷是對(duì)室內(nèi)26 ℃空氣降溫引起的負(fù)荷，其潛熱負(fù)荷是對(duì)室內(nèi)除濕引起的負(fù)荷。新風(fēng)處理過(guò)程同樣也包含顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷。新風(fēng)處理顯熱負(fù)荷時(shí)，不必使用7 ℃左右的冷水，可以將冷水的溫度提高到18 ℃左右；制冷機(jī)組提供18 ℃的高溫冷水，其蒸發(fā)溫度可以提高到13 ℃，而提供7 ℃冷水的制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度一般是2 ℃，顯然蒸發(fā)溫度為13 ℃機(jī)組能效比高于蒸發(fā)溫度為2 ℃的制冷機(jī)組。參考上一節(jié)案例，如果對(duì)于顯熱負(fù)荷采用高溫冷水處理的話，根據(jù)文獻(xiàn)[2],蒸發(fā)溫度每提高1 ℃，COP升高4.4%，則提供18 ℃水的制冷機(jī)組COP為8.07。假設(shè)制冷機(jī)組的COP提高近似50%的話，前面舉例的油耗將減少一半，壓縮式制冷可以繼續(xù)作為制冷方法。

對(duì)于船舶空調(diào)能耗包括熱負(fù)荷和濕負(fù)荷，降低顯熱能耗可以采用高溫冷水，高溫冷水可以通過(guò)電動(dòng)壓縮制冷方法解決，也可以通過(guò)船舶余熱結(jié)合吸收式機(jī)組技術(shù)方案。處理潛熱負(fù)荷(空氣中水分)可以采用液體吸收、固體吸附等方法。因此利用船舶主機(jī)和發(fā)電機(jī)的余熱可以通過(guò)制取高溫冷水和溶液再生方案來(lái)處理顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷。結(jié)合當(dāng)今環(huán)境，船舶自身產(chǎn)生的廢熱越來(lái)越多，在船舶空調(diào)領(lǐng)域得到重視，特別是在船舶行業(yè)IMO法規(guī)實(shí)施和船運(yùn)市場(chǎng)不景氣的雙重壓力下，節(jié)能減排必將日益受到船舶所有人的持續(xù)關(guān)注,范昌明[3]提出利用船舶主機(jī)和發(fā)電機(jī)余熱用于船舶供熱，有效解決燃煤鍋爐和電加熱冷媒水的傳統(tǒng)方式存在的不足。也有學(xué)者提出利用廢熱來(lái)處理降溫和除濕。如朱軍[4]等研究轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)對(duì)系統(tǒng)的熱、濕負(fù)荷進(jìn)行分開(kāi)單獨(dú)處理，除濕轉(zhuǎn)輪對(duì)空氣除濕，中冷器和輔助制冷機(jī)對(duì)空氣降溫。張小松[5]等結(jié)合船舶自身能耗，提出了船舶余熱梯級(jí)驅(qū)動(dòng)的溶液除濕空調(diào)，利用溶液除濕器對(duì)空氣進(jìn)行除濕，海水和露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器對(duì)空氣二次降溫。趙晨旭[6]提出了轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)將空氣的濕負(fù)荷轉(zhuǎn)變?yōu)轱@熱負(fù)荷，在通過(guò)船舶廢熱驅(qū)動(dòng)噴射制冷系統(tǒng)處理顯熱負(fù)荷。這些研究都是基于全空氣船舶空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，且制冷方法或是蒸汽壓縮式制冷[7]，或是水蒸發(fā)式制冷[8]，這些工作為船舶空調(diào)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。本文在此基礎(chǔ)上提出利用余熱吸收制冷制取高溫18 ℃冷卻水，和溶液除濕相結(jié)合為船舶艙室提供溫度和濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)。

3 船舶除濕節(jié)能空調(diào)

新型船舶除濕節(jié)能空調(diào)裝置如圖4所示，技術(shù)路徑是利用船舶柴油機(jī)的尾氣熱能制取高溫冷水，處理顯熱負(fù)荷；同時(shí)利用缸套冷卻水余熱作為溶液再生能耗，處理新風(fēng)濕負(fù)荷，為艙室提供干燥清新的空氣?？照{(diào)裝置主要分為制冷水系統(tǒng)和新風(fēng)除濕系統(tǒng)，其連接方式如圖4。

1-第一空冷器；2-溶液冷卻器；3-溶液槽；4-第一溶液泵；5-空氣管道；6-第二空冷器；7-艙室；8-盤(pán)管冷卻器；9-溴化鋰吸收式制冷機(jī)組；10-除濕器；11-第二溶液泵;12-余熱加熱器；13-再生器圖4 新型船舶除濕節(jié)能空調(diào)裝置

制冷水系統(tǒng)分為3個(gè)回路。溴化鋰吸收式制冷機(jī)組吸收余熱制取冷水，3個(gè)回路同時(shí)從制冷機(jī)的一個(gè)管路出發(fā)。第一根管路通入除濕器，用于吸收的氯化鋰溶液吸收水蒸氣產(chǎn)生的熱量。第二根管路通入第二空冷器，給干燥后的空氣二次降溫。第三根管道通入艙內(nèi)的盤(pán)管冷卻器，達(dá)到給室內(nèi)的混合空氣降溫的目的，最后三根管道匯集后回到制冷機(jī)組形成閉合回路。

新風(fēng)除濕系統(tǒng)分為2個(gè)環(huán)路：除濕環(huán)路和再生環(huán)路，2個(gè)環(huán)路在溶液槽處交匯。溶液槽具有分隔溶液的功能，使除濕環(huán)路的第一溶液泵能從溶液槽中抽取濃度較高的溶液，通入除濕器頂部的布液管，由布液管上的噴嘴噴出，溶液吸收空氣中的水蒸氣后濃度降低，同時(shí)除濕器內(nèi)的冷卻盤(pán)管會(huì)將除濕過(guò)程放出的熱量帶走，稀溶液由重力作用流回溶液槽[9]。再生環(huán)路的第二溶液泵則從溶液交換器抽取濃度較低的溶液，通入余熱加熱器將稀溶液加熱，余熱加熱器中的熱源可來(lái)自主機(jī)缸套冷卻水，出口處溫度80～90 ℃，可以有效地利用廢棄熱能。在再生器內(nèi)，室內(nèi)回風(fēng)與被加熱的溶液直接接觸，進(jìn)行熱量和質(zhì)量的交換，空氣被加熱加濕后直接排出。再生的濃溶液，靠重力作用流回溶液槽，同時(shí)被海水冷卻器冷卻，完成再生過(guò)程，這樣持續(xù)不斷的吸收空氣中的水蒸氣。

該空調(diào)裝置的空氣處理方案如圖5所示，新風(fēng)35 ℃(W點(diǎn))進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)，首先通過(guò)第一空冷器(海水溫度25～30 ℃)進(jìn)行初次降溫，溫度降至33 ℃。這是一個(gè)等濕冷卻的過(guò)程，即圖5中W→A部分。初次降溫的空氣再通過(guò)除濕器進(jìn)行除濕，空氣直接與溶液接觸，濃溶液將空氣中的水蒸氣帶走后變成了稀溶液，空氣除濕過(guò)程伴隨高溫冷水降溫，保持除濕空氣溫度不變。這是一個(gè)等溫除濕的過(guò)程，即圖5中A→B過(guò)程。除濕后的空氣又通過(guò)第二空冷器(制冷機(jī)組產(chǎn)生18 ℃冷水)冷卻至25 ℃，這又是一個(gè)等濕冷卻的過(guò)程。干燥后的新風(fēng)與室內(nèi)空氣混合后，空氣的溫度不變，混合后的空氣濕度增加，即圖中C→N的過(guò)程。C點(diǎn)空氣吹入艙室內(nèi)，處理室內(nèi)潛熱負(fù)荷。顯熱負(fù)荷由室內(nèi)干式風(fēng)機(jī)盤(pán)管承擔(dān)，即N→L過(guò)程。

圖5 設(shè)計(jì)空氣處理方案

新風(fēng)送風(fēng)量Vx為：

(1)

式中，m為室內(nèi)需除濕水分質(zhì)量；ρa(bǔ)為空氣密度；dN、dC分別為N、C點(diǎn)的含濕量。

風(fēng)機(jī)盤(pán)管送風(fēng)量為：

(2)

式中,Qx為室內(nèi)顯熱負(fù)荷；cp為室內(nèi)空氣質(zhì)量定壓比熱容；tN、tL分別為N、L點(diǎn)的溫度。

在該系統(tǒng)中，船舶柴油機(jī)氣缸冷卻水(出口溫度85 ℃左右)主要用于余熱加熱器，對(duì)除濕后的稀溶液加熱，在再生器中除去其中的水分，形成溶液除濕循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱主要用作溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的發(fā)生器熱源，制取高溫冷水。普通船用空調(diào)除濕方式是先將表冷器的溫度降到室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度17 ℃以下，用冷凝的方法去除空氣中的水蒸氣。與這種系統(tǒng)相比，除濕后的空氣溫度低，相對(duì)濕度大，影響人的舒適度。該空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)濕負(fù)荷和熱負(fù)荷獨(dú)立處理，對(duì)艙室濕度和溫度獨(dú)立控制，提高送風(fēng)品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保，符合綠色船舶的發(fā)展理念。同時(shí)新風(fēng)經(jīng)過(guò)溶液除濕后可以對(duì)空氣殺菌和消毒，提高室內(nèi)衛(wèi)生水平。最后，該系統(tǒng)減少燃油消耗，避免更多的二氧化硫等污染氣體的排放，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

綜上所述，該空調(diào)裝置合理利用船舶自身的主機(jī)和發(fā)電機(jī)余熱資源，為綠色船舶的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。