常烜宇，魏小棟

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海，200011)

船舶環(huán)境控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)或控制船舶上的人員居住、活動區(qū)域，設(shè)備艙室以及貨物儲藏艙室的空氣溫度、濕度、速度、潔凈度和氣壓等，同時兼顧振動噪聲指標。船舶環(huán)境控制系統(tǒng)是軍用艦艇和民用船舶的關(guān)鍵技術(shù)之一，而制冷空調(diào)技術(shù)是船舶環(huán)境控制技術(shù)的關(guān)鍵。

近年來，隨著海洋技術(shù)的發(fā)展，人類進行深遠海領(lǐng)域的探索更加深入。同時，隨著我國海軍裝備的發(fā)展以及海軍執(zhí)行多樣化任務(wù)的需要，對艦船空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提出了新要求。一方面，在船舶設(shè)計中貫徹“以人為本”的理念[1]，空調(diào)通風系統(tǒng)的設(shè)計標準不斷提高，改進船舶空調(diào)系統(tǒng)的舒適性迫在眉睫；另一方面，環(huán)境條件對船舶設(shè)備的影響極大，據(jù)統(tǒng)計，在設(shè)備現(xiàn)場故障中，有52%是環(huán)境因素引起的(如溫度和濕度)[2]。制冷空調(diào)技術(shù)在陸上的發(fā)展和研究日臻成熟[3]，在船舶上的應(yīng)用還處于不斷摸索和創(chuàng)新階段，陳文戰(zhàn)[4]分析了我國艦船環(huán)境研究的不足，提出了現(xiàn)代化的艦船應(yīng)該采用高效節(jié)能的智能化設(shè)備；李冬冬等[5]提出將大溫差送風技術(shù)、變風量送風技術(shù)和溫濕度獨立控制技術(shù)3項技術(shù)整合應(yīng)用于艦船艙室空調(diào)系統(tǒng)。前人沒有全面分析各空調(diào)制冷技術(shù)船用化可行性和前景，為此，本文梳理了船舶環(huán)控特性及需求，并結(jié)合其特性與需求列舉分析了幾種制冷空調(diào)技術(shù)的特點和船舶應(yīng)用情況及發(fā)展方向。

1 船舶環(huán)控系統(tǒng)特性

1.1 船舶航行環(huán)境特點

船舶航行環(huán)境復(fù)雜多變，其包含地理環(huán)境、氣象環(huán)境、水文環(huán)境與通航環(huán)境等，并隨航行過程演變，具有多維性[6]。尤其對于遠洋艦船，其在航程過程中，并非航行在某一固定海域。不同季節(jié)和不同海域外界氣候溫度為?50～40 ℃，舷外水溫在?2～35 ℃范圍變化，且在不同緯度的海域，太陽平均輻射強度波動較大[7]，因此，船舶空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計需兼顧船舶航行的不同環(huán)境，確保在任何環(huán)境下，維持船上人員和設(shè)備等處于適宜的溫度和濕度。

1.2 船舶空調(diào)負荷特點

船舶空調(diào)負荷隨航區(qū)、航行時刻發(fā)生變化。通風負荷占總負荷的51.92%，而艙壁導(dǎo)熱和輻射負荷僅分別占總負荷的7.47%和6.68%，在同一航區(qū)同一時刻，功能艙室最大負荷為最小負荷的2.684 倍。由回歸分析可知，可變艙室負荷的91.72%受室外溫度變化的影響[8]。對于定航線船舶空調(diào)設(shè)計，應(yīng)考慮航行途中航向角變化導(dǎo)致的負荷波動[9]。

1.2.1 船舶參數(shù)指標

根據(jù)目前船舶空調(diào)設(shè)計，并參照文獻[10]，艙內(nèi)外空氣設(shè)計條件可根據(jù)航區(qū)進行分類，如表1所示。

表1 船舶空調(diào)設(shè)計溫度和濕度條件Table 1 Temperature and humidity conditions for ship air conditioning design

1.2.2 熱負荷特性

船舶熱負荷計算通常為艙內(nèi)傳入熱、人員散發(fā)熱量、照明熱、食物熱以及艙內(nèi)設(shè)備發(fā)熱的總和。其中，部分船舶設(shè)備散熱量較大，如側(cè)推裝置和舵槳裝置，需要為其配備專門的通風空調(diào)系統(tǒng)才能保證其正常運行。同時，在全船住艙供暖運行時，這些設(shè)備艙室仍需供冷運行。軍用艦船上大功率電子設(shè)備應(yīng)用廣泛，且瞬時發(fā)熱速率大，發(fā)熱波動幅度大，因此，要求制冷系統(tǒng)具有強大的調(diào)節(jié)能力，同時要求制冷系統(tǒng)在非工況條件下的性能有保障[11]。

1.2.3 濕負荷特性

海上空氣的濕度較大，尤其是夏季運行環(huán)境，空氣中水霧較多，新風濕負荷較大。對于潛艇，艙室人員多，設(shè)備組成復(fù)雜，內(nèi)部局部相對濕度高達80%[12]。在某些設(shè)備艙室如機房、低溫實驗室等產(chǎn)生凝結(jié)水會影響設(shè)備運行，為了提高艙室舒適性并保證設(shè)備正常工作，需進行除濕處理。

1.2.4 新風特性

船舶艙室多為密閉空間，室內(nèi)污染物容易聚集，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量增大新風量，改善空氣品質(zhì)。一般船用空調(diào)的新風比為50%，有些甚至要求達到80%，新風的能耗占整個空調(diào)系統(tǒng)的55%以上[13]。船舶空調(diào)系統(tǒng)的新風一般是多臺空調(diào)機組通過1個公共新風口引入，若在設(shè)計時對新風阻力考慮不充分，則可能造成新風系統(tǒng)相對回風阻力較大，整個新風系統(tǒng)處于負壓區(qū)，從而導(dǎo)致新風量不足，空氣品質(zhì)差[14]。由于船舶空間有限，新風口的引風口與排風口有一定距離，通常新風口與排風口分別設(shè)置在兩舷，且隨著船舶的航行風向，防止新風口吸入排氣，通常新風口設(shè)置在艏部，排風口設(shè)置在船艉。

1.2.5 潔凈度特性

船舶空調(diào)的送風往往由新風與回風混合、過濾后經(jīng)處理而成，因此，新風是影響送風空氣潔凈度的主要因素。海洋大氣中的顆粒物和鹽霧水汽等被吸入風道后，會沉積在換熱器、風機和管道等設(shè)備的表面，導(dǎo)致設(shè)備性能下降，縮短使用壽命。目前的做法通常在進風口增設(shè)除水霧百葉窗，該百葉窗由葉片式除霧器和介質(zhì)過濾器組成，采用慣性分離技術(shù)，其可在含液量較低的氣流中將液態(tài)顆粒分離出來。對于船舶上的醫(yī)療區(qū)域如手術(shù)室等潔凈用房，需要保證一定的潔凈度。無菌環(huán)境的實現(xiàn)不僅依靠過濾除菌技術(shù)，還需要合適的氣流控制技術(shù)[15]。

2 船舶制冷空調(diào)形式

船舶上的制冷裝置通常為單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)。船舶空調(diào)加熱來源通常為燃油鍋爐產(chǎn)生的高溫飽和蒸氣，目前對綠色船舶的要求嚴格，在很多客船上，利用船舶余熱和廢熱作為熱源，通常為船舶主機高溫缸套冷卻水換熱或是通過廢氣鍋爐收集的主機排氣余熱。船舶空調(diào)加濕來源通常為船用鍋爐蒸氣、蒸氣發(fā)生器以及水和壓縮空氣[16]。

空調(diào)系統(tǒng)通常為一次回風系統(tǒng)，貨運船舶一般采用全空氣系統(tǒng)。客船、公務(wù)船這類人員多，艙室種類復(fù)雜的船型較多采用空氣?水系統(tǒng)。船舶空調(diào)風管系統(tǒng)分為單風管和雙風管系統(tǒng)，2種系統(tǒng)的優(yōu)、缺點對比如表2所示。

表2 船舶單雙風管系統(tǒng)優(yōu)點和缺點對比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of ship single and double duct systems

雙風管系統(tǒng)廣泛適用于豪華客船或有較高要求的商船上。對于船舶上通常采用的直接膨脹式制冷系統(tǒng)，雙風管系統(tǒng)更適合于滿足不同區(qū)域的分別調(diào)節(jié)，對外部環(huán)境變化的適應(yīng)性更好。但受船上空間限制，船上空調(diào)系統(tǒng)多為單風管、中壓和中速集中式定風量空調(diào)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)布風器送風量控制室溫，但通常室內(nèi)新風量得不到滿足，影響了艙室內(nèi)的衛(wèi)生條件，因此，采用末端再加熱的單風管集中式空調(diào)系統(tǒng)。

2.1 蒸氣壓縮式制冷

目前，大部分船舶制冷原理仍是蒸氣壓縮式制冷，制冷裝置中的冷凝器一般使用海水或中央冷卻水系統(tǒng)的低溫淡水作為冷卻介質(zhì)。空調(diào)系統(tǒng)是船舶耗電大戶，據(jù)統(tǒng)計，萬噸級以上的民用船舶空調(diào)系統(tǒng)及伙食冷庫能耗占總能耗的18%，客輪和郵輪則超過總能耗28%[17]。隨著國際海事組織(IMO)對船舶能效管理的要求日益嚴格[18]，降低船舶制冷空調(diào)系統(tǒng)的能耗已成為落實船舶節(jié)能減排的重要內(nèi)容。目前，船舶余熱的新型節(jié)能制冷方式中，采用蒸氣噴射式制冷和吸附/吸收式制冷技術(shù)。

2.2 蒸氣噴射式制冷

蒸氣噴射式制冷能夠利用低品位熱能驅(qū)動，在船舶上的應(yīng)用有一定可行性。船舶廢氣鍋爐所產(chǎn)生的蒸氣可直接作為蒸氣噴射式制冷的流體，其原理圖如圖1所示?；i[19]進行了船舶余熱噴射式制冷系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作過程中存在臨界冷凝壓力，并且噴射器對系統(tǒng)性能的影響較大；李策略[20]提出了一種以閃蒸罐為蒸發(fā)器的蒸氣噴射制冷冷水機樣機的設(shè)計方案，發(fā)現(xiàn)在蒸氣壓力為401 325 Pa，冷水溫度為14.4 ℃時，樣機最高性能系數(shù)為0.4。顯而易見，蒸氣噴射式制冷的效率較低，因此，未在船舶上得到廣泛應(yīng)用[21]。

圖1 蒸氣噴射式制冷原理圖Fig.1 Schematic diagram of ejector refrigeration

2.3 吸附/吸收式制冷技術(shù)

吸收式和吸附式制冷均能夠利用低品位熱能驅(qū)動。大部分船舶上主要動力推進裝置為柴油機，受卡諾循環(huán)的限制，其熱效率只有約50%，存在于排煙和循環(huán)冷卻水中大量的廢熱可作為驅(qū)動制冷機組的可行熱源。船舶吸收式制冷系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 船舶吸收式制冷系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of marine absorption refrigeration system

以1艘萬噸級的遠洋船為例，全船余熱可足夠滿足空調(diào)和冷藏系統(tǒng)的熱量需求[22]。王麗偉等[23]設(shè)計了1 臺用于漁船上魚類保鮮的吸附式制冰系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)動機余熱驅(qū)動，吸附工質(zhì)為塊狀活性炭，模擬仿真及試驗研究表明，當系統(tǒng)循環(huán)時間為50 min 時，制冷功率為1.93 kW。陳傳涓等[24]采用復(fù)合交變分離熱管原理，解決了吸附制冰機直接用海水冷卻吸附床帶來的腐蝕問題。李志生等[25]結(jié)合大型船舶的工作環(huán)境特點研究發(fā)現(xiàn)，吸收式空調(diào)系統(tǒng)在船舶上節(jié)能效果顯著。

在船舶上應(yīng)用吸附/吸收式制冷技術(shù)可充分利用船舶排氣廢熱，節(jié)能降耗，同時可以解決CFCs工質(zhì)的環(huán)保問題。但受船舶空間所限，后續(xù)研究需提高系統(tǒng)制冷效率，減小系統(tǒng)裝置體積。由于船舶特殊的航行環(huán)境，傾斜、搖擺和振動情況較多，這對船舶制冷系統(tǒng)運行的可靠性提出更高要求。對于吸收式制冷，在船舶搖擺或傾斜時，溶液容易從發(fā)生器內(nèi)進入冷凝器或從吸收器內(nèi)進入蒸發(fā)器，從而污染制冷劑，導(dǎo)致不能正常運行，因而，吸附式制冷相對于吸收式制冷更能適應(yīng)船舶航行環(huán)境和工況變化帶來的余熱波動。未來研究船用吸附劑時，需考慮其吸附性能在船舶運行環(huán)境中的穩(wěn)定性[26]。

2.4 LNG(liquefied natural gas)冷能利用技術(shù)

為了控制船舶污染，打造綠色低碳船舶，以LNG 為燃料的船舶越來越多。LNG 通常要被氣化后應(yīng)用，在此過程中會產(chǎn)生大量的冷能。根據(jù)LNG 蒸氣的性質(zhì)，其冷能可以應(yīng)用于LNG 船舶伙食冷庫、海水淡化裝置、空氣分離裝置等領(lǐng)域[27]。LNG 蒸氣的溫度較低，其作為冷源時對設(shè)備的材料有較高要求。夏家輝等[28]設(shè)計了防凍堵的船用繞管式LNG 氣化器，通過一種水加熱型繞管式LNG氣化器，使管側(cè)壁面最低溫度為7.32 ℃，管側(cè)出口平均溫度為31.42 ℃，達到防凍堵的效果。但是，LNG 船舶蒸發(fā)的蒸氣量有限，不能滿足船舶上大規(guī)模的制冷需求，且由于LNG 管路復(fù)雜，很容易泄露，因此，需經(jīng)過相關(guān)機構(gòu)認可后，才能進行實船應(yīng)用。

3 船舶制冷空調(diào)能量管理技術(shù)

船舶制冷空調(diào)系統(tǒng)作為船舶艙室環(huán)境控制系統(tǒng)中的耗能大戶，在熱濕負荷處理方式、能源利用方式、能源儲存模式和運行控制方法等方面均有較大的研究和發(fā)展空間。

3.1 溶液除濕技術(shù)

常規(guī)的船用空調(diào)系統(tǒng)采用直膨式蒸發(fā)器處理系統(tǒng)的熱負荷和濕負荷，這需要對空氣進行再熱才能滿足送風狀態(tài)。船舶空調(diào)本身濕負荷大，再加上低溫露點的除濕方式，導(dǎo)致船舶空調(diào)的能耗大，能源浪費嚴重。為了提高船舶能源利用效率，張小松等[29]提出了余熱梯級驅(qū)動的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)，主要包括沸騰溶液再生技術(shù)和露點蒸發(fā)冷卻技術(shù)，并計算驗證系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)可將空氣冷卻到15.3～16.1 ℃。目前，溶液除濕技術(shù)在船舶上的應(yīng)用研究仍然處于起步階段，需重點探究船舶振動對溶液液面穩(wěn)定性的影響。

3.2 轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)

在船舶上裝置轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)可回收利用船舶豐富的余熱，也可利用充足的海水來冷卻經(jīng)由干燥升溫后的處理空氣，節(jié)能效果明顯。DIGIOVANNI等[30]在船舶空調(diào)新風的預(yù)處理中應(yīng)用轉(zhuǎn)輪除濕；CHEN等[31]對比分析了船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)4種方案的可行性；鄭國杰等[32]研究了轉(zhuǎn)速對船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)運行特性的影響，結(jié)合ISO7547-2002 標準，確定系統(tǒng)最佳轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為6 r/h；鄭國杰等[33]構(gòu)建了單級和兩級船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)超過兩級的多級除濕方案不適合在船舶上應(yīng)用；俞文勝等[34]研究了新風參數(shù)對船用轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的性能影響，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)的船用化有助于提高船舶空調(diào)新風比，改善空氣品質(zhì)。針對可能的船舶防疫安全功能升級要求，在應(yīng)用轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)時，可在回風混合箱處增設(shè)一個獨立的機械排風管路，增添備用排風口和相應(yīng)的調(diào)風門，保證在疫情的時候新風和回風不混合。

轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)的船用化仍處在初級階段，其與陸地應(yīng)用在環(huán)境條件、運行工況和再生溫度存在明顯區(qū)別，今后研究的重點是開發(fā)固體吸附劑材料，使設(shè)備小型化、輕型化并優(yōu)化自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)等。

3.3 熱泵技術(shù)

船用熱泵有壓縮式熱泵、燃機熱泵和吸收/吸附式熱泵。經(jīng)綜合分析，水源熱泵在船舶空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用中冷熱源穩(wěn)定性好，供回水管道布置簡單，效率有保證，因而推廣價值最高[35]。海水源熱泵分為直接式和間接式，這2種形式的船用優(yōu)缺點對比如表3所示。

表3 直接式與間接式海水源熱泵比較Table 3 Comparison of direct and indirect sea source heat pump

水源熱泵技術(shù)在船上的應(yīng)用主要面臨冬季海水溫度過低、海水的腐蝕性等問題。為了適應(yīng)船上的工作環(huán)境，船用熱泵在結(jié)構(gòu)布置、工藝流程和系統(tǒng)形式方面均進行了改進。如利用滿液式蒸發(fā)器，充分利用大空間沸騰原理，提高蒸發(fā)器換熱系數(shù)，提高機組性能。直管內(nèi)流動江、河、湖海水，避免了干式蒸發(fā)技術(shù)無法解決的換熱器殼側(cè)積沙、臟堵且無法清洗和防腐蝕成本高等問題。水源熱泵空調(diào)機組采用雙管束殼管冷凝器技術(shù)，保證冷卻水和回收的生活熱水系統(tǒng)獨立運行，自由切換且互不污染[36]。

付旺[37]以散貨船為研究對象，提出了用于寒冷海域的船舶雙級耦合熱泵空調(diào)系統(tǒng)，改善了單級熱泵系統(tǒng)無法滿足低溫海水條件下的供暖特性，有效提高了機組的能效比；翁爽等[36]通過試驗發(fā)現(xiàn)在內(nèi)河船上采用主機冷卻水余熱回收，可降低水源熱泵空調(diào)機組能耗21%以上，具有較好的節(jié)能優(yōu)化效果。在海船上采用主機冷卻水余熱回收，可降低水源熱泵空調(diào)機組能耗10%以上，具有節(jié)能優(yōu)化可行性。未來研究可以針對船舶搖擺特性和水質(zhì)特點，進一步改進源熱泵空調(diào)機組。

3.4 蓄冷技術(shù)

潛艇的隱蔽性和機動性在很大程度上依靠潛艇的水下續(xù)航力，而空調(diào)是潛艇水下航行時的能耗大戶，節(jié)省空調(diào)能耗有利于提高常規(guī)潛艇水下續(xù)航力。曾強洪等[38]計算制冷機蓄冷量和蓄冷裝置容積等，初步設(shè)計了改裝方案，計算表明局部改造現(xiàn)有常規(guī)潛艇空調(diào)可將蓄冷技術(shù)應(yīng)用于潛艇以減少水下空調(diào)能耗，從而提高潛艇續(xù)航力；吳贊俠等[39]分析比較了2種相變材料的蓄釋冷性能，發(fā)現(xiàn)高溫相變材料蓄冷周期短，蓄冷量大，制冷機組節(jié)能效果好，能滿足潛艇蓄冷要求，有利于提高潛艇的隱蔽性和水下續(xù)航力。

由于潛艇航行受海浪影響，存在晃動，因此，要求蓄冷裝置有較強的耐波性和穩(wěn)定性；潛艇空間狹小，要求蓄冷球有較高的蓄冷密度、較快蓄冷速度、較慢釋冷速度且較易控制。

3.5 控制技術(shù)

控制技術(shù)在船舶制冷空調(diào)領(lǐng)域主要用于制冷裝置和空調(diào)通風系統(tǒng)的控制，即主要是對水泵及風機進行變頻處理。慕清浩[40]以“育鯤”輪為研究對象，對其空調(diào)系統(tǒng)進行整體變頻改造時，節(jié)能率達到30.2%。

船舶變風量空調(diào)系統(tǒng)的“變”主要體現(xiàn)在空調(diào)系統(tǒng)總風量變化和各個艙室末端風量的變化。變風量系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用不僅能滿足各艙室個性化的需求，還能在過渡季節(jié)使用更大比例的新風以減小制冷量，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。在滿足送排風設(shè)計風量需求的同時，考慮系統(tǒng)節(jié)能[41]。雖然變風量系統(tǒng)在船舶上具有節(jié)能、維修方便等優(yōu)勢，但系統(tǒng)除濕能力較弱，需要輔以獨立控制濕度的功能[5]。在艦船上使用變頻器時要注意可能會帶來的電磁干擾問題，因此，空調(diào)裝置內(nèi)可設(shè)置變頻控制和磁力控制[42]。

4 船舶空調(diào)舒適送風技術(shù)

4.1 孔板送風技術(shù)

如今興起的科學(xué)考察船等公務(wù)型船舶，在駕駛室、會議室和實驗室等相對寬敞、注重人員熱舒適性的綜合性艙室，靜壓箱孔板送風的應(yīng)用較廣泛。

艦船艙室受層高以及艙室天花板上方有電纜等管線鋪設(shè)限制，因而安裝靜壓箱的空間有限，通常艦船上的靜壓箱長度較大，高度較小，分布在天花板上方。艦船上孔板送風的設(shè)計風速通常按艙室層高度減去1進行計算，兼顧設(shè)計要求和美觀性能，孔板的推薦開孔孔徑為8～10 mm，以此計算開孔率和總開孔面積，進而確定靜壓箱的數(shù)量。艦船冷庫溫度的波動及庫內(nèi)送風方式對冷庫內(nèi)果蔬的保存影響較大，為了對冷庫進行精確控溫，降低冷庫內(nèi)氣流速度，部分艦船上的冷庫也由冷風機直吹形式改為孔板送風形式，通過果蔬保鮮試驗可以發(fā)現(xiàn)[43]，采用孔板送風形式的冷藏庫，庫溫控制在(0±0.5)℃，大部分蔬果都可保鮮貯藏至45 d以上，大幅度提高了果蔬的食用周期，為艦船的長期遠航提供了有力保障。

4.2 置換通風技術(shù)

目前，艦船艙室空調(diào)通風系統(tǒng)布置主要采用傳統(tǒng)的上送風形式，其特點是上下室內(nèi)溫度基本一致，但工作區(qū)的空氣齡較長?！把?”號極地科學(xué)考察破冰船的學(xué)術(shù)報告廳和某新型訓(xùn)練艦的多功能廳均采用座椅送風系統(tǒng)。通過實際使用和模擬計算[44]，該方案能有效降低吹風感，保證人體周圍的空氣品質(zhì)，熱舒適性指標符合要求。在船舶上層較高的公共艙室采用座椅送風的置換通風形式，一方面，可以優(yōu)化氣流，提高人員熱舒適性，另一方面，天花板上方空調(diào)風管數(shù)量大幅減少，有效提高了艙室的凈層高，這對空間狹窄的船舶艙室來說優(yōu)勢明顯。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，每個座椅下方的送風柱風量為60～80 m3/h較合適，可滿足送風量和送風溫度的要求。

置換通風技術(shù)具有通風效率高、空氣品質(zhì)佳和能耗低等特點，在船舶上有一定的應(yīng)用前景。由于應(yīng)用置換通風方式的場量多為船舶人員集中空間，后續(xù)可結(jié)合模擬和實測，研究置換通風系統(tǒng)對艙室污染物去除效果。

4.3 大溫差低溫送風技術(shù)

低溫送風系統(tǒng)具有降低設(shè)備容量、減小布置空間需求、降低成本及運行費用等優(yōu)點，同時，低溫送風系統(tǒng)可使室內(nèi)空氣的相對濕度與露點溫度比常規(guī)系統(tǒng)更低[45]，顯著提高艙室的舒適性，該技術(shù)解決了船上有限空間內(nèi)的布置和船舶空調(diào)舒適性的矛盾，在船舶上有廣闊的應(yīng)用前景。周根明等[46]采用CFD 模擬分析了船舶艙室大溫差低溫送風下氣流組織分布，證明了該技術(shù)在船舶空調(diào)領(lǐng)域的可行性；董鵬等[47]結(jié)合潛艇空調(diào)系統(tǒng)能耗高、艙室溫濕度控制難的問題，提出了將大溫差低溫送風、變風量控制和溫濕度獨立控制相結(jié)合的系統(tǒng)技術(shù)方案，該方案使系統(tǒng)能耗降低30%，噪聲降低5 dB，減小了設(shè)備體積和質(zhì)量，有利于減小潛艇艙室噪聲。值得注意的是，由于送風溫度較低，各部分產(chǎn)生的溫升波動比常規(guī)送風系統(tǒng)大，設(shè)計時要留有一定余量。

5 結(jié)論與展望

安全、舒適和健康的船舶艙室空氣環(huán)境是現(xiàn)代船舶設(shè)計的一個重要方面，而船舶艙室環(huán)境控制系統(tǒng)制冷空調(diào)技術(shù)尚處于發(fā)展階段，一些較成熟的技術(shù)在船舶上使用時存在以下困難。

1)船舶空間局限，導(dǎo)致陸上的大型設(shè)備無法在船上布置，如常規(guī)運輸船上，制冷空調(diào)機組面積供給約為25 m2，很難滿足吸收/吸附式機組的空間需求。

2)船舶的首要特征為流動性。一方面，振動和搖擺導(dǎo)致吸收式制冷技術(shù)、溶液除濕技術(shù)等的應(yīng)用受限，需考慮減輕船舶振動對液面不穩(wěn)定的影響；另一方面，船舶空調(diào)負荷變化，系統(tǒng)運行工況多變，且可利用的廢熱、余熱熱源不穩(wěn)定，成為制約船舶制冷空調(diào)余熱利用的重要因素。

3)船舶自持力要求通常在15 d 以上，遠洋甚至高達60 d，船舶在海上補給不便，這對冷藏機組的保鮮效果提出了更高要求，保鮮技術(shù)的長久可靠性成為船舶艙室環(huán)境控制中亟需解決的難題。

4)海上空氣中的高鹽霧含量和海水的腐蝕性對制冷空調(diào)系統(tǒng)中的設(shè)備材料提出了較高要求，通常采用銅質(zhì)管系，這導(dǎo)致造價昂貴，維護成本提高。

船舶艙室大氣環(huán)境控制系統(tǒng)制冷空調(diào)技術(shù)將來的發(fā)展方向如下。

1)提升船用制冷空調(diào)設(shè)備能源利用效率主要從系統(tǒng)改進和部件性能提升2個方面展開。系統(tǒng)改進主要是利用船舶廢熱和余熱，降低制冷空調(diào)系統(tǒng)能耗，提高船舶的續(xù)航力。如可在航線較固定、空間布局較寬裕的船型(油船)上使用吸附式系統(tǒng)，在開敞的甲板空間布置太陽能收集裝置，并進行集熱、蓄熱利用。部件性能提升可在制冷機組中采用能量調(diào)節(jié)裝置，在較大范圍內(nèi)適應(yīng)空調(diào)熱負荷的變化。

2)船舶艙室環(huán)境舒適性的改善主要依賴于艙室內(nèi)部的空氣質(zhì)量、氣流組織設(shè)計和設(shè)備的噪音控制?？刹捎脽峁艿葻峄厥昭b置和溫濕度獨立處理控制方法，在處理艙室內(nèi)部大量濕負荷的同時，克服冷凝除濕時帶來的高能耗和低效率問題。氣流組織設(shè)計應(yīng)根據(jù)船舶特性進行CFD 仿真研究，進一步根據(jù)實船測試結(jié)果優(yōu)化邊界條件設(shè)置。噪聲控制可對主要振動設(shè)備元件如壓縮機、風機等進行減振降噪處理，以提升船員在艙室內(nèi)部的舒適度、增加艦艇的隱蔽性。

3)尋求傳統(tǒng)船舶制冷劑的替代物。船用制冷劑選用的首要原則是安全性，即要求無毒、不燃、不爆。在船舶運營環(huán)保要求日趨嚴格的今天，臭氧消耗潛值和全球變暖潛能盡可能小、環(huán)境友好、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟性好的制冷劑將迎來廣闊的發(fā)展機遇。安全便捷、靈活適用的船舶制冷劑回收利用裝置的研制也值得關(guān)注。