徐 謙，田正軍，吉春正，趙自兵

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海 200041)

0 引 言

為了應對氣候變化，需要提高建筑能效水平，被動式超低能耗建筑在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢，在國內(nèi)外有很多相關研究。船舶的上層建筑和陸地建筑有很大的相似性，在“雙碳”的減排大背景下，把陸地建筑“被動式超低能耗”的概念引入到船舶上，并結合船舶的自身特點，構建被動式超低能耗上層建筑，研究其節(jié)能設計的方法，具有較高的經(jīng)濟價值和實際意義。對于船廠而言，采用被動式超低能耗上層建筑可以減小空調(diào)負荷，從而降低空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)模，降低船舶的建造成本和難度；對于船東而言，可以減少船舶上層建筑的電力消耗，降低運營成本。

1 被動式超低能耗上層建筑

被動式超低能耗是指適應自然條件，通過高隔熱性能和氣密性的圍護結構，采用高效新風熱回收技術，最大限度地降低供熱供冷需求，以最少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。結合船舶特點，被動式超低能耗上層建筑具有3層含義。

第1層：采用被動式節(jié)能技術，通過優(yōu)化設計，實現(xiàn)在非機械模式下，達到降低電能消耗和提高室內(nèi)環(huán)境性能的目的，包括圍護結構的隔熱、遮陽等。

第2層：為了提高室內(nèi)舒適度和空氣質(zhì)量而采用主動式節(jié)能技術，核心是提高用能系統(tǒng)效率，包括變風量、新風熱回收、變水量等。

第3層：充分利用船舶上的廢能，從而減少電能的消耗，包括利用主機廢熱、LNG廢冷等。

2 被動式節(jié)能

被動式超低能耗上層建筑采用的被動式節(jié)能是通過減少上層建筑玻璃、艙壁等圍護結構上的熱傳遞，降低室內(nèi)的冷熱負荷，從而減少上層建筑用于冷卻和加熱的能源消耗。

2.1 圍護結構冷熱負荷

由于船舶內(nèi)外存在溫度差，外部艙壁和玻璃上存在熱量的傳遞，夏季熱量從室外進入室內(nèi)，成為冷負荷，冬季熱量從室內(nèi)擴散到室外，成為熱負荷，計算式為：

式中：為圍護結構傳熱量，W；Δ為船內(nèi)外溫差，℃；為艙壁傳熱系數(shù)，W/(m·K)；為艙壁面積，m；為玻璃傳熱系數(shù)，W/(m·K)；為玻璃面積，m。

由于船舶外部艙壁上都布置保溫絕緣，艙壁的傳熱系數(shù)比較小，而玻璃的傳熱系數(shù)一般要遠大于艙壁上的絕緣。當太陽照射到玻璃上，一部分太陽輻射能會透過玻璃進入到船內(nèi)；當太陽照射到艙壁上，部分太陽能被艙壁吸收而導致艙壁溫度升高，影響艙壁上的熱量傳遞，當上層建筑艙壁外表面油漆是淺色的，溫差可取12 ℃。太陽輻射熱量的計算式為：

式中：為輻射熱量，W；Δ為艙壁在太陽照射下的額外溫差，℃；為玻璃太陽輻射強度， W/m。

2.2 被動式節(jié)能技術

2.2.1 玻璃

玻璃在船上被廣泛的運用，其作用主要有減少室外大氣環(huán)境變化對室內(nèi)環(huán)境的影響和滿足室內(nèi)的采光。玻璃會大幅度導致上層建筑內(nèi)能耗增大，夏季有熱傳導和熱輻射，冬季有熱傳導，但是玻璃也可以減少冬季室內(nèi)的加熱量，通過太陽光透射入室獲得太陽熱能。中空low-E玻璃具有顯著的節(jié)能效果，low-E玻璃利用真空沉積技術，在玻璃表面沉積一層低輻射涂層，大大減少玻璃的太陽能總透射比，而中空玻璃由2層或多層平板玻璃構成，中間充入干燥氣體，由于氣體的熱傳導率遠小于玻璃而使整體傳熱系數(shù)大大降低。

2.2.2 遮陽

遮陽主要是為了在夏季減少太陽輻射通過玻璃進入室內(nèi)帶來的冷負荷，包括內(nèi)遮陽和外遮陽。內(nèi)遮陽主要是運用窗簾，其值取決于窗簾的材料和顏色，白色的布窗簾取值為0.5，而白色不透明卷軸遮陽簾只有0.25。外遮陽是通過按照水平或垂直遮陽板來減少被太陽照射的玻璃面積，比如郵輪客房的陽臺。外遮陽的節(jié)能效果與遮陽板的凸出長度、太陽的照射角度有關，由于外遮陽對船舶外觀的影響較大，實際運用不多。受內(nèi)遮陽、外遮陽和自身玻璃特性的共同影響，玻璃太陽輻射強度的計算公式為：

式中：為平均玻璃太陽輻射強度， W/m；為玻璃太陽直射輻射強度， W/m；為玻璃太陽散射輻射強度， W/m；為太陽直射玻璃的面積比；為玻璃窗內(nèi)遮陽系數(shù)；為太陽能總透射比。

2.2.3 絕緣

船舶的外部艙壁上均布置保溫絕緣，提高艙壁的熱阻而減少室內(nèi)外的熱傳遞，絕緣的傳熱系數(shù)取決于絕緣的自身特性和厚度，公式如下：

式中：為絕緣導熱系數(shù)，W/(m·K)；為絕緣厚度，m。

絕緣的包覆需要完整，盡可能減少熱橋，在球扁鋼上也需布置絕緣，在外部艙壁向內(nèi)部艙壁過渡的地方，絕緣需要有450 mm的延伸，如圖1所示。

圖1 艙壁保溫絕緣包覆示意圖Fig. 1 diagram of insulation on bulkhead

2.3 實船被動式節(jié)能的計算分析

為了客觀地看到實船上被動式超低能耗設計的優(yōu)勢，選用某客滾船上層建筑的餐廳進行計算，此餐廳的形態(tài)特征見表1，分為左、中、右3個區(qū)，每個區(qū)有100個座位。

表1 餐廳的形態(tài)特征Tab. 1 characteristics of restaurant

此餐廳在被動式超低能耗設計下采用的被動式節(jié)能技術包括：采用中空Low-E玻璃，太陽能總透射比取值0.4；布置白色的布窗簾對玻璃進行內(nèi)遮陽，玻璃窗內(nèi)遮陽系數(shù)取0.7，不進行外遮陽為0，按照式（3）計算得平均玻璃太陽輻射強度值是98 W/m；采用低傳熱系數(shù)的保溫絕緣。餐廳的熱工特征在被動式超低能耗設計下和在普通設計下的對比見表2，普通設計采用ISO7547的推薦值。根據(jù)式（1）和式（2）計算得到夏季的冷負荷和冬季的熱負荷見表3，夏季的冷負荷在被動式超低能耗設計下是10.2 kW，比普通設計下的32.4 kW降低了68.5%，冬季的熱負荷在被動式超低能耗下是3.3 kW，比普通設計下的8.4 kW降低了60.7%。

表2 餐廳的熱工特征對比表Tab. 2 Comparison of thermal characteristics of restaurant

表3 夏季/冬季的圍護結構冷/熱負荷對比表Tab. 3 Comparison of cool / heat load of enclosure structure in summer / winter

3 主動式節(jié)能

被動式超低能耗上層建筑采用的主動式節(jié)能是采用高能效的機械設備來保證室內(nèi)舒適度和空氣質(zhì)量，風機、空調(diào)水泵等可以按照實際需求來調(diào)節(jié)，最大限度地降低空調(diào)負荷和電能消耗。

3.1 空調(diào)負荷

上層建筑的室內(nèi)環(huán)境氣密性較高，為了保證空氣質(zhì)量，需要通過中央空調(diào)器內(nèi)的風機把外界的新鮮空氣送入室內(nèi)，按照ISO7547的要求，每個人的最小新風量為28.8 m/h，根據(jù)計算室內(nèi)CO的式（5），在此最小風量下室內(nèi)的CO濃度是952 ppm，略小于通常1 000 ppm的要求，所以在被動式超低能耗設計下，最小新風量需要保證，而且可以通過監(jiān)控CO的濃度來調(diào)節(jié)新風量的供應。

式中：為房間內(nèi)CO濃度，ppm；為室外空氣CO濃度，ppm，一般取400 ppm；為人呼出的空氣CO濃度，ppm，一般取53 000 ppm；為人呼吸的空氣，m/h，人安靜時取0.3 m/h；為房間內(nèi)的通風量，m/h。

中央空調(diào)器把空氣加熱或冷卻后送入房間，通過送風的溫度變化帶走房間內(nèi)的冷熱負荷，如下式：

式中：為房間內(nèi)冷熱負荷，k W；為房間溫度，℃；為空調(diào)送風溫度，℃；為空氣密度，一般取1.2 k g/m；為空氣的比熱，一般取1.0 1 kJ/(kg·K)。

外界新風在中央空調(diào)器內(nèi)處理，被空調(diào)水冷卻或加熱，此過程中產(chǎn)生空調(diào)負荷，當采用全新風空調(diào)系統(tǒng)時，可以運用熱轉輪來回收房間回風中的部分能量，空調(diào)負荷如下式：

式中：為中央空調(diào)負荷，kW；為外界空氣的比焓，kJ/kg；為房間回風的比焓，kJ/kg；為制冷盤管后空氣的比焓，kJ/kg；為回風的熱回收效率。

在全空氣的空調(diào)通風系統(tǒng)中，從中央空調(diào)器送入房間的風需要滿足室內(nèi)所有的冷熱負荷，而在空氣-水系統(tǒng)中，從中央空調(diào)器送入房間的風主要是為了滿足旅客的呼吸要求，帶走一部分冷熱負荷，而讓風機盤管通過循環(huán)處理室內(nèi)空氣來帶走主要的冷熱負荷?？諝?水系統(tǒng)把室內(nèi)空氣的舒適度和空氣品質(zhì)分開來控制，能夠靈活的控制新風量，從而降低空調(diào)負荷，但是在中間季節(jié)，全空氣系統(tǒng)可以運用室外的空氣直接冷卻室內(nèi)，有很好的節(jié)能效果。

3.2 主動式節(jié)能技術

3.2.1 新風熱回收

外部新風是維持被動式超低能耗上層建筑內(nèi)空氣質(zhì)量的保證，當新風進入室內(nèi)，帶來了大量的空調(diào)負荷，可以采用高效的空氣-空氣能量回收裝置，通過回收排風中的能量來降低供暖制冷需求，實現(xiàn)節(jié)能目標。熱轉輪是比較高效的能量回收技術（見圖2），新風和排風可以在不混合的情況下進行全熱的能量交換。熱轉輪是以復合纖維材料為載體，覆以蓄熱吸濕材料而構成，在全新風的情況下可以對能量進行全熱回收，熱轉輪的回收效率一般在40%～60%。

3.2.2 變風量

圖2 熱轉輪的示意圖Fig. 2 diagram of recovery wheel

空調(diào)通風是按照此區(qū)域內(nèi)最大的人數(shù)和最惡劣的外部環(huán)境來設計的，而在船舶實際運行中，這個設計工況很少出現(xiàn)，以至于空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)常是高于實際需求的狀態(tài)下運行，導致能量的浪費。變風量設計可以通過根據(jù)實際人數(shù)的風量需求來改變進入室內(nèi)的新風，除了通過減少新風降低空調(diào)負荷來進行節(jié)能外，也直接通過風機馬達的變頻來減少風機的電能消耗。為了保證室內(nèi)的空氣質(zhì)量且送風量根據(jù)實際人員的數(shù)量來調(diào)節(jié)，可以通過室內(nèi)的CO濃度來調(diào)節(jié)送風量，另一種變風量是根據(jù)室內(nèi)溫度來調(diào)節(jié)風量，比如在夏季，室內(nèi)溫度低于設定值，則會減少送風量，主要用于全空氣系統(tǒng)和風機盤管。

風機的軸功率取決于風機壓力和風量，如下式：

式中：為風機軸功率，kW；為風量，m/h；為風機壓力，Pa；為風機效率。

被動式超低能耗設計主張變風量應該采用變靜壓法或總風量法來最大程度減少風機功率，而不是定靜壓法。風機壓力取決于風道內(nèi)的通風阻力，與風量的平方等比例相關，所以通風系統(tǒng)內(nèi)阻力特性不變的情況下，當風量減小到原來的1/2時，風機壓力會減小到原來的1/4，風機功率會減小到原來的1/8。但是要考慮變風量風閘的節(jié)流作用導致風機壓力的額外升高，實際節(jié)能效果沒有那么多。而變靜壓法控制使得風閘開度盡可能的大，可以盡可能地降低風機壓力來降低電能消耗。

3.2.3 變水量

變水量系統(tǒng)使得冷媒水流量隨負荷變化而變化，空調(diào)水泵通過變頻改變轉速，改變泵的特性曲線，從而降低水泵的能耗。變水量空調(diào)水系統(tǒng)如圖3所示，變流量閥是兩通壓力無關的電動閥，閥的開度根據(jù)空調(diào)負荷進行變化；變流量閥的開度變化會影響水管的壓力，壓差傳感器可以獲得壓差信號，空調(diào)水泵通過變頻器調(diào)節(jié)泵的轉速來保持給水管和回水管的壓差是穩(wěn)定的。由于空調(diào)水用戶較多，為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，一般采用定壓差的方法，泵的軸功率與水流量成正比。變水量空調(diào)水系統(tǒng)可以消除定水量系統(tǒng)供回水溫差小的“低溫綜合癥”，提高空調(diào)水系統(tǒng)的效率，減少水泵的能耗。

圖3 變水量空調(diào)水系統(tǒng)Fig. 3 Variable volume A/C water system

式中：為泵軸功率，kW；為水量，m/h；為泵壓力，Pa；為泵效率。

3.3 實船主動式節(jié)能的計算分析

此客滾船餐廳的空調(diào)通風系統(tǒng)進行了超低能耗的設計，如圖4所示。中央空調(diào)器帶有熱轉輪，具備100%新風能力，把室外的空氣進行凈化、冷卻或加熱后，根據(jù)每區(qū)100人的人數(shù)對餐廳的3個區(qū)分別送風2 880 m/h，送風機和排風機都可通過變頻器調(diào)節(jié)轉數(shù)；在送風管和回風管上分別布置壓力無關型變風量風閘，根據(jù)CO傳感器來控制送風量，變風量風閘可以檢測風量并把需求風量傳遞給風機的控制器；外區(qū)布置風機盤管，根據(jù)回風溫度來變速運行；空調(diào)水泵采用定壓差的變水量控制；內(nèi)區(qū)布置再加熱器來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

圖4 超低能耗空調(diào)通風系統(tǒng)Fig. 4 Ultra-low power HVAC system

夏季，室外空氣的比焓是 86.3 kJ/kg，通過中央空調(diào)冷卻到室內(nèi)空氣露點溫度以下，取13°C，比焓是36.6 kJ/kg，室內(nèi)空氣的比焓是52.6 kJ/kg。冬季，室外空氣的比焓是-19 kJ/kg，通過中央空調(diào)加熱加濕到溫度15°C，濕度40%，比焓是 25.7 kJ/kg，室內(nèi)空氣的比焓是38.8 kJ/kg。外區(qū)的風機盤管用于帶走圍護結構的冷熱負荷。

表4 主動式節(jié)能的能耗對比表Tab. 4 Comparison of active energy saving

中央空調(diào)器采用變靜壓的變風量系統(tǒng)，運行時取平均風量是設計風量的70%，取平均風機壓力為設計值的70%；采用高效熱轉輪，效率60%，相對于普通設計是40%；風機盤管根據(jù)室內(nèi)溫度進行變速，運行時平均送風量是設計風量的70%，由于沒有變風量風閘，風機壓力為設計值的49%；空調(diào)水泵采用定壓差的變水量控制，取平均水量是50%。風機和泵的效率均取0.7，根據(jù)式（6）～式（8）計算得到被動式超低能耗設計和普通設計下的能耗對比，如表4所示。

夏季的空調(diào)負荷在被動式超低能耗下是96.2 kW，比普通情況下的137 kW降低了30%；冬季的空調(diào)負荷在被動式超低能耗下是32.6 kW，比普通情況下的71.2 kW降低了54%；雖然設計電功率的區(qū)別不大，但是在使用過程中，在變風量和變水量的作用下，被動式超低能耗下是9.4 kW,比普通情況下的20.9 kW降低了55%。

4 主機廢熱的利用

主機廢熱是船舶上非常豐富的能源，通過利用主機廢熱來減少上層建筑空調(diào)系統(tǒng)的電能消耗是被動式超低能耗設計的關鍵。

4.1 吸收式冷水機

溴化鋰吸收式冷水機是以熱能為動力，溴化鋰溶液為工質(zhì)對，冷卻冷媒水，幾乎不需要消耗電能，可以利用低品位熱源，運行時震動噪聲小。溴化鋰吸收式冷水機分為蒸汽型和熱水型，越高的蒸汽壓力和熱水溫度，吸收式冷水機的效率就越高，效率用能效比(coefficient of performance，COP)來表示，蒸汽型冷水機的COP要高于熱水型。

式中：為冷水機能效比（COP）；為冷水機制冷量，kW；為消耗的熱能，kW。

溴化鋰吸收式冷水機由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、換熱器和循環(huán)泵等部分組成，原理圖如圖5所示。

4.2 廢熱利用

船舶上主機會產(chǎn)生大量的廢熱，包括來自廢氣鍋爐的蒸汽和來自缸套的高溫水。在冬季，主機產(chǎn)生的廢熱可以通過空調(diào)水系統(tǒng)加熱上層建筑，廢熱水加熱器可以從高溫缸套水中獲得熱能，蒸汽加熱器可以從蒸汽系統(tǒng)獲得熱能。在夏季，吸收式冷水機組通過空調(diào)水系統(tǒng)來冷卻上層建筑，當沒有廢熱的時候，依舊使用傳統(tǒng)冷水機組，利用主機廢熱的空調(diào)水系統(tǒng)如圖6所示?？紤]到在港口的時候主機不運行而無廢熱可利用，但是海上航行時廢熱過多，可以通過蓄熱水柜來儲存主機廢熱，或通過蓄冷柜來存儲吸收式冷水機利用廢熱產(chǎn)生的冷量，這樣可以進一步降低上層建筑的電能消耗。

4.3 實船主機廢能利用的計算分析

圖5 溴化鋰冷水機組的原理圖Fig. 5 Diagram of LiBr chiller

圖6 廢熱利用的空調(diào)水系統(tǒng)Fig. 6 A/C water system with waste heat utilization

本客滾船在海上航行的時候，2臺主機保持85%工況運行，可產(chǎn)生約3 000 kW熱量的缸套水，廢氣鍋爐可產(chǎn)生約3 000 kW熱量的蒸汽，以COP為1的蒸汽溴化鋰冷水機為例，可產(chǎn)生3 000 kW的冷量，而上層建筑的最大夏季空調(diào)制冷負荷為1 800 kW, 所以僅用蒸汽的廢熱產(chǎn)生的冷量就能完全滿足空調(diào)制冷負荷。

在被動式超低能耗設計下運用蒸汽溴化鋰冷水機通過蒸汽的熱能來冷卻冷媒水，吸收式冷水機幾乎不消耗電能。但是由于蒸汽的熱能也需要冷卻水帶走而會導致冷卻水泵的水量加大，冷卻水泵消耗的電功率增加，此餐廳需要28 m/h的冷卻水，冷卻水泵在2.5 bar的壓力下運行，消耗2.3 kW的電能。冷卻水泵采用變水量系統(tǒng)，根據(jù)冷水機的負荷和海水溫度變化來調(diào)節(jié)泵的頻率，取冷卻水泵平均使用水量是設計水量70%，由于管路上無調(diào)節(jié)閥增加額外阻力，泵的壓力會降低是設計值的49%。而普通設計下運用傳統(tǒng)的螺桿冷水機，其COP是4。兩者的對比見表5，吸收式冷水機僅消耗0.9 kW的電能，遠小于普通情況的35.8 kW.

表5 廢熱利用的能耗對比Tab. 5 Comparison of energy with waste heat utilization

5 結 語

船舶上層建筑采用被動式超低能耗設計，通過被動式節(jié)能技術、主動式節(jié)能技術和主機廢能利用可以大幅度降低能耗。對一客滾船餐廳進行計算分析后發(fā)現(xiàn)，運用被動式超低能耗設計后，圍護結構的冷負荷降低68.5%，熱負荷降低60.7%，設計空調(diào)負荷在夏季降低30%，在冬季降低54%，空調(diào)通風系統(tǒng)在運行過程中，主要設備的電能消耗都可以大幅度降低，總電能消耗降低了82%，單位面積能耗可以達到27.1 W/m，如表6所示。

表6 餐廳被動式超低能耗設計Tab. 6 Design of passive ultra-low power in restaurant

雖然這只是一個具體設計案例，但是可以看到船舶被動式超低能耗上層建筑的設計構思具備超強的節(jié)能實力。