淺談液貨船中央空調的設計

蔡秀安

(福建交通技術職業學院,福建福州350007)

0 引言

船舶常年航行于海上,是流動的工作和生活場所,其所處的氣候環境,隨著航行的區域及季節變化多端。為消除外界惡劣氣象因素的不良影響,營造適宜的內部環境,改善船員的工作生活條件,保證船上重要監控設施處于良好工作狀態之中,現代設計建造的船舶幾乎都配備空調裝置?？照{的設計提倡以人為本,在確保防火安全的前提下,做到舒適節能。本文著重論述油船、集裝箱船以及散貨船中央空調的設計。

1 艙內外溫濕度及新鮮空氣量的確定

1.1 艙內外溫濕度

對于無限航區的船舶,我國國家標準規定:

夏季工況艙內外設計計算空氣溫度和相對濕度為:

艙外:干球溫度35℃、相對濕度70%,海水溫度35℃;

艙內:干球溫度27℃、相對濕度50%。

冬季工況艙內外設計計算空氣溫度和相對濕度為:

艙外:干球溫度-20℃;

艙內:干球溫度22℃、相對濕度50%。其他有限航區的船舶,根據各航區具體決定。上述規定世界各國雖有出入,但大致范圍相同。也有船東要求更高,筆者設計的船舶中,就有個別新加坡船東要求:夏季艙內設計干球溫度須達到22℃。航行于東南亞一帶航區的船舶,基本都不要求冬季采暖。

1.2 新鮮空氣量

新鮮空氣量國內的標準為:

船員室、住室每人28m3/h;

辦公室、公共艙室每人20～25m3/h。

若按空調總風量計算:有限航區船舶,新鮮空氣量不小于空調總風量的40%;無限航區船舶,不小于空調總風量的50%。最后取值按以上兩種算法中取其大值。

近幾年筆者給歐洲設計建造的集裝箱船、散貨船以及給新加坡造的油船,大部分船舶建造合同規格書均要求 “空調新鮮空氣量不小于空調總風量的50%”。因貨船船員人數較少,人均占有居住艙室面積遠多于客船,且各個艙室通風換氣次數規格書也都有明確的規定,其范圍在8～15次/時。

新鮮空氣量按空調總風量50%取值,其標準遠高于按人均補充最小新風量的統計值。

2 空調冷熱負荷計算

空調熱負荷分為夏季降溫工況和冬季采暖工況。

夏季工況應計算艙內傳入熱、太陽輻射熱、人體散發熱 (包括顯熱和潛熱)、燈光照明熱、設備發熱量和新鮮空氣熱量。

冬季采暖工況按艙內熱損失量和加熱新鮮空氣熱量計算。

雖然這些計算可按相關規范標準和設計手冊推導的公式及計算方法進行,但船舶設計的前中期,相當一部分的尺寸數據尚未確定,這就要求設計者憑經驗先估算概算,確定空調裝置主要技術參數和系統形式,再與總體設計人員商議空調機間的尺寸和坐落位置。這估算盡可能準確,取值太小達不到技術要求;取值太大相應的冷卻水泵、電力設備及空調機間和主要風管占位也增大,中后期若更改將延遲設計進程,不改將浪費船上寶貴的空間。

隨著技術設計的展開,主要圖紙陸續繪出,必須及時地按圖進行細致核算,如與原先初定數據有出入,須爭取主動及早更改修正。

船舶規范嚴格限制機艙和廚房的空調風管穿過生活艙室,若不可避免需要穿管,須采用一系列嚴密措施進行防火隔離。

監控室通常位于機艙之內,為簡化空調通風管的設計施工,往往分設兩套局部空調裝置對廚房和機艙監控室各自供冷或采暖?？照{熱負荷計算時,可將機艙監控室及廚房單獨進行統計。

從熱負荷計算結果可以看出,占據熱負荷較大分量的是:新鮮空氣負荷和駕駛室空調負荷。

新鮮空氣負荷如前面敘述的與空調總風量及各個艙室通風換氣次數相關。因此,除了 “合同規格書”特別注明的艙室通風換氣次數外,一般按掛旗國規范及標準規定的空調艙室每小時最小換氣次數正常取值,不要再額外增大風量。

駕駛室空調負荷大一是因為太陽直接射到的駕駛室頂面,日曬甲板溫度比環境溫度高22～32℃,增大了外界滲入熱,二是玻璃窗通過導熱和輻射熱傳入的熱量。根據計算對比,玻璃窗的傳熱比一般艙壁高45～70倍。在設計上須重點關注日曬頂面的隔熱,盡可能地減少高溫差傳入空調艙室的熱量。

3 空調系統的選擇

3.1 空調系統的選擇

船舶空調按空調器與空調艙室的布置關系,以及空氣處理過程的不同,可分成:集中式、半集中式和全分散式 (局部式)系統。

貨船主空調系統通常采用集中式空調系統,而特殊的與居住艙室有防火隔離要求且距離較遠的機艙監控室和廚房,則配備分散式局部空調機組,其空氣調節獨立地不與其他居住艙室關聯。

風機盤管加新風空調系統,集中供冷、熱水至各艙室末端風機盤管進行換熱和艙室內部全回風循環,由于水管系統占空間小,適合于層高有限的艙室空調;筆者設計的冷藏船,曾采用過這種系統。

但風機盤管加新風空調系統是間接冷卻系統,存在制冷劑與載冷劑水之間兩個換熱過程,在相同設計艙室溫度情況下,蒸發溫度比直接蒸發冷卻低,使制冷機產冷量減少。且艙室內的布置風機盤管也擠占了室內地面有限的空間,各空調艙室還要設置風機盤管的凝水管排出艙外以及在高端安裝膨脹水箱等麻煩。因此,貨船空調不推薦采用這種空調方式。

船舶空調系統送風方式有單風管和雙風管二種。單風管系統所有艙室的供風溫度相同,靠改變供風量對個別艙室的溫度進行調節。雙風管系統調節性能好,由兩根風管分別供應溫度不同的兩種空氣,調節性好。但風管尺寸和造價都較大,近幾年建造的貨船,除了個別的西歐船東對空調要求較高,特指空調系統要采用雙風管之外,大部分貨船送風均采用單風管系統。送風管的風速一般為12～20m/s。這種單風管中速全空氣集中空調系統,在貨船上得到廣泛的應用。

船上空間極為珍貴,占用較大空間的蓄冷設備不宜采用。

3.2 空調制冷機的選用

作為船用空調制冷機,在重量、外形尺寸、安全可靠以及備件方面的要求比陸用更高,空調的制冷機組一般設置二套,也就是壓縮機、冷凝器、翅片蒸發盤管多設一套。制冷機的冷量裕度按規定的10%,亦可酌情再提高5%～10%,以利在氣候特別炎熱時,在不提高現有的送風速度,而采用低溫送風方式來應對。當然,在最炎熱季節里空調滿負荷運轉時,必須避開操縱錨機、絞車等甲板機械短暫的用電高峰期。此舉雖加大制冷機的容量,但綜合權衡風機、水泵和風管等設備配置,明顯降低了投資費用。

3.3 空調冷卻水系統的選擇

遠洋液貨船上空調制冷裝置冷卻方式有:設置中央冷卻系統的淡水冷卻和海水直接冷卻。淡水經過中央冷卻器向海水放熱后,進入空調冷凝器時,溫度一般為36℃。淡水冷卻主要優點是對冷凝器腐蝕較輕。一般船用臥式冷凝器針對海水冷卻內部采用復合銅板和銅管材料,能夠保證冷凝器的正常工作壽命。無限航區的海水溫度為32℃,比淡水冷卻低4℃左右。同比制冷量可高出約8%～11%。還減少了與淡水熱交換的管道和閥門。

冷卻水量按冷凝負荷、冷凝面積、冷凝器傳熱系數以及冷卻水進出溫差計算,也可按選用的空調機廠家樣本要求的冷卻水量進行合計。液貨船上通常專門設置一臺空調的專用冷卻水泵,另外從壓載泵或消防泵出口再引一路冷卻海水備用。空調冷卻水也常作伙食冷庫系統的備用冷卻水。液貨船上的空調冷卻水泵流量為20～60m3/h,揚程為0.15～0.25MPa之間。

4 中央空調的風管設計及火災的抑制

4.1 空調管的防火規定

《國際海上人命安全條約》指出:如果導管有效面積超過0.02 m2的通風導管穿過 “A”級艙壁或甲板,開口應襯有鋼套管。導管和套管應至少厚3mm并至少長900mm。在穿過艙壁時,此長度以在艙壁兩側各450mm為宜。對這些導管所襯套管應加以隔熱。該隔熱應至少與導管所貫穿艙壁或甲板具有相同的耐火完整性;有效面積超過0.075m2的導管,除滿足以上要求外,還應裝設擋火閘。擋火閘應自動工作,但還應能夠從艙壁或甲板的兩側手動關閉。

各國船舶規范均有這樣規定:通風系統穿過甲板,除滿足有關保持甲板耐火完整性的要求外,還應采取預防措施以減少煙和熾熱氣體通過該管從一甲板間處所流經另一甲板間處的可能性。

4.2 中央空調的風管設計

空調送風管大部分采用預絕熱圓形螺旋管,盡量選擇通徑在PR160以下的螺旋管,以減少管道中防火閥的設置。在中央空氣處理器各送風管的輸出端,宜分設調風閥,平衡各送風管道的風量。螺旋風管的布置應盡量避開主干電纜及衛生落水管等大口徑管路,有些貨船層高較低,而管道交叉又多,為保證2.1m以上的凈層高,可采用扁圓形螺旋管。只是扁圓形管彎轉不如圓管那么隨意靈活。

各層甲板艙室的回風大都通過走道集中一根矩形管回風,回風管一般都超過0.02m2,須設防火閥與其他甲板層艙室防火隔開。有些船為少占空間,直接設置帶防火閥回風格柵進行回風。回風管應包覆隔熱阻汽層,以防止回風管跑冷結露。船上矩形空調回風管常用橡膠塑料保溫。

新風管尺寸較大屬于常溫管道,在布置空調機間的同時,一并考慮新風管的位置,其入口處須遠離柴油機排氣管口、廚房排煙處、衛生間排風氣流以及油艙透氣口等污濁氣體排放場所。并設置帶蓋風雨密百葉窗或帶手輪可關閉的無門風雨密百葉窗,以防止風雨及海浪的侵襲。

衛生間、浴室、洗衣房內污濁氣體的排放,其換氣次數為10～15次/時,如果每個衛生間各自設風機單獨排風,這類排量為50～200m3/h的小風機目下尚無船用產品,只能用單相220V管道排風機。而設計成衛生間統一匯總排風的方式,必須遵循船舶規范,防止發生火災時,造成各層甲板煙火相互串通。

以筆者2008年參與批量設計的6800DWT供油船為例,通常的做法是,風管穿過各層甲板處或防火隔離艙壁均須設置船用擋火閥。對影響環境衛生的醫務室、廚房、衛生間、浴室、洗衣房等艙室進行機械排風,保持室內處于負壓狀態。向醫務間送風的送風管上裝止回風閥,直流送風。

此外,在駕駛室內,空調的布風器、螺旋風管以及固定隔熱層的噴釘必須用不銹鋼材質,避免與磁羅經產生干擾。

5 貨船空調的自動控制

貨船的特點是,船員人數一般在15～30人之間,居住艙室大多布置在艉部主甲板以上,且各個房間幾乎都有靠艙外的窗口。不存在客船那樣在過渡季節里,有的艙室供冷,有的供熱的現象。除駕駛室處于頂部太陽直射位置,其空調需重點處理之外,多數居住艙室所處的周圍環境差異不大,且室內的溫濕度參數以及控制精度的要求不會象豪華客輪那樣高。

因此,貨船空調的自動控制以安全可靠,簡單實用為主。

空調艙室的溫度控制可通過改變供風溫度或供風量實現,但因為調節風溫比調節風量容易、準確,另外如供風量太小會惡化衛生條件,所以船舶空調常用調節風溫來控制室溫,自動風量調節閥作為補充,或者不設。

在直接冷卻系統中,廣泛采用的是,夏季利用溫度控制器控制室內的溫度,這種控制方式是以感溫元件直接感受空調室的回風溫度,然后將信號傳送給溫度控制器,溫度控制器按其設定回風溫度的高低上下限值操作供液電磁閥的啟閉。通過熱力膨脹閥或電子膨脹閥自動調節冷劑的供液量,同時制冷機能量自動調節裝置配合工作,使送風溫度隨外界氣溫變化相應改變,并穩定在一定范圍之內。

冬季取暖時,其熱源主要是0.2～0.3MPa的減壓蒸汽,近幾年筆者設計的一些船舶也有用熱油鍋爐取代蒸汽鍋爐,則熱源是用進出溫度分別為180℃和140℃的熱油,加熱淡水至90℃,送至空氣加熱器,加熱艙室空氣。熱介質的流量用溫度控制器控制。冬季采用蒸汽或水霧噴濕,并用濕度控制器控制艙室的相對濕度。

6 船舶空調設計上的節能措施

筆者常用的船舶空調設計上的節能措施有如下幾點:

1)新風量如前面所述,可按衛生標準略為提高些,但不能超出過多,以免增大空調機組的負荷。過渡季節切斷回風,空調系統全部采用新風。

2)注重隔熱尤其是駕駛室及直接日曬艙室的隔熱。駕駛室玻璃窗的面積按標準設置,在次要的玻璃窗處配以較厚的窗簾遮掩日曬。

3)在淡水冷卻和海水冷卻方式對比中,優先選用海水冷卻系統。在空調制冷設計時,設計成二臺制冷壓縮機和二臺冷凝器,在供液和回氣管上設置過橋閥,互為備用。在氣候不太炎熱或過渡季節時,可以調整為一臺制冷壓縮機對應兩臺冷凝器和兩臺蒸發器,以提高產冷量。

4)使用新一代控制精度高的電子膨脹閥,特別是與制冷系統中的微處理器結合,根據給定溫度值與室溫差進行比例和積分運算,以控制閥的開度,直接改變蒸發器中制冷劑的流量,使蒸發器能力的得以最大限度的發揮,實現高效制冷系統的最佳控制,達到節能的目的。

5)海上環境與陸上不同,空氣潔凈度較高,空氣處理器中過濾網不宜太密,以免增加氣流的流動阻力,高耗風機的功率,增大空調系統的噪音。設計布置空調機間時,須預留拆卸濾網的操作空間,以便經常清洗。

6)冷劑管從中央空調制冷機分出兩路供液廚房和機艙集控室的空調器。取消廚房、機艙集控室單獨的局部空調,因為冷管通徑較小,不會影響防火隔離。

7 結語

在從事十多年船舶中央空調的設計中,筆者有如下的體會:

(1)貨船中央空調設計首要確保防火安全的要求;

(2)貨船中央空調設計講究舒適節能,滿足新風量要求,并盡可能地減少設備和風管占用的空間尺寸,保證各空調艙室的層高不低于2.1米,這方面歐洲的船東尺度把握較嚴,驗收時往往用2.1米豎杠,在各處量測,一經發現低于規定的凈高,就執意要求返工重改;

(3)在控制造船成本的同時,盡可能采用新技術,如選用對臭氧損耗潛能 (ODP)為0、全球變暖潛能 (GWP)為低值的制冷劑;選用變頻調節轉速的空調制冷壓縮機;采用風管尺寸較小,溫度為4～6℃的低溫送風技術以及將陸上先進的輻射板傳熱新技術應用到船舶空調上。

總之,船用空調有其獨特性,在設計上仍有不少的新課題,值得研究和探索。

[1] 俞炳豐等.中央空調新技術及其應用 [M].北京:化學工業出版社,2004

[2] 孫見君等.制冷與空調裝置自動控制技術[M].北京:機械工業出版社,2004

(1)708所.船舶起居處所空氣調節與通風設計參數和計算方法[S],1993