余熱回收轉輪在海洋平臺空調系統的應用

王冬梅 熊曉陽 徐志權 黃海波 劉富均

摘? ? 要：能源短缺及環境保護問題一直是世界經濟發展的焦點，節能減排措施備受關注，帶余熱回收的空調系統應運而生。該系統的應用已經在建筑領域十分成熟，船舶方面常用于客滾船及大型郵輪，而在海洋平臺上應用較少。本文依托已成功建造的某自升式海洋平臺，介紹帶余熱回收的空調系統在海工平臺上的應用，為其他相關項目提供參考。

關鍵詞：海洋平臺;熱回收;回收轉輪;空調系統

中圖分類號：U664.86 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Energy shortage and environment protection have been the focus of economic development all over the world. Energy saving and emission reduction measures have been attracting more and more attention. The HVAC system with efficient energy recovery has emerged as the times require. The application of the system has been mature in the field of construction. In the aspect of shipbuilding， it is often used in Ro/Ro passenger ship and large cruise ship， but rarely used in the aspect of offshore jack-up rig. This paper introduces the design and application of the HVAC system with heat recovery on the offshore jack-up rig successfully built by our company， providing reference for other related projects.

Key words： Offshore jack-up rig; Heat recovery; Rotary heat exchanger; HVAC system

1? ? ?前言

傳統的海工平臺空調系統采用冷媒介質制冷，通過空氣處理機組將新風冷卻后送至各個艙室進行冷卻，艙室通過回風管道或艙室門下的格柵收集部分回風至空調器，回風與新風混合后再次制冷送至艙室。新風與回風的比例通常不超過60%，因此系統中至少有40%的風量作為廢氣被排出室外，此部分風量所攜帶的能量則一并被浪費了。

與傳統的空調系統相比，帶余熱回收的空調系統是將廢氣收集，利用余熱回收轉輪，將廢氣中的余熱充分回收加以利用，從而達到節能的作用。

2? ? 余熱回收系統的原理

通過余熱回收轉輪的運動，使回收的排風中的大部分能量通過轉子介質傳遞給送風。余熱回收轉輪屬于可再生換熱器，單轉輪余熱回收空調器典型圖，如圖1所示。由于存在氣流交替，轉輪通常設置為自清潔和防凍型;轉輪熱（濕）能的回收效率非常高，可以達到70%～90%，而且通過調節轉輪電機的轉速可以很容易的調節效率。

回收排風通常來自住艙的衛生單元、公共衛生間、健身房、會議室或其他公共娛樂區域等，將本應直接排出室外的廢氣收集至空氣處理機組，將能量重新利用回收。

傳統空調系統空氣處理機組初始成本低，但冷卻/電氣方面初始成本及運行成本高;熱回收空調系統空氣處理機組初始成本略高，但冷卻/電氣方面初始成本及運行成本較低，單轉輪的余熱回收系統可回收約25%的制冷/熱量;制冷機組的體積小，該系統使用在中東地區等環境比較惡劣的項目中優勢尤其明顯。

3? ? 余熱回收轉輪

余熱回收轉輪由轉子、外殼、驅動電機及其附件組成，如圖2所示。

3.1? ?外殼及轉子

外殼材質通常采用鍍鋅鋼板（Z275）、鋁合金（A150）、不銹鋼。堅固的外殼設計不僅需保證轉子運動的可靠性，還應能防止可能的空氣泄漏，故外殼在轉子外圍和旋轉軸處設有可調節密封刷。

3.2? ?電機

轉子由安裝在外殼內支架上的電機驅動，通常轉子直徑φ<1 400 mm，選用圓皮帶驅動;當φ≥1400 mm時，選用V型皮帶驅動。

適當的皮帶輪尺寸及軸承尺寸，可使轉子達到最佳的轉速，熱回收的最佳轉子轉速為12 r/min、濕回收轉子的最佳轉速為2012 r/min。

電機上配有溫度開關，可監測繞組溫度。

3.3? ?附件

轉輪可在轉子基體邊緣安裝加強件，以保護箔材邊緣不受腐蝕，適合在腐蝕風險較高的環境中使用;可額外再增加旋轉軸與轉子周圍的密封刷，在送風與排風管道之間有較高的壓差中適用;轉輪還可以增設檢查窗及把手等附件，便于使用及維護。

3.4? ?防污染措施

交叉污染會降低空調系統的效能。為了防止回收的排氣泄露至進氣系統，從而污染送風，本項目在轉輪上采取了一系列的措施，如設置適當風壓、增設轉輪清潔扇區及密封刷等，排風污染新風比率可達到0.04%。

風壓設置如圖3所示，其中P1>P4、P2>P3，以確保送風不被污染。

清潔扇區的設置可以確保轉輪在送風排風交替區域新風不被污染。清潔扇區節點圖，如圖4所示。值得注意的是，由于風壓及清潔扇區等的存在，在新風通過轉輪段后會損失掉一部分化為排風，這部分所占新風比率被稱為新風量調整因子（OACF），需要按新風量調整因子來充分進行空調處理機組送風機的選型。例如：如果該數值為5%，則10 000 m3/h的供風量需要提供10 500 m3/h的新風才能達到。

3.5? ?認證及標準

該裝置的應用技術已十分成熟，可根據國際標準認證空調和制冷產品的性能等級，為所有制造商提供公平的競爭環境，并為客戶們保證了產品質量。目前，諸多生產廠家例如奧斯博格（OSTBERG）、伊文圖斯（ENVENTUS）等的換熱器及計算程序均通過了歐盟認證，并取得歐盟證書，還可提供DNV等各船級社證書。

4? ? 應用實例

4.1? 平臺概況

已成功建造的某自升式海工平臺，是一艘用于海上作業、帶有自航能力的自升式平臺。該平臺為方形主體，帶有四個桁架式樁腿，每個樁腿由下端的樁靴支撐;設有生活區，能夠提供150人的就餐、住宿等;掛利比里亞旗，入美國船級社（ABS）;平臺的噪音滿足IMO468（XII）的要求、振動滿足ISO6954-1984的要求。

設計環境溫度： 0 ℃ ～ 55 ℃

空調系統： ? ? ? ? ? 0 ℃ @ 100% RH～50 ℃ @ 60% RH

海水溫度： ? ? ? ? ?15 ℃ ～ 36 ℃

4.2? ?系統組成

（1）該平臺中央空調系統采用二級制冷系統：經過處理的新鮮空氣通過安裝在平臺中央控制室頂部的新風預處理機組引入每一層甲板的艙室空調系統。新風預處理機組配有獨立的壓縮冷凝機組，AHU與壓縮冷凝機采用分體式，新風預處理機組采用2*60%負荷配置;每一層艙室均配置兩臺2*50%的直接膨脹式壓縮冷凝機組及空氣處理機組進行二次制冷，采用風冷冷卻;

（2）生活區空氣處理機組（AHU）通過制冷劑（R407C）進行熱交換，以達到所需舒適環境，冬季AHU制熱通過熱水鍋爐提供熱源。AHU配加濕功能，以備送熱風過程中給空氣系統加濕;AHU送風為中速中壓風管系統，采用夏季集中供冷、冬季集中供熱的方式，生活艙室、餐廳、中央控制室、辦公室、會議室、醫務室、洗衣間等處所為空調處所。其中，中央空調承擔中央控制室空調部分負荷，另外配置獨立的風冷分體空調服務中央控制室，生活區中央空調與分體空調同時服務集控室，以保證中央控制室空調系統的穩定性;

（3）空調處所的空調風通過房間門下方的格柵回到走道，部分由通風系統排到外界，部分經回風管回到空調器，并保持生活區一定的正壓;用于醫務室和公共廁所的空調送風管上設止回風閘;空調送風管和回風管設置必要的防火風閘和調風門等附件;送風末端裝置采用頂式布風器或球形送風頭;

（4）根據需要，部分布風器配有電加熱功能，為了安全起見，所有帶有電加熱功能的布風器配有高溫保護功能;布風器帶有二次調節風量的功能，可以在布風器上進行手動操作，確保各個服務處所可以根據自身需要進行制熱/冷量調節;

（5）系統中的廁所排風、儲物間排風、被服間排風、祈禱室排風、更衣室排風、娛樂室及健身房等的排風，均通過設置在結構艙壁處的結構風管集中收集，排放至新風預處理機組中;新風預處理機組采用單吸熱轉輪，將廢氣中的冷量收集，并傳遞給新風進行預制冷/制熱;

（6）生產設計完成后，根據實際風管布置進行了艙室噪音計算，并根據計算結果增設適當的消音器，以滿足IMO468（XII）的要求。

4.3? ?典型甲板空調艙室布置

典型的02甲板艙室空調風管線圖，如圖5所示。

（1）二人間廁所排風、候機室、健身房、洗衣間及被服間等均未設置單獨的排風管及風機，而是采用一根總管將各個艙室排風匯總至兩臺新風預處理機組，新風預處理機組上安裝了單熱回收轉輪，可以將回收排風中的能量進行充分回收利用，并在新風處理機組中進一步處理新風溫度，處理后的新風溫度可根據系統設計選定;

（2）經過機組處理后的新風將送至各個甲板的獨立空調器，獨立空調器進行二級制冷，將足夠的風量及冷量再通過空調器上的送風總管按各個艙室需要的風量送至各服務處所;

（3）艙室通過艙室門上的格柵進行回風，部分風量通過衛生單元的排風管送至新風預處理機組進行熱回收;

（4）走廊處安裝回風管道，回風直接回至本層甲板的獨立空調器，不再通過新風預處理機組;

（5）為了保證系統的正常運行，每一層的排風及送風總管均安裝了壓力傳感器，排風收集管道上個各個支管安裝了電動調風門，以實現系統的自動控制;

（6）為了有效防止回收排風反串回艙室，在回收排風總管及各個支管處均設置了止回風閘;

（7）由于平臺工作區域通常在油氣環境中，可能存在有害氣體，為了確保室外有害氣體不被吸入艙室內部，在每個與室外連接等風口均設置了氣密風閘;

（8）為了防止轉輪排出的廢氣直接被AHU吸收造成新風污染，將處理機組特殊設計成新風風口朝向地面、排風口朝向側面直排，盡量隔開新風及排氣廢氣，確保新風不被污染，如圖6所示。

5? ? 結束語

帶熱/濕回收轉輪的空調系統，在造船領域擁有廣闊的發展前景。本文以某自升式海工平臺空調系統為例，介紹了帶余熱回收轉輪的空調系統設計應用方案，為其他相關船舶或平臺項目空調系統的設計及施工提供借鑒。

參考文獻

[1] 陸耀慶.實用供暖空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2020.

[2] 黃恒祥.船舶設計實用手冊 [M].北京：國防工業出版社，2000.