船用空調冷凝水在廁所沖洗系統的應用1

魏文俊，朱 磊，張傳崗，王 柳

（1. 滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129；2. 特靈空調系統（中國）有限公司上海研發分公司，上海 200051；3. 江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引言

全船空調冷凝水系統是船用空調系統的重要組成部分，用于處理空調設備在制冷時產生的冷凝水。冷凝水是由熱空氣中析出的水蒸氣凝結、積聚而成[1]，是一種品質尚可的淡水資源。目前處理空調冷凝水的方法是將其直接排出舷外或落至艙底。對于在海上航行的船舶而言，這2 種處理方法均會造成冷凝水資源的浪費和船舶運營成本的增加[2-3]。本文對空調冷凝水的形成和處理方法進行介紹，并對船用空調冷凝水的收集和利用方案進行分析。

1 空調冷凝水的形成和處理方法

船用空調設備包括直冷式空調器、間接式空調器、柜式空調機、風機盤管和分體式空調等。空調設備在制冷時，與空調設備內部的冷卻器進行熱交換的空氣溫度降低，對應的飽和含濕量會相應減少。當空氣溫度降低到露點溫度以下時，水蒸氣會從空氣中析出并凝結成水[1]。

目前船舶對空調冷凝水的處理方法主要有2 種：直接排出舷外或落至艙底。對于一般位于水線以上的空調設備，只需滿足在制船舶所參照的設計規范的要求即可（見表1）。冷凝水管所接的舷側排水孔要滿足高度要求，管路中設置的閥件要滿足安全要求，即可通過舷側排水孔直接排出冷凝水。當冷凝水管的高度無法滿足規范要求時，冷凝水將落至艙底，作為艙底水的一部分，通過全船艙底疏排水系統進行統一處理。

表1 設計規范要求

2 空調冷凝水量計算

2.1 空調冷凝水計算方法

濕空氣是由干空氣和水蒸氣組成的，將濕空氣中與1 kg干空氣同時并存的水蒸汽量定義為含濕量[1]。因此，只需計算空氣在被空調設備降溫前后的含濕量，通過兩者的差值即可求得冷凝水量。

式中：Qv為冷凝水量；qv為空調設備風量；ρ為進風和出風的平均密度；d1為進風的含濕量；d2為出風的含濕量。

引用《空氣調節》中的相關經驗公式，為滿足冷凝水量的計算，需要用的基本公式為

式（2）～式（7）中：T為濕空氣溫度；t為干球溫度；Pqb為飽和水蒸氣分壓力；rdh為相對濕度；Pq為水蒸氣分壓力；d為含濕量；B為標準大氣壓；rho為干空氣密度；rho1為進風干空氣密度；rho2為出風干空氣密度。

由式（1）～式（7）可知，只需測得每一型空調設備實際使用時的進出風狀態，即可算得冷凝水量。然而，該計算方法無法在船舶設計前根據預先定型的空調設備的制冷量和數量對冷凝水量進行理論計算。本文對計算過程進行相應調整，只需確定空調設備的制冷量和風量、外界環境的溫度和相對濕度，即可對該空調設備的冷凝水量進行理論計算。

以某型風機盤管為例，其風量為800 m3/h，制冷量為4 000 kcal；空調設備的進風狀態取大氣環境狀態：干球溫度為34°C，相對濕度為65%。由于出風相對濕度的范圍基本在85%～95%，其具體數值取決于風速、傳熱溫差和空氣露點溫度等因素，故先取平均值為90%。將上述參數代入公式組，即可算出該空調設備的理論冷凝水量。其中，進風狀態是根據在制船舶所參照的設計規范中大氣溫度和相對濕度選取的。如表2 所示，各設計規范要求的艙外空氣條件的范圍為：氣溫32～35 ℃，相對濕度60%～80%。以此作為夏季工況下空調設備的進風狀態，計算出1 kW 制冷量的空調設備產生的冷凝水量為0.000 55～0.001 04 m3/h，見圖1。

圖1 相對濕度與凝水量的對應關系

表2 各設計規范要求的大氣溫和濕度設計參數

2.2 空調冷凝水總量

將4 種不同船型的船舶作為研究對象，假定1 kW 制冷量的空調設備產生的冷凝水量平均值為0.000 77 m3/h，按上述方法進行理論計算，可得出不同船型空調設備產生的冷凝水總量的理論值，見表3。

表3 不同船型空調設備產生的冷凝水總量的理論值

3 空調冷凝水收集利用

3.1 船用淡水系統冷凝水利用

對于長期在海上航行的船舶而言，船舶動力裝置和船員每天都需要消耗相當數量的淡水[8]，因此淡水作為一種寶貴的資源，除在出航前補充外，還會在航行期間通過船舶上配備的海水淡化裝置按需進行補充。因此，船舶在設計時會根據自身需求，選擇合適的海水淡化裝置。以表3 所列船舶為例，全船空調的冷凝水總量和海水淡化能力之比約為20%～50%（見表4）。其中，以貨品運輸為主的20 000 t散貨船和13 000 t重吊船的空調冷凝水總量為海水淡化能力的20%，艦船和某外貿船的空調冷凝水總量為海水淡化能力的50%。由此可見，假設空調冷凝水可以作為船用淡水的補充，則在船用空調系統運行時，該船的海水淡化能力至少可增加20%。

表4 船舶制淡能力和空調冷凝水總量對比

目前船舶上使用淡水的系統主要包括：1）用于機艙或上層建筑清洗的日用淡水系統；2）用于飲水機、餐廚等的飲用水系統；3）用于設備冷卻的淡水冷卻水系統；4）用于盥洗室、淋浴室和廁所沖洗的洗滌水系統；5）用于鍋爐的鍋爐給水和凝水系統；6）用于空調冷（熱）媒水的循環水系統。每型船根據自身的功能和使用需求分別具備一個或多個淡水系統，并配備相應的淡水艙、淡水柜和造水機。理論上，空調冷凝水作為淡水資源，可應用于上述任意淡水系統，但是空調設備產生的冷凝水中必然存在灰塵以及部分病菌[9]，故不能將其直接作為海水淡化裝置產生的淡水使用。飲用水對淡水的品質要求最高，用于盥洗室、淋浴室和清洗使用的淡水品質低于飲用水，而空調冷凝水在未經處理前，顯然無法達到這兩者對品質的要求。此外，用于鍋爐給水、設備冷卻水和空調冷（熱）媒水的內循環式的淡水，在船舶投入使用前已充注完畢，航行期間只需視情況稍作補充即可。對于部分直接使用海水對廁所進行沖洗的水系統而言，只需對空調冷凝水進行過濾、消毒和除菌，滿足水管不易堵塞的基本條件，即可投入廁所沖洗的使用中。

將空調冷凝水用于船上廁所沖洗，具有以下3個特點：

1）對于使用淡水洗滌水沖洗廁所的船舶而言，在夏季工況下，空調冷凝水的收集和再利用在理論上可節省不小于本船制淡能力20%的淡水量。

2）對于使用海水沖洗廁所的船舶而言，在夏季工況下，當空調冷凝水量收集到一定程度時，將海水切換成空調冷凝水使用，可在清洗廁所的同時順帶沖洗水管，減緩殘留海水對水管的腐蝕作用，提高水管的使用壽命。

3）將空調冷凝水用于廁所沖洗增加了對淡水資源的利用，在一定程度上增加了船舶的自持力。

3.2 船用空調冷凝水利用方案

空調冷凝水的收集量受外界環境溫濕度、空調設備的使用情況和使用時間影響，不能持續、穩定和長期地作為廁所沖洗的固定用水，卻可以周期性地為淡水壓力水柜補充淡水，或為廁所用具和管路提供清洗用水。

以某外貿船為例，該船采用真空便具，沖洗水量為35 L/(人·天)[6]，隨船人數滿員為196 人，則廁所配備的便具總沖洗水量為6.86 m3/天，小于空調冷凝水總量20.616 m3/天。由理論計算可知，本船的空調凝水總量能夠滿足廁所便具總沖洗量的要求。外貿船的廁所沖洗原理圖見圖2，該船的廁所用具采用洗滌水進行沖洗的，與其他淡水設備，如淋浴、洗臉池和廁所洗池等共用一套洗滌水系統。

圖2 外貿船的廁所沖洗原理

某外貿船在夏季航行期間產生的冷凝水量為20.616 m3/h，能達到本船海水淡化能力的50%。為此，可以在底艙設置1 個容積不超過20 m3/h 的冷凝水艙，并配置一套用于空調冷凝水收集、消毒、使用和泄放的系統（見圖3），用于廁所便具的沖洗。

圖3 空調冷凝水再利用原理

船用空調冷凝水再利用的具體實施方案如下：

1）由空調凝水艙收集冷凝水，艙內布置有靜電離子棒、低位傳感器、高位報警和高位泄放。靜電離子棒間隙輸出8 500 V 直流電源，在水中形成高壓電場，可實現殺菌、滅藻、除垢等改善水質的功能[10-11]，經高壓靜電離子凈化處理后的水質符合飲用水衛生標準：每毫升細菌總數不超過100 個[12]。當冷凝水不超過低位時，凝水泵和靜電離子棒無法啟動，避免2 個設備空載運行對自身壽命造成影響。當冷凝水處于高位時，凝水泵自動啟動，通過廁所便具和洗池進行泄放。此外，還設有高位泄放功能，用于凝水泵故障時的應急手動泄放。

2）淋浴和洗臉池之間采用電子三通閥連接，電子三通閥和其他淡水設備之間設置單向閥，用于防止空調冷凝水進入其他淡水設備。當空調冷凝水量不足低位時，電子三通閥關閉，各用戶直接使用洗滌水；當空調冷凝水量達到低位及以上時，電子三通閥開啟，廁所的便具和洗池使用空調冷凝水，其他淡水設備繼續使用洗滌水；當空調冷凝水量達到高位報警時，電子三通閥維持開啟狀態，凝水泵自動啟動，通過廁所的便具和洗臉池泄放冷凝水，在泄放的同時實現定時、定量沖洗廁所便具的功能。

3）如圖4 所示，在廁所內設置冷凝水控制箱，與廁所便具和洗池的沖洗開關聯鎖。當電子三通閥開啟時，使用廁所便具和洗池的沖洗開關，通過冷凝水控制箱啟動凝水泵，為用戶提供空調冷凝水。若使用過程中冷凝水液位低于低位傳感器，則冷凝水控制箱自動停止凝水泵，并關閉電子三通閥，切換至洗滌水系統后繼續為廁所便具和洗池供水，用來防止冷凝水液位過低引起的凝水泵空轉。此外，冷凝水控制箱與空調凝水艙內的靜電離子棒、傳感器、高位報警和水管上的電子三通閥聯鎖，可對靜電離子棒的運行時長和間隔時間進行設置。通過傳感器對水位的監控，啟動電子三通閥的轉向，通過高位報警的信號，操控凝水泵進行泄放，對凝水泵進行監控，當凝水泵故障時發出聲光報警。

圖4 冷凝水控制原理

上述方案可對空調冷凝水進行收集、消毒和使用，并具備安全報警、自動和手動泄放功能。除用于本船的洗滌水系統外，也可稍作調整來適應不同船型的廁所沖洗水系統。

4 結論

本文介紹了空調冷凝水的形成和處理方法，并分析了船用空調冷凝水的收集和利用方案。研究表明：將船用空調冷凝水用于廁所沖洗系統，能夠節省淡水資源、減輕船舶海水淡化的負擔，有效提升船舶航行期間的自持力。