船用空調(diào)冷凝水在廁所沖洗系統(tǒng)的應(yīng)用1

魏文俊，朱 磊，張傳崗，王 柳

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

0 引言

全船空調(diào)冷凝水系統(tǒng)是船用空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，用于處理空調(diào)設(shè)備在制冷時(shí)產(chǎn)生的冷凝水。冷凝水是由熱空氣中析出的水蒸氣凝結(jié)、積聚而成[1]，是一種品質(zhì)尚可的淡水資源。目前處理空調(diào)冷凝水的方法是將其直接排出舷外或落至艙底。對(duì)于在海上航行的船舶而言，這2 種處理方法均會(huì)造成冷凝水資源的浪費(fèi)和船舶運(yùn)營成本的增加[2-3]。本文對(duì)空調(diào)冷凝水的形成和處理方法進(jìn)行介紹，并對(duì)船用空調(diào)冷凝水的收集和利用方案進(jìn)行分析。

1 空調(diào)冷凝水的形成和處理方法

船用空調(diào)設(shè)備包括直冷式空調(diào)器、間接式空調(diào)器、柜式空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管和分體式空調(diào)等。空調(diào)設(shè)備在制冷時(shí)，與空調(diào)設(shè)備內(nèi)部的冷卻器進(jìn)行熱交換的空氣溫度降低，對(duì)應(yīng)的飽和含濕量會(huì)相應(yīng)減少。當(dāng)空氣溫度降低到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，水蒸氣會(huì)從空氣中析出并凝結(jié)成水[1]。

目前船舶對(duì)空調(diào)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(duì)于一般位于水線以上的空調(diào)設(shè)備，只需滿足在制船舶所參照的設(shè)計(jì)規(guī)范的要求即可（見表1）。冷凝水管所接的舷側(cè)排水孔要滿足高度要求，管路中設(shè)置的閥件要滿足安全要求，即可通過舷側(cè)排水孔直接排出冷凝水。當(dāng)冷凝水管的高度無法滿足規(guī)范要求時(shí)，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(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一處理。

表1 設(shè)計(jì)規(guī)范要求

2 空調(diào)冷凝水量計(jì)算

2.1 空調(diào)冷凝水計(jì)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(shí)并存的水蒸汽量定義為含濕量[1]。因此，只需計(jì)算空氣在被空調(diào)設(shè)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(diào)設(shè)備風(fēng)量；ρ為進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)的平均密度；d1為進(jìn)風(fēng)的含濕量；d2為出風(fēng)的含濕量。

引用《空氣調(diào)節(jié)》中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，為滿足冷凝水量的計(jì)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(duì)濕度；Pq為水蒸氣分壓力；d為含濕量；B為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；rho為干空氣密度；rho1為進(jìn)風(fēng)干空氣密度；rho2為出風(fēng)干空氣密度。

由式（1）～式（7）可知，只需測(cè)得每一型空調(diào)設(shè)備實(shí)際使用時(shí)的進(jìn)出風(fēng)狀態(tài)，即可算得冷凝水量。然而，該計(jì)算方法無法在船舶設(shè)計(jì)前根據(jù)預(yù)先定型的空調(diào)設(shè)備的制冷量和數(shù)量對(duì)冷凝水量進(jìn)行理論計(jì)算。本文對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，只需確定空調(diào)設(shè)備的制冷量和風(fēng)量、外界環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度，即可對(duì)該空調(diào)設(shè)備的冷凝水量進(jìn)行理論計(jì)算。

以某型風(fēng)機(jī)盤管為例，其風(fēng)量為800 m3/h，制冷量為4 000 kcal；空調(diào)設(shè)備的進(jìn)風(fēng)狀態(tài)取大氣環(huán)境狀態(tài)：干球溫度為34°C，相對(duì)濕度為65%。由于出風(fēng)相對(duì)濕度的范圍基本在85%～95%，其具體數(shù)值取決于風(fēng)速、傳熱溫差和空氣露點(diǎn)溫度等因素，故先取平均值為90%。將上述參數(shù)代入公式組，即可算出該空調(diào)設(shè)備的理論冷凝水量。其中，進(jìn)風(fēng)狀態(tài)是根據(jù)在制船舶所參照的設(shè)計(jì)規(guī)范中大氣溫度和相對(duì)濕度選取的。如表2 所示，各設(shè)計(jì)規(guī)范要求的艙外空氣條件的范圍為：氣溫32～35 ℃，相對(duì)濕度60%～80%。以此作為夏季工況下空調(diào)設(shè)備的進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，計(jì)算出1 kW 制冷量的空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的冷凝水量為0.000 55～0.001 04 m3/h，見圖1。

圖1 相對(duì)濕度與凝水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 各設(shè)計(jì)規(guī)范要求的大氣溫和濕度設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 空調(diào)冷凝水總量

將4 種不同船型的船舶作為研究對(duì)象，假定1 kW 制冷量的空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的冷凝水量平均值為0.000 77 m3/h，按上述方法進(jìn)行理論計(jì)算，可得出不同船型空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的冷凝水總量的理論值，見表3。

表3 不同船型空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的冷凝水總量的理論值

3 空調(diào)冷凝水收集利用

3.1 船用淡水系統(tǒng)冷凝水利用

對(duì)于長期在海上航行的船舶而言，船舶動(dòng)力裝置和船員每天都需要消耗相當(dāng)數(shù)量的淡水[8]，因此淡水作為一種寶貴的資源，除在出航前補(bǔ)充外，還會(huì)在航行期間通過船舶上配備的海水淡化裝置按需進(jìn)行補(bǔ)充。因此，船舶在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)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(diào)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(yùn)輸為主的20 000 t散貨船和13 000 t重吊船的空調(diào)冷凝水總量為海水淡化能力的20%，艦船和某外貿(mào)船的空調(diào)冷凝水總量為海水淡化能力的50%。由此可見，假設(shè)空調(diào)冷凝水可以作為船用淡水的補(bǔ)充，則在船用空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(diào)冷凝水總量對(duì)比

目前船舶上使用淡水的系統(tǒng)主要包括：1）用于機(jī)艙或上層建筑清洗的日用淡水系統(tǒng)；2）用于飲水機(jī)、餐廚等的飲用水系統(tǒng)；3）用于設(shè)備冷卻的淡水冷卻水系統(tǒng)；4）用于盥洗室、淋浴室和廁所沖洗的洗滌水系統(tǒng)；5）用于鍋爐的鍋爐給水和凝水系統(tǒng)；6）用于空調(diào)冷（熱）媒水的循環(huán)水系統(tǒng)。每型船根據(jù)自身的功能和使用需求分別具備一個(gè)或多個(gè)淡水系統(tǒng)，并配備相應(yīng)的淡水艙、淡水柜和造水機(jī)。理論上，空調(diào)冷凝水作為淡水資源，可應(yīng)用于上述任意淡水系統(tǒng)，但是空調(diào)設(shè)備產(chǎn)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(chǎn)生的淡水使用。飲用水對(duì)淡水的品質(zhì)要求最高，用于盥洗室、淋浴室和清洗使用的淡水品質(zhì)低于飲用水，而空調(diào)冷凝水在未經(jīng)處理前，顯然無法達(dá)到這兩者對(duì)品質(zhì)的要求。此外，用于鍋爐給水、設(shè)備冷卻水和空調(diào)冷（熱）媒水的內(nèi)循環(huán)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(bǔ)充即可。對(duì)于部分直接使用海水對(duì)廁所進(jìn)行沖洗的水系統(tǒng)而言，只需對(duì)空調(diào)冷凝水進(jìn)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(diào)冷凝水用于船上廁所沖洗，具有以下3個(gè)特點(diǎn)：

1）對(duì)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(diào)冷凝水的收集和再利用在理論上可節(jié)省不小于本船制淡能力20%的淡水量。

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

3）將空調(diào)冷凝水用于廁所沖洗增加了對(duì)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(diào)冷凝水利用方案

空調(diào)冷凝水的收集量受外界環(huán)境溫濕度、空調(diào)設(shè)備的使用情況和使用時(shí)間影響，不能持續(xù)、穩(wěn)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(bǔ)充淡水，或?yàn)閹镁吆凸苈诽峁┣逑从盟?/p>

以某外貿(mào)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(shù)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(diào)冷凝水總量20.616 m3/天。由理論計(jì)算可知，本船的空調(diào)凝水總量能夠滿足廁所便具總沖洗量的要求。外貿(mào)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(jìn)行沖洗的，與其他淡水設(shè)備，如淋浴、洗臉池和廁所洗池等共用一套洗滌水系統(tǒng)。

圖2 外貿(mào)船的廁所沖洗原理

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

圖3 空調(diào)冷凝水再利用原理

船用空調(diào)冷凝水再利用的具體實(shí)施方案如下：

1）由空調(diào)凝水艙收集冷凝水，艙內(nèi)布置有靜電離子棒、低位傳感器、高位報(bào)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(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)殺菌、滅藻、除垢等改善水質(zhì)的功能[10-11]，經(jīng)高壓靜電離子凈化處理后的水質(zhì)符合飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)：每毫升細(xì)菌總數(shù)不超過100 個(gè)[12]。當(dāng)冷凝水不超過低位時(shí)，凝水泵和靜電離子棒無法啟動(dòng)，避免2 個(gè)設(shè)備空載運(yùn)行對(duì)自身壽命造成影響。當(dāng)冷凝水處于高位時(shí)，凝水泵自動(dòng)啟動(dòng)，通過廁所便具和洗池進(jìn)行泄放。此外，還設(shè)有高位泄放功能，用于凝水泵故障時(shí)的應(yīng)急手動(dòng)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(shè)備之間設(shè)置單向閥，用于防止空調(diào)冷凝水進(jìn)入其他淡水設(shè)備。當(dāng)空調(diào)冷凝水量不足低位時(shí)，電子三通閥關(guān)閉，各用戶直接使用洗滌水；當(dāng)空調(diào)冷凝水量達(dá)到低位及以上時(shí)，電子三通閥開啟，廁所的便具和洗池使用空調(diào)冷凝水，其他淡水設(shè)備繼續(xù)使用洗滌水；當(dāng)空調(diào)冷凝水量達(dá)到高位報(bào)警時(shí)，電子三通閥維持開啟狀態(tài)，凝水泵自動(dòng)啟動(dòng)，通過廁所的便具和洗臉池泄放冷凝水，在泄放的同時(shí)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量沖洗廁所便具的功能。

3）如圖4 所示，在廁所內(nèi)設(shè)置冷凝水控制箱，與廁所便具和洗池的沖洗開關(guān)聯(lián)鎖。當(dāng)電子三通閥開啟時(shí)，使用廁所便具和洗池的沖洗開關(guān)，通過冷凝水控制箱啟動(dòng)凝水泵，為用戶提供空調(diào)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(dòng)停止凝水泵，并關(guān)閉電子三通閥，切換至洗滌水系統(tǒng)后繼續(xù)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(zhuǎn)。此外，冷凝水控制箱與空調(diào)凝水艙內(nèi)的靜電離子棒、傳感器、高位報(bào)警和水管上的電子三通閥聯(lián)鎖，可對(duì)靜電離子棒的運(yùn)行時(shí)長和間隔時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。通過傳感器對(duì)水位的監(jiān)控，啟動(dòng)電子三通閥的轉(zhuǎn)向，通過高位報(bào)警的信號(hào)，操控凝水泵進(jìn)行泄放，對(duì)凝水泵進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)凝水泵故障時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

圖4 冷凝水控制原理

上述方案可對(duì)空調(diào)冷凝水進(jìn)行收集、消毒和使用，并具備安全報(bào)警、自動(dòng)和手動(dòng)泄放功能。除用于本船的洗滌水系統(tǒng)外，也可稍作調(diào)整來適應(yīng)不同船型的廁所沖洗水系統(tǒng)。

4 結(jié)論

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