船舶空调负荷特性及制冷形式

［全］船舶空调负荷特性及制冷形式

一、船舶空调负荷特点及特性

船舶空调负荷随航区、航行时刻发生变化。

・通风负荷占总负荷的51.92%;

•而舱壁导热和辐射负荷仅分别占总负荷的7.47%和

6.68%;

•在同一航区同一时刻，功能舱室最大负荷为最小负荷的

2.684倍;

•可变舱室负荷的91.72%受室外温度变化的影响。

对于定航线船舶空调设计，应考虑航行途中航向角变化导

致的负荷波动。

所以根据目前船舶空调设计，舱内外空气设计条件可根据

航区进行分类，如表1所示。

表1船舶空调设计温度和湿度茶件一

舱外舱内

季节干球温相对湿干球温相对湿

度FC度/%度”度/%

夏季32〜3660〜7026〜2850

冬季—20—550-7520-2230-40

1.1热负荷特性

船舶热负荷计算通常为舱内传入热、人员散发热量、照明

热、食物热以及舱内设备发热的总和。其中，部分船舶设备散

热量较大，如侧推装置和舵桨装置，需要为其配备专门的通风

空调系统才能保证其正常运行。

同时，在全船住舱供暖运行时，这些设备舱室仍需供冷运

行。军用舰船上大功率电子设备应用广泛，且瞬时发热速率大，

发热波动幅度大，因此，要求制冷系统具有强大的调节能力，

同时要求制冷系统在非工况条件下的性能有保障。

1.2湿负荷特性

海上空气的湿度较大，尤其是夏季运行环境，空气中水雾

较多，新风湿负荷较大。对于潜艇，舱室人员多，设备组成复

杂，内部局部相对湿度高达80%。在某些设备舱室如机房、低

温实验室等产生凝结水会影响设备运行，为了提高舱室舒适性

并保证设备正常工作，需进行除湿处理。

1.3新风特性

船舶舱室多为密闭空间，室内污染物容易聚集，在条件允

许的情况下，应尽量增大新风量，改善空气品质。一般船用空

调的新风比为50%,有些甚至要求达到80%,新风的能耗占

整个空调系统的55%以上。

船舶空调系统的新风一般是多台空调机组通过1个公共新

风口引入，若在设计时对新风阻力考虑不充分，则可能造成新

风系统相对回风阻力较大，整个新风系统处于负压区，从而导

致新风量不足，空气品质差。由于船舶空间有限，新风口的引

风口与排风口有一定距离，通常新风口与排风口分别设置在两

舷，且随着船舶的航行风向，防止新风口吸入排气，通常新风

口设置在脑部，排风口设置在船翳。

1.4洁净度特性

船舶空调的送风往往由新风与回风混合、过滤后经处理而

成，因此，新风是影响送风空气洁净度的主要因素。海洋大气

中的颗粒物和盐雾水汽等被吸入风道后，会沉积在换热器、风

机和管道等设备的表面，导致设备性能下降，缩短使用寿命。

目前的做法通常在进风口增设除水雾百叶窗，该百叶窗由

叶片式除雾器和介质过滤器组成，采用惯性分离技术，其可在

含液量较低的气流中将液态颗粒分离出来。对于船舶上的医疗

区域如手术室等洁净用房，需要保证一定的洁净度。无菌环境

的实现不仅依靠过滤除菌技术，还需要合适的气流控制技术。

二、船舶制冷的4种形式

船舶上的制冷装置通常为单级蒸气压缩式制冷循环。

船舶空调加热来源通常为燃油锅炉产生的高温饱和蒸气，

目前对绿色船舶的要求严格，在很多客船上，利用船舶余热和

废热作为热源，通常为船舶主机高温缸套冷却水换热或是通过

废气锅炉收集的主机排气余热。船舶空调加湿来源通常为船用

锅炉蒸气、蒸气发生器以及水和压缩空气。

空调系统通常为一次回风系统，货运船舶一般采用全空气

系统。客船、公务船这类人员多，舱室种类复杂的船型较多采

用空气-水系统。船舲空调风管系统分为单风管和双风管系统，

2种系统的优、缺点对比如表2所示。

双风管系统广泛适用于豪华客船或有较高要求的商船上。

对于船舶上通常采用的直接膨胀式。

表2船舲单双风管系统优点和缺点对比d

单风管双风管

便于操作、维修和管

设备简单，初投资少,

理，控制能力强。系

风管中的冷量损失小

统可靠，维修性好

无法同时满足不同舱放样施工困难，系统

室的温度和湿度要求能耗及造价较高

双风管系统广泛适用于豪华客船或有较高要求的商船上。

对于船舶上通常采用的直接膨胀式制冷系统，双风管系统更适

合于满足不同区域的分别调节，对外部环境变化的适应性更好。

但受船上空间限制，船上空调系统多为单风管、中压和中速集

中式定风量空调系统，通过调节布风器送风量控制室温，但通

常室内新风量得不到满足，影响了舱室内的卫生条件，因此，

采用末端再加热的单风管集中式空调系统。

第一种：蒸气压缩式制冷

目前，大部分船舶制冷原理仍是蒸气压缩式制冷，制冷装

置中的冷凝器一般使用海水或中央冷却水系统的低温淡水作

为冷却介质。空调系统是船舶耗电大户，据统计，万吨级以上

的民用船舶空调系统及伙食冷库能耗占总能耗的18%，客轮和

邮轮则超过总能耗28%。随着国际海事组织(IMO)对船舶能效

管理的要求日益严格，降低船舶制冷空调系统的能耗已成为落

实船舶节能减排的重要内容。目前，船舶余热的新型节能制冷

方式中，采用蒸气喷射式制冷和吸附/吸收式制冷技术。

第二种：蒸气喷射式制冷

蒸气喷射式制冷能够利用低品位热能驱动，在船舶上的应

用有一定可行性。船舶废气锅炉所产生的蒸气可直接作为蒸气

喷射式制冷的流体，其原理图如图1所示，

喷射器

废

气

锅

炉

大气冷凝器

热水井

图1蒸气喷射式制冷原理图白

第三种：吸附/吸收式制冷技术

吸收式和吸附式制冷均能够利用低品位热能驱动。大部分

船舶上主要动力推进装置为柴油机，受卡诺循环的限制，其热

效率只有约50%存在于排烟和循环冷却水中大量的废热可作

为驱动制冷机组的可行热源。船舶吸收式制冷系统原理图如图

2所示。

发生器II

节流阀船舶余热

—高压

-低压

图2船舶吸收式制冷系统原理图d

以1艘万吨级的远洋船为例，全船余热可足够满足空调和

冷藏系统的热量需求。

在船舶上应用吸附/吸收式制冷技术可充分利用船舶排气废

热，节能降耗，同时可以解决CFCs工质的环保问题。但受船

舶空间所限，后续研究需提高系统制冷效率，减小系统装置体

积。由于船舶特殊的航行环境，倾斜、摇摆和振动情况较多，

这对船舶制冷系统运行的可靠性提出更高要求。对于吸收式制

冷，在船舶摇摆或倾斜时，溶液容易从发生器内进入冷凝器或

从吸收器内进入蒸发器，从而污染制冷剂，导致不能正常运行，

因而，吸附式制冷相对于吸收式制冷更能适应船舶航行环境和

工况变化带来的余热波动。未来研究船用吸附剂时，需考虑其

吸附性能在船舶运行环境中的稳定性。

第四种:LNG(liquefiednaturalgas)冷能利用技术

为了控制船舶污染，打造绿色低碳船舶，以LNG为燃料的

船舶越来越多。LNG通常要被气化后应用，在此过程中会产生

大量的冷能。根