內河純電動客船空調系統方案設計及選型

鄧小軍，邱 延，何 寶，景彥銘

（1. 中船重工船舶設計研究中心有限公司，遼寧大連 116001；2. 中國船舶集團有限公司，上海 200011）

0 引言

電池及其管理系統（Battery Management System，BMS）[1]是純電池動力船舶的核心系統，其他系統的設計應盡可能適用于電池的供電模式（直流供電），輔助機械設備應盡可能選用低能耗、高效率的產品，以便減少電池的裝船容量。

在中大型客船上，空調系統能耗較高，根據以往常規柴電推進船型的配置經驗，整個系統所需電功率占到整個電力負荷的20%～30%，僅次于推進系統。對于純電池動力客船，空調系統設備的裝船功率將對電池容量的大小存在較大的影響。

本文對某型內河純電池動力客船空調系統開展方案設計及選型研究，提出可同步解決冬季空調供熱和生活用熱水的技術方案。方案在滿足航程要求的前提下，盡量降低電池裝船容量，減少船舶的初始投資，提高運營的經濟性。

1 項目基本信息

目標船舶為某型用于旅游觀光的客船，以純電池作為動力源，往返航行于湖北宜昌長江段的“兩壩一峽”航段。該船定員為乘客1 300 人，船員30人。船上設有5 層甲板，主甲板以上空間大部分為乘客艙及休閑娛樂區。該船不提供乘客住宿服務，不設乘客住艙。主甲板艉部設有船員住艙、廚房和船員餐廳。本船的總布置圖見圖1。

圖1 純電動客船總布置圖

2 空調系統方案設計與選型

2.1 船用空調系統與船型適用性分析

該船主要用途為旅游觀光，每天1 個航次，正常航行工況下單航次最長耗時約為10 h。根據當地氣象資料統計，該航段氣候類型為亞熱帶季風性濕潤氣候，夏季悶熱潮濕且高溫持續時間較長。6 月—8 月日均最高溫度超過30 ℃，日最高溫度可達40 ℃，相對濕度超過80%；冬季濕冷，1 月—2 月氣溫在5 ℃左右，最低氣溫可達到-5 ℃?？照{系統須具備較強的制冷和制熱功能。

船舶艙室常用空調系統可分為以下3 類：

1）全空氣直接膨脹式空調系統。

2）全空氣間接式空調系統。

3）空氣-水空調系統。

對比分析船舶常用空調系統的優點和缺點，結合船舶艙室布局、乘客活動特點、空調系統舒適度等級、可用冷熱源系統匹配等因素，對常用船用空調系統類型與船型適用性進行分析（見表1）。

表1 空調系統類型與船型適用性分析

本船的空調處所集中布置于主甲板、宴會甲板、陽光甲板和駕駛甲板，空調處所面積較大，乘客數量較多?？紤]到觀光需求，兩舷側設置了大面積的玻璃窗，環境熱傳導及陽光熱輻射較強。船上乘客進出客艙的頻率較高，夏季頻繁開門將促進室內外空氣對流，產生較多的滲入得熱，室外人員進入客艙內休息，也將帶進來較多的熱量。冬季則相反，乘客活動往往會給室內帶來較多的冷負荷。受此影響，客艙內的溫度和濕度難以實現精準控制。根據船上乘客的實際活動規律（大部分乘客在客艙休息的時間不會太長）及出行衣著偏好，當夏季室內溫度維持在23～27 ℃、冬季維持在18～22 ℃時，乘客對客艙內外的溫差感覺明顯，但對空調系統的精度不會有直觀的感受，故空調系統在設計時可不參照常規國際航行船舶空調系統設計標準[2]，只要保證乘客在客艙內休息時的舒適度即可。

由于乘客數量較多，其對客艙和公共活動區域面積的需求較大，為盡可能擴大乘客艙及公共活動區域的面積，在主甲板以上區域應考慮盡量減少機器處所占用的空間。由于乘客對空調系統設計精度 的要求不高，該船可以不設集中處理空氣的空調機室，而僅在末端設置風機盤管和新風機，室內設置溫度傳感器和CO2濃度檢測儀。風機盤管根據艙室溫度的變化自動調節循環風量，新風機根據CO2濃度自動調節新風供風量。這種不設空氣集中處理設備的空調設計方案既能節省甲板平面空間，又能避免供風機運轉產生的噪聲和振動影響。

根據空調系統適用性分析結果，空氣-水空調系統為最佳設計方案。下文將對該方案的可行性和經濟性進行進一步分析論證。

2.2 可行性分析

空氣-水空調系統是指以空氣和水為介質共同承擔所控制環境的冷負荷、濕負荷或熱負荷的系 統[3]。該系統向房間內送入處理后的空氣，并在房間內設有以水作為介質的末端設備，對室內空氣進行冷卻或加熱。使用風機盤管作為主要熱交換設備，對房間內的空氣進行循環冷卻/加熱。使用新風機連接冷/熱媒水管，對新風進行適當處理，避免因新風送風溫差過大而對新風出風口下方周圍的乘客造成不舒適的體感。

對于安裝燃油發電機組和熱水鍋爐的船舶，空氣-水空調系統中的冷媒水通常由冷水機組制取，熱媒水則需通過熱水鍋爐提供。然而，對于純電動船，不宜再設置燃油熱水鍋爐或電熱水柜，前者與純電動綠色船舶的設計理念相違背，后者制熱效率毫無優勢，消耗電能較多，會對電池的裝船容量及運營經濟性產生不利影響。因此，要進一步考慮將陸地上已成熟的水源熱泵空調技術引用到船上使用。

在水源熱泵空調系統的設計方案中，水源的溫度變化將影響熱泵機組的效率，甚至會影響到機組的正常運轉。對于夏季制冷工況，江水溫度低于大氣溫度，且不超過35 ℃，江水作為制冷劑冷卻介質不存在任何技術問題，完全滿足空調設備正常運轉的要求；對于冬季制熱工況，當江水溫度接近5 ℃時，若將低溫江水作為低品位熱源，則其在氣化制冷時可能會達到冰點進而造成管路堵塞，給機組正常運行帶來隱患。為確保機組運行正常，通常要求進入蒸發側的外部水源的溫度不得低于10 ℃。針對此隱患，純電動船具有得天獨厚的便利解決條件，由于主直流母線變頻控制配電系統的散熱量較大（目標船該系統的散熱量為205 kW），需設置水冷卻系統進行散熱?？蓪⑴潆娤到y換熱器的出口江水作為熱泵蒸發器的熱源，這樣僅需使用一套熱交換系統即可將配電系統的廢熱加以回收利用，進而解決低水溫環境下熱泵機組管路結冰堵塞的難題，并能進一步提高熱泵系統的能效比。水源熱泵機組的基本構成見圖2。

圖2 水源熱泵機組的基本構成

在船舶領域，空調熱泵系統已通過實船試驗[4]，2014 年，中國船級社承擔的工信部國家高技術船舶科研項目“熱泵技術在船舶領域的應用研究”已通過驗收評審?？照{熱泵系統也已應用于“長江黃金”系列游船上，并取得了良好的節能效果。

2.3 經濟性分析

能效比是衡量空調系統經濟性的一個重要參數，能效比越高，說明空調系統越節能。根據專業船用空調廠家設備標定數據換算，水源熱泵空調冷水機組在制冷工況的能效比超過4，制熱工況能效比接近4，具有非常好的節能效果。目標船運營航段的水質相對較好，而且提取和排放極為方便，江水可作為天然的冷源和熱源加以利用。對于春季、夏季和秋季，江水可用于冷卻制冷劑、間接制取冷媒水，用于船舶空調制冷；對于冬季，江水的低品位熱能將被制冷劑吸收，通過熱泵技術有效提取，間接制取熱媒水，不但可用于船舶空調系統的供暖，還可用于船舶日常生活用水。在正常航行工況下，水源熱泵空調冷水機組完全可以替代熱水鍋爐或電熱水器，大大降低燃油或電能的消耗，也能節約熱水設備的初始投資和運營費用。因此，從經濟性方面分析，熱泵型空調冷水機組非常適合在純電動船上應用。

2.4 選型方案優化

船用水源熱泵機組可分為常規型和模塊組合型。對于常規型機組，若配備非變頻壓縮機組，則其能量調節通常為固定的幾個擋位，調節范圍相對固定；若配備變頻壓縮機組，則價格較高，且初始投資較大。

模塊組合型機組由若干臺相對獨立的小型冷水機組單元組成。相對于常規型機組，模塊組合型機組能夠根據實際負荷需求靈活調節能量，不僅可實現單個機組的變負荷工作，還可以自動增加或減少模塊機組的工作臺數。模塊組合型機組的能量調節范圍更廣、更精細，也更節能。從初始投資角度考慮，當制冷量在7 kW 以上時，模塊組合型機組與常規型機組的報價基本一致，在價格上具有同等競爭力。模塊組合型機組示意圖見圖3。

圖3 模塊組合型機組示意圖

為配合模塊組合型機組的使用，冷卻水泵、冷媒水泵、風機盤管均采用變頻控制，以便進一步節省電力消耗。

2.5 空調系統優選方案

使用中國船級社《郵輪空調系統檢驗指南》（2017）[5]中空調負荷計算方法對全船空調系統負荷進行計算，計算結果見表2 和表3。

表2 夏季空調系統冷負荷

表3 冬季空調系統熱負荷

該船空調系統選型方案如下：

1）全船客艙艙室布置2 套（一用一備）熱泵型模塊組合型空調冷水機組，每套機組包含6 臺小型冷水機組單元，為全船客艙提供空調冷/熱媒水及客艙洗手盆用熱水。每套機組的額定制冷量約為421 kW，額定電功率約為100.8 kW，制冷工況能效比約為4.18；每套機組的額定制熱量約為 484 kW，額定電功率約為120.6 kW，制熱工況能效比約為4.01。

2）船員艙室區獨立布置1 套熱泵型空調冷水 機組，包括4 臺小型冷水機組單元，分別為全船船員艙室、駕駛室、變頻器艙、值班室和電池艙提供空調冷/熱媒水。每套機組的額定制冷量約為140 kW，額定電功率約為34 kW，制冷工況能效比約為4.12；每套機組的額定制熱量約為167 kW，制熱額定電功率約為43 kW，制熱工況能效比約為3.88。

3）根據所需制冷量和制熱量為空調艙室配置 風機盤管。

4）客艙設置新風機，兩舷側位置均布置新風進口，新風機的風量按15 立方米/(人·時)選配。

5）客艙區設有溫度及CO2濃度傳感器，可根據需要自動調節客艙區的溫度及新鮮空氣量。

6）空調冷卻水泵、冷媒水泵、風機盤管、新風機均采用變頻控制。

7）在客艙門口上方布置風幕機以提供垂直氣 流，盡量阻斷室外空氣的滲入，進而減少開門引成的冷熱損失。

3 結論

大型化和遠程化是純電動船未來發展的趨勢，減少蓄電池裝船容量有助于增強純電動船的經濟性。本文對某型內河純電池動力客船空調系統開展方案設計及選型研究，提出可同步解決冬季空調供熱和生活用熱水的技術方案。該方案解決了船上水源熱泵空調系統在低水溫應用中的瓶頸問題，對后續類似中大型純電動客船的空調設計選型具有良好的借鑒性和推廣價值。