海水源变频模块化冷热水机组在船舶中的应用

戴 晶，陈剑波，印文理

● （上海理工大学，上海 200093）

海水源变频模块化冷热水机组在船舶中的应用

戴 晶，陈剑波，印文理

● （上海理工大学，上海 200093）

本文介绍了一种新型海水源变频模块化冷热水机组在某船舶中的应用，包括项目概况、负荷计算过程、机组比选和方案介绍等。并列出了全船空调整系统的原理图。

全水系统；变频；负荷计算；启动电流；低频运行；经济性分析；空调系统图

0 引言

近十年来，我国船舶工业蓬勃发展，按船舶载重吨位计算，2012年前三季度，中国船舶已经占到全球市场份额的40.6%[1]。随着船舶业的发展，舱室内人员对室内环境舒适性要求也逐渐提高，各种空调在船舶中的应用越来越广泛。 变频空调技术因其节电、高效、低噪音等优点越来越受到人们青睐，目前在楼宇建筑大型中央空调及家用空调中应用已经较广泛。 但经过文献的查阅可得出，变频空调技术在船舶领域中的应用还很少，鉴于此，本文介绍了一种海水源变频模块化冷水热机组在某船舶中的应用。

1 项目概况

该船空调区域包括驾驶甲板、艏楼甲板、主甲板、舱底4个甲板的18个大小不等的舱室。各舱室功能各异，包括船员舱室、餐厅 、厨房、驾驶室、作业仪器室和机舱值班室等，全船空调区域总面积约为248.5m2。该船空调区域平面布置图见图1。

按负担室内空调负荷所用的介质来分类，船用空调系统可分为全空气系统、空气-水系统、全水系统及制冷剂系统[2]，该船采用全水系统。空调机组选用海水源变频模块化冷热水机组，空调末端使用3种形式的风机盘管对各个舱室进行空气处理，新风通过门窗渗漏来满足。

图1 全船空调区域平面布置图

2 负荷计算

2.1 负荷计算过程[3]

表1为船舶工况舱内外设计计算温度。

表1 船舶工况舱内外设计计算温度

1）夏季降温工况，空调系统总热负荷按式(1)计算

式中：φ为总热负荷，W；φ1为舱内得热量，W；φ2为风机热量，W；φ3为送风管内空气温升热量，W；φ4为回风温升热量，W；φ5为新鲜空气热量，W；ρ为空气密度，1.2kg/m3；V’为由空调器送入各不受规定温度、湿度参数限制局部冷却的舱室以及其他舱室的风量，m3/h；Δi为空调冷却器出风焓差，kJ/kg。

由于该船没有特殊舱室，所以冷负荷计算中忽略∑ρV’Δi项。

2）冬季采暖工况，总热负荷按式(2)计算：

式中：φ’为采暖工况热负荷，W；φ1’为舱内热损失，W；φ5’ 为加热新鲜空气热量，W；ρ为空气密度，1.2kg/m3；V’为由空调器送入各不受规定温度、湿度参数限制局部冷却的舱室以及其他舱室的风量，m3/h；Δi’为空调冷却器出风焓差，kJ/kg。

由于该船没有特殊舱室，所以冬季采暖热负荷计算中也忽略∑ρV’Δi’项。

2.2 计算结果

全船空调区域总冷负荷 125kW，各个房间的冷负荷指标为 179W/m2～860W/m2；总热负荷 91kW，各个房间的热负荷指188W/m2～912W/m2。各舱室负荷指标见表2。

表2 各舱室冷热负荷计算结果

3 方案确定过程

3.1 方案设计

根据各方综合考量，该船空调方案确定为：海水源热泵冷热水机组+热水锅炉+风机盘管的全水系统。海水源热泵冷热水机组提供全船所需的冷热负荷，在冬季温度较低时，切换到热水锅炉，通过热水锅炉及热水板式换热器加热冷媒水给全船供暖。末端根据舱室的要求采用不同形式的风机盘管，通过门窗渗漏提供所需新风。

3.2 冷热源机组比选

3.2.1 冷热源机组选择

该船可选用两种冷热源机组。

冷热源机组一：船用模块化冷热水机组。包含三个模块单元，制冷制热量52.7kW/单元，总制冷制热量158.1kW。机组制冷制热量变化范围为52.7kW～158.1kW。机组配置图见图2。

图2 船用模块化冷热水机组配置

冷热源机组二：海水源变频模块化冷热水机组。也包含三个模块单元，两个单元为常规定频模块，制冷制热量52.7kW/单元，一个单元为变频模块，模块制冷制热量为25.2kW～81.3kW，变频模块运行频率范围为30 Hz～90Hz。机组总制冷制热量变化范围为52.7kW～186.7kW。机组配置图见图3。

图3 海水源变频模块化冷热水机组配置

3.2.2 两种冷热源机组特点对比

1）制冷、制热速度，对水温的控制精度。

机组一启动后，三个模块依次按顺序打开，机组进入制冷、制热状态，机组通过舱室内负荷的变化来控制各模块的启停，当回水温度低于设定温度1℃时关闭1个模块，当回水温度高于设定温度1℃时开启一个模块。机组二开启后，三个模块也是依次按顺序打开，变频模块最后启动，启动后变频模块立即高速运转，迅速冷却或加热舱室内空气，然后根据舱室内负荷变化自动调节频率控制压缩机转速，将回水温度与设定温度之差控制在0.5℃之内。显然，机组二制冷、制热的速度以及对水温的控制精度都要高于机组一。

2）启动性能、适应船用发电机负荷能力。

机组一的三个模块单元均为常规定频模块，启动时逐个模块启动，定频模块采用直接启动，启动时间较快，启动瞬间电流为模块额定运行电流的5倍～8倍[4]；机组二启动时先启动2个定频模块，最后再启动变频模块，变频模块启动时间相对定频要慢，压缩机转速由最低频率转速慢慢变化至额定转速，启动电流也由最低频率电流慢慢增至模块的额定电流。显然，机组二的启动电流要远远低于机组一。

根据设计要求，该船空调系统总的用电负荷约占该船发电机总负荷的30%，由此可见空调系统是该船的用电大户。同时，由于船舶上采用独立的发电系统，因而发电机供电的稳定性尤为重要。机组二的变频模块的启动电流较小，因而机组所产生的电压降也较小，从而提高了发电机供电的稳定性。而机组一启动电流较大，产生的电压降较大，不利于发电机组供电的稳定性。

3）适应舱室空调负荷的能力。

大连理工大学的高山对某航区的的某船员舱室动态负荷做了详细计算[5]，如图4所示。

图4 某航区某船某舱室空调动态负荷

参考图4可知，船舶舱室空调一天内负荷波动性还是比较明显的，其19点时的最大负荷约为18点最小负荷的2.5倍，其它时段空调负荷也有不同程度的波动。由此可知，船舶空调负荷的波动性比较大，尤其是一些特殊的时段。因而对于航行中的船舶由于航区的不断变化其总的空调负荷的波动性也表现得更为明显。

机组一只能通过模块的启停来适应整船的负荷变化，水温波动范围可达 2℃。由于船舶空调负荷波动性明显，会造成机组频繁启动，可能会造成舱室内环境忽冷忽热，影响空调的舒适性，同时不利于机组的寿命。

机组二可通过变频来适应整船的负荷变化，机组制冷制热量变化范围为52.7kW～186.7kW。船舶舱室内负荷较小时机组控制在低频状态运行，负荷较大时则自动调节至高频状态，而无需频繁启停，也不会出现忽冷忽热的情况，控制水温波动范围不超过0.5℃，最高精度可达0.1℃，同时也增加了机组运行寿命。当遇到极端天气时，空调负荷可能超过设计的额定负荷，机组二可通过高频运行来达到要求，机组一则不能满足这一要求。

综上知，机组二相比机组一能更好的适应船舶空调负荷的波动。

4）定频模块与变频模块运行性能比较。

在制冷模式下，冷却水进水温度 25℃时，对变频模块性能做了相关的实验测试，分别测定了频率为45、50Hz时变频模块的制冷量、耗电量并通过计算得出两种频率下的EER值。详细的制冷量、耗电量、EER值及不同频率下的趋势线如图5、6所示。由图5、6可知，变频模块在低频运行时其制冷量及耗电量随着频率下降而下降，其EER值随着频率的下降而上升。其50Hz运行时的参数可视作是同等工况下定频模块的运行参数，由此可知变频模块在低频运行时耗电量要低于定频模块，EER值要高于定频模块

图5 冷却水进水温度25℃时不同频率下的制冷量、耗电量

图6 冷却水进水温度25℃时不同频率下的EER值

图7是制热模式下，蒸发侧进水温度12℃时对变频模块做的相关测试，分别对应50、60、70Hz时机组的制热量、耗电量。由图7可知，变频模块在高频运行时其制热量及耗电量都随着运行频率上升而上升。同样其50Hz运行时的参数可视作是同等工况下定频模块的运行参数，由图6可知变频模块在高频运行时其制热量要大于定频模块，同时耗电量上升。

图7 蒸发侧进水温度12℃时不同频率下的制热量、耗电量

众所周知，在船舶航行过程中，船舶空调负荷是不断变化的，大量统计数据表明，平均运行负荷一般在50%～60%[6]。当采用机组一时，机组只能根据负荷变化而启停各个模块。而使用机组二时，机组会根据负荷的变化调节到低频或高频运行状态，并且大部分时间将处于低频运行的模式。在低频运行时变频模块EER值上升，耗电量减小，所以能起到一定的节电节能效果。

5）机组性能特点对比汇总。

表3为机组性能特点比较。

表3 机组性能特点比较

3.2.3 冷热源机组经济性比较

1）初投资

机组初投资主要是两个冷热源机组的设备费用，经概算及厂家提供的报价，机组一初投资为36万元，机组二初投资为44万元。

2）年运行费

年运行费主要包括燃料费(通过用电量折合成消耗燃油量)初步估算[7-8]：

（1）夏季使用空调按140d计算，冬季年使用天数按70d计；

（2）定频模块节能系数按0.95计，变频模块节能系数按0.435计；

机组一燃料费：

(51.3×(140+70)×24×0.95×0.22)×5.5=297205.15 元

机组二燃料费：

(34.2×(140+70)×24×0.95×0.22+17.1×(140+70)×24×

0.435×0.22)×5.5=242499.85元

通过估算，每年机组二比机组一可节省运行费：

297205.15-242499.85=53705.3元

机组二投资回报期估计为：

(440000-360000)/53705.3=1.5年

3）环境效益

由以上的估算可知，机组二相对机组一理论上每年可节省约18%的一次能源，大大减少废气及温室气体的排放，在注重节能环保的今天显得尤为重要。

4）使用寿命

根据厂家提供的数据及综合考量，机组一使用寿命在8年～10年，机组二使用寿命在10年～12年。

5）维护管理

机组一维护管理方便，系统简单、可靠；机组二维护则相对复杂。

6）两机组经济性比较汇总

两机组技术经济分析比较如表4所示。通过以上分析比较可看出，在初投资方面机组二比机组一要高出约22%；年运行费方面：机组一约高出机组二18%，可算得使用机组二的投资回报期仅1.5年左右。另外，在环保、使用寿命方面，机组二优于机组一，但在维护管理方面机组一优于机组二。

表4 机组各项经济性比较

3.2.4 机组最终确定

综合考量机组一及机组二的机组特性和经济性，最后确定使用机组二，海水源变频模块化热冷水机组。

3.3 空调管系主要附件配置

板式热水中间换热器1台，热交换量120kW；海水泵2台，一用一备，流量55m3/h；循环水泵2台，一用一备，流量40m3/h；其他管路阀等附件若干。

3.4 空调末端及新风

根据全船舱室的布局及各舱室冷量的分配选用不同类型的风机盘管，全船共使用22台风机盘管，风量范围为680m3/h～1380m3/h不等。大部分舱室末端风机盘管选卡式风机盘管，个别舱室选用顶置卧式暗装风机盘管及立式暗装风机盘管。风机盘管形式见图8。

图8 三种形式风机盘管(从左到右依次为，卡式风机盘管、顶置卧式暗装风机盘、立式暗装风机盘管)

各舱室使用风机盘管详细类型见表5。

表5 各舱室风机盘管类型明细

卡式风机盘管采用四周上送风，中间上回风形式；顶置卧式暗装风机盘管采用上侧送风，同侧上回风形式；立式暗装风机盘管选用下侧送风，同侧下回风形式。

新风主要通过门窗渗漏来满足舱室内人员对新风的需求。

3.5 全船空调系统图

全船空调系统图见图9。

图9 全船水管系简图

4 结论及展望

4.1 变频冷热水机组运行性能有显著优势

海水源变频模块化冷热水机组配备变频模块，相对定频机组其制冷制热速度快，对水温控制精度高，启动电流小提高了船用发电机组供电的稳定性，其适应负荷能力强，能适应船舶空调负荷较强的波动性，大部分时间处于低频运行状态，不会因频繁启动而出现忽冷忽热的情况，增加了空调的舒适性。在低频运行状态时可减少耗电功率、EER值上升，在极端工况下可实现高频运行，从而满足舱内冷热负荷的要求。

4.2 变频冷热水机组经济性优点多

在经济性方面，海水源变频模块化冷热水机组相对定频冷热水机组初投资高，但年运行费用低，投资回报时间短，仅为 1.5年。在环保、使用寿命方面都有一定优势，但维护管理要复杂一些。

4.3 变频冷热水机组的优点需在实际运行中确认

该船空调系统选用新型的海水源变频模块化冷热水机组，其适应空调负荷变化的能力对船用发电机供电稳定性及运行过程中节电节能等方面的优点还有待在船舶运营过程中验证。这个希望得到业内人士的进一步论证，以得到较好的运用、运营效果及大范围的推广。

[1]王吉武.前三季度世界船舶工业暗流涌动[J].船舶经济贸易,2012(11):11-12

[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册第二版 [M].北京:中国建筑工业出版社,2008:1675-1678.

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[4]李伟,张艺云.电机不同的启动和运行方式在大型中央空调系统中的应用[C]//四川省电子学会传感技术专委会第11届学术年会论文集,2011:189-192.

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Application of Sea Water Variable Frequency Modular Chillers Air Conditioning Unit in Ship

DAI Jing,CHEN Jian-bo,YIN Wen-li
(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

This paper is mainly about a new type of sea water variable frequency modular chillers air conditioning unit applicated in a ship,including the project profiles,load calculation,comparison and election of the air conditioning unit,program description,etc.,and the whole ship air conditioning system schematic is listed.

entire water system; variable frequency; load calculation; starting current; low frequency operation; economic analysis; air conditioning system schematic

TP 183

A

戴晶(1985-)，男，硕士研究生。研究方向：供热、供燃气、通风及空调工程。