GOTLAND 客滚船空调系统设计

黄胜明 李伟增

（广船国际技术中心）

0 前言

Gotland 客滚船是我司为瑞典Gotland 航运公司建造的“天然气（LNG）/燃油”双燃料高端豪华客滚船，定员1730 人，共有169 个住舱，4 个公共大厅。本船的空调系统除了满足一般的常规要求以外，还满足了安全返港和室内环境（indoor climate）DNV-GL 船级社COMF-C(1)/COMF-V(2) 舒适性要求和天然气（LNG）冷量回收。下面是该船空调系统的详细情况介绍。

1 参数

1.1 设计条件

1.1.1 温度条件

温度的控制范围按照DNV-GL 规范舒适度1 级的要求，把上建区域分4 类（A/B/C/D），每一类型分别有不同要求，对于温度的控制又分成两大类（AB/CD），区域类型的划分以及温度的确定按DNV-GL 规范选取。

冷却/预热媒介：冷媒水+6°C/+12°C 预热水+37°C/+12°C

再加热媒介：热媒水 +80°C/+60°C

1.1.2 噪音条件

由于通风系统中的空气动力、机械和电磁产生的噪音是船舶噪声的主要来源之一，因此对空调通风系统的设计包括设备选型、风速设计以及消音器的设置等都提出了更高的要求。本船需满足噪音要求COMF-V(2)、规格书和MSC.337（91）三方面。

对比发现，规格书的要求比最新生效的MSC.337（91）要高，而COMF-V(2)的要求比规格书还要高。另外规格书还额外要求在舱室内的通风进/出口附近1m 处噪音不得超过45dB，因此空调机室的新风管设计、排风管设计、百叶窗的选型和以及消音器的设置等尤为重要。

1.2 容量计算

通过热负荷计算，从而计算出船上的通风量、制冷量、水加热量和流量等参数，最终计算结果如下。

送风量：

（1）舱室和其它船员上建系统（包括驾驶室和各种小空间）：15m3/s

（2）公共系统（包括梯道和各种特殊区域如干粮库，ECR 等）：41m3/s

（3）厨房：6m3/s

制冷量：2120kw

加热量（水系统）：

（1）预热系统：850kw

（2）再加热系统：900kw

水流量：

（1）制冷/预热系统（包括空调器、风机盘管）：84 l/s

（2）再加热系统：11 l/s

2 设计原理

2.1 预处理水系统

冷却模式。空气通过冷水机组制冷后的循环水（水+15%乙二醇混合溶液）在空调器被制冷。全船共有2 台冷水机组（每台冷水机组含两台压缩机2x25%），每台冷水机组的制冷量为总制冷量的50%，冷媒水泵变频控制（维持流量不变），一备一用，冷却海水也为变频控制，通过海水管路的压力传感器根据压缩机运行情况自动调节冷却水水量。

制冷设备的容量根据真实负荷控制。制冷设备的启动、停止和控制按照保持回水温度在设定点12°C，空调系统的所有动作都是为维持回水温度在12℃。除了驾驶室外，其他空调器制冷盘管不设三通流量调节阀，因为如果冷媒水可以旁通，则意味着提高了送风温度，风量就不需减小，这样风机的能耗没有节省下来。当整体的负荷降低时，冷水机组就会减少冷量输出，使送水温度升高，从而维持回水温度在12℃，但由于制冷/预热水进空调器盘管采用的是定流量设计，全船共19 台空调，每台空调的负荷不同，使所有空调服务的区域都能达到设定温度比较困难，因此送水温度的设计输出尽量低，以满足高负荷区域，对于其他低负荷区，通过再加热系统来满足。因此再加热系统是全年必须常开的，在不需要加热的时候，再加热水通过空调器前的电动三通流量调节阀进行旁通。

夏天期间，本船制冷优先使用LNG 冷量，仅仅当LNG 和/或海水不可用时(海水制冷模式仅在探测到海水低于8°C 时才会被使用)或无法维持回水温度设定值时，冷水机组才启动。制冷系统可使用LNG冷量、和/或海水去冷却循环的冷媒水。

加热模式。目的是维持回水温度在要求的设定点，通过利用一个或更多的回转轮来使回风能量转换至预处理水，当所有回转轮启动而加热要求仍未达到时，通过打开预处理水-热油换热器的热油阀来增加热量，热油阀开度根据冷媒水管上的送水温度传感器自动调节。

2.2 再加热水系统

所有系统（除了技术区域内循环系统外）通过空调机室空调器再热盘管加热，热水作为加热媒介。再热系统是一个独立热水循环系统，送80°C 的水至再热盘管，每个盘管由一个电动三通水量调节阀来控制风的温度，再加热水通过热油换热器加热。

2.3 节能措施

按规格书要求，本船的冷媒水制冷通过LNG 冷量回收系统、海水冷却器和冷水机组三个制冷系统共同实现以达到节能目的。

（1）通过LNG 冷量回收系统的换热器

（2）通过海水冷却的换热器

（3）冷水机组

为了达到节能目的，LNG 的冷量被优先使用，冷水机组仅仅在当（1）和（2）两个制冷源无法维持回水温度设定值时才会启动，加热模式下，以上三个制冷源均被旁通。

本船采用“天然气（LNG）/燃油”双燃料主机，LNG 以低温液态形式储存于LNG 罐中，储存温度/压力为-135℃/5bar。当主机运行时，低温液态LNG需加热至气态进行燃烧，此过程释放出巨大冷量。将空调系统的冷媒水作为LNG 加热系统（硅硐液）的其中一员来实现LNG 冷量回收用于空调系统，图1 和图2 为LNG 加热系统在嵌入空调系统的前后比较。

在空调系统水媒水系统侧的设计原理见图3。

根据主机厂家提供的信息，当LNG 在最大消耗时硅酮液进入LNG冷量回收换热器的温度为-10℃，而冷媒水的防冻液比例为15%（冰点约为-6℃），防止冷媒水在极端情况下结冰是成功实现冷量回收的关键，需通过双方的控制来实现。两个系统组合后的示意和原理见图4。

控制原理：

（1）通过冷媒水系统的温度传感器（TCT113）和电动三通流量调节阀一直少量水流经空调系统LNG 换热器以确认LNG 冷量回收系统可用，当传感器探测到冷媒水温度低于回水设定温度2℃时，冷量回收系统自动启动。

（2）通过冷媒水系统的温度传感器（TCT112）监测冷媒水在空调系统LNG 换热器出口温度，设定当监测到冷媒水温度为0℃时，自动发送信号至LNG加热系统，该系统得到信息后自动修改提高LNG 加热系统三通温控阀的设定温度，以防止冷媒水结冰。

图1 LNG 加热系统在空调系统嵌入前

图2 LNG 加热系统在空调系统嵌入后

图3 LNG 冷量回收系统在空调系统的应用示意

3 系统介绍

图4 LNG 冷量回收系统的控制示意图

本船应用于空调系统中的风机都是变频的。所有的防火风闸、变风量风闸、截止风闸、防烟风闸等均为电动控制。对于需可调温度区域（如住舱）和公共大厅，采用变风量系统，但公共区域的公厕划为舱室部分，采用舱室布风器（带电加热及VAV风闸），原因是公共大厅采用的是回风温度和CO2共同控制，当没有人或人少的情况下，风量会自动变得很小，而公厕设计需要的是定风量。公共大厅的CO2传感器可以根据回风中的CO2浓度，来判断区域内的人数，从而计算出所需的最小新风量，当少人或无人时，自动将风量降至最低以达到节能的目的。如7、8 甲板2 区的大厅，分为前后两个大区域，前区又分成左中右三个小区域，在淡季时，旅客集中安置在某些区域，没有旅客的环围区域就可以关闭调风门以降低能耗。

在冬天，空气被预加热到可接受的送风温度，然后通过再加热达到旅客的需求。对于8 甲4 区的旅客住舱，分成内部和外部舱室，在冬天，内部舱室热损耗非常小，按照计算依靠预热量已足够，而外部舱室则需要通过再加热，因此在空调器（ACR-402/403）的送风段上下隔开，上部是预热风直接送至住舱不经过再加热盘管，下部则安装再加热盘管，进行再加热后送至住舱，最终通过末端的再加热实现各个舱室的不同调节。

具体把全船的区域分成多种不同的类型，不同的类型由不同的空调系统服务，系统类型分类及各个类型的详细情况如下。

3.1 ACC 系统（舱室系统）

包括此系统的空调器有：ACR-202，ACR-302，ACR-402，ACR-403。此系统主要服务于上建的舱室和公厕等。舱室被空调器通过高压系统服务，100%新风，带回转轮。舱室的温度保持通过PLC 控制布风器内置的电加热丝和变风量风闸，每个舱室的风量和温度是单一自动控制的，温度的设定可以通过房间内的调温器（CCP）和在ECR 中央电脑更改调整。布风器的工作范围在CPU（一般每两个舱室共用一个CPU，位于卫生单元检修处）预先定义。每个布风器的风量范围应处于设计风量的60%-100%，当布风器到达最小风量时电加热首先被激活。

3.2 ACP 系统（公共区域）

包括此系统的空调器有：ACR-203，ACR-204，ACR-205 ， ACR-206 ， ACR-303 ， ACR-304 ，ACR-404，ACR-405。该系统服务于公共区域，公共区域被空调器通过低压系统服务，100%新风，带回转轮。送风和排风的风量通过空调器风机变速对单一小区域进行控制。每个大厅通风空调分隔板分成不同的温控小区域，每个温控区域的风量和温度由送/排风的VAV 风闸执行，风机风速根据保持风管恒压的原则进行变频控制。每个温控区的温度被单一控制，对VAV 风闸、再加热盘管和风机转速按顺序介入来控制。温度的设定在ECR 中央电脑上可进行更改调整。送风量通过CO2 传感器的监测来调整送风VAV 风闸以满足人员最小新风量要求。

3.3 ACS-1 系统（大梯道）

包括此系统的空调器有：ACR-201，ACR-401。本系统服务于2 区和4 区的大梯道，该区域被空调器通过低压系统服务。给梯道提供新风和制冷/加热，50%新风，温度控制通过回风管温度传感器。由于梯道作为逃生的重要通道，通风需保持正压，到/从梯道送/回风量通过变频控制来满足此要求。

3.4 ACS-2 系统（小梯道）

包括此系统的空调器有：ACR-301。本系统服务于3 区的小梯道，该区域被空调器通过低压系统服务。给梯道提供新风和制冷/加热，100%新风，无排风机，风通过向相邻区域主要是车辆甲板正压溢流，温度通过送风管温度传感器控制。

3.5 ACG 系统（厨房）

本系统服务于厨房和洗碗间，100%新风。送比外界温度低10°C 的风，但不低于20°C。低压单风管系统。厨房区域的排风由单独风机主要从集气罩排走，送风和排风的风量被控制确保厨房保持负压。

3.6 ACW 系统（驾驶室）

系统ACW 服务于驾驶室。2 个风机盘管（FCU，含制冷和加热双盘管），100%内循环。驾驶室的温度由一个房间温度传感器控制（驾驶室内有一个温度控制板调节温度），送风和排风的风量通过风机盘管风机变频控制。驾驶室新风由相邻的舱室系统ACR-202 空调器提供。内循环风通过一个低压单风管系统分配，新风通过一个高压风管系统分配。

3.7 ACO 系统（其它）

本系统服务于干粮库、集控室（包括机修间、办公室等）。该系统为上述区域提供新风、制冷/加热功能。对干粮库区域提供16°C 的送风。

4 安全返港设计

根据MSC.1369 安全返港解释47/49 的要求，安全区的温度应在10-30℃内以及每人新风量至少4.5m³/h。

按设计公司OSK 对安全返港规范在GOTLAND上应用的评估报告，本船航线为北欧波罗的海区域，该区域没有特别热的天气，即使在夏天最热时期舱室内仅靠通风也不会超过30℃，因此在安全返港情况下不用考虑制冷，仅需考虑冬天加热。

结合以上要求，本船指定上建2、4 两个主竖区作为安全区域。空调机室在固定式高压水雾的保护下，当成MSC.1369 规定的基本无失火风险处所，火不考虑蔓延至相邻A 级环围，风管经A-60 环围风道通向各个小区，每根从A-60 风道穿出的风管上安装防火风闸。

在空调设备的布置上，将冷水机组、换热器、泵等为空调系统服务的设备都布置在同一个机舱处所(泵舱)。该船夏天航行区域温度会低于30℃，不必制冷，因此无需将制冷设备分布在不同的机舱，仅仅需额外增加一个预热换热器和一台循环泵，容量满足维持一个安全区的温度要求即可。

当某一个主竖区失火后，整个主竖区的空调系统都可以不必保持有效，但另外两个主竖区的系统应保持有效。因此对于管路设置而言，本船系统的制冷/预热管路在机舱分三路上至各自的主竖区，当某一主竖区失效时，设截止阀隔离相关管路。因此，管路无需隔离至A-60 或使用特殊的连接方式，但对于干粮库以及车辆甲板由于共同的管路共存于同一区域，其中一路需隔离至A-60 级。

在冬天，如果机舱设备完好，正常采用空调通风加热保证安全区域温度，若机舱设备所在处所（泵舱）失效，则使用位于分油机室的额外一套换热器及泵，将热水供至预热盘管，既可以防止空调器第一级的预热/制冷盘管冻坏，又满足通风和温度要求。

对于通风系统，上建每个主竖区由该区专门的空调器服务，通风管在每个主竖区之间完全独立。空调器回转轮设计强制启动功能，以便在安全返港下维持安全区温度在规范的要求范围内。当上建某主竖区着火后，该处所空调机的新风和排风百叶窗处的截止风闸遥控关闭，并关闭空调器风机。

5 舒适度1 级（COMF-C1）

空调舒适度最主要需要考核的指标有三个，分别为风速、垂直温差和在规定时间内温度调节能力。C1 要求舱室可调节温差为6 度，公共区域4 度，具体要求见DNV-GL 规范。

上述的三个指标最需要引起注意是后两个。垂直温差，难点在于雨降式送风的公共区域，天花板缝隙送/抽风的形式直接影响该指标的实现；温差调节，COMF-C(1)强调是空调系统个体差异能力，要求在一定的外界温度下，在空调系统主要设备常量设定的情况下，一定比例的舱室或大厅的温差调节能力。从1#船的测量情况来看，难点在于加热升温，因此订货时考虑加热换热器和布风器的加热能力是关键。

6 结束语

船舶空调系统虽为传统的领域，但其对于不同船型、不同航线或不同的船东要求不一，特别对于客船，如何给每一位乘客和船员营造舒适的环境，精心的空调系统设计是至关重要的。