基于溶液除湿的船舶节能空调装置

李 峰，许光映

(浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022)

近年来，船舶所引起的能耗和环境污染问题逐渐引起人们的注意。国际海事组织在会议上通过了修正案，促使业界必须考虑绿色船舶的发展。绿色船舶是绿色环保、技术先进、安全适居、经济最优的新型现代船舶。

船舶空调是船舶上的主要用电设备之一，其耗能占整个电网的20%左右[1]，能耗大且浪费严重。空调表冷器经常处于潮湿状态，给霉菌生长提供机会，造成送风空气品质变差。由于船舶受到航海海域、外界温度、船速以及太阳辐射等因素影响，舱室内的热湿比变化范围较大，进而船用空调降低对湿度的要求，仅满足温度的需要，导致送风的品质差。最后，制冷剂R22(含有氯元素)和大量碳排放会破坏生态环境。因此，船舶空调的节能和室内空气品质的提高是绿色船舶空调面临的2个重要挑战。

1 现有船舶空调及其用能模式

目前，船舶上使用的空调大部分采用半集中式空调系统，半集中式空调系统结构示意图见图1，该系统包含制冷机组、表冷器、风机、风机盘管及其他附件。其工作原理是：制冷机组制取冷水(7 ℃)，冷水中的一部分提供给表冷器处理室外新风，另一部分提供给舱内的风机盘管对室内进行降温除湿。处理完室外新风和室内回风的冷水，最后又回到制冷机组中。从半集中式空调的空气处理方案来说，传统设计中夏季的空气处理焓湿图如图2所示，处理过程为：室外新风W通过表冷器处理到室内空气的焓值线hN上，室内回风N通过风机盘管降温除湿到空气L，空气L和处理后的新风A在舱室内混合到送风状态O。

图1 半集中式空调系统结构示意图

图2 传统设计中夏季空气处理焓湿图

半集中式空调机组最大的耗电设备是制冷机组，制冷机组采用蒸汽压缩式制冷循环系统，这种循环系统主要由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器4大件组成。蒸汽压缩式制冷系统循环可概括为压缩过程、冷凝过程、节流过程和蒸发过程，蒸汽压缩式制冷循环示意图如图3所示。

图3 蒸汽压缩式制冷循环示意图

1)蒸发过程(4→1)。低温低压的液体制冷剂从冷库中以汽化潜热方式吸收热量冷却后，变成低温低压的制冷剂蒸汽。

2)压缩过程(1→2)。从蒸发器出来的制冷剂蒸汽被压缩机吸入并被压缩成高压气体。在压缩过程中，制冷剂蒸汽的温度有所升高，制冷剂蒸汽呈过热状态。

3)冷凝过程(2→3)。从制冷压缩机排出的高温高压过热的制冷剂蒸汽，进入冷凝器后受到冷却物的冷却变成液体。

4)节流过程(3→4)。从冷凝器出来的制冷剂液体经过降压设备减压到蒸汽压力，温度下降到蒸发温度。

根据制冷原理，要想减少压缩机功耗，最主要的途径就是提高蒸发温度和降低冷凝温度，而目前制冷系统的蒸发温度是由空调载冷剂的水温确定的。冷水机组提供的水温大约在7 ℃，而夏季舱内温度在26 ℃左右，冷水机组提供的冷水用于冷却室内外空气和处理显热负荷，实际上无需7 ℃冷水，之所以使用7 ℃的冷水主要是用于风机盘管冷凝除湿。目前空调表冷器和室内风机盘管的工作方式都是耦合式冷凝除湿方式，即冷水机组制取的冷水温度要低于风机盘管冷凝除湿所需要的温度，空调标准中，舒适工况对应的冷凝温度是16 ℃左右，考虑到风机盘管和蒸汽发生器的传热温差，因此蒸发器制取水温在7 ℃。综上所述，将降温和除湿分开处理是降低冷水机组能耗的有效途径。

目前这种空调耗能主要是消耗柴油发电机产生的电能。以舟山渡轮为例，渡轮载客量约200人，由居住舱室和公共舱室组成。居住舱室要求换气次数6次/小时，公共舱室要求换气次数8次/小时，室外环境为35 ℃，相对湿度70%，舱内设计温度为27 ℃，相对湿度为50%。总负荷的计算分为各个舱室的负荷，各个舱室的负荷是由围护结构传热负荷、人体负荷、机器负荷、换气负荷等组成，围护结构传热负荷和换气负荷可以用公式计算。根据设计规范，人体负荷可按显热50 瓦/人，潜热63 瓦/人计算。设备负荷按铭牌标注计算。夏季降温空调总负荷为174.24 kW。船用分体空调制冷工况的空调能效比(COP)值在5.4左右时,每小时输入32.27 kW的电能，产生174.24 kW制冷量。柴油发电机组的转化效率约为31%，1升柴油能产生3.065 kW·h电量，即产生32.27 kW·h的电量需要10.53 L柴油。

2 热、湿独立处理的空调方案

空调热负荷包括显热负荷和潜热负荷，室内显热负荷是对室内26 ℃空气降温引起的负荷，其潜热负荷是对室内除湿引起的负荷。新风处理过程同样也包含显热负荷和潜热负荷。新风处理显热负荷时，不必使用7 ℃左右的冷水，可以将冷水的温度提高到18 ℃左右；制冷机组提供18 ℃的高温冷水，其蒸发温度可以提高到13 ℃，而提供7 ℃冷水的制冷系统蒸发温度一般是2 ℃，显然蒸发温度为13 ℃机组能效比高于蒸发温度为2 ℃的制冷机组。参考上一节案例，如果对于显热负荷采用高温冷水处理的话，根据文献[2],蒸发温度每提高1 ℃，COP升高4.4%，则提供18 ℃水的制冷机组COP为8.07。假设制冷机组的COP提高近似50%的话，前面举例的油耗将减少一半，压缩式制冷可以继续作为制冷方法。

对于船舶空调能耗包括热负荷和湿负荷，降低显热能耗可以采用高温冷水，高温冷水可以通过电动压缩制冷方法解决，也可以通过船舶余热结合吸收式机组技术方案。处理潜热负荷(空气中水分)可以采用液体吸收、固体吸附等方法。因此利用船舶主机和发电机的余热可以通过制取高温冷水和溶液再生方案来处理显热负荷和潜热负荷。结合当今环境，船舶自身产生的废热越来越多，在船舶空调领域得到重视，特别是在船舶行业IMO法规实施和船运市场不景气的双重压力下，节能减排必将日益受到船舶所有人的持续关注,范昌明[3]提出利用船舶主机和发电机余热用于船舶供热，有效解决燃煤锅炉和电加热冷媒水的传统方式存在的不足。也有学者提出利用废热来处理降温和除湿。如朱军[4]等研究转轮除湿空调对系统的热、湿负荷进行分开单独处理，除湿转轮对空气除湿，中冷器和辅助制冷机对空气降温。张小松[5]等结合船舶自身能耗，提出了船舶余热梯级驱动的溶液除湿空调，利用溶液除湿器对空气进行除湿，海水和露点蒸发冷却器对空气二次降温。赵晨旭[6]提出了转轮除湿系统将空气的湿负荷转变为显热负荷，在通过船舶废热驱动喷射制冷系统处理显热负荷。这些研究都是基于全空气船舶空调系统进行设计的，且制冷方法或是蒸汽压缩式制冷[7]，或是水蒸发式制冷[8]，这些工作为船舶空调的进一步研究奠定了基础。本文在此基础上提出利用余热吸收制冷制取高温18 ℃冷却水，和溶液除湿相结合为船舶舱室提供温度和湿度独立调节的空调系统。

3 船舶除湿节能空调

新型船舶除湿节能空调装置如图4所示，技术路径是利用船舶柴油机的尾气热能制取高温冷水，处理显热负荷；同时利用缸套冷却水余热作为溶液再生能耗，处理新风湿负荷，为舱室提供干燥清新的空气。空调装置主要分为制冷水系统和新风除湿系统，其连接方式如图4。

1-第一空冷器；2-溶液冷却器；3-溶液槽；4-第一溶液泵；5-空气管道；6-第二空冷器；7-舱室；8-盘管冷却器；9-溴化锂吸收式制冷机组；10-除湿器；11-第二溶液泵;12-余热加热器；13-再生器图4 新型船舶除湿节能空调装置

制冷水系统分为3个回路。溴化锂吸收式制冷机组吸收余热制取冷水，3个回路同时从制冷机的一个管路出发。第一根管路通入除湿器，用于吸收的氯化锂溶液吸收水蒸气产生的热量。第二根管路通入第二空冷器，给干燥后的空气二次降温。第三根管道通入舱内的盘管冷却器，达到给室内的混合空气降温的目的，最后三根管道汇集后回到制冷机组形成闭合回路。

新风除湿系统分为2个环路：除湿环路和再生环路，2个环路在溶液槽处交汇。溶液槽具有分隔溶液的功能，使除湿环路的第一溶液泵能从溶液槽中抽取浓度较高的溶液，通入除湿器顶部的布液管，由布液管上的喷嘴喷出，溶液吸收空气中的水蒸气后浓度降低，同时除湿器内的冷却盘管会将除湿过程放出的热量带走，稀溶液由重力作用流回溶液槽[9]。再生环路的第二溶液泵则从溶液交换器抽取浓度较低的溶液，通入余热加热器将稀溶液加热，余热加热器中的热源可来自主机缸套冷却水，出口处温度80～90 ℃，可以有效地利用废弃热能。在再生器内，室内回风与被加热的溶液直接接触，进行热量和质量的交换，空气被加热加湿后直接排出。再生的浓溶液，靠重力作用流回溶液槽，同时被海水冷却器冷却，完成再生过程，这样持续不断的吸收空气中的水蒸气。

该空调装置的空气处理方案如图5所示，新风35 ℃(W点)进入空调系统，首先通过第一空冷器(海水温度25～30 ℃)进行初次降温，温度降至33 ℃。这是一个等湿冷却的过程，即图5中W→A部分。初次降温的空气再通过除湿器进行除湿，空气直接与溶液接触，浓溶液将空气中的水蒸气带走后变成了稀溶液，空气除湿过程伴随高温冷水降温，保持除湿空气温度不变。这是一个等温除湿的过程，即图5中A→B过程。除湿后的空气又通过第二空冷器(制冷机组产生18 ℃冷水)冷却至25 ℃，这又是一个等湿冷却的过程。干燥后的新风与室内空气混合后，空气的温度不变，混合后的空气湿度增加，即图中C→N的过程。C点空气吹入舱室内，处理室内潜热负荷。显热负荷由室内干式风机盘管承担，即N→L过程。

图5 设计空气处理方案

新风送风量Vx为：

(1)

式中，m为室内需除湿水分质量；ρa为空气密度；dN、dC分别为N、C点的含湿量。

风机盘管送风量为：

(2)

式中,Qx为室内显热负荷；cp为室内空气质量定压比热容；tN、tL分别为N、L点的温度。

在该系统中，船舶柴油机气缸冷却水(出口温度85 ℃左右)主要用于余热加热器，对除湿后的稀溶液加热，在再生器中除去其中的水分，形成溶液除湿循环。发动机尾气余热主要用作溴化锂吸收式制冷机组的发生器热源，制取高温冷水。普通船用空调除湿方式是先将表冷器的温度降到室内空气露点温度17 ℃以下，用冷凝的方法去除空气中的水蒸气。与这种系统相比，除湿后的空气温度低，相对湿度大，影响人的舒适度。该空调系统实现对湿负荷和热负荷独立处理，对舱室湿度和温度独立控制，提高送风品质、节能环保，符合绿色船舶的发展理念。同时新风经过溶液除湿后可以对空气杀菌和消毒，提高室内卫生水平。最后，该系统减少燃油消耗，避免更多的二氧化硫等污染气体的排放，从而达到节能减排的目的。

综上所述，该空调装置合理利用船舶自身的主机和发电机余热资源，为绿色船舶的进一步发展奠定了基础。