影响豪华邮轮EEDI的因素和降低方法

贺明鸣，杨均武

（中船邮轮科技发展有限公司，上海 200137）

0 引言

据国际邮轮协会（Cruise Line International Association，简称：CLIA）数据，2019年全球远洋邮轮的客运量为3 000万人次，2018年是2 820万人次，平均增幅约为 7%。与此同时，节能减排的需求愈加强烈，航运业占全球CO排放量的2.89%。航运业的温室气体排放（包括CO、CH和NO）从2012年的9.77亿吨增加到2018年的10.76亿吨（增长9.6%），其中CO排放量在2012年为9.62亿吨，2018年增至10.56亿吨，增长9.3%。2018年海洋环境保护委员会（Marine Environment Protection Committee，简称：MEPC）第72次会议，国际海事组织（International Maritime Organization，简称：IMO）通过了航运业温室气体减排初步战略，提出到2050年航运业温室气体总排放量相比2008年至少降低50%。

每位邮轮乘客平均每天约产生169 kg CO，2018年全球邮轮共排放约2 990万吨CO，相比2012年的2 470万吨，增长了21%。因此邮轮提高能源效率、节能减排的意义重大。

各大邮轮公司也推出节能计划：嘉年华集团计划2020年比2005年碳排放量减少25%，并提高岸电比例，降低码头污染物排放。2017年该公司已经实现了26.3%的CO减排，比计划提前了3年完成。皇家加勒比集团推出“保护海浪计划（Save the Wave）”，2019年相比2005年减排温室气体35%，比计划提前了 1年完成。并提出新目标，到 2025年再减排25%。

IMO第62次环保会议上通过《船舶能效规则》，提出船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，简称：EEDI）要求，为船舶建立一个最低能源效率的标准，并于2013年1月1日正式生效。EEDI就是船舶消耗的能量换算成CO排量和船舶有效能量换算成CO排量的比例指数。EEDI指数越高，能源效率越低。IMO在设立了EEDI标准后通过设定最大允许EEDI指数，然后在未来几年内逐步减小（2015年10%，2020年20%，一直到2025年后达到30%）。

1 豪华邮轮EEDI的特点

1.1 要求的EEDI值计算公式为

式中：

b

为豪华邮轮的船舶总吨，t。

1.2 达到的EEDI值计算公式

按照《2018年新船达到的能效设计指数（EEDI）计算方法指南》，EEDI的计算公式为

式中：

P

为主机功率，kW；

P

为辅机功率，kW；

P

为轴带发电机功率，kW；

P

为轴马达功率，kW；

P

为主机创新机械能效技术；

P

为辅机创新机械能效技术；

V

为夏季载重吃水下在深水中的航速，kn；Capacity为载运能力系数；

SFC

为发动机单位燃油消耗量，g/kW·h。对于采用电力推进系统的豪华邮轮而言，有些参数的计算需要注意，如：主机功率

P

为0；

P

为 75%推进电机输出功率对应的柴油机消耗功率；

P

值计算方法也与一般商船有所不同，为

V

航速航行时所要求的提供正常最大海况下的辅机功率，由于非推进功率占比较大，按照规范要求，

P

值应通过电力负荷表，按照24 h平均消耗功率计算；电力负荷表的空调负荷计算需要将冷却器的功率修正为100%，备用冷却器消耗功率考虑为0。

3 数据分析

3.1 不同尺度的邮轮EEDI基线

根据式（1），EEDI要求值与总吨成反比关系，总吨越大，EEDI要求值越小。根据MEPC.251(66)，每个阶段的折减系数根据总吨的大小而定（表2），由于较小总吨的船舶减小EEDI的难度更大，因此1～3阶段基线对8.5万总吨以下的邮轮适当降低了要求。由图1的第3阶段可见，曲线在8.5万总吨处出现明显的转折，8.5万总吨以下曲线明显陡峭，8.5万总吨以上曲线则趋于平缓。

表2 EEDI各阶段折减

图1 EEDI基线

3.2 大型和中小型邮轮的EEDI特点

本文选取一艘6.6万总吨的中小型邮轮和一艘13.55万总吨的大型邮轮进行对比计算，讨论不同尺度邮轮的EEDI计算特点，通过计算分析航速、推进功率、总吨、辅机功率对EEDI计算结果的影响，评估提高EEDI的方式。

表3 主要尺度

3.3 航速对EEDI的影响

1）通过优化船舶阻力和推进效率，在推进功率不增加的前提下，增加航速。

13万总吨，推进功率不变，航速由20.6 kn增加0.2 kn，EEDI降低1%。同样的方式，6万总吨，推进功率不变，航速由19.1 kn增加0.2 kn，EEDI降低1%。由于其他参数不变，仅改变航速，则EEDI按航速增加的比例降低。邮轮的航速较高，在此基础上提高0.2 kn航速的难度很大，而EEDI降低不明显，该方法的性价比较低。

2）通过优化船舶阻力和推进效率，在航速不变的前提下，降低推进功率。

6万总吨，航速不变，推进功率降低5%，EEDI降低3.2%。同样的方式，13万总吨，航速不变，推进功率降低5%，EEDI降低3.1%。对6万总吨而言，5%功率相当于0.2 kn航速；13万总吨，5%功率相当于0.3 kn航速。通过上例可知，提高0.2 kn航速，EEDI只降低1%，因此若采用优化船舶阻力和推进效率的节能技术，应用于降低推进功率，而不是提高航速，EEDI才能较快降低。

图2 航速/EEDI曲线（6万总吨邮轮）

图3 航速/EEDI曲线（13万总吨邮轮）

图3 功率/EEDI曲线（6万总吨邮轮）

图4 功率/EEDI曲线（13万总吨邮轮）

按照《2013年用于计算和验证EEDI的创新型能效技术处理指南》的分类，A类和B类技术能降低推进功率

P

，其中A类为改变功率曲线的技术，主要有低阻涂料、线型优化、螺旋桨优化等；B类为可从船舶总体性能中分离的技术，如气泡减阻、风帆、旋转风筒等。

线型优化、提高推进效率是降低EEDI的有效途径，但采用传统方法来提升航速的潜力已经很小，很难使功率和航速取得较大的优化。一些新技术也已经日趋成熟，如气泡减阻、低阻涂料和旋转风筒等。

（1）气泡减阻利用气泵往船底注入气泡并在船体表面形成气泡与水的混合层，用以降低船舶的摩擦阻力，能节能5%～12%。该系统已经在邮轮AIDA Prima和AIDA Perla上实船应用。

（2）低阻涂料用于降低船舶摩擦阻力，并减少污损物附着，与传统涂料相比能降低3%～5%的阻力，已有77%的邮轮采用了低阻涂料。

（3）推进器的优化，邮轮大多采用POD全回转推进器，相比传统推进器可以节能5%～15%，并能提高船舶操纵性。

（4）旋筒风帆已应用于豪华客滚船，为Viking Grace船降低约300 kW的推进功率。

（5）节能导管、扭曲舵等装置已有大量实船安装，但邮轮的应用案例还很少。

3）航速的选择

在功率航速曲线一定的情况下，如何选取最佳的航速是值得探讨的。推进功率随着航速增加而变大，且曲线斜率会更大。航速和推进功率分别处于EEDI计算公式的分母和分子，且推进能耗占比很高，在公式中影响结果的权重也很高，因此航速与功率的选定对EEDI计算至关重要。图5和图6的EEDI/航速曲线是根据船舶航速功率曲线而得，即计算EEDI时使用的功率与航速是相匹配的。由图可见，EEDI曲线的曲率是逐渐变化的，航速越高，曲率越大。在一定范围内，航速降低EEDI减小较快，但航速降至一定程度后，EEDI变化较小，甚至可能会出现航速降低，EEDI值升高的情况。因此，在基本设计确定航速和推进功率时，为控制EEDI，航速不应太高，防止EEDI陡增。对于6万总吨邮轮，EEDI航速选择18 kn～20 kn比较合理；对于13万总吨邮轮，航速选择19 kn～21 kn比较合理，然后还要根据运营航线规划综合考虑航速。

图5 EEDI/航速曲线（6万总吨邮轮）

图6 EEDI/航速曲线（13万总吨邮轮）

3.4 用电负荷对EEDI的影响

对邮轮来说，

P

值约占全船用电的40%，因此在前期计算EEDI时，能否准确估算正常航行时的消耗电功率，很大程度上决定了EEDI估算的准确性。计算用的电功率表应尽可能接近实际运营数据，因此新船设计时，应根据母型船运营数据进行估算。在试航时船检会对电力负荷表进行最终验证，以确定数据的准确性。据估算，如果估算值比实际值小10%，将导致最终EEDI提高4%，可能产生不满足EEDI要求的严重后果。

以13万总吨邮轮为例（图7），船舶航行时非推进用电负荷中功率较大的系统主要有空调、厨房、照明和机器处所服务等，其中空调和机器处所服务各占各1/3，其他系统共占1/3。通过计算，对于13万总吨邮轮，降低辅机功率5%，能使EEDI降低2%。对于6万总吨邮轮，降低辅机功率5%，能使EEDI降低1.6%。因此采用节能措施减少辅机负荷，能较快降低EEDI值。

图7 非推进用电负荷比例图（13万总吨邮轮）

图8 PAE/EEDI曲线（6万总吨邮轮）

图9 PAE/EEDI曲线（13万总吨邮轮）

1）降低空调负荷

邮轮EEDI计算中，空调负荷是除推进器以外全船耗电量最大的系统。对于13万总吨的大型邮轮，夏季空调负荷约占非推进功率的1/3以上；对于6万总吨的中小型邮轮，夏季空调负荷约占非推进功率的1/5以上。其中冷水机组又是邮轮空调系统中最耗电的设备，占比约50%。冷水机组是空调系统最重要的设备，且对邮轮的舒适度至关重要，设计时会配有备用机组，如配置2用1备或1用1备。规范要求将所有冷水机组的功率设为 100%参与计算，备用机组可不参与EEDI计算。

空调系统负荷占比较大，降低能耗，对优化EEDI贡献很大。空调系统关系到游客的舒适程度，降低能耗但不能降低舒适度。降低空调系统能耗的主要方法有：采用新制冷剂，提高冷水机组的能效比值（Coefficient of Performance，简称：COP），从而降低机组电功率，同时还要考虑制冷剂的环保性。采用吸收式制冷技术，利用主机余热，通过消耗热能实现制冷。“AIDA Prima”号和“AIDA Perla”号邮轮已经实船安装了吸收式冷水机组，作为主要冷水机组使用。常规压缩式机组只在夏季高峰期补充使用，大大降低空调系统的电力消耗。由于吸收式冷水机组主要消耗热能制冷，几乎不消耗电力，因此能使

P

显著降低。

加强保温措施减少热量/冷量的消耗，也能起到节能效果，如乘客离开房间后，自动降低空调功率，减少能源消耗。

2）其他方面的负荷优化

机器处所负荷中占比最高的是风机，在风机选型和风管设计时应更多考虑节能。采用LED照明和灯光管理系统，能为酒店区域节能30%。泳池加热利用主机废热，降低电加热消耗。

3）节能装置

按照《2013年用于计算和验证EEDI的创新型能效技术处理指南》分类，C类为产生电力的节能技术，能降低

P

，如主机余热回收发电、光伏电池等。

蒸汽透平发电机能将主机产生的余热转换成电能。已有不少实船安装的案例，如“COSTA Venezia”号邮轮配有一台1 325 kW蒸汽透平发电机。太阳能板也已经在“Celebrity Solstice”号邮轮船上实船应用，61块光伏板为该船提供15.5 kW的电能。

3.5 总吨对EEDI的影响

变化总吨对EEDI的影响比较复杂，增加总吨会使要求的EEDI值变小；对EEDI达到值来说，增加总吨，会使分母变大，有利于降低 EEDI，但同时也会使空船重量增加，吃水增加，航速略降，还会增加空调和照明等

P

功率。因此增加总吨对EEDI的影响很难准确判断。图10和图11的计算是在其他参数不变的前提下，对总吨进行微调。由图可见，总吨增加1%，EEDI也相应减少1%。若考虑其他参数的相应变化，EEDI减少量会远小于1%。因此增加总吨减少EEDI的办法的效果并不明显。如果大范围增加总吨，会造成其他参数显著变化，很难简单判断出EEDI的变化。

图10 总吨/EEDI曲线（6万总吨）

图11 总吨/EEDI曲线（13万总吨）

3.6 其他降低EEDI的方法

新型燃料主要有LNG、氢燃料和生物燃料等，但现阶段技术最为成熟的还是LNG。由于其碳转化率比重油低15%，结合LNG单位燃料消耗量较低，在相同功率下，LNG能比重油降低30%的碳排量，因此LNG是目前满足EEDI三阶段最有效的办法。各类船型都有大量的应用案例，全球首艘 LNG邮轮“AIDA Nova”号交付之后，LNG燃料邮轮的订单呈现明显上升趋势。2020年—2027年的订单显示，在2020年之后交船的14万总吨以上的大型邮轮中，LNG邮轮有22艘，占比约6成。

蓄电池动力技术已经应用到渡轮等近距离航行船舶上，但对于长距离航行的邮轮应用范围仍然有限。虽不能作为主要动力源，但可以将蓄电池作为补充电源。“Roald Amundsen”号邮轮已经实船安装了2个大型蓄电池间，当全船电站需求低时，电池充电，当需求量高时，电池放电。能提高邮轮多种工况下的发电机燃油效率，降低1%～2%的油耗。

为了满足未来更加严格的排放标准，最终达到零排放，氨燃料和氢燃料电池等技术也在积极研究之中。

4 结论

邮轮只占全球船舶数量的0.5%，而CO排放量却占比2.8%，且呈逐年上升趋势，因此降低EEDI让邮轮旅游更环保具有重要意义。通过以上分析，总结如下：

1）航速方面，通过新技术减少船舶阻力，降低推进功率，能有效降低 EEDI，现在比较成熟的技术有气泡减阻、低阻涂料和风筒等。另外在一定范围内降速对降低EEDI效果较明显，但应在运营航线评估后谨慎应用。

2）辅机负荷方面，辅机功率

P

是除推进器外的最大电力负荷，采用节能措施，降低空调、照明和生活用电，对降低EEDI是有效的办法。从降低能耗方面来说，业界采用较多的方法是使用更节能的空调系统、完善保温措施、采用LED照明。在发电技术方面，利用主机废热回收技术、光伏发电也是降低能耗的有效方法。

3）总吨方面，增加总吨会导致其他负荷增加，降低EEDI的效果很有限，通常不会为了降低EEDI而单独增加总吨。

新燃料方面，面对日益严格的环保要求，邮轮公司都在积极寻求新的更环保的燃料，用于替代现有的燃油。LNG无疑是应用最为广泛的新燃料，能降低30%的碳排放，能有效满足EEDI三阶段的要求，但对于未来可能的四阶段甚至零排放要求，则需要寻求更加环保的燃料，如氨燃料、氢燃料电池等。