船舶空调冷凝水回收利用研究分析与应用

张亦弛，张淇鑫

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前 言

船舶空调装置，包括用于居住处所的中央空调装置以及用于设备处所的柜式空调装置和风机盘管，在制冷状态下会持续产生冷凝水。 传统的船舶设计中对空调冷凝水的处理并无特殊考虑，一般采用管路连接设备的冷凝水出口， 使冷凝水自流排放。 空调冷凝水来自于空气中所含的水分，是一种品质尚可的淡水，对于常年在海上航行、作业的船舶而言，对冷凝水的直接排放无疑是对淡水资源的浪费。 此外，部分船舶受布置空间的影响或出于设备散热需求，空调装置可能布置在主甲板以下的处所。 由于布置位置较低，设备冷凝水排出口接近或低于海平面，无法直接排出舷外，需要通过管路引至舱底而形成舱底水，导致必须通过分离装置进行处理或存储在水舱中排至岸上的接收装置，在一定程度上增加了舱底水的处置成本，降低了船舶运营的经济性。

从提高船舶环保能力和经济性的角度出发，有必要对船舶空调冷凝水的回收利用进行研究。 通过对船舶空调及冷凝水系统特性的分析，结合理论计算， 论证实施船舶空调冷凝水回收利用的有效途径。 深水综合勘察船在设计过程中即对此加以考虑， 将空调冷凝水系统与船舶供水系统相结合，有效实现了空调冷凝水的回收利用。 根据实船设计经验以及船舶投入运营后的反馈，可以对系统加以优化，从而形成更加完备、高效的船舶空调冷凝水回收利用方案。

1 船舶空调冷凝水回收利用可行性分析

1.1 船舶空调冷凝水的特点

近年来，陆上工业与民用建筑领域对空调冷凝水的回收利用也开展了深入研究，其中部分研究成果对船舶而言有一定借鉴意义。 但由于船舶本身的特殊性，船舶空调冷凝水回收利用也有其自身的特点。 船舶空调装置的服务对象包括船上人员的居住处所以及对温湿度要求严格的部分设备处所，其产生的冷凝水特点如下：

1）产量相对稳定。在航行过程中船上人员的生活、工作均不离开船舶，当船舶在夏季航行或航行于热带海域时，空调装置始终处在运行状态，在一段时期内负荷相对稳定，不会因为人员作息导致空调装置产生起停间隔。 用于维持特定设备散热的空调装置更是需要持续运行，这一部分空调装置负荷稳定，随季节波动不大。 因此，总体上船舶空调装置在运行时可以持续产生冷凝水，产量相对稳定。

2） 设备相对集中，便于回收。 船舶是相对独立而封闭的海上结构物，尽管空调装置可能布置在船上的不同位置，但与陆上建筑相比，船舶空调装置的布置相对集中，各处空调装置产生的冷凝水可以通过管路连接并最终汇集在储存处所。 通过在船舶底部设置冷凝水回收舱，船舶各处空调产生的冷凝水在重力作用下即可通过管路汇流进舱，冷凝水回收相对便利且易于实现。

3）冷凝水品质相对较高。空调冷凝水由空气中的水蒸气直接凝结而成， 理论上是高度纯净的水，但实际上在凝结过程中，水蒸气会吸收空气中的悬浮尘埃、烟雾、微生物及化学排放物。 考虑到海上环境状况通常较陆上优良，海上空气中的尘埃、烟雾及化学物质含量低于陆上空气，因此，船舶空调冷凝水品质相对较高，具有较低的pH 值、较低的浊度和硬度，这一特征有助于提高空调冷凝水的再利用价值。

以上特点决定了空调冷凝水具备回收可行性，同时对其回收具有一定的利用价值，能够产生一定的经济效益和环保效益。

1.2 船舶空调冷凝水量的理论计算

要得到可行的船舶空调冷凝水回收利用方案，首先应对冷凝水产量有所了解。 假设船舶内部为一个恒温恒湿的封闭空间，其冷凝水产生的来源主要由两部分组成：一部分为新风带来的湿空气产生的冷凝水；一部分为室内人员产生的余湿［1］。

对于一次回风空调系统，其冷凝水即来自以上两部分，冷凝水理论水量计算公式如下：

式中：m1为冷凝水流量，kg/h；dm为新回风混合空气的含湿量，g/kg；ds为送风空气的含湿量，g/kg；dw为室外空气的含湿量，g/kg；dn为室内空气的含湿量，g/kg；ρ 为新、回风混合空气密度，取 1.2 kg/m3；v 为送风量，m3/h。

对于风机盘管加新风的系统，其冷凝水仅由新风带来的湿空气产生，冷凝水理论水量计算公式如下：

式中：m2为冷凝水流量，kg/h；dw为室外空气的含湿量，g/kg；dn为室内空气的含湿量，g/kg；ρ 为新风密度，取 1.2 kg/m3；vx为新风量，m3/h。

结合具体船舶空调系统设置形式，选用对应公式进行计算，就可以获得相应空调系统单位时间内的冷凝水量。 下面以一次回风空调系统为例对空调冷凝水水量进行计算。

模型假设：某船，定员30 人，空调系统室内设计参数为干球温度26℃、相对湿度50%，室外气象参数为干球温度35℃、相对湿度70%。空调装置新风率按50%，考虑人员新风需求及制冷负荷，空调装置的送风风量取14 000 m3/h。 查焓湿图，可得到室外空气含湿量dw为25.16 g/kg，室内空气含湿量dn为 10.50 g/kg，送风空气含湿量 ds为 8.9 g/kg。将数据代入式（1）及式（2）进行计算，可得到该船空调装置在设计参数状态下的理论冷凝水量为150.02 kg/h。

船舶航行过程中空调装置全天运行，所以在设计参数状态下全天冷凝水量为3 600.48 kg/d。

应当注意上面计算中的空调系统设计参数是每日环境条件相对恶劣的时刻，该状态对应的冷凝水产量可以认为是理论峰值。 在计算每日空调冷凝水总量时， 应当考虑存在昼夜温差及湿度的变化。在不考虑降水、气流等气象条件、仅考虑蒸发的一般天气状态下， 每日湿度的高值随温度的高值出现，低值则随温度低值出现，因此，在计算空调装置全天冷凝水产量时，应结合每日昼夜温度及湿度变化对理论峰值进行折减。 通过对与上面计算中所选环境条件相似地区的气象资料进行汇总统计，对应的理论峰值折减系数可取8%。 因此，考虑昼夜温差及湿度变化的影响，上面算例经修正的全天冷凝水产量为 3 312.44 kg，即 3.31 m3。

1.3 利用途径

通过上述计算可知，对于一型空调系统采用一次回风系统设计的船舶，在空调季节理论上每天可产生冷凝水3.31 m3。尽管受外界环境变化的影响可能导致产水量的波动，但考虑到船上配置的空调装置在能力上往往留有余量， 在整个空调季节内，空调冷凝水的实际总量依然可以接近理论值。 在船上，空调冷凝水的回收相对容易实现，而对回收后的冷凝水进行再利用，则必须结合其特性来确定最经济、最易实现的途径。

空调冷凝水最直接的回收利用途径就是作为船上淡水的补充或替代。 船舶航行、作业时所载淡水主要用于设备冷却、设备杂用、人员饮用、生活洗涤及卫生冲洗。 结合前文论述可知，空调冷凝水品质尚可，经过简单的沉淀、过滤，去除杂质后，可以直接用于冷却水补水和卫生设施的冲洗，在确认冷凝水不具备明显酸碱度的前提下，也可满足设备杂用要求。 但由于空调冷凝水中容易携带微生物，一般在回收过程中也不会设置专门的灭菌措施，在回收储存的过程中会导致微生物含量提高，不宜作为饮用水或生活洗涤水供船上人员使用，以免导致疾病传播。

空调冷凝水的回收需要在船上设置液舱来实现。 由于船舶空间有限，设置容积较大的舱柜来专门保存空调冷凝水既不经济也不现实。 设置一定容积的舱柜，对空调冷凝水随时收集随时利用，是较为经济的办法。 基于此，利用空调冷凝水作为船舶卫生冲洗水的补充和替代是对空调冷凝水实施回收利用的有效途径。 依然以前文假设的模型为例，对该定员30 人的船舶而言，若船上采用真空便器，则每日卫生设施冲洗水耗量约为1.05 m3，若采用重力便器， 每日卫生设施冲洗水耗量约为2.10 m3，而该船空调季节每日产生冷凝水3.31 m3，完全满足卫生冲洗水的消耗需求。 将空调冷凝水系统与船舶卫生供水系统相结合，在空调季节利用空调冷凝水作为卫生设施冲洗水，可以实现对空调冷凝水的再利用，起到节约淡水、降低成本的作用。

2 深水综合勘察船空调冷凝水回收利用实例

深水综合勘察船是一型大型海洋工程作业船，与常规运输船或一般海洋工程辅助船相比，该船设备数量多、系统复杂，船上人员相对较多且作业周期较长。 该船定员120 人，一次航行、作业周期接近60 天，对淡水的需求远超常规船舶。 该船的空调系统也相对复杂，尤其是为满足诸多如变频器等电气设备的散热要求，除中央空调装置外，还设置了大量柜式空调装置和风机盘管，这些空调装置遍布全船（如图1 所示），并且相当一部分布置在接近水线或水线以下的位置，如对冷凝水不加回收，放任其排至舱底，会极大提高舱底水的处置成本。 该船空调冷凝水回收潜力大，又具有回收节能以降低成本的客观需求，故在该船设计阶段即对空调冷凝水的回收利用加以考虑，在经过水量测算和分析后确定了实施方案，在实船应用后效果良好。

图1 深水综合勘察船空调装置分布及凝水回收管路示意图

2.1 水量测算与系统设计

深水综合勘察船中央空调系统室内设计参数为干球温度25 ℃、相对湿度50%，室外气象参数为干球温度45 ℃、相对湿度80%，空调装置送风温差取10 ℃。 全船中央空调系统共设置6 台空调装置，其中：3 台用于人员居住舱室的空调器新风比为100%，为降低能耗，这3 台空调器设置全热回收转轮利用回风对新风进行预冷，空调器内实际新风干球温度约为35℃；另外3 台空调装置中，1 台为用于厨房的全新风空调，另外2 台用于公共区域的空调新风比分别为50%和25%。 经过对空调负荷进行估算确定风量后，结合环境参数，利用前文式（1）及式（2）计算可得该船中央空调装置每日理论峰值冷凝水量 Q1=31.4 m3。

深水综合勘察船上为推进变频器、ROV 变频器及主要控制处所共设置风机盘管和空调柜机30台，排除备用设备及间断使用设备，长期持续运转处所的新风总量约16 800 m3/h， 结合环境参数，利用前文式（3）计算可得全船柜式空调装置及风机盘管每日理论峰值冷凝水量Q2=18 m3。

综上，在设计条件下，深水综合勘察船空调季节每日理论峰值冷凝水产量约为49.64 m3， 结合考虑昼夜温差及湿度变化，采用折减系数对峰值凝水产量进行修正后，每日理论凝水产量约为45.67 m3，产量相当可观。 考虑到该船空调设计条件选用热带海域最恶劣环境条件，船舶在国内海域实际航行作业中通常不会达到最大冷凝水产量。 在设计中，为尽量贴近实际情况，对深水综合勘察船的凝水进行估算时，选取南海海域夏季平均日最高温度作为环境参数，同时考虑一定温差系数，测算结果显示深水综合勘察船夏季一般每日空调凝水产量可达到约20 m3。

为充分利用空调冷凝水，深水综合勘察船在双层底内设置空调冷凝水舱，并将收集到的冷凝水纳入技术淡水系统内。 船上淡水分为技术淡水与饮用水，技术淡水供设备杂用、冷却补水及人员生活日用，饮用水供人员饮用及厨房使用。 一般而言，同类船型的供水系统设计为利用技术淡水压力柜向设备处所供水，利用生活淡水压力柜或变频供水装置向人员居住处所供应日常洗涤及卫生冲洗用水，水源均来自技术淡水舱，饮用水则单独供应。 深水综合勘察船的供水系统设计如图2 所示，通过改进常规供水系统，使系统集成了空调冷凝水再利用的功能。 整个系统的功能可概括为：在空调季节或冷凝水有余量时，船上的卫生冲洗水、设备工作水及设备处所的杂用/冲洗水来自空调冷凝水，生活洗涤水来自变频供水装置； 在非空调季节或冷凝水缺乏时， 船上的设备工作水及杂用/冲洗水来自技术淡水， 而卫生水和生活洗涤水均由变频供水装置提供。 深水综合勘察船全船采用真空便器，全船每日卫生冲洗水和设备工作水总耗量约为5.6 m3， 结合前文计算可知，在空调季节，每日回收的空调冷凝水量完全满足卫生冲洗和设备工作要求，并且会有一定富余。 为充分利用冷凝水，系统设计时考虑用淡水驳运泵将空调冷凝水舱中富余的冷凝水驳出至一个指定的技术淡水舱进行储存，并将该技术淡水舱标记为设备专用，避免变频供水装置从该舱取水导致致病微生物传播。

图2 深水综合勘察船供水系统示意图

2.2 效益分析

深水综合勘察船交付以后，经过一段时间的营运，由用船单位的反馈得知：该船于某年5—6 月在广东沿海海域一个为期30 天的作业航次内， 平均每天可获取15 m3空调冷凝水， 空调冷凝水量完全满足设备工作水和卫生冲洗水的消耗需求。 考虑到该船一段时期内均将停留在广东沿海海域作业，根据上述反馈数据进行估算，深水综合勘察船在一个空调季节内（5—10 月）的航行/作业中可获取的空调冷凝水总量约为2 100 m3， 按国内港口码头对船舶供应工业淡水平均价格10 元/t 计算，深水综合勘察船在一个空调季节内可节约淡水费用近2.1 万元。 如将非空调季节内由设备处所设置的风机盘管及柜式空调产生的冷凝水也计入的话，该船每年通过冷凝水回收可实现节约淡水费用近2.4 万元。 为深水综合勘察船设计的空调冷凝水回收利用方案与常规供水系统相比，没有增加设备，相关功能是通过调整系统设计实现，没有额外增加成本。 此外，在对富余的冷凝水进行收集储存后，深水综合勘察船在作业结束返回码头靠泊期间，将船上中央加热系统内的采暖用淡水置换为空调冷凝水，由于空调冷凝水纯净度高、硬度低，用作冷却水及采暖水可以有效降低管路结垢现象，从而降低设备及管路的维护成本。 另外，通过对空调冷凝水的回收，还解决了空调冷凝水排放难、 舱底水处理量大的问题，在一定程度上降低了船舶舱底水的处置成本。 由以上分析可知，深水综合勘察船通过配置空调冷凝水回收利用系统， 实现对淡水资源的充分回收利用，节省了一定的淡水采购费用，减少了船上日常维护工作量，在提高船舶环保效益和经济效益方面产生了有益效果。

3 实现船舶空调冷凝水深度回收利用的建议

深水综合勘察船所采取的空调冷凝水回收利用方案尽管实现简单， 但考虑到该船空调系统复杂、设备数量多，对该船空调冷凝水的回收利用与一般海洋工程辅助船或常规运输船相比，具有一定的特殊性。 改进冷凝水回收利用系统使其对于常规船舶具有普适性，结合船舶空调冷凝水的特性采取措施提高系统的可靠性，以及深度挖掘空调冷凝水的利用潜能、拓宽应用领域，是充分实现空调冷凝水回收利用价值的关键。

1） 常规船舶的空调冷凝水量与深水综合勘察船相比相对较小，因此对应用于常规船舶的空调冷凝水回收利用系统而言，应尽量简化功能，瞄准最主要的应用场合。 一种可行的普遍适用的方案是将空调冷凝水仅作为常规船舶卫生水系统的补充，通过空调冷凝水舱收集冷凝水，设置独立的泵及冷凝水压力柜并视情况增设管路，使船上卫生设施的冲洗水来源可在空调冷凝水与常规卫生水系统之间切换。 根据前文的理论计算，对于常规船舶而言，在空调季节产生的冷凝水可以满足船上卫生冲洗的水量需求。 通过设置上述简单的系统，可以起到节约淡水的目的， 同时其投资成本也可在短期内收回。

2） 空调冷凝水水质总体水平较高，但水中所含微生物较多。 不加处理的收集与储存可能导致微生物大量繁殖，增加船上人员致病的风险。 可以考虑采取在回收舱柜上增设投药口或在管路上设置消毒装置等方式对冷凝水中的微生物进行消除，改善水质，提高用水的安全性，同时也有助于扩展应用场合。

3） 空调冷凝水在空调季节可以得到稳定供给，但从更长周期的角度看，空调冷凝水的水量供给并不连续。 为了实现对资源的充分利用，可以考虑研发空调冷凝水与船舶中水、 雨水联合回收利用技术，使回收利用系统能够连续、稳定运行，实现淡水节约的最大化。

4） 现有对空调冷凝水回收利用的研究大多着眼于水量，而根据空调装置的特性，空调冷凝水温度低于室温，其冷量也具备回收利用价值。 将空调冷凝水的冷量进行回收， 用于直接或间接冷凝器，也能形成一定节能效果。 目前相关技术在船舶领域的应用尚不充分，但是是值得关注的方向，相关技术方案的成熟应用能够带来可观的经济效益。

4 结 语

长期以来，对船舶空调冷凝水的处置并未得到重视，直接排放造成了淡水资源的浪费。 通过对船舶空调冷凝水的特点加以分析， 结合理论计算，在深水综合勘察船的设计中专门对空调冷凝水回收利用加以考虑，相关系统经过实船检验体现了有益效果。 空调冷凝水的水量和冷能均蕴含着巨大的回收利用价值，通过对现有方案的优化及相关技术的研究，使空调冷凝水能够在船舶上实现稳定、可靠、安全的回收利用，有利于提高船舶的经济性，并能带来显著的环保效益。