基于防病毒需求的中央空调全新风节能设计

徐 谦，崔宝明，陈陵湘，郭 歆，姬佳慧

（招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

新型冠状病毒肺炎（以下简称“新冠肺炎”）作为一种呼吸道疾病，其病毒可通过空气传播，尺寸只有10～100 nm。这种病毒可形成尺寸为0.01～10.00 μm的气溶胶，普通船用中央空调的滤器无法对如此小尺寸的病毒进行过滤，从而导致其能通过中央空调的通风管路传播。关闭中央空调系统之后，房间内没有空气流动，病毒会长时间漂浮在空气中，并在开关舱室时从一个区域扩散到另一个区域。

由于当前新冠肺炎病毒已在世界范围内蔓延，消费者非常担心客船防疫不到位引发安全隐患，邮船的运营受到了很大的影响。为恢复客船市场，必须解决客船防疫问题，其中对船舶中央空调系统进行防病毒设计是关键。

新冠肺炎疫情发生之后，各船级社对空调系统的设计进行了讨论，例如：意大利船级社提出现代邮船在结构上通常会设计若干个区域，每个区域的空调通风系统都是完全独立运作的；挪威船级社提出新鲜空气从船体的一侧进入，废气从船体的另一侧排出，从而确保船上的新鲜空气与废气不会相互交叉。

中国船级社在其发布的《船舶防疫安全指南2020》中的“2级防疫安全要求”中提到，当发生通过空气和气溶胶传播的传染性疾病时，若仍需使用空调系统，则在设计空调系统和风管时要考虑使各个房间独立回风，或在送风口和回风口布置高中效空气滤器［1］。

因此，影响具有防病毒功能的中央空调系统设计的关键因素是全新风。本文根据空调系统的特点，提出全新风的3层含义，以及全新风中央空调对船舶设计的影响，并从能耗方面进行对比，对全新风的节能设计进行分析。

1 全新风的第一层含义

全新风的第一层含义：回风不能在与新风汇合之后重新送到室内。

对于当前的中央空调系统而言，为了节能，普遍采用部分回风与新风混合之后向房间送风的作业方式。对于防病毒来说，这种方式是非常不安全的，会导致病毒从一个房间传播到另一个房间。因此，应放弃这种设计，使送至各房间的风都直接来自室外，不再与回风混合，见图1。

图1 全新风的空调系统

2 全新风的第二层含义

全新风的第二层含义：能量回收装置不能导致新风被回风污染。

虽然全新风的中央空调系统没用回风，所有送入舱室的风都来自室外，易满足防疫要求，但空调系统采用全新风设计会导致能耗大大增加，影响客船运营的经济性。因此，必须考虑能量回收问题。由于当前的能量回收装置存在传播病毒的可能性，比如热转轮可能会吸附病毒，因此需研究运用新型能量回收装置，使其既能防止病毒传播，又比较节能。全新风设计不仅需运用能量回收装置，而且不能对新风产生污染。

热转轮是以复合纤维材料为载体，覆以蓄热吸湿材料构成的，有一定的自清能力，换热效率较高，可回收全热的60%～70%，新风污染率为1%～10%，当前这种能量回收装置的防病毒性能还不明确［2］。图2为带热转轮的中央空调箱。

图2 带热转轮的中央空调箱

板式显热回收装置将回风排放与新风送风彻底隔离开来，完全没有污染的风险，但只能回收显热，效率为50%～60%［3］，见图3。

图3 板翅片

为满足全新风的第二层含义，需对不同的能量回收装置进行核查讨论。板式和热管这2种能量回收装置完全能满足要求，但其回收效率较低；热转轮存在污染新风的可能，其防病毒性能暂不明确。

3 全新风的第三层含义

全新风的第三层含义：不能通过使用内循环空调控制温度，新风的换气次数很少。

当前的空调系统主要分为2种：一种是全空气系统，即由中央空调箱输送给房间的空气能完全满足房间的冷热负荷需求，这种方式风量大，房间的换气次数多，且房间内无需布置额外的空气处理单元，能大大减少冷媒水管和凝水管的数量，空调设备都布置在空调机间内，维修简单，但风管较多，布置困难［4］；另一种是水-气系统，空调机间的空调只输送少量新风到房间内，只是用于满足人员的呼吸需求，而为满足房间的冷热负荷需求，布置有额外的风机盘管，一般布置在卫生单元后面的三角区。

水-气系统的新风满足上述第一层和第二层含义，但若新风量很少，导致房间的换气次数很少，病毒会长时间留在房间内，并在开门和关门过程中向外扩散，因此不是真正意义上的全新风［5］。由此，在使用水-气系统时，要特别注意新风量，不能为了节能和便于布置风管而盲目减少新风量。

4 高外界环境温度下的空调节能设计

为直观地说明上述全新风的3层含义对中央空调系统的影响，从某客船上选取一个带窗户的双人间，对其进行计算分析。夏季外界温度为35℃，相对湿度为70%，室内温度为26℃，房间的空调负荷来自人（240 W）、窗户（350 W）和舱壁（100 W），共计690 W。

先考虑使用全空气中央空调系统，房间的送风温差是8 K，空气在中央空调器内冷却到16℃，经过风管时有2 K的温升，通过计算可得房间需要260 m3/h的风量，外界温度为35℃时不同节能装置的全空气中央空调系统负荷对比见表1。

表1 外界温度为35℃时不同节能装置的全空气中央空调系统负荷对比

若使用水-气中央空调系统，在房间内布置风机盘管，风机盘管的负荷与房间负荷一致，均为690 W，由中央空调送72 m3/h的新风，将外界的新风处理到与房间内空气焓值相同的温度，即18.6℃。外界温度为35℃时不同节能装置的水-气中央空调系统负荷对比见表2。

表2 外界温度为35℃时不同节能装置的水-气中央空调系统负荷对比

由以上计算可知，不同中央空调系统的制冷负荷差别很大，会对冷水机组和泵的选择产生很大影响。空调负荷最小的是采用带热转轮的新风机和风机盘管的水-气中央空调系统，负荷为1 341 W；空调负荷最大的是无能量回收的全空气中央空调系统，负荷为4 513 W；空调负荷居中的是板式显热回收的全空气中央空调系统，负荷为3 723 W。因此，在高外界温度下设计中央空调系统时，水-气系统是最节能的，若运用全空气系统，必须考虑全热回收。基于显热回收与全热回收的全空气系统在高外界温度下的负荷差距很大，潜热占支配地位，必须考虑对其进行能量回收。

5 低外界环境温度下的空调节能设计

以上负荷计算和设备选型是基于最苛刻的外界温度（35℃）进行的，而在实际船舶运营过程中，随着季节和昼夜的变化，外界温度是不断变化的，不同空调系统的负荷会随着外界温度的变化做出不同的变化。对比全热回收（50%）全空气中央空调系统、显热回收（50%）全空气中央空调系统和水-气中央空调系统（72 m3/h新风量）在不同外界温度下的负荷，结果见图4。在全空气系统中，房间依旧有260 m3/h的风量，房间内的热负荷随着外界温度的变化而减小，全空气系统的送风温度会下降，3种中央空调系统的制冷负荷也随之减小。从图4中可看出，在较低的外界温度下，全空气系统在节能方面比水-气系统更有优势，全热回收全空气系统与显热回收全空气系统的差距随着外界温度的下降而逐步减小，直至外界温度为26℃时重合，说明在该温度下，外界新鲜空气的温度在中央空调箱内降到了露点温度以上，没有潜热产生，也说明当外界温度低于26℃时，显热回收全空气系统与全热回收全空气系统的热效率无差别。

图4 不同中央空调系统在不同外界温度下的负荷曲线

6 结 语

本文在新冠肺炎疫情大暴发的背景下对客船的中央空调系统进行了研究。据调查，绝大多数新冠肺炎患者都是在室内感染病毒的，通过增加新风量使室内的环境更接近于室外，能有效降低病毒传播的可能性［6］。虽然满足上述3层含义的全空气中央空调系统能有效抗病毒，但必须考虑能耗问题，不能盲目增加新风量而导致电力负荷剧增。因此，本文重点对比讨论了不同中央空调系统在不同外界温度下的能耗特点，从而在设计空调系统时做出最合理的选择。

满足全新风3层含义的中央空调系统不一定是全空气系统，在不将新风量降得很低的前提下合理使用风机盘管，能起到很好的节能效果，大大减少设计工况下的制冷负荷，非常有助于整个中央空调系统的设计。在较高的外部环境温度下，满足全新风3层含义的全空气系统有较高的能耗，但在实际运用过程中，当外界温度下降时，该系统有很好的节能作用，可利用外部空气直接带走室内的热量，起到很好的环保效果。