1、中遠集團青年創(chuàng)新創(chuàng)效活動論壇學術論文登記表單 位：青島遠洋船員學院 2005 年 12 月 7 日論文名稱船舶空調裝置節(jié)能技術研究論文作者 情 況姓 名何昌偉年 齡35政治面貌黨員學 歷本科職 稱講師職 務姓 名年 齡政治面貌學 歷職 稱職 務論文簡述本文針對船舶空調系統(tǒng)的節(jié)能技術進行了系統(tǒng)分析和研究。對現(xiàn)有船舶，提出應立足于在運行過程中加強對系統(tǒng)的維護管理，以實現(xiàn)節(jié)能增效；對新造船舶或改裝的船舶，應采用變頻新技術(變頻風機、變頻壓縮機)對整個系統(tǒng)進行技術改造和創(chuàng)新，以實現(xiàn)更大程度的節(jié)能。本單位主管部門意見 簽字（蓋章） 年 月 日所屬團組織復核意見 簽字（蓋章） 年 月 日上級主管部門意見

2、簽字（蓋章） 年 月 日船舶空調裝置節(jié)能技術研究Research on energy saving technology of ship air-conditioning equipment青島遠洋船員學院 何昌偉摘要：本文針對船舶空調系統(tǒng)的節(jié)能技術進行了系統(tǒng)分析和研究。對現(xiàn)有船舶，提出應立足于在運行過程中加強對系統(tǒng)的維護管理，以實現(xiàn)節(jié)能增效；對新造船舶或改裝的船舶，應采用新技術對整個系統(tǒng)進行技術改造和創(chuàng)新，以實現(xiàn)更大程度的節(jié)能。關鍵詞：船舶空調 節(jié)能 技術Abstract: Systematic analysis and some advice is given in this paper

3、on energy saving technology of ship air-conditioning system. Energy saving and efficiency improving mainly depends on running maintenance and management for those ships in using, while new technology should be introduced for system renovation for new ships or refitted ships. Keywords: ship air-condi

4、tioning, energy saving, technology船舶空調裝置是保證船舶安全航行和船員生活舒適的重要設備。萬噸級以上的遠洋船舶空調系統(tǒng)耗電量約占船舶電網總容量的20% ，是船舶主要的能耗裝置。對于占世界貿易貨物運量90以上的海運業(yè)，由于其對燃油的需求量很大，近幾年來，隨著國際石油價格的不斷上漲，船舶營運成本也在不斷加大。因此如何實現(xiàn)船舶運營的節(jié)能增效，已成為航運界越來越關注的重要課題。作為占船舶耗能總量很大比例的船舶空調系統(tǒng)，如何提高其制冷效率實現(xiàn)能耗的降低已成為船舶節(jié)能的一個重要研究方向。作者通過對節(jié)能技術和船舶空調系統(tǒng)的長期跟蹤研究，分析總結出一些船舶空調系統(tǒng)節(jié)能的方案和

5、措施，供大家參考。1 現(xiàn)行空調系統(tǒng)運行過程中可采取的節(jié)能措施11 調節(jié)熱力膨脹閥的開度遠洋船舶通常在全球海域內航行。當船舶從北半球越過赤道至南半球、或者從南半球至北半球的航行過程中，外界氣溫可能在+50 +30的范圍內劇烈變化，因此空調系統(tǒng)的熱負荷將在較大范圍內不斷變化。雖然熱力膨脹閥可以根據(jù)外界熱負荷的變化，在一定范圍內自動調節(jié)冷劑的流量，以使制冷量與熱負荷相匹配，但是這種調節(jié)范圍是有限的。當環(huán)境溫度上升時，原先設定的膨脹閥彈簧預緊力往往不能保證冷劑循環(huán)量作相應的增大，這就會使蒸發(fā)壓力降低，制冷系數(shù)變小，能耗增加，因此必須適當調小膨脹閥的彈簧預緊力，以增加膨脹閥的開度，提高制冷劑循環(huán)量，滿足

6、冷量增加的需要。同理，當環(huán)境溫度下降時，應適當調大膨脹閥的彈簧預緊力，以減小膨脹閥的開度，避免液擊現(xiàn)象的發(fā)生。輪機員在船舶空調的運行管理中應能根據(jù)負荷的變化，合理地調節(jié)膨脹閥的彈簧預緊力，保證合適的開度，避免能耗增加，提高經濟性。12 定期排放系統(tǒng)中的不凝性氣體系統(tǒng)中的不凝性氣體主要是空氣，通常積聚在冷凝器和儲液器中。根據(jù)道爾頓分壓定律，不凝性氣體的分壓力將增加冷凝器的總壓力，從而使壓縮機的耗功增加。因此輪機員在管理中，應定期通過冷凝器和儲液器上的放空氣閥將不凝性氣體排至大氣中，以節(jié)約耗電量。13 定期放油，避免大量滑油進入熱交換器系統(tǒng)中的滑油一旦進入冷凝器和蒸發(fā)器中，就在其表面形成一層油膜，

7、從而產生相當大的熱阻，降低傳熱系數(shù)。因此空調系統(tǒng)中，壓縮機排氣一般先通過油分離器，將帶出的大部分滑油分離出來，經自動浮球閥或手動閥流回壓縮機曲軸箱。輪機員在管理中應定期檢查油分離器的自動回油情況，在自動回油故障時采用定期手動回油，以防滑油大量進入熱交換器中，避免使整個裝置的經濟性下降。14 定期除垢，增大傳熱系數(shù)，降低能耗研究表明，冷凝器結垢厚度達1.5mm時，耗電量就要平均增加9.8%。可見，輪機系統(tǒng)管理中定期對冷凝器拆洗、除垢，也是一項重要的節(jié)能措施。因此，對現(xiàn)有船舶的空調系統(tǒng)，要實現(xiàn)其節(jié)能，必須加強運行中的管理，以使整個系統(tǒng)在節(jié)能的工況條件下運行。這就要求輪機員必須具備較高的綜合素質，特

8、別是應具有較強的責任心，因而也就使該方法所能達到的實際節(jié)能效果具有了不確定性。現(xiàn)行的空調系統(tǒng)通常采用恒功率、恒轉速裝置，按最大負荷設計配置；而船舶空調裝置在實際使用過程中，由于船舶航區(qū)、晝夜的變化，其外界的工況、熱負荷也在不斷變化，使得整個空調裝置大部分時間是在部分負荷下工作。為了避免空調裝置大部分時間處于大馬拉小車現(xiàn)象的出現(xiàn)，現(xiàn)有船舶通常采用壓縮機間斷運行或壓縮機吸氣回流等方法，實現(xiàn)壓縮機的能量調節(jié)。但這種方法存在制冷量和熱負荷不能完全匹配的缺陷，使得系統(tǒng)運行中制冷系數(shù)較低，尤其在低負荷時能量損失較大。因此對于新造船舶或改裝的船舶空調系統(tǒng)應采用新技術，改變原有系統(tǒng)的設計缺陷，提高低負荷下的制

9、冷系數(shù)，實現(xiàn)更大程度的節(jié)能。近年來，隨著變頻技術的不斷發(fā)展和變頻設備價格的大幅下降，特別是變頻技術在家用制冷裝置中的成熟應用，如何將變頻技術應用于船舶空調裝置實現(xiàn)大幅度的節(jié)能，已成為當前空調節(jié)能研究的發(fā)展趨勢。2采用變頻技術實現(xiàn)壓縮機的能量調節(jié)前已述及，船舶空調裝置按最大負荷設計配置，因此最高效率只能在最大負荷下實現(xiàn)。但由于船舶航區(qū)、晝夜的變化，船舶空調系統(tǒng)大部分時間是在部分負荷下工作，在這種情況下，為了獲得比較高的效率，必須對壓縮機進行能量調節(jié)。采用壓縮機變頻調節(jié)，是在部分負荷下保證壓縮機有效輸出功和系統(tǒng)熱負荷相匹配、降低能耗的最佳選擇。采用壓縮機變頻調節(jié)的原理是，當外界環(huán)境溫度較高、熱負荷

10、較大時，壓縮機應工作在較高轉速下，使壓縮機的輸出功率、制冷劑流量和制冷量能滿足熱負荷的需要。此時雖然壓縮機總功耗會提高，但由于制冷劑氣體和壓縮機缸體的熱交換量減少、以及吸排氣阻力損失的相對減少，會使壓縮機的單位壓縮功相應下降。相反，在環(huán)境溫度較低時，冷凝壓力下降，制冷系統(tǒng)熱負荷下降，此時可利用變頻調速技術，調節(jié)壓縮機轉速使之處于低速運行狀態(tài)。低速運行雖會引起壓縮機輸氣量和制冷劑流量的下降，可能使制冷劑氣體不足以克服按較高轉速工況設計的吸、排氣間的彈簧力，導致吸、排氣閥開度減小，氣體流動阻力增大，容積效率減小，制冷劑和氣缸熱交換損失增大。但是，隨著轉速的下降，壓縮機絕熱效率和制冷系數(shù)卻有較大的提

11、高。船舶空調系統(tǒng)制冷系數(shù)COP與絕熱效率的關系式可表示為：式中： 制冷劑質量流量，kg； 壓縮機吸入飽和蒸汽焓值，kJ/kg； 冷凝器出口飽和液體焓值，kJ/kg； 等熵壓縮前后焓差，kJ/kg； 壓縮機軸功率和指示功率之差, kW。由上式可見，當轉速下降時，制冷系數(shù)隨絕熱效率的提高而提高。同時圖1表明，在制冷量隨著熱負荷下降而相應減小時，只要保持吸、排壓力穩(wěn)定，則絕熱系數(shù)和制冷系數(shù)可比最高轉速時提高約15。所以，在低熱負荷時，降低轉速，減少壓縮機輸出功不僅能保證制冷量和熱負荷相匹配，而且能減少有效損失，提高制冷裝置的總能量利用率，達到節(jié)能的目的。圖1 制冷系數(shù)和絕熱效率隨轉速的變化關系由此可

12、見，由于船舶空調熱負荷變化劇烈（特別是南北航線航行的船舶），采用變頻電機改變壓縮機的輸出功率是降低能耗、提高效率的主要措施。3電子膨脹閥取代熱力膨脹閥實現(xiàn)冷劑流量的調節(jié)采用壓縮機變頻調速的制冷系統(tǒng)，膨脹閥必須適應制冷劑流量在大范圍內的頻繁變化。只有當壓縮機變頻能量調節(jié)規(guī)律和膨脹閥通流能力相匹配時，制冷系統(tǒng)才能處于耗電最省的最佳工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的熱力膨脹閥反應慢，調節(jié)滯后時間長，調節(jié)范圍小，流量脈動大，超出了一定的流量范圍就不能正常工作。而電子膨脹閥具有良好的變負荷動態(tài)特性，可按壓縮機變頻調節(jié)規(guī)律由微機預設程序，通過脈沖信號控制脈沖電機轉向，改變針閥開度以精確控制制冷劑流量。當船舶空調系統(tǒng)負荷變化

13、較大時，電子膨脹閥能迅速、直接測得蒸發(fā)器出口過熱度的真實變化并迅速傳遞信號作出相應的調節(jié)，使蒸發(fā)器出口過熱度維持在3 6的范圍，從而避免了傳統(tǒng)的熱力膨脹閥因調節(jié)滯后，調節(jié)范圍較小而引起的過熱度偏高，蒸發(fā)器傳熱效率下降，裝置運行能耗增加的問題。4用變頻調速技術實現(xiàn)風量的調節(jié)萬噸級以上的遠洋船舶，僅空調系統(tǒng)的風機耗電量就占船舶電網容量的8% 左右，是船上各種裝置中的能耗大戶。當壓縮機采用變頻調速后，若空調風機轉速不進行調節(jié)，在壓縮機轉速升高時，會使蒸發(fā)壓力降低，空調系統(tǒng)的能效比下降，整個系統(tǒng)的經濟性變差。同時在緯度較高的海域航行時會出現(xiàn)房間溫度偏低，風量偏大，空調風機的背壓升高，風機喘振，氣流噪音

14、增大。因此，研究風機風量調節(jié)是船舶空調節(jié)能的又一重要途徑。目前，針對貨船空調系統(tǒng)普遍采用的定速風機集中混合式單風管系統(tǒng)，主要有兩種風量調節(jié)方法，即：（1）空氣泄放法。當風道風量大，風道靜壓超過一定值時，將多余的處理過的空氣通過泄放口向艙室之間回風走廊泄放，能耗較大；（2）風機出風風門節(jié)流法。在外界負荷較小時，調節(jié)風機出風口空氣分配箱中的節(jié)流閥，從而調節(jié)風量風壓。但這種節(jié)流調節(jié)方法，使風道特性變陡，易于進入喘振，能耗也較大。由此可見，這兩種傳統(tǒng)的風量調節(jié)方法能耗都比較大，特別是在低負荷時。要解決風量調節(jié)能耗大的問題，采用風機變頻調速是一種有效的方法。風機變頻調速就是通過改變空調風機驅動電機的輸入

15、電源頻率，改變風機的轉速，使得空調裝置的制冷量和系統(tǒng)負荷相一致，維持空調艙室溫度在設定值內。其控制原理是選用雙脈沖PID溫度調節(jié)器，溫度控制器利用熱敏電阻T1感受到的空調艙室回風溫度作為輸入信號，以熱敏電阻T2測到的室外環(huán)境溫度，即新風溫度進行補償修正，并根據(jù)艙室設定溫度、采集到的環(huán)境溫度和室溫等數(shù)值按一定控制規(guī)律輸出相應的頻率信號和電壓信號至變頻器，然后變頻器產生所要求的電壓和頻率的電源提供給空調風機電機，使電機轉速相應改變，向空調艙室輸送所需要的風量。變頻調速風機的性能曲線表明，轉速在風機最高效率區(qū)附近的上下20%范圍內變化時，其效率基本不變。根據(jù)相似理論，風機風量、壓頭、軸功率與轉速的關系為：， ， 式中： 分別為風機在轉速時的風量、壓頭及軸功率； 分別為風機在轉速時的風量、壓頭及軸功率。因此當風機處在最大負荷時，其轉速為；當轉速下降為時，風量和軸功率都會下降，但風量是隨轉速的一次方下降，而軸功率是隨轉速的三次方下降。可見軸功率下降幅度非常明顯，因此實現(xiàn)空調風機無級變頻調速，通過微小的轉速變化就能得到顯著的節(jié)能效果。5 結論現(xiàn)代船舶空調裝置在嚴酷的海況和多變的氣候條件