船机余热在空调系统中的探索与利用

范昌明

(江南造船(集团)有限责任公司， 上海201913)

0 引 言

2011年7月，MEPC通过决议[1]将能效管理作为海事行业的强制要求，所有新造船舶须满足船舶能效设计指数(EEDI)，所有船舶必须满足船舶能效管理计划(SEEMP)。该法规适用于所有400 t以上的船舶，已于2013年7月1日起实施，并要求EEDI自2015年起每5年降低10%，到2025年，EEDI共计比现阶段基准降低30%。

随着“绿色船舶”风潮渐起，船舶所有人也将越来越关注船舶的节能减排指标。

1 现有技术

当今，各类船舶和海洋装备作业于不同海域，为了给船上人员营造一个舒适的生活、工作环境，都需要运用到空调系统。目前，船舶空调系统主要运用集中式空调(即中央空调)和冷水机组空调。文中主要论述的冷水机组空调，根据换热型式的不同，又分为常规型冷水机组空调和热泵型冷水机组空调。常规型冷水机组空调系统主要通过锅炉热水或蒸汽实现换热；热泵型冷水机组空调系统主要通过电辅助加热器实现换热。

1.1 常规型冷水机组空调系统

以常规型冷水机组空调系统为例，包含：冷机机组、循环泵、换热器、风机盘管及其他附件[2]。船舶需配备蒸汽锅炉或热水锅炉，以便在环境温度较低时通过换热器加热冷媒水，进而通过风机盘管与室内空气实现换热。

传统燃油锅炉加热冷媒水系统(见图1)包括：燃油锅炉1、循环水泵2、膨胀水箱3、燃油和排气附件等。图1中的换热器4，通过外部来自锅炉1的热水(或蒸汽)加热后，在循环泵5的作用下，将加热后的冷媒水供给舱室内风机盘管6实现换热。

图1 冷媒水系统(锅炉加热)

1.2 热泵型冷水机组空调系统

热泵型冷水机组空调系统需配置1台电辅助加热器，以便在环境温度过低(如船舷外水温<3 ℃)时，开启电加热器加热冷媒水供舱室制热用。

该系统能利用船舷外水温与空气温度间的温差，通过热泵提取水中的热量来加热冷媒水。当舷外水温≥3 ℃时，冷水机组通过压缩机工作仅能达到额定热量的70%；当水温<3 ℃时，热泵制热效率急剧下降，远不能满足舱室制热所需，必须进入辅热运转模式。目前，在辅热运转模式下换热器4大多采用电加热，其功率将使电站容量明显增大，增加建造和运营成本。

以上两种现有的冷水机组空调冷媒水系统制热方式不仅需配置锅炉提供热水或蒸汽，进而消耗燃油，增加船舶质量和运营成本，还需增大电站容量。

2 研发理念

本文研究了一种用于空调冷媒水的新型船舶主机或发电机(简称：船机)余热利用系统。该系统摒弃了传统锅炉或电加热冷媒水的方式，充分利用船机余热，解决冷媒水加热问题，取消了燃油热水锅炉及相关配置，减少了燃油消耗和电站容量，降低了建造和运营成本，有效地解决传统锅炉或电加热冷媒水所存在的不足。

无论船机采用高、低温水冷却系统，中央冷却方式或是混合水方式，系统均能有效适用。

3 技术实施

3.1 设备与系统

传统的船舶空调冷媒水系统与船机冷却系统相互之间独立运行，互不关联。冷媒水系统换热需通过配置燃油锅炉或辅助电加热器实现[3]。冷却船机缸套等部件的高温淡水余热主要通过海水冷却系统带出舷外，不做利用。如图2和图3所示。

图2 冷媒水系统(辅助加热)

图3 船机冷却系统

常规的空调冷媒水系统和船机淡水、海水冷却系统介绍如下：

(1) 冷媒水系统，包括换热器4、循环泵5和风机盘管6。换热器4分别与空调冷水机组和风机盘管6连接，循环泵5分别连接空调冷水机组、换热器4和风机盘管6，换热器4设置锅炉(蒸汽或热水)加热或电加热，通过循环泵5与风机盘管6连通形成循环系统。

(2) 淡水冷却系统，对主机8进行冷却，包括缸套水泵9、冷却器7、温控阀10和膨胀水箱11。缸套水泵9分别连接冷却器7、温控阀10、膨胀水箱11和主机8；温控阀10分别连接冷却器7、缸套水泵9、膨胀水箱11和主机8。

其中：缸套水泵9可使膨胀水箱11内存储的热交换介质——淡水，在主机8与冷却器7之间循环流动；经冷却器7热交换后的淡水流经主机8，在主机8内进行热交换，吸收主机8产生的热量对其进行冷却，吸收热量后的淡水可通过缸套水泵9再次进入冷却器7，进行热交换。如此循环，实现对主机8的冷却。

另外，温控阀10根据温度传感器实时检测出的主机8冷却水出口温度，通过与设定值进行比对，可对淡水冷却系统的热交换温度进行调节控制。

(3) 海水冷却系统，对主机8高温淡水进行冷却，包括海水箱12和海水泵13。海水泵13分别连接海水箱12和冷却器7，主机8高温淡水(通常在80～85 ℃)可通过冷却器7与海水进行热交换，海水泵13可从海水箱12吸入海水，并将海水输入冷却器7内，进入冷却器7内的低温海水与冷却器7中的高温淡水进行热交换，从而可将主机8中的热量带走(排舷外)。

3.2 方案与实施

新型船机余热利用系统在冷媒水系统与船机冷却系统之间有两种配合方式：

(1) 将空调换热器4与淡水冷却系统中的冷却器7并联，然后在换热器4的冷媒水出口设温度传感器14，在冷却器7的高温淡水进口设三通调节阀15，温度传感器14与三通调节阀15配合连接，如图4所示。

图4 新型船机余热利用系统

(2) 将换热器4串接在海水冷却系统上，然后在换热器7的冷媒水出口设温度传感器14，在冷却器7的海水出口设三通调节阀15，温度传感器14与三通调节阀15配合连接。

在冷媒水系统与主机冷却系统配合使用时，可将冷媒水系统中没有接入加热介质的换热器7并联在主机高温淡水冷却系统中，通过在换热器7的冷媒水出口设置温度传感器14，在冷却器7淡水进口设置三通调节阀15，可自动调节进入换热器7的高温淡水流量。由此，主机冷却系统的淡水与主机8进行热交换吸热后，在进入冷却器7之前，通过三通调节阀15自动分流高温淡水进换热器4进行热交换，对流经换热器4的冷媒水进行加热。加热后的冷媒水在冷媒水循环泵5的作用下，供给舱室内的风机盘管6换热使用。与此同时，与换热器4进行热交换后的淡水与流经冷却器7进行热交换后的淡水汇合，可进行后续的循环冷却工作。

将换热器4与冷却器7并联，在一定程度上做到了相互备用，使空调冷媒水系统和主机冷却系统运行更加安全可靠。

同样，也可将换热器4布置于冷却器7的海水出口处，亦可间接利用主机余热(原理同上，此处不再赘述)。

上述方案的实施，无论主机8采用高、低温水冷却系统或混合水方式，新型船机余热利用系统均能有效适用。需注意的是：换热器4在不同环境温度、不同舱室制热负荷下，所需的置换热量也不同，需根据设备具体情况进行调节。

4 对比分析

以配置了2台2 525 kW主机的53 m某巡逻艇为例，其传统热水锅炉加热系统如图5所示。

该艇采用燃油热水锅炉加热冷媒水，制热功率约230 kW，需配置1台燃油热水锅炉(油耗：23 kg/h)+2台热水循环泵+1个膨胀水箱+1个消音器+燃油/排气等附件。采用新型余热利用系统的技术方案无需配置以上设备，既减轻了船舶质量，又较大地降低建造和运营成本，具有较好的环保和经济效益。

即使采用较新型的热泵型冷水机组空调系统+辅助电加热的形式，也需额外增加电功率约125 kW，加上其他设备所需电力负荷约300 kW，共需设置3台单机功率约150 kW的发电机组。采用本新型余热利用系统的技术方案，则2台150 kW的发电机组即可满足全船电力负荷，可节省1台单机功率为150 kW的发电机及相关配置。

图5 传统热水锅炉加热系统

5 结 语

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。因此，在主机和发电机等船机余热利用方面的探索，对优化船舶能效设计指标具有重要意义。