基于节能减排目标下高能效船舶设计方法研究

王小华，王昊天

(1.博格推进器国际贸易(上海)有限公司，上海200050；2.上海世界外国语中学 国际部，上海 200233)

0 引言

船舶运输的燃油经济性远超公路、铁路或航空，特别是在大件运输上，船舶有着无以伦比的优势，因此全球大约90%的国际贸易是通过海运的方式来实现的。这也是在过去的一个多世纪里，推动国际贸易大幅度持续提高的一个重要因素。

我国是一个航运大国，更是造船大国，但是新冠疫情的暴发使得我国造船业面临着很大的挑战。原材料、燃料、有色金属等价格持续上涨，特别是钢材价格的一路飙升，给我国船厂带来了很大的成本压力。同时，我国新造船业还必须要面对为了满足近年来新的国际规范、新标准而产生的巨大压力。能效设计指数(EEDI)自2013年实施以来，新船设计、动力系统和船舶涂装优化及航行规划等都有了重大的改变。

高能效的船舶，在设计初期就需要针对不同船型、不同航线、原动机及推进器等进行优化设计。本文通过研究不同主尺度和航速下的各类船型的能效设计指数，探讨高能效船舶设计的基本思路。

1 船舶减排目标

1997年的MARPOL公约会议上，国际海事组织(IMO)通过决议，开始研究船舶减排问题。之后的多年间，IMO一直在寻求船舶温室气体减排的措施和方案。

在2018年IMO会议上，随着全球减排压力进一步增大，专家组提出了在本世纪尽快实现“零排放”的目标。以2008年作为新的排放基准年, 希望在2050年底前能达到减少50%的温室气体排放的目标，同时碳排放强度到2030年降低至少40%，到21世纪中叶降低70%。目前，气体排放的目标与IMO的“零排放”目标之间有着很大的差距，这就需要新造船进一步采取有效改进措施，采用新能源动力技术。2021年6月中旬，IMO在MEPC第76届线上会议上发布了成果简报，针对EEDI的计算方法进行了修订，对新造船的EEDI第2和第3阶段日期做出了统一解释。

2 提高船舶能效设计指数的基本思路

目前，船舶节能减排的思路有以下5个方向：

(1)船舶航线的优化和自动导航技术的应用。这里主要考虑航线上的天气情况、洋流情况等。

(2)螺旋桨本身的优化设计，以及保持螺旋桨表面清洁。

(3)主机及推进系统的新技术和优化。

(4)保持船体表面的清洁光滑。

(5)船体水动力性能优化。

本文根据某水池的部分船型的船模实验数据和现有的部分船型CFD数据，从船体水动力性能优化的角度进行探讨，对应3大主力船型：散货船、集装箱船和油船，从典型船型设计角度分析其对船舶能效设计指数的影响。

3 主尺度优化对EEDI的影响分析

本文基于载重吨/排水量=0.85，轴功率=有效功率/0.75的假定，研究3大船型不同的航速、水线间长、船宽和吃水对船舶EEDI的影响。EEDI基准线是按IMO提供的2008年作为基准年得出。

3.1 航速对船舶能效设计指数的影响

3个船型的具体主尺度见表1。

表1 航速对EEDI影响的3个船型主尺度

图1～图3分别显示了3个船型在不同航速下的EEDI的变化。

从图1～图3的可以直观地看出：

图1 散货船在不同航速下的EEDI

图2 集装箱船在不同航速下的EEDI

图3 油船在不同航速下的EEDI

(1)航速越高，船舶目标EEDI和船舶基准EEDI的差值越小。散货船、油船的差值零点出现在14 kn，集装箱船的差值零点出现在21 kn。由此可以得到这3种船型的最大理想航速。

(2)船舶在低速时航速对船舶目标EEDI值的影响相对较小。集装箱船航速超过30 kn、油船航速超过20 kn后，影响快速增长。

(3)目标EEDI和装机功率/排水量比值，有着相似的走向。

综上，这3种船型新船设计时可以考虑较低的设计航速，从而有效地提高船舶的EEDI。

3.2 水线间长(Lwl)对船舶能效设计指数的影响

本次分析对应的船型主尺度见表2。

表2 水线间长对EEDI影响的3个船型主尺度

图4～图6分别显示了3个船型的不同水线间长在12 kn航速下对EEDI的影响，结合3种船型在高航速时的EEDI表现，可以得出结论：

图4 散货船在12 kn时Lwl对EEDI的影响

图5 集装箱船在12 kn时Lwl对EEDI的影响

图6 油船在12 kn时Lwl对EEDI的影响

(1)在12 kn航速下，水线间长增加时，船舶目标EEDI和船舶基准EEDI的差值在减小；但在高航速时，水线间长的增加却使得船舶能效差值也在增加。这是因为，高速航行时，兴波阻力在增加。所以航速高时，较长的船舶的性能表现得更好。

(2)对于散货船和集装箱船，小型船舶的长度对目标EEDI的影响大于大型船舶。

(3)船舶目标EEDI和装机功率/排水量比值，有着相似的走向。

综上，航速低时，小型船舶的能效表现更好；航速高时，大型船舶的能效表现更好。

3.3 船宽对船舶能效设计指数的影响

本次分析对应的船型主尺度见表3。

表3 船宽对EEDI影响的3个船型主尺度

图7～图9分别显示了18 kn航速下3个船型的不同船宽对EEDI的影响。

图7 散货船在18 kn时船宽对EEDI的影响

图8 集装箱在24 kn时船宽对EEDI的影响

图9 油船在18 kn航速时船宽对EEDI的影响

结合在12 kn航速下船宽对EEDI的影响,可以得出结论：

(1)在12 kn航速下，随着船宽数值的加大，船舶目标EEDI和船舶基准EEDI的差值在减小。但在高航速(18 kn和24 kn)时，随着船宽数值的增加船舶能效差值也在增加。

(2)船舶目标EEDI和有效功率/排水量比值，有着相似的走向。

(3)船舶设计航速较低时应采用较小的船宽，设计航速较高时应采用较大的船宽值。

综上，航速低时，较窄的船舶能效较高；航速高时，宽大的船舶能效表现更好。

3.4 吃水对船舶能效设计指数的影响

本次分析对应的船型主尺度见表4。

表4 吃水对EEDI影响的3个船型主尺度

图10～图15分别显示了3个船型在不同船宽不同航速下的EEDI的变化，可以得出结论：

图10 散货船在12 kn航速时吃水对EEDI的影响

图11 集装箱船在12 kn航速时吃水对EEDI的影响

图12 油船在12 kn航速时吃水对EEDI的影响

图13 散货船在18 kn航速时吃水对EEDI的影响

图14 集装箱船在24 kn航速时吃水对EEDI的影响

图15 油船在18 kn航速时吃水对EEDI的影响

(1)在12 kn航速下，随着吃水的增加，船舶能效差值在减小。但在高航速(18 kn和24 kn)时，随着吃水的增加，船舶能效差值也在增加。

(2)船舶目标EEDI和装机功率/排水量比值，有着相似的走向。

(3)设计吃水小的船在航速较低的情况下船舶的能效较高；而设计吃水大的船，在航速较高的情况小船舶能效较高。

综上，设计吃水小的船舶应选择采用较低的设计航速，而设计吃水大的船舶可以采用较高航速。

4 结论

通过对这3大船型性能参数分析，在进行船舶总体设计时，可以借鉴下面4点：

(1)采用相对较低的设计航速。当降低航速到各船型的临界航速点以下，可以有效提高船舶的能耗效率，如：集装箱船设计航速可以考虑在21 kn以内，散货船和油船航速可以考虑在不高于14 kn的设计航速。

(2)设计航速较低(在12 kn左右)时，可以考虑小型船舶尺度(长度较短的船舶)。如果设计航速较高(超过18 kn)时，可以考虑较大的船舶尺度(长度较长的船舶)。

(3)如果设计航速较低(在12 kn左右时)，建议采用船宽较小的设计。反之亦然。

(4)设计航速较低时(在12 kn左右时)，设计吃水也要偏小。如设计航速较高时(18 kn以上时)，设计吃水可以选择较大的吃水。

本文分析了根据不同的船型，在不同的航速和主尺度下，可以有着很大不同的EEDI表现这一特点，进行新建船型的选择，优化船型设计。