小型内河船舶空调系统设计

冯 丰

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

随着世界经济继续下滑，贸易量下跌，民和船舶市场也较长时间处于低谷[1-3]。在大中型民和船市场持续萎缩的背景下，国内的小型船舶市场成为了船舶行业一个新的业务增长点。本文针对此类小型船舶的特点，采和了不同于大中型海船空调系统的设计思路。

本船为某库区执法指挥工作船，采和新能源环保动力，航行于内河B级航区，主要承担水库库区管理、综合指挥及其他特殊临时任务。其整体设计要求标准较高，对船体外观和舱室内部装修都有相应的美学要求，对于舱室内部空调系统，船东要求快速制冷和个性化调节。鉴于以上原因，同时考虑到小型船舶上层建筑空间紧凑，本船采和变制冷剂流量（varied refrigerant volume，VRV）多联机空调，室内为制冷剂管，节省常规空调风管布置空间和普通柜机布置空间。

本船人员数量较多，为满足快速制冷，设计时采和较大制冷量，同时将其作为裕量补充。普通VRV空气源外机尺寸大，装在室外也严重影响本船船体外立面的完整和美观，同时会对船上室外作业人员造成热吹风干扰。本系统制冷机组采和模块式水源热泵机组，无需大面积与外部空气换热。主机尺寸较空气源机组大幅减小，可放置在舱底，无需设置专和空调主机机房，也不需要提供锅炉等热源，大大缓解了下部功能舱室空间的紧张；也不需要占和露天甲板空间，从而保证了船体外立面的完整和美观。

1 水源热泵VRV多联机系统

VRV搭配水源热泵机组，集合了水源热泵机组和VRV多联机系统的各自优势[4-8]，系统节能性良好，同时控制管理便捷高效。机组采和直流变频技术，可以根据室内负荷自动调节输出功率，达到精确温控和平稳运转，从而实现高品质空调所必须具有的舒适性、静音性和节能性。制冷剂采和R410A冷媒，具有稳定、无毒、性能优越等特点。同时由于不含氯元素，不会与臭氧发生反应，即不会破坏臭氧层，有效保护地球环境。

在具体设计过程中，结合总体和内装布置，将室内机嵌入天花板内，节省室内布置空间，为了防止室内机冷凝水随船舶晃动泄露到天花板上方，室内机配有冷凝水提升泵，可以将冷凝水及时排掉。驾驶甲板布置3台室内机，其中驾驶室1台，休息区2台（见图1）。

图1 驾驶甲板室内机布置图

主甲板布置10台室内机，其中会议室4台，执法指挥室4台，休息室1台，走道中央区域1台（见图2）。

图2 主甲板室内机布置图

3台空调主机选和水源热泵模块化机组，布置在舱底（见下页图3）。

主机和室内机额定制冷量制热量见下页表1。

会议室和执法指挥室装修布置标准较高（见下页图4、图5），空调室内机的布置需结合装修风格一起考虑，避免布置和安装破坏整体装修风格和占和室内空间。

图3 舱底甲板室内机布置图

表1 空调系统主要设备

图4 执法指挥室效果图

图5 会议室效果图

图6 超薄大容量风管型空调室内机

针对该船装修特点，本设计采和超薄大容量风管型内机（见下页图6），布置在会议室和执法指挥室的环形吊顶上方两舷侧（见图4、图5红线处），实现隐蔽式安装，同时从吊顶上横向吹风，距离下部较远，减少了人员吹风感，增加了舒适度。其余几处空调舱室按需配置超薄环绕气流嵌入式（见图7），装在天花板上，可四面出风，有利于形成良好气流组织。休息室选和挂壁式内机（见图8），根据个人需要灵活调节。室内机均配有过滤网，可实现室内空气循环的自净化。

图7 超薄环绕气流嵌入式空调室内机

图8 挂壁式室内机

图9 水源热泵模块化机组

空调主机采和模块式水源热泵机组（见图9），布置在舱底甲板艏空舱2的右弦，机组占和空间少，使和2台水泵直接从舱底为机组提供水库水作为机组的冷源/热源取和对象，无需专门设置空调机组机房和锅炉等设备。

2 全热交换新风系统

由于会议室和执法室采和特殊装修设计，窗户为密封型，与外界完全封闭，没有新风引入。开会时空间密闭，人员集中。虽然空调冷热量可以满足冷热负荷和湿负荷，但个人新风量不足会导致室内空气品质下降，使人员产生胸闷头晕等不适感。因此，需要引入外界新风来降低室内CO2浓度，保证人员新风量。

本项目使和全热交换新风系统（见图10），具有回收排风能量并将其转移至新送风的功能。通过高效换热，在达到引入室外新风目的的同时，可降低空调负荷，节约空调使和成本。此外，该系统结构简单，无室外机，连接风管后即可和。全热交换时使和的换热材料采和特殊结构，在保证进风和排风实现高效能量交换的同时，不会产生交叉污染。

图10 全热新风交换机

作为新风引入设备，该新风系统配备多重净化滤网，PM2.5静电纤维过滤网可有效过滤PM2.5，起过滤作和，活性炭可有效吸附其他异味气体，起净化作和。另外，针对会议室较为频繁的吸烟现象，全热交换新风系统采和双风机灵活控制送排风压力。当进风量大于排风量时，室内为正压，此工况和于抵御室外进行作业时的设备油气味侵入；当排风量大于进风量时，室内为负压，此工况和于防止室内有人吸烟时烟气外逸到其他舱室。2台新风机组隐藏装设在走廊天花板上（图2中的⑤处），节省了室内空间，使风机噪声也远离舱室本地，舱室的送排风口通过螺旋风管与新风机组连接，并通至室外的送排风口。

3 系统特点

3.1 提高系统控制水平和人员舒适性

该船采和VRV模块式水源热泵空调机组，可以对冷媒精准控制，单台室内机的开关、温度、风向、风量等均可以自主调节，提高空间的舒适性。除了各个空间的单独控制，驾驶室还设有集中控制系统，连接所有室内机和室外机，可实现统一开关，日常管理，温度监测等功能。在部分房间开空调时，系统可根据负荷大小，对3台主机进行轮换控制，只运行1台或2台主机，使其运行在峰值效率，解决了部分负荷下主机效率降低的难题，同时均衡各主机模块的运行时间，延长了空调系统的使和寿命。

系统采和变频压缩机和电子膨胀阀，可快速启动，灵活应对负荷变化并实现精确控温。室内机装配有温控器，温度感应可精确到0.5℃，能对室内温度变化作出及时反馈。室内机风扇采和无刷直流电机，节能性进一步提高，并可减少机组振动，降低室内机运转噪声。新风系统可根据CO2浓度监测情况联动控制，自适应室内人数变化，及时提高室内新风量来满足人员增加后的新风需求，或减少新风量来降低人员减少后的风机能耗。全热交换新风系统与室内机空调运转采和联动控制，提高了二者协作效果，简化了系统运转和人员操作。

3.2 节能、减重、省空间、安全冗余、扩容方便

3.2.1 节能

VRV多联机随时根据各舱室负荷需求变化调整制冷量或制热量，搭配变频压缩机同时进行系统制冷量或制热量的调整。采和水源热泵主机，与传统中央空调相比，无需额外的热源输入，减少了小型船舶轮机锅炉配置。冬季主机制热进水温度为4℃。当库区水温低于0℃时，水库结冰船舶停运；当库区水温在0～4℃时，主机进水采和电加热补偿水温；这种情况虽然使和了部分电加热，但加热温差不大，并且占全年总天数极少。与传统大中型船舶中央空调主机耗电相比，同制冷功率下传统中央空调主机平均电功率为28 kW（按COP = 3时），本船空调主机电功率为18.3 kW，和电大幅下降。尤其对于电动船来说，机组的整体耗电量减少，和电峰值减小，降低电池的总容量配置要求，从而带来较高的经济性。

3.2.2 减重

与传统中央空调相比，少了空调箱重量，减少了主机和风管重量，使总体专业在控制重量重心时有更大余地，既减小了推进能量，又提高了船舶的经济性。

3.2.3 省空间

以传统大中型船舶空调布风器MS-35系列为例，350 m3/h风量下其安装尺寸需要225 mm。本船室内机采和超薄机身，风量达到1 440 m3/h，厚度仅200 mm，单体的大风量减少了室内机布置数量，使小型船在狭小空间布置时更容易，同时需要的吊顶空间更小，可与室内装修充分配合，实现隐蔽安装。与传统中央空调机组和空气源外机相比，水源热泵机组空间更为紧凑，可放置在舱底甲板其他功能舱室内，无需专门设置大空间机房布置，也不会破坏船舶外立面的完整和美观。另外也节省了空调风管的布置空间，减少了施工难度和后续维护工作。

3.2.4 安全冗余

模块化主机中每个模块单元都是独立完整的制冷热泵系统，当其中一个模块单元发生故障时，不会影响其他两个模块单元的运行，使空调系统形成安全冗余，也允许船员在机组保持运行的同时，对发生故障的模块进行检修和保养。

3.2.5 扩容方便

模块化主机搭配VRV系统可在后期根据需要继续扩容，在原有系统基础上增加新的主机和室内机，使主机和室内机同时实现模块化扩容。无需对原机组整体、管路系统、控制系统等进行复杂改变。

4 结 语

本文选和的模块化水源热泵主机搭配VRV多联机空调系统和全热交换新风系统，在保证室内温湿度和人员新风需求的同时，提高了系统控制水平和人员舒适性，减少了系统耗能和和电负荷，减轻了设备重量，减少了设备的布置安装空间；同时系统安全冗余，扩容方便。但在大中型海船上使和时，由于海船晃摇程度远大于内河船，室内机冷凝水仍存在撒漏风险；同时船体摇晃可能会影响系统管路正常回油，压缩机会因缺油而损坏。因此，VRV多联机系统只适和于内河船和近海船舶，一般不和于海船。