余热回收转轮在海洋平台空调系统的应用

王冬梅 熊晓阳 徐志权 黄海波 刘富均

摘    要：能源短缺及环境保护问题一直是世界经济发展的焦点，节能减排措施备受关注，带余热回收的空调系统应运而生。该系统的应用已经在建筑领域十分成熟，船舶方面常用于客滚船及大型邮轮，而在海洋平台上应用较少。本文依托已成功建造的某自升式海洋平台，介绍带余热回收的空调系统在海工平台上的应用，为其他相关项目提供参考。

关键词：海洋平台;热回收;回收转轮;空调系统

中图分类号：U664.86                              文献标识码：A

Abstract： Energy shortage and environment protection have been the focus of economic development all over the world. Energy saving and emission reduction measures have been attracting more and more attention. The HVAC system with efficient energy recovery has emerged as the times require. The application of the system has been mature in the field of construction. In the aspect of shipbuilding， it is often used in Ro/Ro passenger ship and large cruise ship， but rarely used in the aspect of offshore jack-up rig. This paper introduces the design and application of the HVAC system with heat recovery on the offshore jack-up rig successfully built by our company， providing reference for other related projects.

Key words： Offshore jack-up rig; Heat recovery; Rotary heat exchanger; HVAC system

1     前言

傳统的海工平台空调系统采用冷媒介质制冷，通过空气处理机组将新风冷却后送至各个舱室进行冷却，舱室通过回风管道或舱室门下的格栅收集部分回风至空调器，回风与新风混合后再次制冷送至舱室。新风与回风的比例通常不超过60%，因此系统中至少有40%的风量作为废气被排出室外，此部分风量所携带的能量则一并被浪费了。

与传统的空调系统相比，带余热回收的空调系统是将废气收集，利用余热回收转轮，将废气中的余热充分回收加以利用，从而达到节能的作用。

2    余热回收系统的原理

通过余热回收转轮的运动，使回收的排风中的大部分能量通过转子介质传递给送风。余热回收转轮属于可再生换热器，单转轮余热回收空调器典型图，如图1所示。由于存在气流交替，转轮通常设置为自清洁和防冻型;转轮热（湿）能的回收效率非常高，可以达到70%～90%，而且通过调节转轮电机的转速可以很容易的调节效率。

回收排风通常来自住舱的卫生单元、公共卫生间、健身房、会议室或其他公共娱乐区域等，将本应直接排出室外的废气收集至空气处理机组，将能量重新利用回收。

传统空调系统空气处理机组初始成本低，但冷却/电气方面初始成本及运行成本高;热回收空调系统空气处理机组初始成本略高，但冷却/电气方面初始成本及运行成本较低，单转轮的余热回收系统可回收约25%的制冷/热量;制冷机组的体积小，该系统使用在中东地区等环境比较恶劣的项目中优势尤其明显。

3    余热回收转轮

余热回收转轮由转子、外壳、驱动电机及其附件组成，如图2所示。

3.1   外壳及转子

外壳材质通常采用镀锌钢板（Z275）、铝合金（A150）、不锈钢。坚固的外壳设计不仅需保证转子运动的可靠性，还应能防止可能的空气泄漏，故外壳在转子外围和旋转轴处设有可调节密封刷。

3.2   电机

转子由安装在外壳内支架上的电机驱动，通常转子直径φ<1 400 mm，选用圆皮带驱动;当φ≥1400 mm时，选用V型皮带驱动。

适当的皮带轮尺寸及轴承尺寸，可使转子达到最佳的转速，热回收的最佳转子转速为12 r/min、湿回收转子的最佳转速为2012 r/min。

电机上配有温度开关，可监测绕组温度。

3.3   附件

转轮可在转子基体边缘安装加强件，以保护箔材边缘不受腐蚀，适合在腐蚀风险较高的环境中使用;可额外再增加旋转轴与转子周围的密封刷，在送风与排风管道之间有较高的压差中适用;转轮还可以增设检查窗及把手等附件，便于使用及维护。

3.4   防污染措施

交叉污染会降低空调系统的效能。为了防止回收的排气泄露至进气系统，从而污染送风，本项目在转轮上采取了一系列的措施，如设置适当风压、增设转轮清洁扇区及密封刷等，排风污染新风比率可达到0.04%。

风压设置如图3所示，其中P1>P4、P2>P3，以确保送风不被污染。

清洁扇区的设置可以确保转轮在送风排风交替区域新风不被污染。清洁扇区节点图，如图4所示。值得注意的是，由于风压及清洁扇区等的存在，在新风通过转轮段后会损失掉一部分化为排风，这部分所占新风比率被称为新风量调整因子（OACF），需要按新风量调整因子来充分进行空调处理机组送风机的选型。例如：如果该数值为5%，则10 000 m3/h的供风量需要提供10 500 m3/h的新风才能达到。

3.5   認证及标准

该装置的应用技术已十分成熟，可根据国际标准认证空调和制冷产品的性能等级，为所有制造商提供公平的竞争环境，并为客户们保证了产品质量。目前，诸多生产厂家例如奥斯博格（OSTBERG）、伊文图斯（ENVENTUS）等的换热器及计算程序均通过了欧盟认证，并取得欧盟证书，还可提供DNV等各船级社证书。

4    应用实例

4.1  平台概况

已成功建造的某自升式海工平台，是一艘用于海上作业、带有自航能力的自升式平台。该平台为方形主体，带有四个桁架式桩腿，每个桩腿由下端的桩靴支撑;设有生活区，能够提供150人的就餐、住宿等;挂利比里亚旗，入美国船级社（ABS）;平台的噪音满足IMO468（XII）的要求、振动满足ISO6954-1984的要求。

设计环境温度： 0 ℃ ～ 55 ℃

空调系统：           0 ℃ @ 100% RH～50 ℃ @ 60% RH

海水温度：          15 ℃ ～ 36 ℃

4.2   系统组成

（1）该平台中央空调系统采用二级制冷系统：经过处理的新鲜空气通过安装在平台中央控制室顶部的新风预处理机组引入每一层甲板的舱室空调系统。新风预处理机组配有独立的压缩冷凝机组，AHU与压缩冷凝机采用分体式，新风预处理机组采用2*60%负荷配置;每一层舱室均配置两台2*50%的直接膨胀式压缩冷凝机组及空气处理机组进行二次制冷，采用风冷冷却;

（2）生活区空气处理机组（AHU）通过制冷剂（R407C）进行热交换，以达到所需舒适环境，冬季AHU制热通过热水锅炉提供热源。AHU配加湿功能，以备送热风过程中给空气系统加湿;AHU送风为中速中压风管系统，采用夏季集中供冷、冬季集中供热的方式，生活舱室、餐厅、中央控制室、办公室、会议室、医务室、洗衣间等处所为空调处所。其中，中央空调承担中央控制室空调部分负荷，另外配置独立的风冷分体空调服务中央控制室，生活区中央空调与分体空调同时服务集控室，以保证中央控制室空调系统的稳定性;

（3）空调处所的空调风通过房间门下方的格栅回到走道，部分由通风系统排到外界，部分经回风管回到空调器，并保持生活区一定的正压;用于医务室和公共厕所的空调送风管上设止回风闸;空调送风管和回风管设置必要的防火风闸和调风门等附件;送风末端装置采用顶式布风器或球形送风头;

（4）根据需要，部分布风器配有电加热功能，为了安全起见，所有带有电加热功能的布风器配有高温保护功能;布风器带有二次调节风量的功能，可以在布风器上进行手动操作，确保各个服务处所可以根据自身需要进行制热/冷量调节;

（5）系统中的厕所排风、储物间排风、被服间排风、祈祷室排风、更衣室排风、娱乐室及健身房等的排风，均通过设置在结构舱壁处的结构风管集中收集，排放至新风预处理机组中;新风预处理机组采用单吸热转轮，将废气中的冷量收集，并传递给新风进行预制冷/制热;

（6）生产设计完成后，根据实际风管布置进行了舱室噪音计算，并根据计算结果增设适当的消音器，以满足IMO468（XII）的要求。

4.3   典型甲板空调舱室布置

典型的02甲板舱室空调风管线图，如图5所示。

（1）二人间厕所排风、候机室、健身房、洗衣间及被服间等均未设置单独的排风管及风机，而是采用一根总管将各个舱室排风汇总至两台新风预处理机组，新风预处理机组上安装了单热回收转轮，可以将回收排风中的能量进行充分回收利用，并在新风处理机组中进一步处理新风温度，处理后的新风温度可根据系统设计选定;

（2）经过机组处理后的新风将送至各个甲板的独立空调器，独立空调器进行二级制冷，将足够的风量及冷量再通过空调器上的送风总管按各个舱室需要的风量送至各服务处所;

（3）舱室通过舱室门上的格栅进行回风，部分风量通过卫生单元的排风管送至新风预处理机组进行热回收;

（4）走廊处安装回风管道，回风直接回至本层甲板的独立空调器，不再通过新风预处理机组;

（5）为了保证系统的正常运行，每一层的排风及送风总管均安装了压力传感器，排风收集管道上个各个支管安装了电动调风门，以实现系统的自动控制;

（6）为了有效防止回收排风反串回舱室，在回收排风总管及各个支管处均设置了止回风闸;

（7）由于平台工作区域通常在油气环境中，可能存在有害气体，为了确保室外有害气体不被吸入舱室内部，在每个与室外连接等风口均设置了气密风闸;

（8）为了防止转轮排出的废气直接被AHU吸收造成新风污染，将处理机组特殊设计成新风风口朝向地面、排风口朝向侧面直排，尽量隔开新风及排气废气，确保新风不被污染，如图6所示。

5    结束语

带热/湿回收转轮的空调系统，在造船领域拥有广阔的发展前景。本文以某自升式海工平台空调系统为例，介绍了带余热回收转轮的空调系统设计应用方案，为其他相关船舶或平台项目空调系统的设计及施工提供借鉴。

参考文献

[1] 陆耀庆.实用供暖空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2020.

[2] 黄恒祥.船舶设计实用手册 [M].北京：国防工业出版社，2000.