对内河旅游船采用模块式冷水机组的分析

对内河旅游船采用模块式冷水机组的分析

杨雄伟

（重庆长航船舶设计研究院有限公司）

摘要：本文通过内河旅游船空调选择时对船上部分负荷的适应性、冷水机组的能耗、可靠性与维护费用、初投资与安装等方面的分析，结合上海黄浦江游览船“名信7”的实船情况，提出确定内河旅游船空调选择时的关键因素，为内河旅游船空调选择提供参考依据。

关键词：空调；部分负荷；能耗；可靠；费用；安装

Abstract:Based on the analysis of the adaptability of some loads on board, the energy consumption, reliability and maintenance costs, initial investment and installation of water chillers, and the actual situation of the Huangpu River cruise ship "Mingxin 7" in Shanghai, this paper puts forward the key factors in determining the air conditioning selection of inland cruise ships, which provides a reference for the selection of air conditioning of inland cruise ships.

Keywords:Air conditioning; Partial load; Energy consumption; Reliable; Expenses; install

1  前言

当今社会，随着人们节能环保的意识不断提高、能源的日益紧张、原油价格的不断上涨等情况，对船舶各设备配置的合理性及运行时的经济性提出了更高的要求。空调作为船舶特别是旅游船能耗的重要组成部分，合理的选择成了广大船东及相关技术人员关心的重要内容之一。

随着空调行业的技术不断高速发展，除传统的螺杆式、离心式、活塞式冷水机组外，还出现了水源热泵、地源热泵、变频VRV空调等产品。近年来，发展起一种新型的船用机组——模块式冷水机组，该机组由各个独立的模块单元并联而成，在控制器的作用下，各模块有序地运行。它可以根据空调负荷的变化，调节所需投入的模块数量，使每个投入使用的模块都能以最高效率运行。模块化的应用，轻松地解决了当空调需部分负荷运行时，制冷效率过低这一长期存在的问题。若其中一个模块发生故障，可对该模块进行保养检修，不会影响其它模块的正常运行。模块式冷水机组还因其扩容方便、节能环保、稳定可靠等方面的优势，目前已有大量的实船应用，被广泛的应用于公务船、游艇、消防船等船型上。

2  冷水机组性能对比

通过调研长江不同地点和不同水面深度的水温分布情况，发现长江夏季随水的深度增加温度下降，冬季随水的深度增加温度上升。根据这个特点，内河游船主要采用船用水源热泵冷热水机组和模块式冷水机组。夏季利用长江较低温度的水作为机组的高温热源进行制冷，得到7℃的冷冻水对空气进行处理；冬季利用长江较高水温的冷水作为机组的低温热源进行制热，得到45℃的热水对空气进行处理。现以常用的2种机组为例进行对比。

螺杆式水源热泵机组由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、各种管道配件及控制系统等组成。主要工作原理是通过压缩机，经热交换设备，在夏季将建筑物中的热“取”出来释放到水中，达到制冷的目的；冬季则是从水源中“提取”热能送到建筑物中，达到制热的目的。

模块式冷水机组由多个模块组合而成，各模块的结构、性能完全相同，每个模块提供一定的冷量，用户可根据自身需要选择模块数量。单个模块包括全封闭式压缩机、板式蒸发器、套管式冷凝器、相关配件及系统等。

2种冷水机组性能对比情况见表1。

表1  冷水机组性能对比

3  内河旅游船选用冷水机组考虑的因素

3.1  部分负荷适应性

空调负荷的分析是选用冷水机组的前提和基础。冷水机组的容量应满足日常所需，负荷需求是由设备类型、环境温度、使用需求等因素决定的，因此，在设计选型时，需要先进行评估，再确定合适的机组容量。

舒适性指标作为考核旅游船的重要性能参数之一，计算空调负荷时通常是按照最恶劣条件、满负荷工作的条件下按可能的最大负荷进行设计的，如果在满负荷工况下运行，螺杆式水源热泵机组能有较高的效率。可旅游船在不停的运动，不同时候受船舶所处位置的纬度、太阳辐射热大小、淡旺季游客人数变化带来的人体散热量变化等因素的影响，不同时期船上的空调负荷均有所不同。据统计，全国大部分地区游船的空调系统全年约85%以上的时间是在部分负荷工况下运行。这就造成了一个问题，如果在部分负荷工况下运行选用螺杆式水源热泵机组，其运行效率将大大降低。比如选择一台带2个压缩机头的水源热泵机组，在空调负荷较小的情况下使用时，也得运行2个压缩机头，形成“大马拉小车”的情况。如果选择多台水源热泵机组，单机容量变小的型式，虽然能够解决空调系统部分负荷适应性低的情况，但会导致制冷效率下降、空调机房增大、初期投资增加等弊端。

模块式冷水机组的制冷量调节方式是调节投入的模块数量，它可以根据空调负荷的变化，想投入多模块就投入多少模块使用，无论处于哪种负荷状态，都能保证每个投入使用的模块都能以最高效率运行，轻松解决了在部分负荷状态下运行，制冷效率降低这一长期困扰传统冷水机组的问题。在大多数运行工况下，部分负荷的适应性强。

3.2冷水机组的能耗

冷水机组的能耗对于企业的运营成本和环保影响很大，选择高效的冷水机组不但可以减少能源的消耗、降低运营成本，还可以减少对环境的影响。然而，我国还没有一个标准、统一的计算冷水机组能耗的方法，大都是各厂家根据自身产品的能效特点进行估算，目前广为接受的有以下两种估算方法。

（1）综合指标（PLV）估算法，用于评介一个空调系统中有多台冷水机组时的综合效率。PLV介于空调机组满负荷效率（FLV）与综合部分负荷性能指标（NPLV）之间。

PLV = FLV×a+(1-a）×NPLV

式中：FLV---冷水机组满负荷效率，KW/TR；

      a---权系数，一般取a=0.01-0.05；

NPLV---部分负荷性能指标，KW/TR；（NPLV=0.01×A+0.42×B+0.45×C+0.12×D，其中A、B、C、D分别代表机组在100%、75%、50%、25%的COP值）

全年冷水机组能耗：P=T×Q×PLV  KW.h

式中:Q---空调系统的总冷负荷；

其它符号同前。

（2）时间频数估算法，这里的时间频数是指空调在某一运行负荷的运行时占全年空调总运行时间的比值，一般由某地区统计数据或用户需求确定。

全年冷水机组能耗：P=∑（Na×Ta+Nb×Tb+Nc×Tc+...） KW.h

式中：Na、Nb、Nc...---在a、b、c运行负荷下对应的冷水机组功率，KW；

Ta、Tb、Tc...---在a、b、c运行负荷下对应的冷水机组运行时间，h；

结合工程实例，以上海地区黄浦江游览船“名信7”为例，选用常用的水源热泵机组与模块式冷水机组在不同负荷情况下，运用时间频数估算法对2种机组运行时的耗电量进行估算对比。根据现有的研究成果和国家标准GB/T18430.1-2007，内河旅游船空调系统在部分负荷下累计的运行时间见表2，内河其余地区旅游船空调使用情况也大致相同。

表2  空调不同负荷下累计运行时间表

上海黄浦江游览船“名信7”集高端婚庆、生日派对、纪念日宴请及沿途观光旅游等功能于一体，含四层上层建筑甲板，经计算全船空调负荷约450KW。对于此种船型，设计人员通常会选择2种空调系统方案：一是选取1台水源热泵机组，带2个压缩机头，总制冷量496KW，输入功率46KW×2，当负荷较小时，开启1个压缩机头，当负荷较大时，开启2个压缩机头；二是选取1台模块式冷水机组，带7个模块，总制冷量490KW，输入功率16KW×7，使用时根据船上空调负荷需求，自动调节投入使用的模块数量。2种机组运行时的耗电量进行估算对比，情况见表3。

表3  冷水机组全年耗电量估算表

由此可见，当游船全船空调负荷在450KW左右时，模块式冷水机组全年耗电量较小，在节能方面有明显的优势。

3.3可靠性与维护费用

在选择冷水机组时，还需考虑机组的可靠性与维护成本，优先选择运行可靠、易于维护的设备，降低设备的停机时间和维护成本。水源热泵机组作为一台不可分割的大型机组，一旦发生故障，整个空调系统都不能正常运行，严重影响船上旅客的舒适性。模块式冷水机组的一个模块发生故障，可对该模块进行保养检修，不会影响其余系统的正常运行。同时，可根据压缩机运行时间的长短，优先启用运行时间较短的系统，以延长机组使用寿命，可靠性能得到有效的保证。

水源热泵机组由于制造精密，系统比较复杂，其设计使用寿命一般为20-25年，除庞大的冷凝器、蒸发器外，还有复杂的外部回路系统和机构，需定期维护，且维护保养时，需检查的工程量大、费用高，不能保证一次完成。其中还规定压缩机在运行1.5-2万小时后，要对其主轴承进行一次检修或更换，本项工作技术难度高，一般要由厂商的专业技术人员使用专业工具才能完成，且检修更换的零配件价格都比较昂贵。

相比之下，模块式冷水机组的系统就很简单。它使用全封闭式压缩机、板式换热器、管路采用焊接，在管路系统上除一个视镜和节流阀外，没有多余的零部件，整个系统一次调试完成后即可投入使用；并且全封闭式压缩机的设计是按在使用寿命周期内不用进行维修来设计制造的，模块式冷水机组的维护费用几乎为零。

制冷剂充装量方面，模块式冷水机组由于采用的是板式换热器，充装的制冷剂仅为传统冷水机组的20%-30%，且由于各个模块单元的独立性，即使某个模块发生泄漏或是在维修时制冷剂的泄放，最多也就损失单个模块的制冷剂，费用最多一百多元。而水源热泵机组一般采用的是壳管式冷凝器，充装的制冷剂可达几百公斤，无论是故障时的泄漏或是维修时的泄放，费用可达数万元，损失较大。

3.4初投资与安装

模块式冷水机组因其具有随意扩容的特性，用户可以根据自身的需要分阶段购买和安装，如果初期使用量不大或预算不足，可先安装少量的模块，待日后资金充足或实际需求扩大后再增加模块数量，无需对机舱、管路系统、控制系统等进行复杂的改动，令用户没有了后顾之忧。同时，在资金预算充足的情况下，对于由N个模块组成的冷水机组，只需增加1/N的容量储备投资，就能获得100%的备用保障，大大提高了投资效率，这是其它传统的冷水机组无法具备的。

模块式冷水机组体积小、重量轻、结构紧凑，便于运送和安装。因其占地面积小，故无需设置较大的机舱用于安装，各个模块单元都是在机舱内现场完成组合，在整个运输和搬运程中无需使用大型的起重设备和专用通道，便可以轻松的将一台大型的冷水机组送达到机舱内完成组装。避免了以前在安装传统的冷水机组时，必须先将冷水机组吊进舱内后才能封甲板的情况发生，这种方法有时会受定货周期、供货时间等因素的影响，从而影响到造船周期。

4  结论

综上所述，在内河旅游船的空调选型过程中，空调的部分负荷适应性、冷水机组的能耗、可靠性与维护费用、初投资与安装等因素是选择时的关键因素。特别在中小型旅游船、公务船、巡逻艇等船型的空调设计选型时，模块式冷水机组有其独特的优势，应充分考虑。

同时，具体项目应具体分析，根据每个项目的具体情况，认真分析和比较，综合评价选出最佳方案，以达到适应性强、运行可靠、节省投资和运行费用的目的。

参考文献

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[3].《改进舰船空调系统舒适性设计的探讨》主编：钱卫忠，周振宇，机电设备，2013，30（4）：65-70

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[5]《公共建筑节能设计标准宣贯辅导材料》，中国建筑工业出版社，2005：510