船舶空调冷媒水系统应如何设计优化？

      冷媒水系统是船舶空调系统的冷源，是保证舱室内温度、湿度达到设计要求的基础，它与船员生活、工作密切相关。         

 

 

 
 

1、目前船舶空调冷媒水系统存在的问题

 

目前船舶空调冷媒水系统在使用中主要存在的问题有：  

 

1 ）按系统的设计，白天和夜间可交替使用不同功率的冷水机组，但船舶在全球某些航区的炎热天气中航行时，由于夜间低负荷时使用的小功率冷水机组需要同时用于机电设备舱室的冷却，导致制冷量偏小，船员会感觉舱内温度较高，就会习惯性地在夜间也使用大功率冷水机组，这样不仅违背了设计的初衷，造成小功率冷水机组使用频率低，而且增加了能耗；  

 

2 ）在艏部、艉部独立设置冷媒水系统的船舶，当冷水机组出现故障时，艏部、艉部冷媒水系统无法互为备用。    

 

鉴于上述因素，优化船舶冷媒水系统设计时，需要重新分析全船空调系统实际使用工况，并考虑船舶日后可能航行的全球其他航区热负荷条件变化，结合水力平衡计算，借鉴和吸收陆用空调冷媒水系统设计优点及使用经验，采用成熟技术，力求既提高系统的可靠性，又满足不同工况下的舒适性需求。    

 

2、传统船舶冷媒水系统工作原理    

 

传统船舶冷媒水系统为定水量系统，通常由冷水机组、冷媒水泵、闭式膨胀水箱、管系和附件等组成。系统以闭式循环方式运行，由冷水机组提供固定流量的约 8 ℃冷媒水，经出水管路送到各空调器和风机盘管，冷媒水通过空调器的换热盘管，吸收热量并升温后的冷媒水（约 12 ℃）通过回水管路再进入冷水机组蒸发器进行热交换，温度再次降低到约 8 ℃，如此循环，不断向全船各用户提供冷源。  

 

传统船舶空调冷媒水系统设计时仅考虑夏季、过渡季和冬季（机舱设备冷却用） 3 种工况，配置若干台不同制冷量的冷水机组，以各冷水机组为核心构成若干个独立冷媒水系统，分别向各自固定的末端用户——空调器或空气冷却器提供冷媒水。  

 

通常各冷媒水系统是不并网工作的，但系统之间仍设有供互通使用的管路阀件，以备应急情况下向其他系统供水，也适用于在过渡季节空调负荷较低时使用小制冷量冷水机组向全船其他系统提供冷源以节约电能。因为系统并网模式在传统船舶冷媒水系统中不是常用的，所以易被设计者忽视，具体表现为对并网后产生的管网阻力重新平衡问题未予以充分考虑。事实上，并网后由于提供冷媒水的系统其水泵扬程不能克服其他系统管路阻力，其他系统的末端空调器不能获得足够流量的冷媒水，造成系统互通互备功能的实际效用较差。    

 

 

3、系统设计改造    

 

为了克服前 述系统设计缺陷，需要参照陆用 HVAC 系统水力平衡技术，对传统船舶冷媒水系统进行改进设计。首先根据已积累的实船运行数据以及船员的实际体验，重新分析全船空调负荷特征，将空调系统工况进一步细分为夏季最高负荷工况、冬季工况、靠岸工况和夜间工况，再对各工况负荷进行计算，确定多种冷媒水系统独立或并网运行模式。  

 

为了实现全船冷媒水系统在各种运行模式下的负荷匹配和水力平衡，对系统管网结构以及设备配置作如下改进：  

 

1 ）将原空调冷媒水系统和舱室冷却用冷媒水系统简化合并为 1 个冷媒水系统；  

2 ）全船使用冷媒水总管将冷水机组连接起来，各台冷水机组之间设置隔离阀，控制隔离阀的开闭使全船冷媒水系统成为各个独立又连通的区域，使冷水机组可分工况单独或并网运行；  

3 ）为了保证并网模式下的水力平衡，每台冷水机组出口处均设置了动态流量平衡阀，尤其需要确保 1 台冷水机组全船供冷工况下的流量限定，保护冷水机组和水泵；  

4 ）冷媒水系统设置有若干根主要支管，每根支管在人员可到达、方便操作的位置上安装流量调节组件（含数显流量计、可调节流孔板和截止阀），可根据各使用工况来调节冷媒水流量，以保证各支管内的流量平衡；  

5 ）根据各种工况下空调负荷逐时特征计算出的制冷量需求，配置冷水机组必须兼顾如下原则：  

a ）单一的冷媒水系统因为不仅要为生活舱室服务还要实时确保舱室关键设备冷却，所以必须为设备冷却预留冗余的冷水机组；  

b ）虽然最高负荷是按照夏季空调舱室温度 27 ℃计算的，但船舶在全球航行时经过的高温、高湿海区较多，为保证船员的舒适度、应对极端气候条件，冷水机组的总制冷量要有一定冗余。改进后的冷媒水系统原理如图 1 所示。  

 

 

 

3.1 冷水机组改进设计  

由于改进后全船空调冷媒水系统组网运行时管网压力和流量波动加剧，为保证系统运行的安全性和可靠性，要求冷水机组具有更为稳定的运行性能，因此，对半封闭螺杆式制冷压缩机进行了改进设计。  

 

通过提高轴系配合精度、采用外置油泵强制润滑、优化油路分配、控制冷凝器冷凝压力等措施使冷水机组运行更平稳、更能够适应船舶大幅度摇摆和倾斜的环境，同时降低了整机的结构噪声。  

 

为了使冷水机组具有在突发变负荷变流量条件下的鲁棒控制能力，对其控制功能作如下改进：  

1 ）冷水机组采用 PLC 控制系统进行宽负荷范围自动能量调节；  

2 ）强化吸排气压力、防冻、压缩机和水泵过载安全保护功能；  

3 ）机组运行参数实时监测、故障报警停机并显示故障类别；  

4 ）当 PLC 故障时，可转换本地人工控制维持各种独立或并网运行模式；  

5 ）向上级监控台发送运行和综合故障报警信号。  

 

3.2 增加系统隔离阀  

增设电控箱对一组隔离阀进行集中控制，通过隔离阀的开闭，使全船冷媒水系统成为几个独立又连通的区域，分工况进行冷水机组的组合使用，向用户提供冷量。  

 

3.3 增设冷媒水流量控制设备  

为了保护泵组，在每台冷水机组的出口处设置了动态流量平衡阀来限定流量。同时，冷媒水系统主要供水支管上设置流量调节组件，可按照各使用工况就地调节，以保证各支管内的流量平衡。  

 

3.4 其他改进  

冷水机组安装形式也从现有固定安装形式优化为整机隔振安装形式。冷媒水泵、冷却水泵采用浮阀泵组形式，以尽可能地减小船舶航行过程中静 力、热力和动力等对设备的影响，降低了系统/设备发生故障的概率，更降低了设备对全船结构噪声的影响，降低了噪声污染和危害。改进后的冷媒水管系和附件换用不锈钢（1Cr18Ni9Ti）材质，冷水机组冷却水管系和附件采用B10 白铜管（BFe10-1-1），提高了系统管系及附件的防腐蚀能力。      

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