新材料新技术在船舶暖通系统中的应用和展望

　　1 前言

　　近几年来，我国的造船事业得到了飞速的发展。交船的吨位已连续11年排名世界第三位。2005年，我国的交船吨位更是突破1200万吨，约占世界交船份额的18%。虽然，我国的造船产量增长得较快，但造船的整体技术水平依然不高，和韩、日等造船强国仍然有较大的差距。

　　船舶的运行成本是衡量一个国家造船技术水平的一个重要的指标，也是影响船舶价格的一个重要的因素。船舶的暖通系统（包括空调系统、通风系统和冷藏系统）的能耗在整条船的能耗中占有很大的比例，大约是15%~40%(因季节不同和船型的不同而产生差别)。因此，降低空调系统的能耗，降低船舶的运行成本，对于提高造船的技术水平，增强产品在船舶市场的竞争力具有重要的意义。因此，我公司适时的提出了以节能、环保为核心的“绿色造船”理念。在船舶系统中，新技术、新工艺的尝试、应用和发展主要是围绕节能、环保和降低成本这几个方面开展的。本文，就新材料、新技术在船舶暖通系统中的应用情况进行阐述，并对其进行展望。

　　2 制冷剂的更替

　　如今，温室现象越来越严重，极地区域上方的臭氧层的空洞也在不断的扩大。产生这一现象的罪魁祸首之一，就是制冷装置中的氟利昂的泄露和对它们的随意排放。为了保护地球的臭氧层和减少温室现象的发生，一些国际组织签定了《蒙特利尔议定书》和《京都协议》等一系列的条约。在这些条约中对于制冷剂的使用情况进行了限定。强制要求对环境危害比较大——ODP（臭氧层衰减指数）和GWP(温室效应指数)数值较大的氟利昂（氟烃化合物的总称。包括氯氟烃（CFC），还包括氢氯氟烃（HCFC）和氢氟烃（HFC））分批限期淘汰。

　　按照以上条约的规定，目前，广泛使用的R22是需要淘汰的制冷剂。目前各国的专家都在积极的研制新的制冷剂作为其替代品。有的行业人士，提出采用其他危害较少的的氟利昂制冷剂。如：R410A、R143a、R407C。专业人士通过比较后，认为R410A热力学性能与R22相近，因此是理想的替代产品。也有的倾向于后两种。国外的空调制冷设备中，有很多采用R410A作为替代的制冷剂。国内的一些设备厂家也开始了采用此类的制冷剂，如海信空调、海尔空调等厂家推出的部分型号产品，制冷剂用的就是R410A。

　　国内外的一些专家，如天津大学的马一太教授等认为CO₂是理想的制冷剂替代物质。CO₂对环境的破坏性很小（ODP=0，GWP=1）。热力学性能也比较适合作为制冷剂。

　　而，丁云飞等则倾向于传统的制冷剂——氨，认为氨是性能优良的制冷剂。如果解决了其安全使用的问题，氨制冷剂在空调冷源中将具有广阔的应用前景。

　　也有一些研究人员，提出了更高的要求。认为在制冷行业中应采用全无环害的工质（ODP=0，GWP=0，且无其他的危害）。丙烷（R290）、丁烷（R600）和异丁烷（R600a）是被看好的对象。特别是丙烷的主要物理性质，如：标准沸点、凝固点、临界温度、临界压力等参数与R22相近。考虑替代的费用，丙烷较合适，同时丙烷在一些石化的制冷装置中已得到了很多的应用，且效果良好。

　　总之，制冷剂的更新替代将是今后几年内的热门话题和重要的研究方向。何种制冷剂更能得到认可和发展，成为主流制冷剂，还需要实践的进一步验证。随着制冷剂的更替，不论是作为空调系统核心部件的压缩机，还是其他的辅助装置，它们的结构和形式都要发生相应的变化。制冷装置的形式和构造要与其采用的制冷剂的物理性质和化学性质相匹配，这样才能保证制冷循环安全、高效的进行。

　　3 风管材料的变化

　　在风管材料方面，近年来出现了很多种的新型风管材料。按照材料分，这些新型的风管可划分为：酚醛铝箔风管、聚氨脂风管、无机玻璃钢风管等。这些风管主要是作为空调风管使用的。

　　在传统的空调风管形式中，镀锌铁皮包扎绝缘材料是应用最为广泛的。但此类形式的风管使用寿命较短。特别是在潮湿的环境中，镀锌层更容易脱落，铁皮更易产生锈蚀。在铺设了镀锌铁皮风管以后，还需要另外的粘贴或包扎一层绝缘材料。应用此类风管，施工周期比较长，成本也较高，自身的重量也大。

　　一些舰船为了减低自身的重量，通风风管材料采用铝质来代替镀锌铁皮。铝质风管的表面形成的致密的氧化层，能够阻止氧气对内部材料的侵蚀。铝质风管的使用寿命很长，查看了使用了二十多年的此类风管，风管表面光滑如初。虽然，铝质风管有耐腐蚀、重量轻的特点，但其成本高昂，不适合大范围的应用。

　　酚醛铝箔风管的表面是铝箔，中间为酚醛材料板。风管的厚度通常为20mm。此种风管的重量较轻，绝缘效果好，使用的寿命也较长，施工简单方便。现在的陆用空调系统中，此类风管的应用越来越广泛。

　　聚氨脂风管是新研制的一种风管。此类风管也具有重量轻、隔热效果好，施工方便的特点。

　　无机玻璃钢风管的隔热性较差，安装不方便。现在应用的比较少。

　　总之，随着科技的发展，传统的风管材料必将被淘汰，成本低、寿命长、重量轻、隔热性能好、施工方便的新型风管必将得到推广和应用。

　　4 室内空气质量的提高

　　如今，人们对居住的环境越来越重视，对室内空气质量（IAQ）的要求也越来越高。

　　在陆用的空调中，已经应用了很多的新技术用来改善室内的空气质量。如，利用活性碳过滤网的吸附功能，吸附空气中的有毒的气体（如甲醛、乙醛、氨气、乙酸等）和灰尘。此外，还应用静电吸附和防霉过滤网等技术来除尘和杀菌。负离子对人体有保健的作用，负离子发生器也越来越多地被设置到空调设备当中。

　　而这些成本不高、技术成熟的方法并没有应用到船舶的暖通系统中。现在船用的空调装置中，通常只设置用于除尘的过滤网，而没有设置其他的灭菌除臭装置。随着技术的发展和对舱室中环境要求的提高，除尘、除臭、杀菌和离子化等的方法会在船舶的暖通系统得到应用。

　　5 节能措施

　　5.1. 变频技术的应用

　　根据流体力学，可以计算得出：

　　上式中：

　　Q——流体的流量

　　P——流体的压强

　　N——所消耗的功率

　　1,2——同一台风机（或压缩机）的两个状态点标识

　　从上式可以看出，如果风机的风量增加一倍，耗电量将是原能耗的8倍。

　　设置变频调速装置，是现在普遍采用的节能方式之一。冷冻水泵、冷却水泵、制冷压缩机、空调系统中的通风机和机械通风系统的通风机都可以通过应用变频调速装置得到很好的节能效果。

　　变频装置的出现，也丰富了变风量系统（VAV）、变水量系统（VWV）、变制冷剂量系统（VRV）的调节方法，使整个系统运行更加的合理，使设备的运行状态和附件所处的控制状态得到及时、准确的调整，设置的目的参数得到保证。如今，变频技术已经发展的比较成熟。在船舶的暖通系统中已得到应用。

　　设置变频的装置，会增加初投入，但其却可以节约30%~50%的运行成本。要通过综合的比较，考虑采用变频装置的与否。

　　5.2. 系统的优化配置

　　整个空调系统是个非常复杂的系统，设备多、控制参数多、流程复杂。各设备之间和系统设置的各参数之间相互影响和制约。如果系统的各设备配置的不好或各参数设置的不好，会使整个系统的经济性很差，甚至达不到控制的目的要求。

　　研究人员对系统的优化配置做了大量的研究。如，对蒸发器和冷凝器进出水温差设定的研究。

　　现在，在空调冷水系统中，蒸发器的进出水温度通常设定为12℃、7℃，冷凝器的进出水温度通常设定为37℃、42℃。一些研究人员通过实验得出，采用大温差小流量的方法（即扩大蒸发器的进出水温度差和冷凝器的进出水温度差，减少水的流量）可以降低水系统的管路的配置。管径可以比以往设置的要小一些。水泵的配置也可以小一些。这样可以降低初投资和系统运行的费用。

　　5.3. 全热交换器的应用

　　空调系统中，排风中的能量十分可观。现在船舶空调系统排风中的能量很少得到利用。国内外的专业人员正在积极的寻求一些方法，对这部分能量加以利用。现在，比较常用的方式是设置全热交换器。该项措施在陆用空调系统中已经得到了的应用。不过在船用空调制冷上还很少见到。

　　6. 自动控制的应用和发展

　　现在的空调制冷系统中，自动控制技术应用的越来越多，而且有了很大的发展。现在的控制系统跳出了以前的单技术、单功能的圈子，具有复合技术和复合功能，使自动化水平大大的提高。产品一般具有自动控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自我诊断、自我恢复和智能等多种功能。

　　自动控制以后将有更大的发展。系统会更加的节省人力，系统达到最佳的运行状态。

　　7. 在设计中新技术的应用

　　在我公司的设计当中，CADDS15、TRIBON等三维软件的应用大大的提高了设备布局的合理性，减少了现场中修改量，节省了施工的时间和施工的材料。因为船舶上舱室和通道的空间比较狭小，如果各个专业之间不能很好的沟通，设备和管路之间很可能会发生相互碰撞的情况。应用这些软件，可以使设备、风道、管子、电缆等的布局可视化。使现场布置中可能出现的问题，在设计中，就可以预见出来，做到及时的更改。

　　CFD(computational fluid dynamics——计算流体力学)技术是近年来新兴的一种技术，涉及流体力学、热学、数值分析和计算机等学科。CFD技术在暖通系统中的应用，是使用相关的软件，可以在计算机上模拟出速度场或温度场的分布情况。例如，我们可以通过对送风口的位置、流量、风速等参数的设置，可以在计算机上模拟出送风速度场的分布情况。通过，调整送风口的位置参数，然后对产生的速度场进行比较分析，可以得出合理的送风口的位置设置。使空调房间的通风更加的均匀、合理，减少或消除通风死角的发生。

　　8. 设计和施工质量的改进

　　在设计中，要避免风管的突然变径。尽量减少风道中出现转弯的现象。必要时，在风管的转弯处，要设置导流片，使得风管通风顺畅。

　　这样做，可以减少通风的局部阻力损失，保证系统设计效果的实现。同时，因为空气在风道中的损失是靠风机消耗电能予以补偿的。如果通风顺畅，就可以节省相应的能量。

　　有些时候，由于我们的工艺水平和施工的质量不高，可能产生下列现象：

　　1. 管路的接口处缝隙较大，或因为某些原因，风管开裂，造成严重的漏风现象。

　　2. 绝缘层铺设不严密，绝缘效果不好，造成冷（热）量散失严重。

　　查看实船的施工现场，我们经常看到有以上现象的发生。这样，为了满足舱室中的新风量和室内空气温度、湿度等的要求，通常，我们在设备选型时，设备的参数（如风机的风量、风压，空调装置的制冷量、制热量等）选取的较大。这造成我们的设备成本和运行成本的增加。

　　我们要提高施工的工艺水平和施工质量，尽量避免上述现象的发生。

　　9．总结

　　在本文中，对于近几年来在船舶暖通系统中出现的新材料、新技术、新工艺等情况，进行了简单的介绍，并对未来暖通系统的发展做了分析和展望。因本人的水平有限，文中如有偏差或错误之处，愿与同行们一起商榷。