摘 要

21世纪是一个追求节能和可持续发展的时代，船舶是一种大型的高能耗运输工具，收到人们关注。空调系统是船舶的重要辅助设备，其消耗的能量约占全船电网总电能的20%，是船舶装置中能耗较大的设备。研究空调系统能耗，对于船舶节能具有重大意义。

本文首先对船舶空调系统进行简单的介绍，在此基础上利用相关知识通过理论法建立起空调系统和舱室温度的数学模型。然后基于TRNSYS软件建立起船舶舱室负荷模型，导入相关航区的气象参数，得到空调系统的全年负荷变化情况。最后利用TRNSYS软件建立了船舶空调系统模型，输入负荷数据，模拟出空调系统全年能耗。空调系统以恒功率运行为基本方案，变风量、变流量以及变风量和流量为待测方案。结果表明采取变风量和流量控制方案的节能效果最佳，变风量控制方案和变流量控制方案其次。

关键词：船舶空调系统；建模；仿真；能耗分析

Abstract

The 21st century is a time of energy conservation and sustainable development, and ships are a large and high-energy transportation tool, which receives attention. The air-conditioning system is an important auxiliary equipment for ships, and the energy consumed is about 20cent of total electric power, which is a large device in the ship's device. It is of great significance to study the energy consumption of air conditioning system.

This paper firstly introduces the ship air-conditioning system and USES relevant knowledge to establish the mathematical model of air conditioning system and cabin temperature through theoretical method. Then, the ship cabin load model is established based on trnsys software, and the meteorological parameters of the relevant navigation area are imported, and the annual load change of the air-conditioning system is obtained. The air conditioning system is based on the constant power operation, which is the basic solution, the variable wind quantity, the variable flow, the variable air volume and the flow to the test. The results show that the energy saving effect of the variable air volume and the flow control scheme is optimal, and the variable air control scheme and the variable flow control scheme are second.

Key Words:Ship air-conditioning system;Modeling;Simulation;Energy analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 选题的背景和意义 1

1.2 相关领域的研究动态 2

1.3 本文的研究内容和方法 3

第2章 船舶空调系统建模 4

2.1 船舶空调系统概述 4

2.1.1 船舶空调系统特点与要求 4

2.1.2 船舶空调系统工作原理 5

2.2 数学模型建立的基本方法 5

2.3 压缩机的数学模型 6

2.4 冷凝器的数学模型 7

2.5 膨胀阀的数学模型 8

2.6 蒸发器的数学模型 8

2.7 舱室温度的数学模型 9

2.8 本章小结 10

第3章 船舶空调负荷动态计算 11

3.1 TRNSYS简介 11

3.2 船舶空调系统负荷模拟平台 11

3.3 单次航线全船冷负荷分析 12

3.4 全年全船负荷分析 13

3.5 本章小结 14

第4章 船舶空调运行能耗模拟分析 15

4.1 船舶空调系统能耗模拟平台 15

4.2 船舶空调设备选型及参数设置 16

4.3 船舶空调系统能耗计算 17

4.3.1 定流量定风量控制方案 17

4.3.2 定流量变风量控制方案 18

4.3.3 变流量定风量控制方案 19

4.3.4 变流量变风量控制方案 21

4.4 本章小结 22

第5章 总结与展望 23

5.1 全文总结 23

5.2 展望 23

参考文献 24

致 谢 25

1. 绪论

选题的背景和意义

我国具有悠久的航运历史，在明朝时就有郑和下西洋，拥有当时世界上最先进的航海技术。近些年来，在经济全球化的推动下我国航海事业得到快速发展。船舶作为海上交通运输工具，是人们探索海洋的必需品，是全球贸易的重要运输工具。目前我国拥有的海运船队运力规模已位居世界第三，拥有排名世界前十港口七个，全国水运及海运的运输量占总运输量的 93%。与此同时，我国还是世界第一造船大国。随着航运事业的发展，人们越发的重视船舶的舒适性，节能性和安全性。

船舶空调系统不仅为船员、旅客的工作和生活创造适宜的人工气候，还为船舶其它器械设备正常运行提供必备的环境^[1]。空调系统是船舶的重要辅助设备，其消耗的能量约占全船电网总电能的20%，是船舶装置中能耗较大的设备。如今船舶朝着大型化和高智能化的趋势发展，必须要掌握船舶空调运行状态，才能实现船舶的安全航行，提高船舶经济性。通过船舶空调系统的运行状态判断出船舶空调系统可能潜藏着的故障，并采取相应的措施去排查故障，解决问题，最终实现船舶空调系统的安全稳定运行。如何实现船舶空调的安全运行和节能，已经成为航运界关注的重要课题^[2]。

船舶的每次航行都会经过不同的海域，例如热带海域和南北极寒带海域，它们所处的自然环境不尽相同。同时，船上的工作人员和船舶主机和其他辅助设备在运行过程中也会不断散发出大量的热量和水蒸气，自十九世纪末开始，船舶空调系统开始出现在船舶在，并且一直运行到现在，如今己成为船舶设备中不可缺的一部分。当船舶航行在南北极寒带海域或者赤道周围高温海域的时候，由于外界环境比较恶劣，传统船舶空调系统无法满足要求，这时就会消耗巨大的能源来达到设定值，不但降低了船舶空调的运行效率，造成资源浪费，更危害到船舶空调系统的安全运行。然而，船舶运载量的大幅提升及船舶本身的日益大型化导致了近年来船舶能耗的加剧及运营成本的提高，如今打造绿色船舶和实现绿色航运已成为航运界和造船界的目标^[3][4]。船舶空调节能可以通过系统设计、安装、调试及设备运行等方面实现^[5]，但更多的是通过调试设备运行实现节能。船舶航行于各海域，舱外环境变化剧烈，不同季节和不同海域的外界气温温差最大达 90℃，舷外水温温差最大达 37℃^[6]，这都导致船舶实际空调负荷变化频繁。为避免船舶遭遇恶劣环境条件时，使得舱内人员在的舒适度下降，船舶空调设备的选用原则通常是要满足船舶极端情况下所需求的最大负荷。目前，船舶空调系统多采用全空气末端系统，这种系统的运行方式为恒转速、恒功率，这种空调系统大约85%以上时间处于部分负荷工况下^[7]，形成“大马拉小车”的状况^[8]，不仅造成大量能源浪费，还影响舱内人员在正常舱外环境下的舒适度。相关研究表明，船舶空调系统中风机与水泵的运行效率只有40%-50%^[9]，这也表面了船舶空调系统在设备运行方面有着巨大的节能前景。