由成良

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

同程式空调水系统的实船设计应用

由成良

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

分析了空调水系统阻力的特点和水力不平衡的原因，并对同程和异程两种空调水系统管路设计方式的优缺点进行了比较。结合某两型船舶的总体布局和空调区域特点，分别采用环形同程冷热媒水系统和开式同程冷却水系统，显著提高了系统水力稳定性，取得较好的空调效果。

同程；异程；船舶；空调水系统

引 言

中央空调水系统一般由主干管路和连接各末端设备的分支管路组成。空调末端设备经常需要根据空调冷、热负荷的变化调节流量，而各水管支路的流量间存在耦合，某个支路的流量改变将会导致整个系统水量重新分配，其余各支路的水量也会改变。因此，根据工程实际情况选用合适的空调水系统形式不仅可以减少系统调试工作量，而且能提高空调的舒适性［1］。本文将结合具体工程案例探讨同程式水系统在船舶空调中的应用。

1 水系统阻力

在没有摩擦力的理想状态下，根据能量守恒原则，流体在管道内流动时，流体的能量是不变的。然而自然界中，任何流体都具有粘性，管道会对流体产生阻力。要使流体在管道内克服阻力向前运动，必定要消耗能量。在实际情况下，流体在管道内的流动能量变化如图1所示。

流体在管道内从断面1至断面2的能量方程式为：

图1 流体在管道内流动能量变化

式中：E为单位体积流量流体具有的总能量，Pa；Pj1、Pj2为单位体积流量流体具有的压能，亦称静压，Pa；ρ为流体的密度，kg/m3；v1、v2为流体在断面上的平均流速，m/s；ρv12/ 2、ρv2

2/ 2为单位体积流量流体具有的动能，亦称动压，Pa；g为重力加速度，m/s2；Z1、Z2为单位体积流量流体具有的位能，Pa；H为单位体积流量实际流体从断面1流向断面2时，为克服阻力而造成的能量损失。

管路阻力作为管系阻力的一部分，包括管路的摩擦阻力和局部阻力。摩擦阻力计算公式为：

式中：hf为长度为l（m）的直管段的摩擦阻力，Pa；λ为流体与管内壁间的摩擦阻力系数，无因次量；d为管内径，m；ρ为流体的密度，kg/m3；R为长度为1 m的直管段的摩擦阻力，简称比摩阻，Pa/m；v为流体在某断面上的平均流速，m/s。

局部阻力计算公式为：

式中：hd为管路某局部配件的阻力，Pa；ξ为配件的局部阻力系数，无因次量； ρ为流体的密度，kg/m3；v为流体在某断面上的平均流速，m/s。

由上述流体在管内流动的能量和阻力计算公式可见，在水系统设计中，水管路的长短、管内水流速的高低以及局部配件的数量等因素，均会直接造成水管系统阻力大小不同。在空调水系统设计中，由于各设备水流量不一、布置不规则且离水泵距离相差悬殊，因此各相互并联的水管支路之间系统阻力相差可达10倍以上，由此给系统调试和系统正常运行带来极大的负面影响。

2 空调水系统分类

同程式系统与异程式系统是空调水系统的两种基本形式［2］。图2和图3是典型的异程式水系统与同程式水系统的示意图，图中共有6个带调节功能的末端设备。同程式系统流经各终端设备的水流程相等，而异程式系统则不等。

图2 典型异程空调水系统

图3 典型同程空调水系统

同程空调水系统各末端环路的总长度相等，水流阻力较接近，而异程空调水系统各并联环路的管路总长度不相等，水流阻力不平衡。水系统环路间水流阻力不平衡是导致系统水力稳定性差的一个重要因素，因此异程空调水系统更易导致流量不匀、调试困难、系统运行不稳定，甚至需要在某些并联支管上安装流量调节装置以稳定支管流量。相关研究表明，一般同程式系统的水力稳定性较异程式系统有所改善［3-4］，但典型的同程式空调水系统比异程式系统管路复杂，需增加一根主管。不过，这样虽然能获得较好的水力稳定性，却增大了系统阻力，特别是当空调末端离冷水机组距离较远时，系统水泵能耗将显著增加。

如图4所示是同程空调水系统的一种特殊形式——环形同程空调冷热媒水系统，兼具管路紧凑和水力稳定的特点，适用于环形的空调区域。环形同程空调水系统比典型的同程空调水系统缺少一根主管，因此系统阻力下降，同时系统水力稳定性也更好［5］。当然，并非所有工程采用同程水系统比异程水系统的水力稳定性更好，每个系统都有各自的适用范围［6］。

图4 环形同程空调冷热媒水系统原理图

通常，在船舶空调水系统管路设计中，由于空间布局限制以及质量控制的需要，间接式中央空调系统的冷热媒水管系与合用一套冷却海水管路的直接蒸发单元空调机冷却水管系往往选用配置简单、管材较节省的异程式系统。

然而，某些具有环形空调区域的船型，其闭式中央空调冷热媒水管采用环形同程式设计，既不增加管路又不多占空间，而且能达到比异程式好得多的效果。

上述空调冷热媒水系统都是闭式循环，即水自水泵排出，最终又回到水泵。由于大海可以认为是无限大的容器，所以船舶上使用的海水冷却单元空调机一般采用开式循环，可以从舷侧就近将海水排出，而不必返回水泵附近。开式同程空调冷却水系统如图5所示。

图5 开式同程空调冷却水系统原理图

下面介绍两个实例，来说明闭式和开式同程式水管系统在船舶空调中的设计运用。

3 某船同程式中央空调冷热媒水管系的设计应用

某改进型运载船（类似滚装船），全船中央空调冷源为两台冷水机组，热源为一台汽水热交换器。空调末端设备为间接式空调装置和风机盘管。详细设计参数和主要设备配置分别列于表1和下页表2。

表1 中央空调设计参数

该船主甲板以下有前后贯通的大型装载舱，装载舱的两侧有居住和工作舱室，装载舱的上一层甲板和下一层甲板均有居住及工作舱室，装载舱不需要空调，周边的住舱及部分工作舱室需要空调。

该船中央空调冷热媒水主管的设计充分利用前后贯通的大型装载舱周围空调区域程环状的特点，在装载舱的顶部形成一个供水环路及一个回水环路，两个环路内的冷热媒水均为顺时针流动。沿着冷热媒水流动方向，供水管逐渐变细，而回水管则逐渐变粗。供水以及回水管路布置分别如下页图6和图7所示。

该船空调冷热媒水系统通过采用上述环形同程管路设计，与原来采用异程管路设计的早期产品相比，既提高了空调舒适性，又降低了系统的调试难度及工作量，且不需要增设管路，从而取得较好的工程经济效益。

表2 主要空调设备

图6 某船空调冷热媒水供水管路布置示意图

图7 某船空调冷热媒水回水管路布置示意图

4 某船同程式冷却海水管系的设计应用

在某试验船的全船空调系统设计中，在后区设有6台海水源热泵型单元式空调机，根据船体结构特点，这6台单元式空调机合用1台海水冷却水泵，在海水管系走向的设计中采取了同程式设计。详细设计参数见表3，管路走向布置见图8。

表3 单元式空调机设计参数

图8 某试验船冷却水管路布置示意图

从图8中可以看到：1号、2号、3号、4号单元式空调机由一路海水管供应海水，5号、6号单元式空调机由另一路海水管供应海水，两路海水管系分别按同程设计。流经1号、2号、3号、4号单元式空调机的冷却海水流程长度接近，流经5号、6号单元式空调机的冷却海水流程长度接近。设计过程中通过控制好两路海水管各自的管路阻力，使流量达到设备所需（即2∶1）。

经实船使用验证，该船后区的6台海水源热泵型单元式空调机的冷却水通过简单调试即可达到水量平衡，而且在使用过程中也未出现明显流量分配不均现象，能够很好地满足设计要求。

5 结 论

同程式系统和异程式系统是两种基本的空调水管路设计方式。同程式系统水力平衡且稳定性好，异程式系统结构简单，这两种系统都有各自适用的场合。

船舶空调系统因空间紧凑、质量敏感等原因大都采用异程式水系统。本文将同程设计应用于两型船舶空调的冷热媒水系统和空调机冷却水系统设计中，取得了较好的实船使用效果。用事实证明，在船舶空调水管路设计中，根据具体情况而采用同程式系统，也能取得非常好的使用效果。

［1］ 由成良.辅助船空调、通风系统的噪声分析与控制［J］.船舶， 2012（6）： 48-53.

［2］ 潘云钢. 高层民用建筑空调设计［M］. 北京： 中国建筑工业出版社， 1999： 152～221.

［3］ 秦绪忠，江亿. 供暖空调系统的稳定性分析［J］. 暖通空调， 2002， 32（1）： 12-16.

［4］ 张再鹏，陈焰华. 压差控制对变流量空调水系统水力稳定性的影响［J］. 暖通空调， 2009， 39（6）： 63-66.

［5］ 符永正，蔡亚桥. 异程系统与同程系统的水力稳定性分析和比较［J］. 武汉科技大学学报（自然科学版）， 2006， 29（3）： 289-292.

［6］ 孟宪法，高兴，闻豪，等. 空调水系统同程式与异程式选择依据探讨［J］. 建筑科学， 2009， 25（8）： 39-51.

Practical design and application of water system in reverse return air conditioning water system

YOU Cheng-liang
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper analyzes the characteristics of water resistance and the reasons of the hydraulic imbalance in air conditioning system, and compares the advantages and disadvantages of pipeline design for the reverse return and direct return air conditioning water system. Considered the overall layout and the air-conditioning area characteristics of the two ships, a circular reverse return of the chilled (heat) water system and an open reverse return of the cooling water system have been adopted respectively, which obviously improve the hydraulic stability of the system to gain the better air conditioning effect.

reverse return; direct return; ship; air conditioning water system

U664.86

A

1001-9855（2014）03-0056-05

2013-07-08 ；

2013-12-20

由成良（1966-），男，研究员，主要从事船舶空调与制冷技术研究。