船舶空调系统负荷计算.docx

空调系统负荷计算
Heat load calculation for air condition system

目 次

前言 II
1 范围 1
2 术语和定义 1
3 设计依据 2
4 设计条件 2
5 热负荷计算 3
6 舱室送风量分配及总风量的计算 11
7 空调系统热负荷计算 14
8 空调制冷装置能量 20
附录A 船舶通风和空调系统设计中切实可行的指南 22

前 言

。

空调系统负荷计算
1 范围
本标准规定了海上民用船舶起居处所的空调与通风设计条件以及确切的计算方法。
本标准适用于除极端冷和极端热的气候条件之外的所有气候条件。
2 术语和定义
下列术语和定义适用于本标准。
2.1 居处所
2.2 公共处所
是指起居处所中用作大厅、餐室、休息室以及类似的固定围闭处所。
2.3 空调
将该区域的空气温度、湿度、通风和空气清洁度都控制在规定限度内的空气处理形式。
2.4 通风
对一个封闭处所供给空气，以满足居住者或操作过程的需要。
2.5 干球温度
避开辐射影响的干的温度敏感元件（如玻璃水银温度计的感温球）所显示的温度。
2.6 相对湿度
湿空气中，以百分数表示水蒸汽实际压力与相同干球温度饱和水蒸汽压力的比值。
2.7 含湿量
湿空气中每1kg干空气带有的水蒸汽量（g）称之为空气含湿量。
2.8 空气的焓
空气所含的总热量。
2.9 舱室换气次数
每小时送入或排出舱室内的空气量与该舱室容积的比。
2.10 送风温差
考虑送风风管内温升或温降后，送入舱室内空调风温度与舱内平均空气温度之差。
3 设计依据
——合同技术说明书；
—— ——舱室布置图。
4 设计条件
4.1 总则
船舶航行在海上、江河中，其外界气象条件在不断的变化，也使船舶舱内的温度、湿度等气候条件发生改变。各种不同用途的船舶根据其空调要求的不同，舱内气候条件要求也各不相同。应根据不同空调要求的船舶来合理地选取船舶空气调节舱内外的设计参数。
对于3.1规定的所有起居处所的系统，应在5.2的舱外空气条件及出舱外送风量、舱内通风和空气平衡，按5.3所规定的舱内空气设计条件来设计。
4.2 舱外设计参数的选择
空调舱外气象参数的选择采用表1中数值。
表1 舱外设计参数
季 节
船 舶 航 行 区 域
干球温度 （℃）
相对湿度（％）
夏 季
无限航区
35
70
东海
35
60
南沙、西沙海域
35
80
黄海
32
60
长江航线
36
65
冬 季
无限航区
-20
50
黄海以北
-12~-10
60
东海
-7~-5
60
长江航线
-5
75
注：对于有特殊要求的船舶可按其具体要求决定舱外参数。
4.3 舱内设计参数的选择
空调舱内气候参数推荐见表2。

表2 舱内设计参数

干 球 温 度 ( ℃ )
相 对 湿 度 ( % )
夏 季 降 温
26~29
40~60
冬 季 采 暖
18~22
40~50
注：在实际使用中,可根据各种船舶的具体要求,决定舱内设计参数。
4.4 新鲜空气量
空调系统补充的最小外界新鲜空气量，按a、b两个算法中取其大者。
a) 按处所设计人数平均每人的新鲜空气量不少于28.8m3/h（这个数值可以根据相关规范进行调整）计算；
b) 按空调系统新风量不少于总风量的40%计算。
4.5 居住人员数
除船东有特殊要求外，不同起居处所人数按下列计算：
a) 居住舱室：按居住舱室所设计的最大人数；
b) 客厅、大、小餐厅和娱乐室，按入座人数或船东不作规定时则：
——客厅：按每2m2地板面积1人计算；
——大、小餐厅：按每1.5 m2地板面积1人计算；
——娱乐室:按每5 m2地板面积1人计算。
c) 船长和轮机长工作室：按4人计算；
d) 大副、大管轮、事务长和其它私人工作室：按3人计算；
e) 病房：按病床数加上2人计算；
f) 健身房、运动室：按4人计算；
g) 急救室：按2人计算；
h) 办公室：按2人计算。
5 热负荷计算
5.1 适用范围
夏季工况舱内热量（渗入热、人体热、照明热、设备热）按6.2~6.6计算，并分别算出显热量和潜热量。
冬季工况舱内热损失，按6.7计算。
5.2 渗入热Q1
这部分热量主要是靠温差传导。它包含高温环境和太阳辐射两方面对舱壁的作用。其计算公式为：

……………………………………………… （1）
式中：
Q1 ——空调舱室渗入热，单位为W；
Q1-1 ——环境渗入热，单位为W；
Q1-2 ——太阳辐射热，单位为W。
5.2.1 环境渗入热Q1-1
表面的渗入热按下面公式计算，单位为W：

………………………………………… （2）

式中:
———— —— —— ——
5.2.2 太阳辐射热Q1-2
太阳辐射热按下面公式计算，单位为W：

……………………………………… （3）
式中：
Av ——日晒面积(不包括舷窗和矩形窗)，单位为m2；
K —— 根据6.2.4中的船体结构（甲板、外围壁等）
Δtr——表面受太阳辐射引起的温升（高出外界温度35℃）如下:
垂直浅色表面Δtr=16 （K）
垂直深色表面Δtr=29 （K）
水平浅色表面Δtr=12 （K）
水平深色表面Δtr=32 （K）
Ag——暴露在太阳辐射中的玻璃窗面积（净开孔面积），单位为m2；
Gs——每平方米玻璃表面的受热量，单位为W/m2：
清洁玻璃，Gs=350W/m2
清洁玻璃内部有遮阳，Gs=240W/m2
位于角隅的舱室，应选用有最大Q1-2值的那个表面来计算太阳热。
5.2.3 相邻内部处所之间的温差
有空调与无空调的内部处所之间的空气温差Δt,单位为K,见表3。
表3 相邻内部处所之间的温度
甲板或舱壁
Δt (K)
夏 季
冬 季
与加热柜毗邻的甲板
43
17
与锅炉舱毗邻的甲板和舱壁
28
与机舱和无空调厨房毗邻的甲板和舱壁
18
与无加热柜、货舱及相类似处所毗邻的甲板和舱壁
13
42
与洗衣室毗邻的甲板和舱壁
11
17
表3(续)
甲板或舱壁
Δt (K)
夏 季
冬 季
与公共厕所毗邻的甲板和舱壁
6
0
与私人厕所毗邻的甲板和舱壁
a)任何一面与外界毗邻
b)任何一面与机舱、锅舱毗邻
c)所有表面不与外界毗邻

2
6
1

0
0
0
与走廊毗邻的舱壁
2
5
注：与外界相邻的厕所有采暖设施。
5.2.4 传热系数
表4中的传热系数k值，表4 传热系数
表 面
传热系数 k （ W/m2K）
遮阳的露天甲板、船舷侧板和外露舱壁
0.9
与机舱、货舱或其它无空调处所毗邻的甲板和舱壁
0.8
与锅炉舱或机舱内锅炉毗邻的甲板和舱壁
0.7

0.6
单层玻璃的舷窗和矩形窗
6.5
双层玻璃的舷窗和矩形窗
3.5
与走道毗邻的舱壁，无隔声设施
2.5
与走道毗邻的舱壁，有隔声设施
0.9

………………………………… （4）
式中：
k —— 传热系数，单位为——————————μ——钢结构修正系数，按图3隔热，μ=1.2。按图4隔热，μ=1.45。

常用建筑材料的导热系数见表5。
表5 常用建筑材料的导热系数
材 料
干材料的密度 (kg/m3)
在正常含湿量时的实际
导热系数 λ （WK）
铝

低碳钢

木材(热流垂直纤维):
——杉木、松木
——榉木、橡木

纸板

表5（续）
材 料
干材料的密度 (kg/m3)
在正常含湿量时的实际
导热系数 λ （WK）
木纤维板：
——硬的
——中等硬度的
——软的

————————

矿渣纤维板

地板敷料
——地毯和纤维状的垫子
——软木
——橡胶或塑料地砖
——陶砖

空气层的限界面
空气层厚度 δa
mm
热 阻b

两个表面均具有高的辐射系数
5
0.11
20
0.15
200
0.16

空气层的限界面
空气层厚度 δa
mm
热 阻b

一个表面具有高的辐射系数
另一个表面具有低的辐射系数
5
0.17
20
0.43
200
0.47
两个表面均具有低的辐射系数
5
0.18
20
0.47
200
0.51
两个高辐射系数的表面紧贴c
0
0.9

5.2.5 传热面积的计算
5.3 舱壁、甲板和船舷侧板的传热面积的丈量应 人体热Q2
人体热是指居留在舱室内人体散发的热量Q2。这部分余热有显热Q2x，也有潜热Q2q，余热的大小同舱内气候条件和人的劳动强度有关。其计算公式为：

…………………………………………………… （5）

……………………………………………………… （6）

……………………………………………………… （7）
式中：
Q2，Q2x，Q2q——分别为人体热的全热、显热和潜热，单位为W；
qrx，qrq ——分别为每个人每小时散发的显热和潜热（见表7），单位为W；
n——舱内居留人数。
人体在27℃舱温下的显热量和潜热量见表7。

表7 人体活动程度和散热量
活 动 程 度
热 的 类 型
散 热 量 W
合 计
坐 着 休 息
显 热（qrx）
70
120
潜 热（qrq）
50
中等、重体力劳动
显 热（qrx）
85
235
潜 热（qrq）
150

5.4 照明热Q3
利用日光的处所（凡是有舷窗的外围舱室，因为已计算了太阳辐射热），照明的附加热可忽略不计。
无日光的处所，一般照明热按表8数值选用，表8中数值已考虑了有关照明要求（当船东或有关权力机构对额定输出功率另有规定除外）。
表8 常用照明的热量
处 所
常用照明的热量 （ W/m2）
白 炽 灯
荧 光 灯
住 舱，等
15
8
大餐厅或小餐厅
20
10
健 身 房 等
40
20
5.5 设备热Q4
冰箱的输出功率，按每升贮藏量容积0.3kW考虑，除了船东另有规定外。
其它的散热，如一天中短时使用的设备，在船东有规定时才予以考虑。
对一些短时间使用的电器设备，如收音机、电视机及热水壶等的散热则忽略不计。
报务室内的各种设备的散热量，按2.5kW计算，船东另有规定除外。
5.6 夏季总得热量Q

…………………………………………………… （8）
式中：
Qx——为夏季总显热，
——单位为W。
5.7 冬季工况舱内热损失Q’
冬季工况舱内热损失按下面公式计算，单位为W：

………………………………………… （9）
式中:
Δt——空气温差(有空调与无空调的内部处所之间的空气温差见6.2.3)，单位为K；
Kv —— Av面积的热系数(见表4)，单位为
Av —— 扣除舷窗和矩形窗（透光尺寸+200mm）后的面积，单位为m2，见图1和图2；
Kg —— Ag面积的热系数(见表4)，单位为W/m2 K；
Ag —— 舷窗和矩形窗（透光尺寸+200mm）的面积，单位为m2，见图1和图2。
6 舱室送风量分配及总风量的计算
6.1 处所容积计算
在计算房间或其它处所容积时，不应扣除家具、固定设备等的体积。
6.2 舱室空调送风量的确定
送至每个空调房间的风量应按下列四种方法进行计算，按最大值来选用。
a) 根据夏季负荷计算的风量根据冬季符合计算的风量
b) 根据系统的新风比和规范要求每人每小时的最小新风量计算的风量；
c) 根据舱室换气次数计算的风量。
送至设有卫生间（浴缸、淋浴或厕所）的舱室风量应至少比从该卫生间的抽风量大10%。
附件A提供了船舶通风和空调系统设计指南以及切实可行的细则。
6.2.1 夏季工况下送风量

…………………………………… （10）
式中：
V1 —— 夏季舱室通风量，单位为m3/h；
Qx —— 为夏季总显热量，单位为W；
ΔT1——夏季空调送风温差，一般取10K，单位为K。
6.2.2 冬季工况下送风量
…………………………………… （11）
式中：
V2 ——冬季舱室通风量，单位为m3/h；
Q’——为冬季舱室总热损失，单位为W；
ΔT2——冬季空调送风温差，一般小于等于23K，单位为K。
6.2.3 按换气次数计算的送风量

…………………………………………………… （12）
式中：
V3——送风量，单位为m3/h；
Ve——舱室容积，单位为m3；
N——规定换气次数，单位为次/小时。
6.2.4 按新风计算的送风量

………………………………………………… （13）
式中：
V4——送风量，单位为m3/h；
qf——每人每小时最小新风量，单位为m3/h；
α——新风比；
n ——空调舱室内设计人数。
6.3 空调系统总风量的计算

…………………………………………… （14）
式中：
V——空调器送风量，单位为m3/h；
Vs——由空调器送入空调舱室的风量，单位为m3/h；
Vj——由空调器送入不受规定温度、湿度参数限制局部冷却的舱室以及其他舱室的风量，单位为m3/h。
6.4 通风送风量
a) 送至通风处所的空调风，如下列处所，公共卫生间（浴缸、淋浴、小便池或厕所）；
b) 洗衣室；
c) 烘衣熨烫室；
d) 更衣室；
e) 清洁间。
注：必要时，这些通风处所应提供加热的辅助设施。
6.5 送风温度
6.6 送至各处所的空气温度，降温工况应不低于该处所平均温度10℃， 排风
6.6.1 抽风量
客厅、大餐厅和小餐厅及公共工作室的抽风量应与其送风量相同。
病室和配膳室的抽风量应至少比其送风量大20%。
个人卫生间（浴缸、淋浴、小便池或厕所）的抽风量应按0.02m3/s或每小时换气次数最小10次计算，取其最大值。
公共卫生间（浴缸、淋浴、小便池或厕所）、洗衣室和烘衣熨烫室的抽风量按每小时换气次数最小15次计算，而更衣室、洗脸间和清洁间的抽风量按每小时换气次数最小10次来计算。
客船以及包括渡船上公共卫生间应专门考虑，其抽风量最小应为每小时换气次数30次。
6.6.2 抽风系统
一组房间的抽风系统应相互独立:
a） 病室；
b） 卫生间、洗衣室、配膳室等。
6.7 风量平衡
系统必须正平衡，对每一层甲板都是如此。
装有滚筒式烘干机的房间，病室和配膳室应保持比相邻舱室稍低一点的压力。
7 空调系统热负荷计算
7.1 夏季空调系统热负荷

………………… （15）

式中：
Φ——夏季总热负荷，单位为W；
Ca——空气质量热容，1005J.kg/K；
ρa——空气密度，1.2kg/m3；
V——空调器送风量，单位为m3/h；
ΔT1——夏季空调送风温差，一般取10K。单位为K；
Qq——为总潜热得热量，单位为W；
Φ2——风机热，单位为W；
Φ3——送风管内空气温升热，单位为W；
Φ4——回风温升热，单位为W；
Φ5——新风热，单位为W。
7.1.1 风机热
其发热量按式（16）计算：

…………………………………………… （16）

风机发热量按每1kPa全风压空气温度升1K计算，或按式（17）计算：

……………………………………………………… （17）

式中：
Φ2——风机热，单位为W；
H ——风机的全压，单位为Pa；
V ——风机风量，单位为m3/h；
η——风机全压效率；
ηm——传动效率，电动机直联传动：ηm =1，联轴节直联传动：ηm =0.98，皮带传动：ηm =0.95；
ηn——电动机效率0.85~0.9。
7.1.2 送风管内空气温升热
空调送风管温升热是由于风管内外温差造成的，按照式（18）计算：

……………………………………………… （18）
式中：
Φ3 ——送风管内空气温升热，单位为W；
V ——空调器送风量，单位为m3/h；
Δtd——送风管内温升，单位为K，Δtd =1~2K。
7.1.3 回风温升热
采用隔热风管的机械回风系统时，通常回风风机风压为900Pa~1100Pa，回风温升Δtr取3K。采用走道回风管吸入回风时，回风温升Δtr取2K；

……………………………………… （19）
式中：
Φ4—— 回风温升热，单位为W；
V —— 空调器送风量，单位为m3/h；
Δtr——回风温升，单位为K；
α—— 新风比。
7.1.4 新风热
夏季降温工况新风热按式（20）计算：

…………………………………………… （20）
式中：
Φ5——新风热，单位为W；
V —— 空调器送风量，单位为m3/h；
ρ—— 空气密度，1.2kg/m3；
α—— 新风比；
io—— 夏季舱外设计空气焓，单位为kJ/kg；
in—— 夏季舱外设计空气焓，单位为kJ/kg。
7.1.5 空气冷却除湿过程析湿系数

………………………………………………… （21）

式中：
ξ——析湿系数；
i1c——表冷器前空气焓，单位为kJ/kg；
i2c——夏季舱外设计空气焓，单位为kJ/kg；
t1c——表冷器前空气温度，单位为K；
t2c——表冷器后空气温度，单位为K；
Ca——空气质量热容
7.2 冬季空调系统采暖热湿负荷
7.2.1 冬季空调系统加热量
采用蒸汽加湿时，按式（22）计算：

………………………………… （22）

式中：
Φ’——冬季总热负荷，单位为W；
Ca ——空气质量热容，1005Jkg/K；
ρa ——空气密度，1.2kg/m3；
V ——空调器送风量，单位为m3/h；
ΔT2——冬季空调送风温差，一般小于等于23K，单位为K；
α——新风比；
tn’——冬季舱内设计温度，单位为K；
to’——冬季舱外设计温度，单位为K。
采用喷水加湿时，采用式（23）计算：

………………………… （23）

式中：
Φ’——冬季总热负荷，单位为W；
Ca ——空气质量热容，1005Jkg/K；
ρa ——空气密度，1.2kg/m3；
V ——空调器送风量，单位为m3/h；
ΔT2——冬季空调送风温差，一般小于等于23K，单位为K；
α——新风比；
tn’ ——冬季舱内设计温度，单位为K；
to’ ——冬季舱外设计温度，单位为K；
G1——加湿耗汽或耗水量，单位为kg/h；
γ——水的汽化潜热，2500kJ/kg。
7.2.2 冬季空调系统加湿量

…………………………………… （24）

式中：
G1——加湿耗汽或耗水量，单位为kg/h；
V ——空调器送风量，单位为m3/h；
α——新风比；
dn’ ——冬季舱内空气含湿量，单位为g/kg；
do’ ——冬季舱外空气含湿量，单位为g/kg；
n ——空调舱室内设计人数；
Δde’ ——每人每小时冬季舱内综合散湿量，取0.08kg/h。
7.2.3 蒸汽消耗量
冬季加热、加湿所需蒸汽总消耗量，按式（25）计算：

……………………………………………………………… （25）
式中：
G——总耗汽量，单位为kg/h；
G1——加湿耗汽量，单位为kg/h；
G2——加热耗汽量，单位为kg/h。

…………………………………………………………… （26）
式中：
G2 ——加热耗汽量，单位为kg/h；
Φ’——加热量，单位为kW；
γ’ ——蒸汽的汽化潜热，单位为kJ/kg。
7.3 空气参数的计算
7.3.1 夏季表冷器的进风温度
在确定了舱内外空气参数、回风温升和风机温升的条件下，对于压出式空气器按式（27）、（28）计算：

………………………………………（27）

……………………………………… （28）

式中：
t1 ——表冷器进风温度，单位为K；
α——新风比；
tn ——舱内设计温度，单位为K；
to ——舱外设计温度，单位为K；
Δtr——回风温升，单位为K；
Δtf——风机温升，单位为K；
i1 ——表冷器进风焓，单位为kJ/kg；
in ——舱内空气焓，单位为kJ/kg；
io ——舱外空气焓，单位为kJ/kg；
Δir——回风焓升，单位为kJ/kg；
Δif——风机焓升，单位为kJ/kg。
对于吸入式空调器，同样按照式（27）、（28）计算，但Δtf =0，Δif =0。
7.3.2 夏季表冷器出风温度

……………………………………………………… （29）

……………………………………………………… （30）

式中：
t2——表冷器出风温度，单位为K；
t1——表冷器进风温度，单位为K；
Φ——夏季总热负荷，单位为W；
V——空调器送风量，单位为m3/h；
i1——表冷器进风焓，单位为kJ/kg；
i2——表冷器出风焓，单位为kJ/kg；
ρa——空气密度，1.2kg/m3。
7.3.3 冬季加热器的进风温度

…………………………………………………… （31）

…………………………………………………… （32）
式中：
t’1——加热器进风温度，单位为K；
α——新风比；
t’n——舱内设计温度，单位为K；
t’o——舱外设计温度，单位为K；
i’1——表冷器进风焓，单位为kJ/kg；
i’n——舱内空气焓，单位为kJ/kg；
i’o——舱外空气焓，单位为kJ/kg。
7.3.4 冬季加热器出风温度

……………………………………………………… （33）

……………………………………………………… （34）
式中：
Φ’——冬季总热负荷，单位为W；
t’2——加热器出风温度，单位为K；
t’1——加热器进风温度，单位为K；
V——空调器送风量，单位为m3/h；
————ρa——空气密度，1.2kg/m3。
8 空调制冷装置能量
8.1 制冷装置设计冷却水海水温度
——对于无限航区的船舶，32℃；
——对于有限航区的船舶，可根据各航区具体决定；
——对设中央冷却系统的船舶，设计统一规定。
8.2 直接式空调装置制冷量
直接式空调装置制冷量按公式（35）计算：

……………………………………………………………… （35）
式中：
Φ——夏季总热负荷，单位为W；
Qo——空调装置制冷量，kW。
8.3 间接式空调装置冷水机组制冷量
间接式空调装置冷水机组制冷量按公式（36）计算：

……………………………………………… （36）

式中：
Φ——夏季总热负荷，单位为W；
Qo——空调装置制冷量，kW；
ΔΦp—— 冷冻水泵设计流量、压头时的轴功率，单位为kW。

附 录 A
（资料性附录）
船舶通风和空调系统设计中切实可行的指南
A.1 系统和管道
设备的布置和风管的尺寸应允许送全新风。
A.2 供风
至病室的送风管上应安装止回风闸。
A.3 排风
洗衣室、烘衣熨烫室，其抽风设备应安装在高散热、高散湿区域的上方。
A.4 人员活动区域的空气流速
人员活动区域的空气流速应在图A.1所示范围内。
注：让人们舒适的一般使用范围，其所占的区域从几何上来说是限于离房间所有表面0.15m以及距地板1.8m的高度处。
A.5 人员活动区域内的温度变化
人员活动区域（见A.4）内任何点之间的最大温差应不超过2K。
A.6 制冷机
对于系统超过7.5 kW，
对于间接冷却系统，冷凝器应按进水温度+36℃设计，而压缩机的电机应按进水温度+38℃设计。
当计算冷凝器总传热时，污垢系数采用0.00009m2K/W。对于冷凝器采用封闭冷却水系统的污垢系数应为海水污垢系数的一半。
当计算冷却效应时，空气的密度采用1.2kg/m3。
A.7 噪音
系统的设计应达到在离空气末端装置1米处测得的来自空气分配系统的A档声压级不超过55dB（A）。
A.8 温度调节
在每个起居处所应安装单独的温度调节装置。这可以通过以下的方法来达到，例如调节风量、热力膨胀阀、三通调节阀、电磁阀等。
A.9 冬季期间的加湿
冬季期间的加湿，且加湿应控制使用。只有在长期寒冷且干燥的天气才采用加湿。对冷表面上有凝水危险的应考虑隔热层内产生结冰的危险，故暴露于大气的表面上所敷设的隔热，应注意保证完好的气密，防止热的湿空气渗入。
A.10 锅炉蒸汽的应用
来自于锅炉的蒸汽不应用于加湿。锅炉蒸汽含有相当数量的化学物质，这些化学物质可以改变空气的气味并且使空气中的阳离子数量增加。见图A.1。

图A.1

参 考 文 献

《船舶设计实用手册》（1999） 第6篇 船舶冷藏、空调及通风系统