关于船舶上使用相变蓄冷技术节能效果的研究

《Journal of Energy Storage》：A study on the energy-saving effects of phase change cold storage technology onboard a ship

　　张崇|崔文斌|于一森|康海洪|张高华|魏毅
大连海事大学海洋工程学院，中国辽宁省大连市116016

**摘要**
船舶产生的温室气体排放是目前海运行业面临的关键挑战之一。鉴于船舶空调系统占据了船上能源消耗的相当大比例，本研究提出将冰水相变蓄冷技术集成到船舶空调系统中，以提高其能效并减少二氧化碳排放。通过利用蓄冷技术的削峰特性，实现了发电机组额定功率和燃油消耗的“双重降低”。本研究考察了三种不同的削峰情景，分别对应8%、12%和16%的冷却需求峰值缩减。除了使发电机组的额定功率减少了20千瓦至38千瓦外，随着削峰比例的增加，空调用电量也随之减少，燃油节省量最高可达每天11.65千克。此外，通过将制冷循环的效率系数从2.33提高到2.47，燃油节省量进一步增加到每天67.01千克。因此，所提出的蓄冷系统表现出良好的经济性能。本研究有效验证了相变蓄冷技术在海上应用中的可行性和节能潜力。

**部分内容摘录**
- 下标说明：
0：初始条件
c：冷却阶段
ch：充电阶段
d：放电阶段
h：加热阶段
i：每期利率
t：总时间
ww：水
η：压缩机效率

**海洋PCCS空调系统描述**
本研究基于图1所示的“玉坤”号船上的空调系统进行。该船由大连海事大学用于教育和实际航行训练目的，可容纳最多200名学生，因此空调所需的电力负荷占船舶总电力需求的很大比例（约48%），使其成为应用PCCS技术的理想对象。

**PCCS中的冷能**
PCCS在白天削峰期间提供的冷能量计算公式为：
\[Q_{PCCS} = \sum_{j} P_{ac,j} - P_{ites}\]
其中，\(P_{ac,j}\)表示未进行削峰时第j小时的空调功率，\(P_{ites}\)表示削峰后的空调功率。夜间需要储存的船舶理论冷能量为：
\[Q_{CH} = \sum_{i} P_{ites} - P_{ac,i}\]
其中，\(P_{ac,i}\)表示未进行削峰时第i小时的空调功率。在冰水蓄冷系统的充放电过程中考虑了熵效率。

**对柴油发电机组投资的影响**
引入PCCS后，部分高峰时段的冷却需求可由蓄冷罐满足，从而降低了柴油发电机的额定功率。在考虑的三种削峰情景中，柴油发电机的额定功率减少了20千瓦至38千瓦。目前安装的W?rtsil? 520W4L20柴油发电机的成本约为35万美元。假设发电机组的成本与其额定功率成正比，据此计算……

**结论**
在全球推进节能和减排的背景下，本研究提出将PCCS技术应用于船舶空调系统，并评估了其对船舶柴油发电机额定功率、燃油消耗和二氧化碳排放的影响。通过测试8%至16%的冷却需求削峰比例，主要节能效果如下：
(1) PCCS系统的集成可降低柴油发电机组的额定功率……

**作者贡献声明**
张崇：撰写——初稿；
崔文斌：撰写——审稿与编辑；
于一森：验证；
康海洪：验证；
张高华：验证；
魏毅：监督。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52006023）、中央高校基本科研业务费（项目编号3132023223）以及大学生创新与创业训练计划项目（项目编号202310151114）的支持。