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摘要：近年来，绿色船舶设计概念受到市场前所未有的关注。随着新的要求不断推出，以及船舶营运市场的低迷和营运成本的高涨，几乎所有船东在新造船计划中都对绿色船舶设计提出了比现有船型更高的要求。毋庸置疑，只有更安全、节能和环保的绿色船舶才能赢得市场的认可。因此，各国造船界都在为设计、建造绿色船舶而加大技术开发的力度。本文一方面归纳总结现有绿色船舶设计的技术与经验；另一方面将对绿色船舶的未来进行思考，并探寻其发展方向。
关键词：绿色船舶设计；航运；节能；减排；环保
1绿色船舶设计的方法
1.1以提升船舶能效为核心的绿色节能设计
提升能效是绿色船型开发的核心目标之一。目前市场上船东特别关注油耗指标，同时新造船的EEDI指标要求也不断提高，因此新开发的船型必须重点考虑能效优化。这既是规范的要求，也是船东降低营运成本的市场需求。传统船舶节能设计主要包括水动力优化、设备改进升级和船型尺度优化这3大类，此外，新型节能技术也是重要的发展方向。以下将依此对船舶节能设计的方法进行归纳。
1.1.1水动力优化
水动力节能设计是最传统的节能方法，其投入成本低、节能效果好、技术可靠。船舶水动力节能设计主要体现在两个方面：
（1）降低船舶阻力；
（2）提高船舶推进效率。
1.1.1.1降低船舶航行阻力
降低船舶在航行中的阻力是节能优化设计的基础。船舶航行中的阻力主要来自水阻力和风阻力，故降低船舶航行阻力主要采用以下几种方法：
（1）通过线型优化，降低船舶在静水及波浪中的阻力；
（2）通过基于营运剖面多目标优化保证综合性能最优；
（3）通过纵倾优化来保证船舶在最佳节能姿态下航行；
（4）通过低阻油漆或气层减阻减少水线下摩擦阻力；
（5）通过上层建筑风阻优化，降低船舶的风阻力。
1.1.1.2提高船舶推进效率
提高船舶推进效率主要通过螺旋桨优化及水动力节能装置应用。螺旋桨设计已非常成熟，除了继续挖掘螺旋桨自身设计潜力外，目前主要通过大直径螺旋桨匹配低速主机来实现螺旋桨效率的提升。水动力节能装置也是提高船舶推进效率的重要途径。节能效果因船、桨而异，因此针对不同船型、不同线型和不同螺旋桨，应采用不同的定制化节能装置设计。
1.1.2设备改进升级
设备改进升级可以分为主机改进升级和辅助系统优化两部分。
1.1.2.1主机改进升级
主机改进升级可以直接反映在降低单位油耗上，主要依托于新型高效机型的发展。例如超长冲程低转速的新型高效主机（G型机、X型机）有更高的效率，单位油耗更低；同时，主机的功率点可选范围更大，转速更低。功率点（SMCR）应尽量选择靠近平均有效压力最低的可选范围左下角，这样既降低主机的单位油耗，又降低转速、增加螺旋桨的最佳直径，提高推进效率，有效降低油耗总量。NOX排放TierⅢ解决方案的选择也会影响油耗，如EGR、EcoEGR、HPSCR等。
1.1.2.2辅助系统优化
主机的能耗占全船能耗的绝大部分，但辅助系统的优化同样具有节能潜力，不能忽视。辅助系统的优化主要包括：
（1）轴带发电机；
（2）废热回收系统；
（3）变频设备；
（4）智能能效管理系统。
1.1.3船型尺度优化
民用运输船设计最终目的是以最经济的运营成本实现特定的运输功能。船型尺度的优化往往会大幅降低单位货物运输成本，带来显著的节能效果，例如船舶大型化和船型定制化。
（1）船舶大型化
具有充足货物运输量的情况下，船舶大型化带来的规模效益可以显著改善单位货物运输能效，从而降低温室气体排放总量，典型的例子就是近年来国际集装箱船的超大型化竞赛。
（2）船型定制化
一些运输任务往往有设计上的特殊限制，标准船型并非最佳的匹配船型。因此，不同于常规船型的尺度创新，可以用最经济节能的方式实现特定运输功能，例如：浅吃水限制的特殊船型，考虑特定航道或港口的定制化船型等。
1.1.4新型节能技术
除了传统节能技术外，新型节能技术是进一步提高船舶能效的重要途径。虽然现阶段许多的节能技术还处于探索和试验阶段，但在节能减排的大背景下，未来必将备受关注。以下主要介绍两种获得实船应用的新型节能技术：
（1）空气润滑减阻
这种新技术是通过空压机向船底喷出空气，在船底形成一层薄薄的微小气泡或空气层，可使船底与水的接触取代为与空气的接触，从而使船舶摩擦阻力减小。目前，一些大型邮轮和LNG运输船等已采用微气泡减阻设计。
（2）风能辅助推进
风能既无成本也无排放，将其作为补充动力辅助推进，在特定环境条件下可以取得良好的节能效果。例如采用马格努斯效应的旋转风筒以及可升降的翼形风帆，目前都已有实船的应用。
1.2以降低污染排放为核心的绿色环保设计
近年来对设计影响较大的环保要求主要包括：
（1）氮氧化物（NOX）排放控制；
（2）硫氧化物（SOX）排放控制；
（3）压载水公约D2排放标准。
1.2.1氮氧化物（NOX）排放控制
MARPOL公约要求航行在氮氧化物排放控制区（NECA）的船舶应满足TierⅢ排放标准要求。目前已生效的氮氧化物排放控制区包括北美和加勒比海区域、北海和波罗的海氮氧化物排放控制区，中国也设定了自己的排放控制区，未来排放控制区还会不断扩大。大型运输船全球航行，因此新造船TierⅢ排放已成标配。
满足TierⅢ排放标准的技术手段主要包括选择性催化还原（SCR）、废气再循环（EGR）和LNG燃料，其中SCR技术又分为高压和低压两种。对于MAN的主机，SCR或EGR这两种方案均可选择；而对于WinGD主机，目前只可选择SCR方案。WinGD的双燃料主机在燃气模式下可满足TierⅢ排放要求，而MAN的双燃料主机在油气模式下都需NOX处理技术。
1.2.2压载水公约D2排放标准
国际海事组织（IMO）压载水管理公约已于2017年9月8日正式生效，满足D2标准压载水处理装置成为新船设计的标准配置。如考虑航行美国，则需同时满足美国海岸警卫队（USCG）对压载水处理装置的更高标准要求。目前压载水处理装置技术发展成熟，曾经提出的无压载水/少压载水设计，由于对船舶运输本质功能的影响，暂时已不再受到关注。
2绿色船舶技术发展的展望
为了实现IMO温室气体减排战略的目标，绿色船舶技术包括新兴技术将分阶段得到发展：
（1）中短期（2020~2030年）
从法规角度，将不断完善现有能效框架。新造船舶能效设计指数要求会不断提高，同时营运船舶的减排要求（EEXI和CII）也已正式推出。对于氢、氨等新兴燃料的规范研究与制定也会提上日程。从技术角度，现有的成熟节能技术会持续应用，但效率已接近“天花板”，更多的新节能技术（例如风帆和旋转风筒、空气润滑减阻等）会得到一定发展。LNG燃料作为替代燃油的现阶段最佳选择，将得到快速发展和应用。
（2）长期（2030~2050年）
为实现航运业的脱碳目标，长期来看必定依赖于燃料能源的脱碳。鉴于船舶具有20年左右的寿命周期，2030年以后的新造船将逐渐过渡到无碳燃料。这一方面取决于技术的发展，另一方面与国际能源转型整体进程相关。现有能源基础设施投资的锁定效应，导致能源系统的转型相对缓慢，航运业的能源转型也必将同步经历一个较长的周期。对于新兴清洁能源，适用于船舶的氢基燃料具有较大潜力，如液氢、液氨（NH3）等。氢被认为是最有前景的可再生清洁燃料，但氢气因难于液化，而给运输、加注和使用带来诸多麻烦。与氢相同，氨不含碳元素，完全燃烧只产生清洁无污染的水和氮气，且其含氢量高。
结束语
绿色船舶设计是船舶行业的永恒主题，本文简要分析了绿色船舶设计目前的技术发展与未来面临的挑战。未来绿色船舶设计的要求只会越来越高，需要广大技术人员不断努力与创新，并始终保持科学严谨的态度，设计经得起实践检验的本质绿色船舶。
参考文献：
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［2］韩佳霖．巴黎大会后的航运业温室气体减排［J］．上海船舶运输科学研究所学报，2017（1）：20-23．