面向绿色航运的绿色船舶设计

用人员具有良好保护的船舶[1]。从以上对绿色船舶的描述来看，节能降耗和保护环境是绿色船舶的最终目标。为了达到船舶整个生命周期内绿色环保的目标，必须在最初的船舶研发设计阶段就将先进的技术充分消化并融合，以便最大限度地实现设计的绿色化。

2 绿色船舶设计的方向

随着国际社会对船舶污染问题的逐渐重视，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）针对船舶污染问题的公约和标准也在不断推陈出新[2]。为了推动新造船舶在设计阶段充分应用节能减排技术，确保船舶能够达到较高的能效水平，IMO推出了旨在衡量船舶能效水平指标的能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI），并于2013年1月1日生效。采用船舶能效设计指数，就是要求设计人员在船舶设计阶段考虑提高船舶运输量的同时，也需通过各种手段降低CO2的排放。在2018年4月结束的IMO海上环境保护委员会第72届会议（MEPC72）上通过了温室气体减排的初步战略。该战略要求到2030年，每次国际海运的CO2排放量较2008年至少平均降低40%，到2050年至少平均降低70%。为了达到这一战略目标，IMO 鼓励开发和采用先进的技术以推动船舶节能减排。此外，相继出台的硫氧化物及氮氧化物排放限制、压载水管理公约、拆船公约等涉及绿色船舶的规范，都对船舶设计的绿色化提出了较高的要求。

由此可见，在未来的10年甚至更长的时间里，研发设计节能减排的绿色船型并充分融合新能源技术将成为船舶设计的主旋律，而多种能源综合利用、进一步促进船舶绿色化将是未来绿色船舶设计的发展方向。

3 绿色船舶设计解决方案

3.1 船舶减阻设计

3.1.1 减阻型上层建筑

在常规的船舶设计流程中，为了满足船员工作和生活的需求，上层建筑一般会设计得较宽。但是较宽的上层建筑会使船舶受到的正面风阻也较大，为了保证一定的航速，船舶的油耗就会相应增加。

为了降低船舶上层建筑的风阻，研究人员进行了大量的尝试。其中，日本邮船和日本常石造船联合开发的一种减阻型船舶上层建筑（见图1），改变了常规居住区的布置模式，最大限度地减小了船舶上层建筑的正向受风面积，并将上层建筑前部做削斜处理，进一步降低了风阻。同时，考虑到这种设计导致桥楼侧翼和侧翼下方支撑柱的受风面积约占整个上层建筑受风面积的30%，为了减少这部分结构产生的风阻，研究人员在船舶桥楼侧翼正面的梁翼及支撑柱正面加装了特殊结构，使桥楼侧翼和侧翼下方支撑柱都形成倾侧的形状，以减小正面风阻。

图1 减阻型上层建筑

利用模型进行的风力测试表明，该设计可减少约10%的风阻。在航速不变的情况下，节能效果明显。如果将这一技术应用到一艘18万吨散货船上，预计每年可减少520 t的CO2排放，一定程度上达到了减排目的。

3.1.2 扭曲舵

舵叶一般布置在螺旋桨尾流范围内，螺旋桨产生的旋转流场对舵叶上不同位置所产生诱导速度的大小和方向是不同的，但普通舵叶在设计时一般不考虑这一因素。这就导致舵叶在零舵角时，各截面仍然具有一定的攻角，会对船舶航行产生一定的阻力。

扭曲舵是一种特殊的悬挂舵系统，被广泛应用

于集装箱船上。它的设计原理是根据螺旋桨尾流的方向，将舵的各个截面扭转一定的角度，使舵各截面相对于来流的攻角为0°，以此来减少阻力，在

保证航行安全，船员会根据船舶装载状态进行压载水装载和排放。由于很多远洋船舶的离港和到港地在不同国家的水域，这就很容易引起微生物入侵和污染的问题，而且随着国际贸易的增长，这种危险日益增大。据统计，全球每年约有50亿吨压载水被搬运，每天有3 000多种动植物随压载水被运到世界各地海域，导致异地海洋生物入侵并大量繁殖，从而破坏当地海域的生态平衡。压载水已经被全球环保基金组织（GEF）列为世界海洋的四大污染源之一。

随着《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》的生效，作为一种海洋环境保护的主流技术，压载水处理技术与装置在国际相关环保公约逐步实施的大背景下取得了快速的发展[6]，压载水处理装置也已成为新开发绿色船型的标准配置。

3.2.4 岸电

除了航行时的污染物排放外，船舶在港时也需要通过发电机不间断运行，以维持船舶的正常用电需求。在此期间，大功率发电机需要消耗大量燃料，不但产生噪声污染，也会产生大量的废气，造成港口城市的空气污染。如果船舶改用港口提供的电源供电，就能够停止使用船上的发电机，这些污染问题便可迎刃而解。

岸电是船舶在港时节能减排和降噪的有效途径。经测算表明，岸电技术可使船舶每次靠港减少95%的污染物排放。如果靠泊沿海港口的所有船舶都使用岸电，全球每年可以减少CO2排放量约1亿吨，相当于一个2 000万人口国家一年的CO2排放量[7]。因此，开发具备接岸电功能的绿色船舶对节能减排具有非常重要的现实意义和社会效益。

3.3 新能源技术的应用

在进行绿色船舶研发设计时，设计人员不但要瞄准成熟的技术，也需要在确保船舶安全的前提下，充分考虑新能源技术在新船型上的应用，尽可能地提高船舶的节能减排水平。

3.3.1 风帆技术

利用风帆推动船舶航行曾是最古老的航海技术之一。随着推进技术的发展，这一技术在远洋船舶上逐渐被淘汰。然而，随着科技的发展，用计算机自动控制风帆的技术，为风帆的再次应用提供了有力的支持。

大连船舶重工建造的世界上第一艘机帆混合动力VLCC船就采用了风帆技术（见图2）。该船中部有2片风帆，每片风帆高39.68 m，宽14.8 m，由回转机构、桅杆和帆翼等部分组成。在顺风时，风帆将被张开到最大，以获取最大的风力；在逆风或者风力很小时，可以将风帆降下，以减少阻力。安装风帆后，在相同航速指标下，单船平均日油耗可降低至少12%。

图2 应用风帆技术的VLCC

马士基在其油轮Maersk Pelican号上，安装了2台芬兰Norsepower公司制造的高30 m、直径5 m 的旋筒风帆（见图3）。当旋筒在运动的气流中旋转时，会使得一侧的气压增大，另一侧气压降低，从而产生一个垂直于气流方向的力，这种现象称为马格纳斯效应（Magnus Effect）。通过调整旋筒的转速，可以调整受力的大小和方向，从而产生向前的推力。利用这套装置，船舶可以减少7%～10%的燃料消耗。

图3 旋筒风帆