低碳背景下的船舶设计演变

最优速度下最大功率、足够动力时更低排放…。船舶设计时通常只需要满足诸如上述一系列的性能参数，不需要考虑更多的设计手段，也不需考虑产品能否持续满足未来需求。然而在当前低碳背景下，新能源、双燃料、风辅助、推进系统改进、空气润滑系统等新事物的产生给传统的船舶设计带来新的挑战。本文带您回顾船舶设计演变发展历程，探讨船舶未来发展之路。

单要素结构设计

直至2000年左右，约95%的船舶都采用单要素设计。即以特定速度和吃水为设计指标确定船舶的外型、船首和主机容量以使船舶在合同条件下达到最优表现。这也是船舶性能评价的主要因素。但是很少有人会考虑当船舶采用较低航速和较低装货容量时对船舶效率的影响程度。尤其对集装箱来说，效率损失是难以接受的。为了达到降低营运成本并实现船舶最大效能，设计者们发现对船舶做相关些许改变，便可以提高船舶效能5%-10%，有时甚至可以达到20%，这意味着大型深远海船舶每年可节省成本约100万美元。

集装箱船是最先弃用单要素设计原理的船型之一。随着单要素设计原理缺点逐步显现，所有深远海船舶的设计和营运管理都将受到影响。比如装载压载水返港的油轮和散货船比满载货物时消耗更多的燃料，这种情况是不能让人接受的，必须在设计方面做出改变。

多要素结构设计

矩阵模型。大概自2008年起，新船设计开始不局限于指定几种模式的航速和吃水范围，而是提供船东可变的矩阵模型操作界面，可以知道在不同速度和吃水下船舶的大概航行时间。虽然船舶不再拥有指定模式下的最优性能，但是灵活的设计能够满足船舶在不同航线、气候条件和装载状况下的更多需求。

型线优化。型线优化可以降低船舶阻力、降低动力需求以获得更好的整体效能。对于已经服役的单要素设计船舶，修改船舶整体线型是不经济的，可以对球鼻艏进行局部优化。因为兴波阻力与船首形状以及不同速度下的吃水深度有关。单要素设计船舶通常球鼻艏非常冗长庞大，优化后细长的球鼻艏可能节省6~10%的燃料。

其他结构优化。其他方面的优化有新式螺旋桨以及推进系统优化，这些比较少议及。

图示：优化后的球鼻艏外型通常比单要素设计船舶的球鼻艏更加细长

图示：流体仿真计算单要素和多要素设计下的船体艏部压力分布图

（对两种船型而言，合同条件下的压力分布和产生的波浪是非常相似的。多要素优化设计可以获得更合理的压力分布，产生更小的波浪。）

CO2排放指标。根据新造船EEDI和即将颁布的现有船舶EEXI规则，船舶能效问题已重新成为行业关注焦点。联合IMO二氧化碳强度指标（CII，以每装载吨位或每海里航程下CO2排放克数作为测量船舶运输货物或乘客的能效评价指标），这些规则将给船东不断施加压力以促成船舶改造达到减排目标。

EEDI和EEXI可以通过证书形式显示船舶能效，CII评估方法还没有达成共识。但对所有5000总吨以上的国际航行货船、客滚船和邮轮，CII指标2023年起生效……这将对船舶设计需求产生深远影响。

图示：CII改进路线图（2022年交付的新船在寿命周期内将基于IMO脱碳路线进行升级）

燃料预备设计

当前碳中和燃料在技术和可获得性方面还存在诸多不确定性。EEXI和CII也存在一些细节待确认，但是不同船舶的界值点已非常明确。比如最早2023年起将不再认可采用传统高硫油燃料但未加改造措施设计的船舶。这些船舶必须马上采取行动，采用替代燃料或者降低航速。但降低航速的做法只能在2026年前有效。如果想让船舶在未来10-20年不做重大改动，新造船必须配备可替代燃料系统、有优化的外型或其他措施以降低燃料消耗。

‘ready designs’指一艘船舶未来可以切换替代燃料。船舶可以不必立即投入资金进行双燃料系统改造，但是未来可以较为容易的实现燃料转换。为迎合这种需求，DNV新增了一系列船级社附加标志，包括“LNG ready” 、以及针对氨燃料、液化天然气、液化石油气和甲醇燃料船舶的“Fuel ready” 标志。“Gas-fuelled ammonia”附加标志的推出也让船东对选择氨燃料船舶有了新的选择。

推进系统改进

燃料路径方面的不确定性也助推了推进系统方面的提升改进，诸如风辅助推进。用空气动力学进行仿真计算可以获得一些有良好推进性能的风帆辅助方案。目前最流行的是风帆转子形式。它采用的是马格纳斯效应——甲板设置一个较大的垂直旋转气缸，风从某个角度撞击船舶甲板上的气缸时产生向前的推力。该系统由电脑控制，可以在恶劣海况下使用，据报道可以节能10-20%。

图示：MariGreen 项目研发的风力转子在不同船舶上表现性能良好

空气润滑系统

空气润滑系统（ALS）是另外一种可以提高船舶能效降低损耗的节能技术。该系统将船底的空气推开并在船体和水面之间产生一个光滑的均匀隔层。因为空气相对水的粘度较低，所以空气对船体湿表面的摩擦阻力较弱。在此情况下船舶可以节省燃料并减少5-10% CO2排放。

在今后若干年，这些技术将不断改进成熟并将接受实船应用考验，也许某个改进方案会成为船舶标配或成为业界强制标准。总之船舶脱碳化对船舶设计的影响是深远的，是船舶设计演变发展的重要里程。