某冷空通设计实例简介

蒋烈文

（上海船厂船舶有限公司，上海 202164）

0 引言

进行船舶冷藏、空调和通风（以下简称：冷空通）设计时，对风机风量大小、风道布置、风管通径大小、百叶窗尺寸大小及安装位置等均是有计算依据和规范要求的，有时设计过程中碰到实际问题时需要设计人员因地制宜、灵活应变，以达到满足规范、方便实用以及节省建造成本的目的。本篇以上海船厂已建造的一艘4 000 TEU集装箱船和某综合物探调查船上的两个设计案例为例，根据由船东和船检提出的两个问题，分别介绍了船厂给出的规范和计算公式，最终解决方案得到了船东和船检的认可。

1 4 000 TEU集装箱船增加中压岸电系统后的通风系统改进

该艘4 000 TEU集装箱船由上海船厂为某航运公司建造，在建造过程中，船东提出要增加一整套中压岸电系统，而中压岸电系统配套的变压器要安装在舵机舱右边的储藏室内，见图 1更改后。因为变压器的发热量较大，按要求需要给储藏室配备机械通风，而原来设计中储藏室只设置了自然通风——两个鹅颈式通风筒，见图 1更改前。根据船舶设计实用手册，储藏室机械通风的风量计算公式[1]为

式中：qv2为带走散热量所需的风量，m³/h；Q2为散热量，kW；ρa为空气的密度，取1.2 kg/m³；ca为空气的比热容，取 1.005kJ/(kg·K)；ΔT2为送风温度与舱室温度之差，K。

本案例中，变压器的散热量由厂商提供，Q2=13 kW。对于电气设备，若厂商提供不出设备的发热量，则可根据经验公式来估算，其计算公式为

式中：η1为发热系数，电机一般取η1=6%，变压器一般取η1=2.5%；P为设备功率，kW。

估算所得变压器散热量为 16 kW，估算结果比厂商提供的值要大，说明估算公式可靠。

ΔT2为储藏室内的温度与外界大气温度之差，一般取值为 ΔT2=12.5K。储藏室的设计温度取 45℃，室外设计温度取 32℃，相减得 13℃，再放 0.5℃的余量，最终得到温差值为 12.5℃（根据风量计算公式可知，温差取值越小，风量越大，故在设计过程中要将温差取值减少0.5℃，以使计算得出的风量更为保险）。

经计算，qv2=3 105 m3/h。

起初，冷空通专业给出的解决方案为专门给储藏室配一台离心风机（因本房间已配备了鹅颈式通风筒，考虑到风管布置的便利性，选择配离心风机，而不是轴流风机），见图1更改后。风机的风量Q选取还需在计算所得风量的基础上乘以一个富裕系数k，此处取k=1.2，Q=k·qv2，经计算，Q=3 726 m3/h。根据风机厂商提供的资料，最终风机选型为风量Q=3 800 m3/h，静压pt=450 Pa。但此方案马上被否决，一是船东觉得增加风机成本太高；二是若增加风机，电气专业的修改会很麻烦，需要在机舱集控室配电板上增加开关、修改集控室配电板、在储藏室增加风机控制箱，如此，生产部门的实际修改工作量会很大，故放弃了增加风机的方案。

图1 储藏室增加独立风机

增加风机的方案被否决后，考虑将储藏室通风并入其它舱室机械通风系统中。由于储藏室与舵机舱相连，或许可以将舵机舱的抽风管拉一路支管到储藏室。经三维建模确认新增风管布置没有问题后，需要计算舵机舱风机的风量是否足够两个舱室共用。由于舵机的发热量主要来自于舵机液压油，而液压油由机舱冷却水冷却，所以此房间需要机械通风带走的设备发热量很小。根据船舶设计使用手册，按照每小时换气次数的方法来计算舵机舱的通风量，其计算公式为

式中：q′v1为通风量，m³/h；n1为换气次数，次/h，一般舵机舱的换气次数要求为5～10次；v1为通风舱室容积，m³。根据计算得舵机舱最大容积v1=483 m3/h，已知舵机舱风机风量Q′=6 000 m3/h，若优先满足储藏室的风量qv2，则舵机舱所得风量为q′v1=Q′－qv2，取qv2=3 105 m³/h，计算得q′v1=2 895 m³/h。反之，推算舵机舱的换气次数n′1=q′v1/v1，计算得n′1=6。

经过以上的计算过程，舵机舱风机的风量足够舵机舱和储藏室两个房间共用。但船东认为舵机舱 6次的换气次数太少（舵机舱比较潮湿，换气次数越大越好），且风机的风量大小也没有留有余量。为此，冷空通专业给出了一个合理的解释并提供了一个巧妙的解决方案：中压岸电系统只有在船舶靠码头时才使用，但船舶靠码头后，舵机是停止工作的，舵机舱也相对比较干燥，此时舵机舱的机械通风只需要满足最基本的换气次数（大于 5次）即可；船舶在航行时已离开码头，中压岸电系统停止工作，变压器不再发热，储藏室只需要用原来的自然通风即可，不需要机械通风，舵机舱风机风量完全用于舵机舱。为了实现这一功能，冷空通专业在给储藏室增加一路支路风管后，在原舵机舱风管和新增的储藏室的风管上各增加1个调风门，用来调节两个舱室的风量，见图 2更改后。在航行过程中，通往储藏室的调风门完全关闭或调到很小，通往舵机舱的调风门完全打开或调到很大，舵机舱风机完全为舵机舱服务，即舵机舱风量为6 000 m³/h；在船舶停靠码头时，调节 2个调风门至适当位置，使得舵机舱风量约为2 700 m³/h，储藏室风量约为3 300 m³/h（具体的调风门开度看实际情况决定）。最终，本次改动的方案为只需增加2个调风门、1路支管、3个E型风栅。这个方案成本低、改动小、节能环保，最终得到船东的认可。

图2 舵机舱风管延伸至储藏室

2 某综合物探调查船的UPS蓄电池间通风设计

该综合物探调查船入CCS船级社。在送审居住舱室机械通风布置图时，CCS审图中心对UPS蓄电池间的通风提出诸多意见，具体内容如下：

“艏楼甲板蓄电池间为自然通风，进风风管的截面积和出风风管的截面积相等，截面积A应不小于按照钢规第四分册第2章第11节2.11.2.3的计算要求值。如蓄电池总充电功率大于2 kW，则应设机械通风装置。通风进口和出口应设防火丝网。”

对于UPS蓄电池室通风，由于起先没有蓄电池的资料，设计院的初始方案只是给该房间配备了 2个小型百叶窗（M150×200），见图3改前。针对审图中心提出的问题，船厂冷空通专业对规范进行了深入研究，并根据规范给出的公式等进行计算，最终给出修改方案，见图3更改后。船厂给CCS审图中心的答复如下：

1）已根据钢规第四分册第2章第11节2.11.2.3的计算更改了进风管的截面积，且进出风管的截面积相等，目前配的百叶窗分别为 M500×615 和M450×685。百叶窗的布置和进出风口的截面积计算见相应附件。

2）蓄电池的总充电功率为9.5 kW，但蓄电池为阀控型蓄电池，只有透气型蓄电池的充电功率大于2 kW时才需要配机械通风。

3）进风口的百叶窗上带7目/英寸的铜丝网，能起到防火丝网的作用。

下文介绍设计过程。

首先，蓄电池的总充电功率为9.5 kW，根据《钢规》第四分册第 2章第 11节 2.11.2.4“安装透气型蓄电池组的专用舱室、箱或柜，如蓄电池组的总充电功率大于 2 kW，则应设有机械通风”，但该船蓄电池为阀控型蓄电池，《钢规》对阀控型蓄电池组没有机械通风要求，故可采用自然通风。为节省成本和方便操作，本船决定采用自然通风——为该蓄电池间配 2个自然通风百叶窗。

自然通风的方案确定后，接下来就是确定百叶窗的通风面积，根据《钢规》第四分册第 2章第 11节2.11.2.3的计算公式[2]

式中：A为蓄电池室进出风管截面积，cm2；Un为蓄电池的标称电压，V，此处已知Un=12 V；Q为蓄电池电容量，Ah，此处已知Q=200 Ah；n为蓄电池数量，此处已知n=32。计算得A=1 536 cm2。

考虑到百叶窗的钢丝网、叶片等会影响其通风面积，取百叶窗的通风效率为ηf=0.5，则实际需要的百叶窗的围板通风面积为

计算所得A1=2 712 cm2。按照《钢规》“进风风管的截面积应和出风风管的截面积相等”的要求，根据实际放样情况，选择底部进风口百叶窗尺寸为M500×615，顶部出风口百叶窗尺寸为 M450×685，其布置见图3改后。

结合本船设计实例，总结出UPS蓄电池室通风布置的三大注意要点。

1）确定蓄电池室采用机械通风还是自然通风，若为机械通风，风机须防爆，风量按规范提供的公式计算得出；百叶窗的面积也须按规范提供的公式计算得出，详细的说明和计算过程见《钢规》第四分册第 2章第11节蓄电池组，在此不再赘述。

图3 蓄电池室增加自然通风百叶窗

2）注意UPS蓄电池室的通风口与其它房间的通风口的间距问题。有些船舶的危险区域划分图要求：蓄电池室的机械通风风口的危险区域范围为3 m，自然通风风口的危险区域范围为1 m，如果达不到3 m或1 m的距离，则周围房间的电气设备应选用防爆型。该船UPS蓄电池间采用自然通风，百叶窗与周围房间的百叶窗或门的间距最小距离大于1 m，见图3改后。

3）注意蓄电池室的通风口距离甲板高度。《钢规》第四分册第2章第 11节2.11.2.5“……出风口应设在顶部，进风口应设在底部，并有防止水和火焰进入的措施”中没有具体规定设在底部的百叶窗距甲板的高度，若不考虑其它因素，单从通风的角度来讲，底部的百叶窗安装的越低，房间通风效果越好。在与 CCS审图中心沟通的过程中，审图中心根据《载重线公约》第 19条通风筒（1）“……在位置 1的通风筒，围板在甲板以上的高度应至少为900 mm，在位置2的通风筒，围板在甲板以上的高度应至少为760 mm……”，要求底部百叶窗的开口下边缘距甲板高度必须大于760 mm（本船艏楼甲板UPS蓄电池间属于位置2）。但见图3改后，可看出若设在底部的百叶窗移至底边距艏楼甲板760 mm，则该百叶窗距离右上角最近的分油机间百叶窗的距离就会过于接近，且小于1 m。为此，经过再次认真研究《载重线公约》，发现大部分人诠释《载重线公约》时往往遗漏了第 19条通风筒（1）的第一句话，即“在位置1或位置2，通往干舷甲板或封闭上层建筑甲板以下处所的通风筒，应有钢质的或其他相当材料的为伴，其结构应坚固，并且与甲板牢固地连接。在位置 1的通风筒，围板在甲板以上的高度至少为900 mm，在位置2的通风筒，围板在甲板以上的高度至少为760 mm……[3]”。可见《载重线公约》中通风筒围板高度位置1为900 mm、位置2为760 mm的前提是通风筒为“通往干舷甲板或封闭上层建筑甲板以下处所的通风筒”，即通风筒或者其所连接风管必须穿过本层甲板进入下一层甲板。本案例中，百叶窗只服务于UPS蓄电池间，并没有连接风管穿过艏楼甲板，即便有雨水从百叶窗进入UPS蓄电池间，雨水也只会停留在本层甲板，不会进入下一层甲板。为确定一个准确的高度，参考《载重线公约》第 18条干舷甲板和上层建筑甲板的各种开口（4），即“在位置1，升降口门口的门槛，在甲板以上的高度应至少为600 mm，在位置2，则应至少为380 mm”。最终选取底部百叶窗的高度为底边距离艏楼甲板380 mm，审图中心认可该方案。

3 结束语

冷空通专业包含的系统比较杂，其涉及的面很广。就目前为止，冷空通专业需要熟悉的规范或规则有各船级社规范、《SOLAS公约》、《载重线公约》、《绿色船舶规范》（CCS）和《海上噪声等级规则》等等。

该专业在设计过程中要考虑的因素非常多，除了有通风换气、气流组织、制冷取暖等因素外，还有规范安全要求、舒适性、节能环保、减振降噪等。在布置安装设备、风管时，还需要考虑船体结构、舱室内装，应尽量做到布置简单、安装方便、整体美观。今后的船舶对冷空通专业的要求只会越来越高，空调系统、冷藏系统、通风系统只会越来越复杂，且与船体专业、内装专业、电气专业的融合度会越来越高，这对冷空通专业设计而言的是一个巨大的挑战，也是今后需要努力的方向！