科考船空调通风系统设计特点分析

2020-07-30周启学张伟毛奇志任晋宇

船海工程 2020年3期

周启学，张伟，毛奇志，任晋宇

(1.武汉交通职业学院，武汉 430065；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

科考船由于肩负着科学考察任务，船上载有大量精密仪器设备，布置有大量实验室和机房，需要严格的温湿度环境；高级研究人员和科学家长期在船上工作生活，有必要提供良好的生活环境。因此,科考船空调通风系统的设计有别于常规船舶，需要特殊考虑。

1 船舶总布置

本船为4 000 t级综合物探调查船，以二维地震调查作业为主，地质调查作业为辅，航行海域为无限航区，长87 m、型宽17 m，定员60人。船舶上建前部为5层舱室区域，后部为2层半开敞工作区域。5层甲板依次为主甲板、上甲板、艇甲板、起居甲板、驾驶甲板。其中，主甲板和上甲板舱室主要为科考舱室、冷库、餐厅、厨房及少量船员住舱等；艇甲板和起居甲板主要为居住舱室，等级最高的船长间、轮机长间、首席科学家间及第三方贵宾间设在起居甲板最前面；驾驶甲板仅设有驾驶室。船舶总布置见图1。

图1 船舶总布置(侧视图)

2 空调系统设计特殊要求

常规船舶风管式空调系统设计：在机器处所设置数台满足冷/热量要求的冷水机组和锅炉，在各层甲板空调区域空调器间设置间接式空调器，通过冷水机组或锅炉产生冷/热水，管道输送至间接式空调器与舱室空气交换热量，冷却/加热后的空气经通风机送至各空调房间实现制冷/制热。

目标船定位高档，在常规设计基础上，设计师基于船东需求、仪器工作环境及实验条件、科考人员需求诸方面总结如下设计特点。

1)作为国内领先的科考船，空调通风系统的设计应具有一定的先进性。

2)目标船具有CCS噪声舒适性附加标志 COMF(NOISE 2)，空调通风系统需采用减振降噪措施。

3)考虑到取样的成本及实验的时效，不允许空调出现故障，空调设计需考虑一定的冗余度。

4)实验时可能产生不良气体和气味，实验区域设抽风，中央空调新风比要求较高。

5)为保证仪器的稳定持续工作，机房需不间断恒温恒湿。

3 空调系统设计方案的制定

采用风管式中央空调系统为主，独立空调器为辅的形式，既满足全船空调需求，又满足个性化需求。

3.1 中央空调系统

选用常规风管式中央空调系统，在机舱及辅机舱设置制冷用冷水机组和制热用锅炉，按照船舶房间布局和功能，全船大致划分为4个中央空调区：驾驶室+起居甲板，艇甲板，上甲板+主甲板，实验区域。

考虑到设备冗余度，配置3套冷水机组，2用1备；配置2套锅炉，1套即可满足空调制热要求，另1套满足生活热水需求。

空调负荷计算选取较高的新风比，实验区域为70%，其他区域为50%。

3.2 独立空调器

一般船舶在设有中央空调外，不会过多的配置独立空调，仅在防火分隔不满足规范要求的局部区域(如机舱、厨房等)和可能单独工作的驾驶室及中央空调区域外独立房间设置独立空调。目标船因其科考特点和高规格档次，独立空调配置方案如下。

1)一般气候条件不需要开启中央空调，偶尔有空调需要的房间，如驾驶室、高级房间、餐厅等设有独立空调机。因为这些房间已经设有中央空调，所以独立空调按所需负荷的70% 配置。既能满足偶尔使用需要，也可在极端气候下，配合中央空调使用，达到满意的效果。

2)由于防火分隔和位置偏远而不便于安装中央空调的一些舱室，如机舱集控室、声学设备舱、空压机控制室、电火花震源室、厨房等设置独立空调器。这些独立空调的制冷量按所需负荷的100%配置。

3)对于温度湿度控制非常严格的机房，设置恒温恒湿空调器2套，每套制冷量按所需负荷的100%配置。1用1备。

4)考虑到实验区域的间接式空调有发生故障的可能，为保障实验如期进行，对实验区域的各个舱室均设独立空调器，独立空调的制冷量按所需负荷的100%配置。

4 空调系统设计的特点分析

4.1 变风量空调技术的应用

现有的船舶和海洋平台大多使用定风量中央空调系统，无法随舱室里的冷/热负荷改变风量。空调系统按照可能的最极端环境温度设计[1]，而这种极端情况很少出现。风机一直在最大风量下运行，势必造成风速高，空气噪声大，功率消耗大。系统只能根据回风总管上的温控器跟踪冷/热负荷的变化从而改变送风温度，空调房间只能调整布风器的开度，不能单独控制温度。科考人员长期生活在船上，对工作生活环境有较高的要求，这种粗放式的空调系统显然不能满足高级船舶的要求。

变风量空调系统技术在上世纪60年代自美国诞生，随着变频调速技术和控制水平的提高，目前在陆地上的高级办公建筑中，已经得到了很大推广。对于船用空调系统，由于其特殊性、复杂性和高成本，现在还只有少量豪华客船、科考船和军船使用了变风量空调系统[2]。

该技术是对传统中央空调系统的优化升级。系统中采用变频风机，在重要的空调房间和冷/热负荷变化大的房间设有变风量末端装置和温度控制面板，当空调房间的冷/热负荷减小的时候，通过测量和控制系统反馈到间接式空调器，调节变频风机出风量和压力，降低管道风速、降低噪声、节约能源。该系统能个性化控制房间温度，满足人员不同体感需求[3-4]。

典型的变风量空调系统一般由制冷机组、变风量末端装置、集中空气处理机组、送回风管路及其控制系统组成，系统组成示意见图2。

图2 变风量空调系统组成示意

变风量空调系统与定风量空调系统的比较见表1。

表1 变风量系统与定风量系统对比

本船的餐厅、会议室、实验室有尖峰负荷，船长室、轮机长室、首席科学家室及第三方贵宾室等高级住房及实验室对温度控制要求高，在这些房间装有变风量末端装置，可以精确调整进风量及房间温度，提高了这些区域的舒适性、节能性，保证舱室噪声的达标。在夜晚，许多工作和服务舱室不需要空调，空调负荷减低，风量减小，风速风压减小，风管噪声减低，能提供一个安静的环境，提高人员睡眠质量。

在高级住房，特别考虑到个别人员可能怕冷，布风器带电加热功能，可以单独提高房间温度，满足个性化需求。

4.2 机房空调通风系统

普通船舶机房仅作为中央空调的一个区域考虑，未单独设置空调，不能不间断使用，空调环境一般。

科考船需要进行大量数据信息的采集、处理和分析，以及对科考设备的监测和控制，船上设有专用机房布置大量精密仪器设备，散热量非常大，需要配置专用空调。由于数据十分珍贵，不允许仪器出现故障，所以对环境要求极高，需不间断恒温、恒湿。

机房空调可选择多种形式。

1)由机舱冷水机组提供冷媒水，机房设立柜式风机盘管。

2)专用房间设水冷冷凝式压缩机组，在机房设直接蒸发式风机盘管柜机。

3)设水冷或风冷式分体柜机。

对于1)，因机房一年四季均要使用，与机舱冷水机组仅在夏冬季使用时间不一致，宜独立设置，故没有采用。

对于2)，需要在机房附近设专用空调器间，并由机舱的中央冷却系统持续供应冷却水。本船总布置紧张，未设置专用空调器间，停航期间不想使用复杂的中央冷却系统，故未采用。

对于3)，因国外有合适的恒温恒湿风冷分体机产品，比国内产品先进，经济性好，且不需要额外的冷却水，机动灵活。故予以采纳。

在机房设有2台进口恒温恒湿空调室内机，互为备用。机房电器设备散热量非常大，且为内部发热，热量不便于发散，空调送风口直达仪器内部。

常规空调风管采用上出风方式，风管布置在房间天花板内，向下出风。本船机房空调风管采取下送风方式。机房两端各设1套恒温恒湿空调机，空调机下部出风，上部回风，将低温空气直接从铺设在地板下的风管送到机柜内，吸收机柜的热量后，从机房顶部回到空调机组顶部，机房空调通风见图3。

图3 机房空调通风

送风优点如下。

1)冷风直接送至机柜内部，机柜散热效果好。

2)冷空气在下，热空气在上，空调风流动方向与空气特性相一致，空调效果优良。

3)地板下的风管尺寸可以做得较大，形成了静压箱，送风风压低，空调风机和送风噪声低。

4)下送风将空调风管隐藏在地板内，机房净空高、整齐美观。

由于机房电路管线安装在地板下面，施工设计时需要妥善放样，协调考虑与风管的关系。下送风方式会给将来的线路改造带来一定的难度。

4.3 科考区域空调通风系统

普通测量考察船，作业房间少，环境要求低，常与其他房间共用中央空调，未单独设置空调器间。

目标船不仅具有地震调查作业功能，还兼具地质调查作业功能。船上设有大量的科考作业间，如干实验室、湿实验室、通用实验室、重力仪室、地球物理综合工作室、资料室、样品库等。设置专用空调器间并配置间接式中央空调器，空调通风系统不与其它区域通用。

国内常规船舶空调新风比为40%～50%，欧美国家舒适度要求高，可达60%～70%。科考船的科考区域可能产生污浊空气，有更高的新风比要求。综合能效比后确定总新风比为70%，实验室新风比高达100%，实验区设机械抽风，实验时保持负压通风。必要时设置实验用通风柜系统，以免释放的气体影响人体健康。

为了防止空调失效造成重大损失，每个科考房间均设有全负荷的独立柜式空调作为备用，普通船舶不会设置。

4.4 空调系统的降噪措施

船舶减振降噪是一个系统工程，牵涉面宽广，资金成本上投入巨大。常规船舶没有舒适性附加标志，仅满足规范一般要求即可，不会在减振降噪方面过多考虑。

目标船为国内领先高档次科考船，为保证声学设备正常工作及科学家的生活和睡眠质量，体现先进性，达到船级社噪声舒适性附加标志 COMF(NOISE 2)要求，空调设备选型及系统的设计不同于一般空调设计。需严格限制空调设备噪声指标，增加减振降噪处理措施，采用低噪声元器件，并进行系统噪声预测和达标调试[6]。

4.4.1 总布置的特殊处理

将机械设备布置在舱底，远离生活舱室和实验舱室；将空调器间与空调房间以走道、卫生间、梯道等隔离；防止噪声直接传播。将大部分住舱特别是高级住舱布置在高层甲板，远离机器处所的噪声[7]。

4.4.2 选用低噪声设备和元器件

制定机械设备的振动和空气噪声限制指标[8]，空调通风选用变频风机及弹性安装[9-11]。舱室抽风机依次优先选用管道风机、低噪声离心风机、低噪声轴流风机，选用低噪声元器件，尽量降低设备本身噪声。

4.4.3 对重点部位进行隔音降噪处理

除了对船体舱壁、门、窗设置隔音材料外，对通风系统也做了隔音处理。

将舱室风机设在噪声要求低的非居住舱室，如储藏室、卫生间、梯道、走道等；风机壳体内表面喷消音漆[12]，部分风机置于隔声罩内，隔声罩设计成可拆密封型，隔声量不低于20 dB；风机进出口用帆布软连接，接近风机进出口风管上安装消声器，阻隔风机空气噪声[13]。

合理设计管路走向，缩短至末端的管路长度，适当加大流通面积，降低流速；主风管根据其噪声振动情况敷设具有隔声减振功能的隔声阻尼带；重要空调通风管路设置阻性消声器[14](消声量不低于15 dB(A))，并选用低噪声布风器；通风机和空调机组弹性安装；通风机和风管挠性联接；风管支架和船体弹性联接。管路附件在设计流速下不产生异常振动噪声。

特别注意回风栅的振动噪声控制。回风栅的敲击振动和低频噪声在实船中比较常见。选用带静音箱的回风栅，注意风栅条要有一定的强度；设计时，加大流通面积，降低流速至1～2 m/s；施工时，回风栅远离风机，避免风机噪声由此扩散。