船舶舱室正负压控制技术

许恋斯，刘嘉倬，邰 洋，李和薇，衣 颖，张宗兴

（1.江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913；2.天津航海仪器研究所，天津 300131；3.中国人民解放军军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津 300161）

0 引 言

当前，全球新冠肺炎疫情的发展态势依旧严峻，我国的常态化疫情防控体制机制不断完善，疫情防控装备得到了长足发展。在这些装备中：有的通过在其内部形成正压环境达到防护的目的，如移动式正压洁净舱和便携式正压诊断舱等；有的通过在其内部形成负压环境达到隔离的目的，如移动式负压实验室、负压隔离舱和负压帐篷等。［1］这些装备大多应用于陆地上，对迫切需建立防疫机制的船舶舱室缺少较好的应用方案。

在人员密集的船舶舱室中，当出现传染性极强的新冠肺炎病毒时，极易引发群体性疫情。目前国内针对船舶舱室防疫机制的研究还属于起步阶段，只能借鉴建筑医疗防疫室的标准和部分船级社的最新指导性文件开展［2-5］。就船舶舱室的医疗环境而言，目前大部分不具备及时处理类似传染性疫情的能力。因此，在船舶舱室内建立有效的防疫机制是很有必要的。由于船舶内部空间有限，在建立防控机制时，往往要求各船舶舱室同时具有正压防护和负压隔离功能，当有舱室出现感染人群和密切接触人群时，可将该舱室切换负压状态对这些人员进行就地隔离，将其他舱室切换至正压状态进行就地防护，这样能极大地减少人员流动，达到针对疫情发生情况灵活划分隔离区和防护区的目的［6］。

在船舶舱室内形成正压环境和负压环境是实现隔离和防护功能的基础。本文以利用现有船舶舱室建造的正负压控制舱室为基础，对船舶舱室正负压控制技术进行研究，详细介绍正负压控制舱室的建造方案，设计并分析正负压控制原理，阐述舱室正负压控制试验过程。通过对试验数据进行分析，得出船舶舱室内部可实现正压环境与负压环境的建立和切换的结论，证明船舶舱室同时具备正压防控与负压隔离功能的可行性。

1 正负压控制舱室设计

用于建立和切换正压环境与负压环境的舱室应具有不同的功能分区，舱室内部无论是处于正压状态还是负压状态，各功能分区之间均具有一定的压差梯度［4］。为实现该功能，一般会在各功能分区设置进风口和排风口，从进风口和排风口流通的是定向气流，调节各功能分区之间的压差梯度即可调节进风口定向气流流量与排风口定向气流流量的相对大小。现有的调节方式是在各功能分区的进风口和排风口安装变频风机，通过主控系统调节进风口和排风口变频风机的相对开度，由此间接调节进风口与排风口定向气流流量的大小。该方式的弊端在于随着功能分区的增多，主控系统需控制的风机数量增多，系统的复杂度增加，调试效率下降。因此，合理配置各功能分区之间定向气流的流动方式，有助于降低系统的复杂度，提高调试效率。

建造正负压控制舱室是研究正负压控制技术的基础，本文在已有船舶舱室的基础上设计并建造正负压控制舱室，用2台变频风机配合回风系统，实现各功能区定向气流的流动。该正负压控制舱室的组成见图1，其功能区包括走廊、缓冲区、半污染区、污染区、设备区和操控区，其中走廊、缓冲区、半污染区和污染区属于空气环境试验区。该舱室的子系统包括主控系统、送风系统、排风系统、回风系统和压差检测系统［7］。正负压控制舱室的功能区划分见图2，其中：操控区布置有主控系统；设备区布置有送风系统和排风系统，该区域内安装有正压环境与负压环境建立和切换所必需的设备；回风系统布置在各功能区内，主要由通风装置组成；压差检测系统布置在各功能区内，包括压差传感器DP1、DP2、DP3和DP4。

图1 正负压控制舱室的组成

图2 正负压控制舱室的功能区划分

送风系统用于为走廊、缓冲区、半污染区和污染区的空气流动提供新风，与排风系统配合使用，是舱室内用于进行正压环境与负压环境建立和切换的重要系统。排风系统负责将走廊、缓冲区、半污染区和污染区的气流排出，配合送风系统，使各功能区的空气流动，达到换气的目的；同时，根据压差检测系统反馈到主控系统的舱室内与各功能区之间的压差参数，调节排风系统的排风量，达到控制压差的目的。回风系统为送风系统和排风系统的组成部分，是各功能区之间气流流动的通道。

2 定向气流流动设计

正负压控制舱室的污染区内设置有送风系统的送风口、排风系统的排风口和回风系统的回风口，通过调节送风系统与排风系统的相对风量差，使污染区内形成正压环境或负压环境，达到驱动各功能区定向气流流动的目的。当污染区内形成正压环境或负压环境时，定向气流会在正压或负压的作用下，通过回风系统在各功能区内流动。

具体而言，正负压控制舱室的各功能区在正压环境下的气流流向见图3，此时通过调节使排风系统的排风量小于送风系统的送风量，进而使污染区内形成正压环境，定向气流通过回风系统依次流向半污染区、缓冲区和走廊。

图3 正负压控制舱室的各功能区在正压环境下的气流流向

正负压控制舱室的空气环境试验区在负压环境下的气流流向见图4，此时通过调节使排风系统的排风量大于送风系统的送风量，进而使污染区内形成负压环境，定向气流通过回风系统顺次通过走廊、缓冲区和半污染区流向污染区，并通过排风系统排出。

图4 正负压控制舱室的空气环境试验区在负压环境下的气流流向

3 正负压控制原理分析

正负压控制舱室以可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）为核心主控系统，采用变频控制送风量和排风量的原理实现压差控制，见图5。送风系统主要包括送风机、风量调节阀和生物安全阀等；排风系统主要包括排风机、风量调节阀和生物安全阀等；回风系统由3个通风面积可调的通风装置组成。送风机和排风机均为变频风机，可通过调节运行频率达到调节送风风量或排风风量的目的。当舱室内被设定为正压环境或负压环境时，舱室与外界的压差值由压差传感器DP1采集，用以反映舱室内的环境状态（正压或负压），各功能区的压差值分别由压差传感器DP2、DP3和DP4采集，所有压差传感器采集的数值都反馈给主控系统，主控系统根据舱室内设定的环境状态调节送风机的送风量和排风机的排风量，进而维持各功能区的压力环境和各功能区之间的压差梯度，形成闭环控制。

图5 正负压控制原理

正负压控制舱室的压差控制流程见图6。具体的，在设置舱室需达到的环境状态并预置风量调节阀和通风装置的开度之后，启动系统，依次打开排风系统和送风系统的生物密闭阀，若在此期间反馈生物密闭阀未打开，则系统进行报警提示并关停系统。在排风系统和送风系统的生物密闭阀打开之后，依次打开排风机和送风机，4台压差传感器开始工作，主控系统根据压差传感器采集并反馈的数值分别控制2台风机的运行频率，以调节送风风量与排风风量的相对差值。当设置舱室环境为正压状态时，主控系统通过调节使送风机的运行频率高于排风机的运行频率，此时送风风量大于排风风量，舱室内部形成正压环境，4台压差传感器采集的数值为正值；当设置舱室环境为负压状态时，主控系统通过调节使送风机的运行频率低于排风机的运行频率，此时送风风量小于排风风量，舱室内部形成负压环境，4台压差传感器采集的数值为正值。［8］

图6 正负压控制舱室的压差控制流程

4 正负压控制试验

为验证压差控制原理的可行性，在已建设完成的正负压控制舱室内进行正负压控制试验，以开度表示风机的运行频率，风机满频运行时的开度为100%，风机关闭时的运行频率为0。在试验过程中设定试验条件：空气环境试验区的所有门都处于关闭状态，半污染区至污染区的通风装置全开，其余通风装置关闭；将风量调节阀的通风量设置为1 200 m3／h。在送风机的开度为60%，排风机的开度按梯度规律变化的情况下，记录试验数据，结果见表1。

表1 送风机的开度为60%，排风机的开度按梯度规律变化情况下的试验数据

由表1可知，当排风机的开度按由小到大的梯度变化时，排风机的排风量由小于送风机的送风量变为大于送风机的送风量，能表示舱室与外界压差的DP1的压差数值采集结果由正值变为负值，能表示各功能区压差的DP2、DP3和DP4的压差数值采集结果也由正值变为负值，因此可得出以下结论：

1）通过控制送风机和排风机的运行频率，可在正负压控制舱室内形成正压环境和负压环境，证明本文提出的正负压控制原理是可行的；

2）无论正负压控制舱室内的环境是正压环境还是负压环境，各功能区都可形成压差梯度；

3）在送风机定频运行、排风机变频运行过程中，舱室内的环境由正压环境变为了负压环境，说明通过调节送风系统与排风系统的相对风量差，可实现正负压控制舱室内正压环境与负压环境的切换。

5 结 语

本文以建立船舶舱室防疫机制为背景，以根据现有船舶舱室建造的正负压控制舱室为基础，对船舶舱室正负压控制技术进行研究，提出了正负压控制原理并进行了正负压控制试验。试验结果表明，通过调节送风机与排风机的相对开度，可在正负压控制舱室内实现正压环境与负压环境的建立和切换，并在各功能区形成压差梯度，进一步证明了船舶舱室同时具备正压防护和负压隔离功能的可行性。由于正负压控制舱室内可调节的单一试验变量较多，如送风机的开度、排风机的开度、通风装置的开度和风量调节阀的开度等，本文开展的正负压控制试验的内容仍有限，例如：并未进行2个及以上试验变量变化的正负压控制试验；并未讨论舱室内部体积和换气次数差异对舱室内部压差的影响；并未讨论送风风量具体值与排风风量具体值的差值与舱室内压差变化的关系。可以肯定的是，在后续试验中还会积累大量数据，所得结论可供船舶舱室防疫机制的建立参考。