极地LNG 模块E-House HVAC 系统设计

苏景南

0 引言

模块化工艺广泛应用于全世界范围内的工程领域，液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）工业的模块化建造也成为一种趋势。LNG 在开采、处理和运输过程中需要大量的配电设备和监测控制系统支持。E-house 是一个集成的、工程化的电气解决方案，是一个安装在预制的、紧凑的、可运输的、客户化定制的、具有正压和空调的外壳内的系统。在不同的环境条件下为客户提供持续的供电、监视和控制[1]。E-house 的使用可以大大提升LNG 工业系统的可靠性、安全性和经济性。

Arctic LNG2 项目位于俄罗斯北极圈内，其工作环境严寒恶劣。为此，该LNG 模块E-house 的暖通空调（Heating, Ventilation and Air Conditioning，HVAC）系统需从计算、设备选型、系统设计等方面进行全面考虑。本文详细介绍了HVAC 系统的计算方法、设计流程、设备选型和设计过程中的重点难点，探讨了极地LNG 模块项目HVAC 系统设计的发展方向。

1 设计条件

北极圈内，冬季长夏季短。冬季标准室外工况环境温度为-44 ℃，极限工况室外温度可达-52 ℃，相对湿度为79%；空调系统夏季室外设计温度为17 ℃，相对湿度为86%。

根据功能的不同，将E-house 内部划分多个独立功能处所，在模块正常运行时，各个处所的环境条件要求见表1。

表1 舱室内部设计条件

在极地超低温工况下，室内外设计最大温差达67 K（1 K=273.15 ℃）。对于有温度要求的舱室，为舱室配备空调系统进行加热或者冷却以保证其设定温度，同时，为减少舱室与外界的热传递，通常需要在两侧温差较大的舱壁敷设隔热绝缘[2]。

通常使用U值（传热系数）表示材料在单位面积上允许热量通过的能力，U值越低说明隔热绝缘保温性越好。根据俄罗斯隔热绝缘规范SP 50.13330和SP 23-101-2004 对建筑物热防护的要求：热阻的降低不允许超过特定值；隔热材料特性不允许超过特定值；建筑物内部围壁的温度不能低于最少允许值[3-4]。各位置U值最低要求见表2。

表2 U 值最低要求

2 负荷计算

为保证E-house 正常运行，空调系统需能在各种工况下保证E-house 内环境条件达到设计要求。而空调系统设备选型的重要基础便是负荷计算，负荷计算也是在设计初期评估空调系统能否满足设计要求的重要支持文件，其内容包括舱室传热计算、空调系统风量计算、冷热负荷计算、加湿量计算等[5]。

2.1 传热计算

传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。传热的产生势必会造成一定的能量损失，此部分能量损失的计算是舱室空调系统负荷计算的重要组成部分[6]。传热计算可以使用传统公式算法或者软件计算得出。

2.1.1 公式计算法

传统公式计算方法是已知舱壁（或者天花板、地板、门、窗）的面积、U值和其两侧的温差，利用式（1）[7]进行计算：

式中：Q为传热量；A是传热面积；U是传热系数，可根据不同材料的属性、厚度和其表面风速计算得出；ΔT为温差。

2.1.2 HAP 计算法

Carrier HAP 逐时分析程序是一个二合一的工具。该程序可进行全面的建筑物负荷计算并提供系统选型信息，并能全年8 760 h 模拟建筑物能量耗费。HAP 使用了ASHRAE 推荐的传递函数方法，可输出相应计算图表，并运行产生相关的报告[8]。

采用HAP 对各舱室进行传热计算，其计算结果作为空调系统负荷计算的输入条件。开始HAP计算前，需提供项目目标工作地、环境条件、绝缘信息和舱室划分信息等作为计算输入条件。

为满足苛刻的极地环境和严格的U值要求，舱室四周围壁采用3层绝缘，顶部甲板采用2层绝缘，根据不同的绝缘厚度和钢围壁厚度来计算围壁的U值，外墙颜色选择为黑色，表面吸收率为0.9，计算得到总U值为0.251 m2·K，参数选择情况见表3。

结合上述输入条件，以仪表间围壁为例，制冷数据取自于7 月14 日15 时，室外干球/湿球温度为17.0 ℃/15.5 ℃，室内设计温度为23.0 ℃；制热数据取自于设计工况，室外干球/湿球温度为-44.0 /℃-44.1 ℃，室内设计温度为10.0 ℃。通过HAP 计算得出的冷、热负荷见表4，其冬季传热负荷在选取10%余量的情况下为8 469 W。而采用公式计算法并考虑10%余量的计算结果为8 483 W，与HAP 计算值相差不超过0.2%。结果表明：两种计算方法所得计算结果偏差不大，均真实可靠。

表4 HAP 计算传热值

2.2 散热计算

舱室内散热量包括人体的显热和潜热、设备正常工作时散发的热量。E-house 属于非人员居留处所，其室内散热量主要来源于电气设备和灯具照明散发出的热量。根据业主要求，在进行空调负荷计算时，仅考虑永久工作设备散热量的50%作为空调负荷计算的输入条件。灯具照明散热量按照房间面积进行估算，散热量选取为5 W/m2。

2.3 风量计算

舱室送风风量需满足多种功能需求，包括舱室换气次数、新风换气次数、提供加热和制冷的最低风量要求，需要依次进行计算，并选取其中的最大值作为舱室最终选定送风风量、所有舱室送风量之和为空调系统所选取的总风量[9]。

在极地夏季工况下，室外温度低于室内设计温度，因此可不专门设置制冷系统，通过向舱室送入自然空气便可达到良好的冷却效果。但在计算送入空气的冷量时，需要考虑空调器内风机产生的温升ΔTf，空调器送入舱室内的温度应为室外温度与ΔTf之和。ΔTf可根据式（2）进行计算[10]。

式中：ΔTf为空气经过风机产生的温升；ΔP为风机静压；ρ为空气密度；Cp为空气比热；ηf为风机效率；ηm为风机马达效率。

舱室排风风量需根据送风风量和正压平衡来确定，通常可取送风风量相比排风风量多0.5 次/小时，以此来保证舱室内正压。

3 主要设备选型

为满足E-house 持续运行的需求，所有空调主设备如中央空调器、单元空调、通用排风机、蓄电池间排风机等均设置一用一备，在一台设备故障失效时，另一台设备迅速自动启动，保证舱舱室环境稳定。在模块运输和保存工况下，所有设备需能承受-40 ℃低温环境。所有设备应满足俄罗斯法规GOST 23660 的相关要求，设备要易于维护且需要配备维护手册。

3.1 中央空调器

空调器的外壳为双层不锈钢壳体，内附不可燃隔热隔音绝缘，壳体性能需满足如下要求[11]：

1）壳体强度要满足D2 等级，最大相对偏差不超过10 mm/m。

2）壳体空气泄露要满足L2等级，在400Pa 正压下，最大泄漏量不超过0.44 L/(s·m2)，在700 Pa正压下，最大泄漏量不超过0.63 L/(s·m2)。

3）滤器旁通泄露要使用F7型滤器，在400 Pa正压下最大旁通泄露量不超过总风量的2%。

4）传热系数要满足T2 等级，壳体U值要满足0.5≤U≤1.0。

5）热桥要满足TB3 等级，热桥系数kb要介于0.45和0.60 之间，其计算公式为

式（3）～式（5）中：Δtmin为最小温差；Δtair为空气间温差；ti为空调器壳体内部空气温度；ta为空调器壳体外部空气温度；tsmax为空调器壳体外部最大空气温度。加热盘管采用热流体循环加热，热流体采用温度为115 ℃，质量分数为60%的乙二醇水溶液。加热盘管需设置乙二醇水溶液泄露探头，并与控制系统相连。加热盘管内热流体的流速vs应满足0.12 m/s≤vs≤1.75 m/s，盘管流量不能超过设计流量的10%[12]。

3.2 风闸

3.2.1 防火风闸

防火风闸最低需满足EI45 防火等级，模块外墙和屋顶需满足EI60(H)防火等级。防火风闸的材质为316L不锈钢，关闭形式采用气动或者电动驱动模式，关闭时间不超过3s。空气泄漏量在2 000 Pa正压下不超过0.08m3/(s·m2)。防火风闸需取得俄罗斯海关联盟的认证（取得CUTR-043证书），其试验程序需依照俄罗斯建筑结构防火试验程序GOST REN 1363-2[13]来进行。对于EI60(H)防火等级，防火风闸需要在碳氢火焰下进行试烧试验，碳氢火焰具有燃烧温度高、升温快等特点。防火风闸试验时间-温度曲线见图1。试验对防火风闸的结构和部件要求极高，目前安装在钢结构构筑物上的防火风闸很难通过该试验，如有相关的防火等级要求，需要与业主澄清取证事宜，避免交付困难。

图1 防火风闸试验时间-温度曲线

3.2.2 防爆风闸

服务于LNG开采项目的E-house模块随时都承受着外部爆炸的风险，为此模块采用了防爆外墙以抵御爆炸冲击的危害。数量众多的对外通风开孔也需要采取相应保护措施，以免模块内部人员和设备受损。防爆风闸是一种能够在经受爆炸冲击波作用下，当压力超出限值时自动关闭的风闸。该风闸能有效抵御冲击波，适合安装在风管和通风开孔处。根据防爆计算，防爆风闸需能承受6 次最高100 kPa的冲击压力，最低关闭压力为3 kPa。

3.3 室外风口装置

室外风口装置包含百叶窗、挡风板、除雾器、通风帽。因冬季温度可低至-52 ℃，对于所有安装在进风管路上的风口装置，需设置防冻除冰装置，并设置集液盘和泄放管。除冰装置、集液盘和泄放管需要敷设电伴热。敷设电伴热的百叶窗示意图见图2。

图2 敷设电伴热的百叶窗示意图

对于安装在排风口的风口装置，若舱室内无加湿装置，则排出空气的温度在10 ℃左右，含湿量极低，通常不需要设置防冻除冰装置。因仪表间内的仪控设备工作时有40%～60%相对湿度的要求，而仪表间内排出空气的湿度较大，需对排出管路进行露点温度计算以判断是否需要在排风口增加电伴热装置。注意此处的室外排风管路可以包覆绝缘以降低排风管路内壁的露点温度，满足设计要求。

4 风管设计

风管的设计主要包括风管属性的选择和通风空调系统管路原理的设计。风管属性包括风管材质、隔热绝缘、防火绝缘、气密性等。通风空调系统的管路设计则需要满足不同舱室的功能和相关法规的要求。

4.1 风管属性

不同使用环境下风管材质、壁厚、气密性等要求见表5。

表5 风管材质等级

俄罗斯规范GOST R EN 13779[14]将空调系统的部件和系统分为A、B、C、D 等4 个等级，不同等级对应不同空气泄漏量，具体见式（6）。

式中：f为空气泄漏量；p为静压。

根据俄罗斯规范SP 60.13330[12]的相关要求，为了保证风管功能的完整性，风管的紧固件、风管支架等需要具有不低于风管防火等级的要求。因此，部分具有防火等级的风管支架需采用防火绝缘包裹以满足防火要求，支架包裹防火绝缘节点布置情况见图3。

图3 防火风管支架绝缘节点布置图

4.2 管路原理

HVAC 系统管路原理主要是根据规格书、计算书、相关规范的要求来对HVAC 设备、附件、风管进行布置，使HVAC 系统满足设计需求。

4.2.1 进风口与排风口

工作在极地的模块，需要考虑降雪的影响，避免进风口和排风口被积雪封堵，影响空调通风系统正常工作。根据俄罗斯规范SP 60.13330[12]的相关要求，室外风口最低点的高度应高于雪线至少1m，且要超过所在甲板平面2 m，Arctic LNG2 项目的平均积雪高度为0.4m，因此所有进风口与排风口的最低高度至少要所在甲板2 m以上。

对于进风口的布置，还应满足以下原则：

1）进风口与危险区域的最少距离应保持在5 m以上。

2）若进风口附件设置有LNG 管线压力释放阀，进风口与压力释放阀的水平距离应在20 m 以上。

3）服务于不同防火区域的进风口，其水平与垂直距离均应超过3 m。

1.2.1 实验组教学方法 Mini-CEX考核评估项目包括7种：病史采集；体格检查；医德医风；医患交流；临床诊断；治疗方案；整体评价。实施步骤：（1）设计以Mini-CEX考核内容为基础的内科护理学授课计划及内容，并在教案中体现。（2）教师布置病例，要求护生结合病例进行角色扮演，内容包括病史采集、体格检查、临床诊断、治疗方案，其间要体现医德医风、医患交流。（3）每次课程最后20分钟，教师抽取1名护生以Mini-CEX考核表格进行全面考核，当场进行评价并反馈。Mini-CEX的优点是护生可以及时获得反馈，在给一名护生进行反馈的同时，其他护生也有收获。

4）进风口距离气体排风风口的水平距离应不少于10 m。若低于10 m，则垂直距离应超过6 m。

5）进风口与具有可燃物质的烟气排出口的距离应不少于5 m。

6）应急气体排出口应高于所在甲板平面3m以上。

4.2.2 危险气体进入时间与进风管长度

危险气体进入时间是指进风口吸入危险气体，经过危险气体探头检测并反馈给中央控制系统，中央控制系统发出关闭信号给进风管路上的气密关闭风闸，气密关闭风闸执行关闭操作所需的时间。为防止危险气体进入到模块内，进风管路长度应根据风管内风速和危险气体进入时间来进行计算，使危险气体被阻断在气密关闭风闸之外。根据系统设计，确定危险气体进入时间为5s，包括以下3 部分：1）气体探头检测和反映时间，1.5s；2）气体探头传递信号给中控系统，且中控系统传递关闭信号给气密关闭风闸时间，1.5s；3）风闸关闭时间，2.0 s。

4.2.3 升高地板区域通风管路设计

升高地板通常使用在电气、仪表设备间内，是一种架空地板，地板上布置各类电气设备，地板下布置电缆。为避免电缆区域热量聚集，升高地板下方需要设置通风空调系统进行散热。设计升高地板区域通风系统时，需重点关注以下3 个方面：

1）合理布置送风口，保证气流能够有效地吹扫整个区域，避免不同风口覆盖区域重复造成气流紊乱，从而产生通风死角。

2）选择合理的升高地板通风开孔格栅，升高地板格栅一般由升高地板厂家提供，尺寸与升高地板一致。在限定尺寸的情况下，主要关注升高地板格栅的有效通风面积和压力降，这两个参数均会对整个升高地板下方区域的通风回路产生影响。在选择升高地板时，通常要辅以压降计算，避免因升高地板格栅压力降过大而导致通风量减少、气流回路不通畅。升高地板风量-压降曲线图见图4。

图4 升高地板风量-压降曲线图

3）升高地板格栅数量选择和布置，升高地板区域送风口布置、升高地板格栅参数、数量和布置共同属于升高地板区域通风系统，在设计时应综合考虑所有要素，格栅的数量选择除了根据排风量选取外，还应考虑升高地板本身的设计参数和舱室内的实际布置。格栅的布置要避开升高地板上方的电气设备、维修空间、通道，同时也要避免距离送风口过近而产生短路，使该区域具有良好的通风效果。

4.2.4 蓄电池间通风系统设计

蓄电池间通常会有危险气体聚集的风险，需设置机械排风系统，所有相关设备和附件选用防爆形式[15]。出于安全考虑，蓄电池间设置2台机械排风机，一用一备，换气次数为12次/小时，在危险气体探头检测到危险气体浓度超标时，发出应急报警，备用排风机立即启动，2台排风机同时工作以快速排出危险气体。蓄电池间的送风由中央空调供给。在应急状况下，为防止蓄电池间内负压过大，在内部舱壁上设置自然平衡风管，平衡风管另一端通向内部走廊。空调送风管与平衡风管均需设置止回风闸。

蓄电池间排风口应在蓄电池间顶部和底部设置，顶部风口占总排风量的2/3，底部风口占1/3。顶部风口应满足俄罗斯规范SP 60.13330[12]，既排风口最高处距离舱室顶部甲板不低于100 mm，不高于舱室高度的0.025 倍，但最大高度不超过400 mm。甲板下方结构主型材尺寸为200～350 mm，将蓄电池间顶部分隔为多个小空间，若排风口恰好布置在某个分隔空间内，则易在未布置风口的分隔空间内聚集危险气体；若排风口恰好布置在结构主型材处，则不满足上述距离要求，同样会产生危险气体积聚的可能。为解决此问题，可以通过在蓄电池间顶部分隔空间内填充绝缘材料来消除蓄电池间顶部的空间分隔。

5 结论

本文通过依据Arctic LNG2模块E-house HVAC系统的设计，介绍并对比了HVAC 系统主要参数的计算方法，确认使用逐时分析程序HAP 进行负荷计算。根据俄罗斯规范和相关要求，总结了中央空调器和防火风闸等主要设备在选型过程中的难点，以及风管系统的特殊设计方案。此外，俄罗斯的工业体系相对完整，法规比较全面，也意味着设计要求众多，在项目执行时采用熟悉俄罗斯法规的第三方作为技术咨询可避免部分风险。