科考船的空調(diào)系統(tǒng)設計

朱 華 汪海燕

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

科考船的空調(diào)系統(tǒng)設計

朱 華 汪海燕

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

以“向陽紅10”號海洋綜合科學考察船（簡稱“科考船”）為例，介紹了科考船空調(diào)系統(tǒng)的設計要點。為了提高舒適性和經(jīng)濟性，在空調(diào)系統(tǒng)配置、空調(diào)通風管系及設備減振降噪方面采取了相應的措施，對空調(diào)系統(tǒng)的整體效果產(chǎn)生積極的影響，為科考船空調(diào)系統(tǒng)的設計提供一定的參考價值。

科學考察船；間接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)；空調(diào)通風管系；減振降噪

引 言

20世紀90年代以來，大型國際海洋科學計劃日趨活躍，傳統(tǒng)的海洋科學研究領域逐漸形成融合。為了滿足深海海洋科學多學科交叉研究的需求，現(xiàn)代化科考船的要求越來越高?？傮w而言，科考船具有考察設備集成度高、綜合性強等特點。由于科考船的船員配置和工作環(huán)境較為特殊，空調(diào)系統(tǒng)的設置同常規(guī)船舶相比也有其特殊性。同時，由于國際海事組織（IMO）和相關海事組織制定的國際公約、規(guī)范的日益完善，國內(nèi)造船水平和設備技術(shù)的不斷提高，船東對船上空調(diào)系統(tǒng)的舒適性和經(jīng)濟性的要求也越來越高。本文通過對“向陽紅10”號海洋科考船的空調(diào)設計進行總結(jié)分析，為科考船空調(diào)設計提供一些參考。

1 設計條件及原則

本船滿足無限航區(qū)要求。船上定員65人，其中船員25人、科學家40人。在額定人員編制情況下，本船自持力為60天。按中國船級社（CCS）現(xiàn)行《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》和中國船舶檢驗局《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》及其修改通報對特種用途船舶的要求設計，船舶的噪聲控制在不低于《海洋船舶噪聲規(guī)定》的基礎上，滿足各聲學設備的技術(shù)要求。本船噪聲值應低于《海洋船舶噪聲級規(guī)定》（GB5979-86）的規(guī)定，振動衡準參照GB/T-7452-2007《機械振動 客船和商船適居性振動測量、報告和評價標準》。參照我國標準《船舶起居處所空氣調(diào)節(jié)與通風設計參數(shù)和計算方法》（GB/T13409-1992），結(jié)合本船實際情況，確定系統(tǒng)設計參數(shù)見表1。

表1 本船空調(diào)系統(tǒng)設計參數(shù)

2 設計重點與難點

基于科考船自身的船型特點及作業(yè)需求，對空調(diào)專業(yè)而言，主要的設計重點難點及相應的解決措施如下：

2.1 科學劃分空調(diào)系統(tǒng)，合理配置空調(diào)設備

科考船上人員分船員和科考人員，人員數(shù)量會根據(jù)不同科學考察項目不同航次發(fā)生變化，且科考船在靠港和航行狀態(tài)中對艙室空調(diào)的需求會發(fā)生很大變化?；谝陨峡瓶即\營特點，在空調(diào)系統(tǒng)的設計上就需要進行不同狀態(tài)的分析。

在設計開始前期，設計方與船東就不同運營狀態(tài)、人員配置及工作住宿區(qū)域劃分進行綜合考慮。首先，在總布置上將航行工作區(qū)域、科考工作區(qū)域、船員生活區(qū)、科考人員生活區(qū)進行了劃分；其次，根據(jù)以上劃分確定空調(diào)系統(tǒng)的配置方案：采用以中央空調(diào)為主，單元式空調(diào)相輔的空調(diào)系統(tǒng)，中央空調(diào)系統(tǒng)的每一空調(diào)區(qū)域各設置一臺空調(diào)器。本船空調(diào)艙室按不同的甲板層、艙室類型、環(huán)境要求、運行時間，以及空調(diào)器與其服務艙室相鄰近的原則，劃分成若干空調(diào)區(qū)域，詳見表2。

表2 本船空調(diào)系統(tǒng)劃分表

本船重要處所和實驗室除供給中央空調(diào)外，根據(jù)要求分別設置獨立單元式空調(diào)機。當中央空調(diào)停止使用時，這些艙室可以按需要運行局部空調(diào)，以達到節(jié)能效果；在空調(diào)負荷高峰時也可作為中央空調(diào)的補充。

中央空調(diào)系統(tǒng)采用間接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)，降溫工況時主要由2套組裝式冷水機組（每套各承擔50%空調(diào)負荷，內(nèi)含1套獨立循環(huán)回路的制冷管系及1臺制冷壓縮機）和4臺船用間接式空調(diào)器工作，組裝式冷水機組為空調(diào)系統(tǒng)提供冷媒水，根據(jù)空調(diào)負荷的變化，可自動或手動運行加載或減載。配置1套船用定壓裝置，該裝置包括3臺冷媒水泵（其中1臺備用）、水-水板式換熱器、定壓膨脹罐、自動排氣補水裝置等部件。采暖工況由機艙熱水鍋爐提供約90℃熱水做采暖熱源，通過水-水板式熱交換器將為間接式中央空調(diào)系統(tǒng)提供采暖熱源。以溫度控制器控制三通流量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)空調(diào)送風溫度，以保證冬季采暖效果。空調(diào)加濕采用濕膜加濕的形式，濕膜加濕器能根據(jù)冬季采暖回風相對濕度自動加濕，以滿足艙內(nèi)冬季的空調(diào)設計相對濕度要求。中央空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖見圖1，主要參數(shù)見表3。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖

表3 中央空調(diào)系統(tǒng)主要參數(shù)表

另外，駕駛室所配置的2套風冷分體式空調(diào)以及餐廳所配置的1套水冷柜式空調(diào)，均作為中央空調(diào)的補充。中央空調(diào)區(qū)域的設備配置參見下頁表4。

2.2 優(yōu)化設計空調(diào)通風管系

鑒于總體性能要求的考慮，科考船的甲板層高通常在2.4～2.7 m之間。本船空調(diào)艙室甲板層高為2.55 m或2.7 m，按照“以人為本”的原則，規(guī)格書要求艙室凈高為2.03 m，駕駛室要求2.2 m；而為降低空調(diào)通風管系噪聲，本船風管采用中低速送回風設計，以控制風管流速，管徑相對通常的中高速風管要大。有限的甲板層高、嚴格的凈高要求與中低速風管設計，三者如何平衡、如何實現(xiàn)是給設計者及施工方出的一道難題。

表4 中央空調(diào)區(qū)域設備配置

為了解決這一幾乎涉及所有專業(yè)的問題，空調(diào)專業(yè)與總體、輪機、電氣等相關專業(yè)反復溝通逐層甲板排查計算，對每層甲板的風管、電纜、管系綜合布置平衡。通過協(xié)調(diào)，各專業(yè)調(diào)整了相關設計圖紙，既滿足了凈高要求，又保證了風管的合理布置。采取的主要措施有：

（1）合理布置空調(diào)和通風主要風管通道，減少水平方向的大尺寸管系對層高的影響；

（2）管系綜合布置平衡，盡量避免管系重疊；

（3）風管形式因地制宜，矩形、圓形及扁圓形風管組合使用；

（4）對送風管高度及保溫層厚度加以限制；

（5）個別艙室天花板適當降低，主要是在艙室邊角處，但不影響使用及美觀。通過優(yōu)化，解決了層高與風管沖突的問題，取得了滿意的效果。

2.3 采取減振降噪措施

為保證本船聲學設備正常工作、體現(xiàn)本船的先進性，對整個空調(diào)系統(tǒng)的設備采取了一些減振降噪的措施［3］，這些措施包括：

（1）選用低噪聲空調(diào)設備，通過采用吸聲減振設計、增加設備吸聲材料的厚度等手段降低設備噪聲；

（2）選用低噪聲船用離心軸流風機，以降低源頭噪聲；

（3）將冷水機組、空調(diào)器盡量布置在下層甲板，與生活艙室和實驗艙室保持一定距離，防止噪聲直接傳播，避免設備與船體的共振；

（4）部分艙室采用風冷分體式柜機，將主要噪聲源制冷壓縮機和冷凝器置于艙外；

（5）通風機、水泵的進出口管道采用柔性聯(lián)接，風機、水泵、電機安裝在減振基礎上，以減少噪聲的傳播，離心及軸流通風機設消聲靜壓箱以降低風機噪聲 ；

（6）在必要的通風管道上設置消聲附件，選擇優(yōu)質(zhì)低噪聲送風末端裝置，使空調(diào)房間內(nèi)噪聲控制在要求的范圍。

實踐證明，以上方法將有效降低空調(diào)系統(tǒng)對全船振動和噪聲的影響。

2.4 實驗室空調(diào)通風設計

與常規(guī)運輸船、客船相比，科考船的實驗室系統(tǒng)相對比較特殊，實驗室空調(diào)通風系統(tǒng)的設計與生活艙室相比有很多不同之處：

（1）對實驗室室內(nèi)空氣環(huán)境的要求通常較高?？瓶即鳛榭茖W考察的平臺，實驗室的環(huán)境控制非常重要。普通實驗室溫濕度指標可以參照生活艙室空調(diào)，溫度通常控制在26℃左右、濕度在50%左右，但是某些特殊實驗室根據(jù)不同的實驗對溫濕度及精度控制的要求更高，例如：低溫實驗室要求室內(nèi)氣溫保持在5℃以下，海洋重力儀室的室溫波動范圍不大于2℃。參照CB/T3470-1994《海洋調(diào)查船專用艙室及其設備的設置要求》，針對使用要求需要采取特殊的空調(diào)系統(tǒng)設計。由于本船實驗室沒有特別要求，空調(diào)設計參數(shù)設為溫度26℃、濕度50%。

（2）實驗室通常對室內(nèi)的噪聲有嚴格的控制。參照CB/T3527-1993《海洋調(diào)查船實驗及調(diào)查作業(yè)甲板振動、噪聲一般要求》，實驗室噪聲限值為60 dB（A）。但對于裝有對振動、噪聲敏感的調(diào)查儀器和實驗設備的實驗室則噪聲限值更高，需要根據(jù)實際設備要求確定。為了滿足要求，這就需要優(yōu)化設計空調(diào)通風管系，采取特別的減振降噪措施。

（3）實驗室空調(diào)設備的配置一般要求相對獨立，運行配置靈活。本船甲板實驗區(qū)的重磁實驗室、通用化學實驗室、綜合地球物理實驗室、資料處理室及網(wǎng)絡中心等艙室除配備中央空調(diào)外，還各配置1臺風機盤管，作為中央空調(diào)的備用件，詳見圖1和表4?？瓶即诳扛蹠r，空調(diào)器AC3停止運行，備用風機盤管啟動運行。通過合理的系統(tǒng)配置，無論需要空調(diào)系統(tǒng)滿負荷運轉(zhuǎn)還是局部空調(diào)運行都能靈活配置，對電力能源的需求也可合理調(diào)配，從而滿足不同工況下的功能，使空調(diào)這一能源需求較多的系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保。

（4）帶通風柜的實驗室通風系統(tǒng)要兼顧日常工作時使用與通風柜工作狀態(tài)。根據(jù)航次安排及不同實驗項目的要求，實驗室通風設計需考慮室內(nèi)日常排風和實驗用的通風柜排風兩種工況。就本船而言，通用化學實驗室設有通風柜，要求保持負壓，防止實驗室不良氣體泄漏，且采取空調(diào)送風、機械排風的通風方式，排風量稍大于送風量。該實驗室設有兩套獨立的機械排風系統(tǒng)，1套日常工作時使用，另1套為通風柜排風系統(tǒng)。根據(jù)風量平衡原則，兩套排風系統(tǒng)不能同時運行。日常工作排風系統(tǒng)設置1臺管道風機，工作臺上方設置三節(jié)式萬向抽風臂。通風柜排風系統(tǒng)自帶風機，接風管直接排出室外。

3 結(jié) 論

通過對本船空調(diào)系統(tǒng)設計的分析，可以了解到科考船的空調(diào)設計具有運營工況復雜，空間有限以及舒適性要求高等特點。針對以上特點，可以通過以下幾個方面來開展科考船空調(diào)系統(tǒng)設計：

（1）科學劃分空調(diào)系統(tǒng)，合理配置設備，在滿足舒適性的基礎上適應運營管理需求。

（2）在有限的船舶空間內(nèi)優(yōu)化設計空調(diào)及通風管系，在降低系統(tǒng)噪聲和保證活動空間二者間達到平衡。

（3）在設備設計及布置等方面采取減振降噪措施，從源頭控制設備對全船噪聲水平的影響。

（4）實驗室空調(diào)系統(tǒng)合理設計，一些實驗室除中央空調(diào)外，配置風機盤管作為備用。另外，通風柜排風系統(tǒng)和日常排風系統(tǒng)獨立且不能同時運行，以保證風量平衡。

通過以上對幾個方面的優(yōu)化設計，本船的空調(diào)系統(tǒng)具有合理運行、節(jié)能環(huán)保、管理方便、噪聲低、振動小、經(jīng)濟性能好等優(yōu)點，從而保證船員的舒適性要求；但同時也存在一些不足，如單臺壓縮機冷量較大，在可能存在的低負荷工況下運行性能有些不足。此外，局部風管走向不順暢，也可能影響空調(diào)效果。這些在今后設計中應注意并加以改進。

［1］ 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設計實用手冊：輪機分冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999：474-575.

［2］ 尉遲斌，盧士勛，周祖毅.實用制冷與空調(diào)工程手冊［M］.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 由成良.輔助船空調(diào)、通風系統(tǒng)的噪聲分析與控制［J］.船舶，2012（6）：48-53.

On design of air condition system for scienti fi c investigation vessel

ZHU Hua WANG Hai-yan
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Taking a ?Xiangyanghong 10‰ scientific investigation vessel for instance, this paper introduces the design points of AC system for science investigation vessels. To improve comfort and economy, the corresponding measures are adopted in AC system arrangement, AC ventilation duct design and vibration & noise reduction of equipments, which actively affect the whole AC system. It can provide some references to the design of AC system for science investigation vessels.

scientific investigation vessel; indirect evaporation AC system; AC ventilation duct; vibration & noise reduction

U664.5+1

A

1001-9855（2014）02-0066-05

2013-09-03 ；

2013-10-21

朱 華（1979- ），男，工程師，主要從事船舶空調(diào)、冷藏、通風設計。汪海燕（1978- ），女，高級工程師，主要從事船舶空調(diào)、冷藏、通風設計。