船舶艙室的通風超壓計算法

謝玲梅

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

船舶艙室的通風超壓計算法

謝玲梅

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

［摘 要］文章列舉船舶艙室超壓保護區(qū)通風建壓涉及的各種因素，并從國內(nèi)外文獻資料、各國規(guī)范和實船經(jīng)驗中，分析總結推導出實用可行的針對各影響因素的船舶艙室通風超壓計算法，對今后船舶密閉超壓通風設計具有指導意義。

［關鍵詞］超壓；氣密；保護區(qū)；過濾吸附通風量；計算

引 言

船舶艙室的通風建壓通常分為微壓差和超壓兩大類。在常規(guī)船舶內(nèi)部，為了保證船舶艙室的溫濕度和空氣品質環(huán)境，建立良好的區(qū)域氣流組織，必須在不同類型艙室間以及和外界大氣建立約0～50 Pa的微壓差，區(qū)域的壓力差應嚴格按照從高向低排列，如：清潔區(qū)→過渡區(qū)→污染區(qū)，或潔凈度高→潔凈度低。生活和工作區(qū)為正壓力區(qū)，污染、有毒有害和有異味區(qū)為負壓力區(qū)，各區(qū)域的壓力由送風量、排風量給予保證。

某些特殊船舶，在執(zhí)行任務期間，可能面臨對船員有極大或致命性危害的環(huán)境，例如核污染、細菌污染、化學毒劑污染等，這些污染物以蒸汽態(tài)、氣溶膠態(tài)存在于船舶所在的大氣環(huán)境中，有些船舶區(qū)域需要建立300～600 Pa的超壓密閉保護區(qū)與外界隔離，防止污染物進入防護區(qū)，并且具備在航行有迎風風壓的環(huán)境下，防止污染物進入保護區(qū)的能力。保護區(qū)內(nèi)邊界必須提供氣密門窗，建立超壓時，保護區(qū)壓力由經(jīng)過過濾吸附的清潔空氣向保護區(qū)供氣加壓，借助于壓差控制閥、超壓泄放閥、以及控壓差強排風措施、保護區(qū)邊界結構和門窗的泄漏，達到氣壓平衡，維持相對穩(wěn)定的300～600 Pa的超壓環(huán)境。

目前國內(nèi)外相關規(guī)范都對保護區(qū)的新鮮空氣量和CO2控制濃度有規(guī)定，但缺乏保護區(qū)超壓建壓的系統(tǒng)理論和計算法。對比中國、德國、英國、挪威等多國軍民規(guī)范，雖然德國GL關于防護區(qū)的新鮮空氣量和CO2控制濃度有詳細的計算法，但是這些規(guī)范對于保護區(qū)建壓所涉及的建壓時間、超壓泄放、結構門窗泄漏等多個因素仍缺乏綜合而系統(tǒng)的計算法。

本文在綜合研究各國軍民規(guī)范的基礎上，結合實船設計應用經(jīng)驗，總結出適合船舶、實用可行的通風超壓計算法，能比較系統(tǒng)地指導船舶的超壓設計計算。

1 建壓原理

參考LR軍規(guī)，［1］船舶保護區(qū)應最少劃分為4個，每個區(qū)域最長不超過30 m。相鄰區(qū)域的長度大于0.3 LWL（設計水線長）且小于 0.5 LWL。區(qū)域的邊界符合主橫向水密隔壁劃分，從龍骨延伸到最高上層建筑甲板。有著更高污染風險的區(qū)域壓力應該低于臨近區(qū)域壓力但高于大氣壓。

一個滿足超壓功能的典型保護區(qū)（見圖1）除包含各種艙室外，應包含帶過濾吸附裝置的設備室、前后2個用于隔離保護區(qū)的鎖氣室、1～2組用于進出保護區(qū)的洗消通道（含脫衣室、洗消間、風浴室或更衣室等隔間）組成。

保護區(qū)建壓時，邊界所有氣密門窗氣密關閉，邊界上通風系統(tǒng)進排風口和空調器新風口氣密關閉（除超壓密閉時邊界上必須打開的排風口，例如醫(yī)療區(qū)手術準備室、隔離病房的排風口等），打開過濾吸附裝置氣密閥，空調器的新風改由過濾吸附裝置提供。

過濾吸附裝置為保護區(qū)加壓提供經(jīng)過濾吸附的清潔空氣。鎖氣室和洗消通道配彈簧式壓差控制閥組，用于維持艙壁兩側的設計壓差。保護區(qū)的清潔空氣以壓差控制閥設定壓差下的額定流量，并通過壓差控制閥吹除人員通過時鎖氣室和洗消通道的沾染物。加壓的清潔空氣通過結構和門窗的泄漏、壓差控制閥組、壓差排風系統(tǒng)排出保護區(qū)外。保護區(qū)設馬達驅動的超壓泄放閥，根據(jù)探測保護區(qū)超壓值控制閥的開度，排出保護區(qū)多余的空氣，保護區(qū)維持在穩(wěn)定的超壓值，比如500 Pa。

圖1 一個滿足超壓功能的典型保護區(qū)布置示意圖

超壓保護區(qū)建壓除保持周界氣密外，過濾吸附裝置過濾吸附通風量DAV的計算是關鍵，同時在分步計算過程中也確定了壓差控制閥、超壓泄放閥的選型流量。

以下因素決定了保護區(qū)超壓密閉時的過濾吸附通風量DAV：根據(jù)人員安全所需計算過濾吸附通風量DAV ′；按超壓密閉區(qū)泄漏量、泄放量、排風量計算過濾吸附通風量DAV ″；按任務要求時間加壓到500 Pa計算過濾吸附通風量DAV ′″。

保護區(qū)的過濾吸附通風量DAV （m3/h）應取根據(jù)以上因素選取計算出的最大值，并按過濾吸附裝置單模塊額定風量取整：

2 過濾吸附通風量的計算

2.1 根據(jù)人員安全計算所需過濾吸附通風量DAV ′

在密閉加壓的環(huán)境下，經(jīng)過濾吸附的清潔空氣用于加壓并置換保護區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的污染空氣，以保證人員安全。一般從控制防護區(qū)CO2濃度和保證提供最少的清潔新鮮空氣量兩方面進行計算。

2.1.1 根據(jù)CO2濃度的限值要求計算艙室所需過濾吸附通風量DAV1

在保護區(qū)超壓密閉時， GL考慮了各艙室人員占位因素，規(guī)定了CO2濃度不高于表1中b2值，各艙室人員占位所需新風量（即過濾吸附量DAV1）按以下公式進行計算［2］：

式中：各參數(shù)按表1選取［2］。

表1 按CO2濃度的限值計算艙室所需過濾吸附通風量參數(shù)

按GL規(guī)定的CO2含量限值選取計算的各艙室過濾吸附量，保證了各具體艙室在規(guī)定的人員占位情況下CO2含量不超標。對于人多的保護區(qū)，按此參數(shù)選取計算的過濾吸附量較大，經(jīng)濟性相對較差，但人員舒適度較高。對于密閉保護區(qū)，［3］我國規(guī)范規(guī)定了通風量應保證艙內(nèi)人員全部在位時CO2濃度不高于0.5%；［1］英國LR軍規(guī)規(guī)定CO2濃度不高于1. 5%。所以在經(jīng)濟性和空間不允許的情況下，表1 中b2可參照我國規(guī)范或英國LR軍規(guī)適當提高限值。

2.1.2 根據(jù)人員新風量計算所需過濾吸附通風量DAV2

我國規(guī)范規(guī)定了平時艙室每人每小時平均新鮮空氣量不少于以下值［3］：人少艙室 25～30 m3/h，人多艙室 30 m3/h；英國LR軍規(guī)規(guī)定了平時艙室每人每小時平均新鮮空氣量不少于18 m3/h［1］；ISO 7547《起居處所空氣調節(jié)與通風設計參數(shù)和計算方法》規(guī)定新風量不低于總送風量的40%［4］。

保護區(qū)超壓密閉時，考慮經(jīng)濟性和布局的可實現(xiàn)性，在保證人員安全的情況下，參照［3］我國規(guī)范對進行長期精密工作的人員艙室，外界新鮮空氣量補充量為8.4 m3/h；結合國內(nèi)外一些實船設計經(jīng)驗，可取每人每小時平均10 m3新鮮空氣量來初步估算過濾吸附量 ：

式中：p 為人數(shù)。

2.2 超壓時，按密閉區(qū)泄漏量、超壓泄放量、排風量計算過濾吸附通風量DAV ″

2.2.1 根據(jù)洗消通道、鎖氣室掃氣量計算壓差控制閥泄放所需過濾吸附通風量DAV3

從外部沾染區(qū)經(jīng)過洗消通道進入超壓保護區(qū)，依次可經(jīng)過脫衣室、洗消間、風浴室、更衣室（為清潔區(qū)，與保護區(qū)同壓），也有的船僅設脫衣室、洗消間、更衣室；反之亦然。鎖氣室用于隔離超壓保護區(qū)。洗消通道、鎖氣室均用雙重氣密門形成隔間，這種門依次打開一扇，以避免密閉區(qū)減壓。氣密門和每個隔間的尺寸保持最小，以減小所要求的掃氣量。彈簧式壓差控制閥可作為掃氣器，用于維持艙壁兩側的壓差和用于放氣和掃氣，除去外門打開時帶進來的污染空氣［5］。根據(jù)國外設計資料，要清除該艙室中99.9%的空中沾染物，需要6次換氣；也可依據(jù)挪威DNV規(guī)范對洗消通道、鎖氣室的通風換氣次數(shù)要求來計算過濾吸附量，其通風換氣次數(shù)至少是30次/h。

有些預定任務船舶，洗消通道很大，按上述方案確定的過濾吸附量很大，如果通過洗消可消除大部分沾染物，可選擇洗消間彈簧式壓差控制閥僅維持艙壁兩側的壓差并適當兼?zhèn)浯党δ?，設小尺度風浴室加更衣室方案，減少過濾吸附量，DAV3可取200～500 m3/h。

2.2.2 根據(jù)系統(tǒng)強排風所需補充的過濾吸附通風量DAV4

保護區(qū)建壓時，例如醫(yī)療區(qū)手術準備室、隔離病房等的強排風必須開啟，維持按相關要求的最小排風量，過濾吸附裝置的過濾吸附量DAV4必須能補充這部分排風量。

2.2.3 根據(jù)氣密門、窗、結構泄漏量計算所需過濾吸附通風量DAV5

通過縫隙的滲透風量L與縫隙兩側的壓差ΔP之間的關系如下式［6］：

式中：L為通過滲透的風量，m3/h；a、b為與縫隙結構、氣密性有關的系數(shù)。

目前決定風量與壓差的關系主要來源于半經(jīng)驗公式，特別是相關系數(shù)主要靠實驗測試確定，其實用性差。據(jù)國外資料文獻記載，每道門、艙口蓋允許漏氣量為85 m3/h。我國規(guī)范規(guī)定甲板下保護區(qū)在500 Pa超壓下，其漏氣量每小時不大于3%。

總結國內(nèi)外一些實船設計建造經(jīng)驗，一個約500 Pa超壓、1 000 m3的保護區(qū)，新建造船舶的氣密門、窗、結構泄露量可控制在100 m3/h或更低。后期使用過程中需考慮結構變形和泄漏量加大的因素，因此過濾吸附通風量應設余量。在設計時，DAV5可按以下公式試算，作為需補充的過濾吸附量。

2.2.4 根據(jù)預計超壓泄放量確定超壓泄放閥泄放的過濾吸附通風量DAV6

因考慮未來結構變形而在新造船階段多配置的過濾吸附量、由于溫度波動對超壓擾動而變化的泄漏量等，需要借助馬達驅動的超壓泄放閥來進行泄放，根據(jù)探測的保護區(qū)內(nèi)的超壓值由馬達自動驅動閥門開度，排出保護區(qū)多余的空氣，使保護區(qū)維持在穩(wěn)定的超壓值，比如500 Pa。超壓泄放量可按考慮未來結構變形預計的泄漏量10～20% DAV選取。按此選型的超壓泄放閥在新造初期，超壓泄放閥運行在較高流量工況，隨著未來結構變形，超壓泄放閥逐漸運行在較低流量工況。

現(xiàn)有理論和試驗結果分析表明，通過開口的風量L與開口兩側的壓差ΔP之間的關系如下式［6］：

式中：L為通過開口的風量，m3/h；μ為開口流量系數(shù)；A為有效開口面積，m2；ρ為通過開口的空氣密度，kg/m3。

上式說明，通過壓差控制閥、超壓泄放閥的流量與開口面積成正比關系，所以，閥組的選取除了需要考慮過濾吸附裝置的經(jīng)濟性，同時需要考慮閥組的適裝性。

2.3 根據(jù)船舶的建壓時間計算所需過濾吸附通風量DAV′″

保護區(qū)在建壓前，邊界門窗及空調通風進出風口氣密關閉，從開始建壓到保護區(qū)超壓達到設定壓差前，壓差控制閥和超壓泄放閥閥門是保持關閉狀態(tài)的，對于保護區(qū)，可按密閉空間，按所要求的建壓時間，按理想氣體狀態(tài)方程可推導計算出所需過濾吸附通風量DAV ′″：

式中：P為外界大氣壓力， Pa；ΔP為保護區(qū)超壓，可取500 Pa；T1為外界大氣絕對溫度（數(shù)值為攝氏溫度+273.15），K；T2為保護區(qū)空氣絕對溫度（數(shù)值為攝氏溫度+273.15），K；Vc為艙室容積，m3；t為建壓時間，min。

3 過濾吸附通風量校核計算

按以上方法計算出過濾吸附通風量DAV除以空調器總送風量，算出保護區(qū)超壓時的新風比，進而根據(jù)各艙室的送風量算出各艙室新風量（過濾吸附通風量） DAV7，要求滿足式（10）：

式中：DAV1為根據(jù)CO2濃度限值要求計算艙室所需過濾吸附通風量，m3/h。

4 實船應用

表2是實船幾個典型功能保護區(qū)過濾吸附通風量計算表。

表2 幾個典型功能保護區(qū)過濾吸附通風量計算表

分析表2，對比分析幾種典型功能保護區(qū)不同決定因素計算出的過濾吸附通風量，可以得出以下結論：按快速建壓計算法計算的過濾吸附通風量DAV′″與建壓時間成反比關系；DAV′″與外界大氣和保護區(qū)的溫差有關，當外界大氣與保護區(qū)溫差較小時，相比其他決定因素，溫度波動對最終取值影響很小，但當外界大氣與保護區(qū)溫差較大時，DAV′″明顯增大，最大值出現(xiàn)在夏季工況。

對于像大型餐廳這樣人數(shù)多的保護區(qū)，根據(jù)人員安全所需計算的過濾吸附通風量DAV′對最終取值起決定作用；對于醫(yī)療保護區(qū)，由于有手術準備室、隔離病房等需要在密閉時保留強排風的區(qū)域，如果再加上洗消通道有大風量掃氣要求，根據(jù)泄露量、洗消通道、鎖氣室、強排風量、超壓泄放量所需過濾吸附通風量DAV″對最終取值起決定作用。

上述算法中， DAV5、DAV6存在與最終的DAV試算的過程，最后達到可以選型并風量平衡。

5 結 論

保護區(qū)超壓的建立涉及很多因素，同時，受到干擾的因素也很多。本篇闡述的船舶艙室的通風超壓計算法實用可行，今后可隨著實船的不斷應用、積累經(jīng)驗并隨著設備的技術更新而不斷完善。

［參考文獻］

［1］ LR. Version 9.18 Rules and Regulations for the classification of Naval Ships［S］ . 2012．

［2］ GL. Germanischer Lloyd Rules & Guidelines［S］ . 2006.

［3］ 艦船環(huán)境條件要求氣候環(huán)境［S］. 8.

［4］ International Standard ISO 7547 2002， Ships and Marine Technology-Air Conditioning and Ventilation of Accommodation Spaces-Design Conditions and Basis of Calculation［S］.

［5］ 美國海軍. 美國海軍艦船技術手冊［M］. 翟少曉，劉書子，譯. 北京： 中國船舶信息中心，2004：82.

［6］ 涂光備.醫(yī)院建筑-空調凈化與設備［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：210.

［中圖分類號］U664.86

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0087-05

［收稿日期］2015-01-09；［修回日期］2015-03-02

［作者簡介］謝玲梅（1969-），女，高級工程師，研究方向：空氣調節(jié)。

Overpressure calculation for cabin ventilation

XIE Ling-mei

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：This paper describes the various factors about ventilation and pressure reduction in the citadel overpressure area of cabins， analyzes and summaries calculation methods according to these factors from domestic and foreingn literatures， rules and full-scale experiences. It can provide guidance for the overpressure ventilation.

Keywords：overpressure； airtight； citadel； decontaminated air volume； calculation