極地環(huán)境下船舶進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計

常烜宇

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

對于極地運輸船舶，寒冷環(huán)境條件下的設(shè)計是船舶和其自身系統(tǒng)設(shè)計的重要部分。由于我國缺乏對該類船舶的設(shè)計、施工經(jīng)驗，因而對于防寒設(shè)計往往是基于寒區(qū)運行船舶長期的經(jīng)驗。本文針對“雪龍2”號的進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行研究，該船是我國自主設(shè)計的第一條極地科學(xué)考察破冰船，將以極地水域科學(xué)考察為首要任務(wù)，兼具一定的極地考察站后勤物資運輸能力。據(jù)統(tǒng)計，在北極、南極進(jìn)行科考作業(yè)工作時，外界環(huán)境溫度最低約-38℃［1］。在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方面，在滿足船級社規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，充分考慮公共生活區(qū)、休閑區(qū)和學(xué)術(shù)交流場所的空間和布局，要求合理、舒適、適用、美觀及良好的通風(fēng)、采光和保溫。同時，為了保證機(jī)器處所空間內(nèi)部溫度維持在0℃以上，充分考慮極區(qū)作業(yè)特殊環(huán)境，全船采取防凍保溫措施。整個進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置按照總體要求，區(qū)域劃分等因素，在進(jìn)風(fēng)口處均有防凍措施，如設(shè)置防凍百葉窗，通過不同類型加熱器對外部進(jìn)風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，以達(dá)到進(jìn)風(fēng)口防凍的目的，整個艙室內(nèi)部達(dá)到人員舒適和設(shè)備正常工作的空氣溫濕度的要求。

1 進(jìn)風(fēng)量設(shè)計

每個需通風(fēng)處所的進(jìn)風(fēng)量決定了后期通風(fēng)風(fēng)機(jī)、通風(fēng)附件的選型，進(jìn)風(fēng)量的計算一般有兩種方式，一個是按每小時換氣次數(shù)計算，如式（1）。另一個是按熱量計算，如式（2），并取最大值來確定［2］。

式中：qv1為通風(fēng)量，m3/h；n1為換氣次數(shù)，次/h；V1為通風(fēng)艙室容積，m3。

式中：qv2為帶走散熱量所需的風(fēng)量，m3/h；Q2為散熱量，kW；ρa為空氣的密度，取1.2 kg/m3；Ca為空氣的比熱容，取1.005 kJ/（kg K）；ΔT2為送風(fēng)溫度與艙室溫度之差，K。

本船在設(shè)計過程中，對于機(jī)器處所，通風(fēng)量按換氣次數(shù)計算，對于需要空調(diào)的艙室，通風(fēng)量按ISO 7547標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計計算。機(jī)器處所的內(nèi)部平均環(huán)境溫度不高于+45℃，不低于+5℃，機(jī)器處所包括泵艙、推進(jìn)艙、首側(cè)推艙等。

對于機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，更大的通風(fēng)量需匹配較大功率的風(fēng)機(jī)，導(dǎo)致能耗上升。對于空調(diào)系統(tǒng)，若所需的空調(diào)新風(fēng)量越大，則系統(tǒng)能耗越大。

鑒于嚴(yán)寒地區(qū)大量冷風(fēng)滲透，在滿足通風(fēng)面積要求的前提下，當(dāng)進(jìn)行通風(fēng)換氣設(shè)計時，考慮節(jié)能性，應(yīng)選擇最小的外部空氣量進(jìn)行設(shè)計。為了節(jié)約能耗，除廚房空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)外，本船其他6臺空調(diào)器的服務(wù)處所及新風(fēng)比分別為表1所示。

廚房空調(diào)的變頻風(fēng)機(jī)為廚房提供新風(fēng)。其他空調(diào)系統(tǒng)，采用新風(fēng)+回風(fēng)的方式，通過對艙室空調(diào)的回風(fēng)經(jīng)空調(diào)器處理變成新的送風(fēng)，這樣有利于節(jié)能，可以充分利用回風(fēng)的溫度和濕度，可以大大降低空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)能耗。同時，空調(diào)送風(fēng)機(jī)多為變頻風(fēng)機(jī)，可通過不同的能耗需求，實時調(diào)節(jié)送風(fēng)量，避免能量浪費［3］。

表1 空調(diào)器服務(wù)處所及新風(fēng)比

2 進(jìn)風(fēng)口設(shè)計

一般來講，進(jìn)風(fēng)口的設(shè)計主要考慮兩個方面：一個是進(jìn)風(fēng)口大小的設(shè)計，另一個是進(jìn)風(fēng)口位置的布置。

進(jìn)風(fēng)口的大小由進(jìn)風(fēng)量和假定進(jìn)風(fēng)風(fēng)速計算得到。因為進(jìn)風(fēng)口越大，進(jìn)風(fēng)阻力越小，噪聲也越小。因此，考慮降低噪聲的需求，在可能的情況下應(yīng)盡量增大進(jìn)風(fēng)口面積。本船房間噪聲控制在60 dB，機(jī)器處所噪聲控制在70 dB［4］。上建區(qū)域的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速一般為2～3 m/s，機(jī)器處所進(jìn)風(fēng)風(fēng)速一般為8～10 m/s。進(jìn)風(fēng)口的選擇一定要合理，應(yīng)確保進(jìn)風(fēng)能為機(jī)器處所、輔機(jī)處所以及住艙等空間的加熱、通風(fēng)、空調(diào)提供所需的空氣容量、溫度和濕度。

但是，進(jìn)風(fēng)口的設(shè)計往往受結(jié)構(gòu)限制。如在本船中，主甲板以下的機(jī)械處所進(jìn)風(fēng)匯總在結(jié)構(gòu)風(fēng)道中，結(jié)構(gòu)風(fēng)道的百葉窗開在艏樓甲板FR107處，由于在距舯約4 500 mm處會與貨艙箱蓋支撐相沖突，因此移位至距舯約9 000 mm處（如下頁圖1所示）。

如月池車間的風(fēng)幕機(jī)設(shè)計，因月池屬于大空間區(qū)域，室外設(shè)計溫度-30℃，進(jìn)行科考作業(yè)時，采用風(fēng)幕機(jī)送暖風(fēng)，空氣幕吹出的熱風(fēng)可保持內(nèi)側(cè)氣溫在0℃以上。本船在月池車間舷門，艙壁門，通用實驗室門均設(shè)置風(fēng)幕機(jī)。安裝方式根據(jù)實際情況有立式安裝和水平安裝，各風(fēng)幕機(jī)配備就地控制按鈕盒，顯示風(fēng)幕機(jī)運行狀態(tài)及故障報警，并帶有風(fēng)幕機(jī)的調(diào)速旋鈕。風(fēng)機(jī)具體參數(shù)見表2。

圖1 機(jī)器處所進(jìn)風(fēng)口

表2 風(fēng)幕機(jī)參數(shù)

其中，月池車間舷門直通式進(jìn)出風(fēng)，正面維修。月池車間艙壁門直角式進(jìn)出風(fēng)，地面維修。通用實驗室（干/濕）門直角式進(jìn)出風(fēng)，底面維修。因受結(jié)構(gòu)橫梁的限制，只能將月池車間舷門處的風(fēng)幕機(jī)分為兩只側(cè)裝。如圖2所示。

圖2 月池車間風(fēng)幕

同時，進(jìn)風(fēng)口應(yīng)選擇在空氣較為新鮮的地方，以獲得較好的通風(fēng)換氣效果。為防止進(jìn)排風(fēng)短路，進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口需保持一定距離。對于機(jī)器處所的大百葉窗，進(jìn)風(fēng)百葉窗開口下邊緣距離甲板距離不得小于900 mm，對于一般艙室，進(jìn)風(fēng)百葉窗開口下緣距甲板不得小于1 800 mm?？照{(diào)系統(tǒng)主機(jī)連接到室外的新風(fēng)管設(shè)置不小于0.03的向外向下傾斜的坡度，以防室外雨水、冰水進(jìn)入主機(jī)。進(jìn)風(fēng)口應(yīng)設(shè)在室外空氣較清潔的地方，進(jìn)風(fēng)口的底部離室外地面不小于1 200 mm。

3 進(jìn)風(fēng)防寒設(shè)計

對于極地運輸船舶，寒冷環(huán)境條件下的設(shè)計是船舶和其自身系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，寒冷天氣條件下運行的能力應(yīng)在設(shè)計的整個階段考慮到。因此，進(jìn)風(fēng)防寒設(shè)計是不可缺少的一部分。

3.1 進(jìn)風(fēng)口防凍設(shè)計

進(jìn)風(fēng)口是進(jìn)風(fēng)的第一道關(guān)口，進(jìn)風(fēng)口的防凍設(shè)計尤為重要。對于甲板上的通風(fēng)口，考慮結(jié)冰危險以及考慮破冰帶來的振動，所有附件和設(shè)備的基座需是加強(qiáng)和安全的。本船所有在甲板上的通風(fēng)筒支撐肘板水平臂長度不小于150 mm，厚度不小于12 mm。通風(fēng)出口應(yīng)考慮有手動除冰的可能性。船上儲存有至少2套手動除冰工具，每套包括除雪鏟、木錘、亂板、冰鎬和除冰鹽。工具儲存在不受天氣影響且容易進(jìn)入的區(qū)域。

機(jī)器處所的進(jìn)風(fēng)通過艏樓甲板兩個集中空氣進(jìn)口，空氣進(jìn)口設(shè)置有進(jìn)風(fēng)格柵、艙口蓋、彎道式除雪結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)空氣預(yù)熱器、熱空氣再循環(huán)輔助加熱的調(diào)節(jié)風(fēng)門?？諝膺M(jìn)風(fēng)口設(shè)置有可關(guān)閉的封蓋，在冬季運行時要求多余的進(jìn)風(fēng)封蓋處于關(guān)閉狀態(tài)。進(jìn)風(fēng)百葉窗應(yīng)有足夠的強(qiáng)度允許進(jìn)行機(jī)械除冰。通風(fēng)排出口設(shè)置有電機(jī)驅(qū)動關(guān)閉的風(fēng)門，出風(fēng)口被排出空氣加熱。所有空調(diào)新風(fēng)入口和通風(fēng)量超過1 500 m3/h的進(jìn)風(fēng)口將通過一個垂直擋板和葉片型除水霧器。該裝置將有效去除99%直徑為15 μm或更大的水珠。分離的臨界速度在尺寸、分離效率和壓力損失等因素平衡下給予考慮，材料和結(jié)構(gòu)均抗腐蝕，型式為管道安裝型。

本船在室外的進(jìn)風(fēng)口百葉窗多為防凍百葉窗［5］，防凍百葉窗系統(tǒng)由葉片內(nèi)穿加熱電纜的除霧器本體、接線盒和控制箱組成。溫度傳感器給控制箱提供信號，根據(jù)外界溫度控制加熱電纜的起閉，加熱電纜在-30～5℃時工作效率相同，功率為50 W/m。百葉窗位置考慮電控箱的設(shè)置，按區(qū)域設(shè)置。

本船采用防凍百葉窗的艙室及對應(yīng)的風(fēng)量、功率量如表3所示。

3.2 進(jìn)風(fēng)加熱設(shè)計

為了達(dá)到進(jìn)風(fēng)溫度要求，本船在多進(jìn)風(fēng)口設(shè)置加熱裝置。加熱類型分為電加熱、蒸汽加熱和不凍液加熱系統(tǒng)。

總的來說，在住艙和科考處所采用空調(diào)系統(tǒng)加熱，公共處所、服務(wù)處所、電氣設(shè)備空間和科考空間采用輔助電加熱器加熱，機(jī)械處所通過蒸汽加熱器加熱。機(jī)械通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口設(shè)置預(yù)加熱器，預(yù)加熱器帶就地溫度控制。

表3 全船防凍百葉窗列表

本船采用加熱方式的明細(xì)表見表4所示。

表4 全船加熱方式明細(xì)表

4 典型艙室進(jìn)風(fēng)設(shè)計分析

航煤油泵艙屬于危險區(qū)域，且進(jìn)風(fēng)加熱量較大，因此其進(jìn)風(fēng)設(shè)計需要考慮危險區(qū)域劃分、實際電力負(fù)荷需求、生產(chǎn)設(shè)計情況等諸多因素。

在本船的基本設(shè)計中，航煤油泵艙考慮使用蒸汽加熱，所需加熱量為14 kW，但由于船廠放樣布置困難，故改用電加熱預(yù)熱型式。該艙室設(shè)計換氣次數(shù)20次/h，風(fēng)量1 060 m3/h。本船使用的是3號航煤油，閃點為38℃。據(jù)制造廠反應(yīng)，如果電加熱器和風(fēng)機(jī)突然失效，其表面溫度將在短時間內(nèi)達(dá)到135℃，從理論角度看似有爆炸的可能?？紤]各方協(xié)調(diào)結(jié)果，對航煤油泵艙的電加熱器提出以下技術(shù)要求：

（1）防爆等級IIB以上，防護(hù)等級IP56以上，溫度等級為T4；

（2）電加熱器加熱功率為15 kW，分三檔，5 kW每檔；

（3）加熱器設(shè)置超溫保護(hù)；

（4）加熱器設(shè)置氣流保護(hù)開關(guān)，當(dāng)風(fēng)管內(nèi)無空氣流動時，電源必須切斷；

（5）設(shè)溫度傳感器于排風(fēng)系統(tǒng)吸風(fēng)口處，當(dāng)溫度低于5℃時，電加熱器開啟；

（6）加熱器電控箱設(shè)置進(jìn)艙的梯道內(nèi)，防護(hù)等級IP44。同時，航煤油泵艙的進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口避開危險區(qū)域，在系泊蓋上的開敞區(qū)域設(shè)置有菌形通風(fēng)筒。

5 結(jié) 語

通過分析表明：極地環(huán)境下船舶進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮進(jìn)風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)防寒，綜合考慮規(guī)范要求、總體危險區(qū)域劃分、艙室布置、結(jié)構(gòu)限制、舒適美觀等諸多因素進(jìn)行設(shè)計選型，整體進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計性能有待在后續(xù)的航行科考任務(wù)中評估，并根據(jù)實船經(jīng)驗進(jìn)行優(yōu)化。

極地環(huán)境下，船舶進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)的加熱、進(jìn)風(fēng)量也應(yīng)在滿足規(guī)范要求的前提下盡量減小，并盡可能降低加熱能耗。

極地環(huán)境下的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計要注意防寒防凍，以保證在低溫的環(huán)境下，機(jī)器處所和上建艙室都能有效進(jìn)風(fēng)；進(jìn)風(fēng)加熱的設(shè)置在綜合考慮各方因素的情況下，選擇加熱的形式和功率，在確保溫度要求的同時，保證使用安全。