科考船空調通風系統(tǒng)設計特點分析

周啟學，張偉，毛奇志，任晉宇

(1.武漢交通職業(yè)學院，武漢 430065；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

科考船由于肩負著科學考察任務，船上載有大量精密儀器設備，布置有大量實驗室和機房，需要嚴格的溫濕度環(huán)境；高級研究人員和科學家長期在船上工作生活，有必要提供良好的生活環(huán)境。因此,科考船空調通風系統(tǒng)的設計有別于常規(guī)船舶，需要特殊考慮。

1 船舶總布置

本船為4 000 t級綜合物探調查船，以二維地震調查作業(yè)為主，地質調查作業(yè)為輔，航行海域為無限航區(qū)，長87 m、型寬17 m，定員60人。船舶上建前部為5層艙室區(qū)域，后部為2層半開敞工作區(qū)域。5層甲板依次為主甲板、上甲板、艇甲板、起居甲板、駕駛甲板。其中，主甲板和上甲板艙室主要為科考艙室、冷庫、餐廳、廚房及少量船員住艙等；艇甲板和起居甲板主要為居住艙室，等級最高的船長間、輪機長間、首席科學家間及第三方貴賓間設在起居甲板最前面；駕駛甲板僅設有駕駛室。船舶總布置見圖1。

圖1 船舶總布置(側視圖)

2 空調系統(tǒng)設計特殊要求

常規(guī)船舶風管式空調系統(tǒng)設計：在機器處所設置數(shù)臺滿足冷/熱量要求的冷水機組和鍋爐，在各層甲板空調區(qū)域空調器間設置間接式空調器，通過冷水機組或鍋爐產(chǎn)生冷/熱水，管道輸送至間接式空調器與艙室空氣交換熱量，冷卻/加熱后的空氣經(jīng)通風機送至各空調房間實現(xiàn)制冷/制熱。

目標船定位高檔，在常規(guī)設計基礎上，設計師基于船東需求、儀器工作環(huán)境及實驗條件、科考人員需求諸方面總結如下設計特點。

1)作為國內領先的科考船，空調通風系統(tǒng)的設計應具有一定的先進性。

2)目標船具有CCS噪聲舒適性附加標志 COMF(NOISE 2)，空調通風系統(tǒng)需采用減振降噪措施。

3)考慮到取樣的成本及實驗的時效，不允許空調出現(xiàn)故障，空調設計需考慮一定的冗余度。

4)實驗時可能產(chǎn)生不良氣體和氣味，實驗區(qū)域設抽風，中央空調新風比要求較高。

5)為保證儀器的穩(wěn)定持續(xù)工作，機房需不間斷恒溫恒濕。

3 空調系統(tǒng)設計方案的制定

采用風管式中央空調系統(tǒng)為主，獨立空調器為輔的形式，既滿足全船空調需求，又滿足個性化需求。

3.1 中央空調系統(tǒng)

選用常規(guī)風管式中央空調系統(tǒng)，在機艙及輔機艙設置制冷用冷水機組和制熱用鍋爐，按照船舶房間布局和功能，全船大致劃分為4個中央空調區(qū)：駕駛室+起居甲板，艇甲板，上甲板+主甲板，實驗區(qū)域。

考慮到設備冗余度，配置3套冷水機組，2用1備；配置2套鍋爐，1套即可滿足空調制熱要求，另1套滿足生活熱水需求。

空調負荷計算選取較高的新風比，實驗區(qū)域為70%，其他區(qū)域為50%。

3.2 獨立空調器

一般船舶在設有中央空調外，不會過多的配置獨立空調，僅在防火分隔不滿足規(guī)范要求的局部區(qū)域(如機艙、廚房等)和可能單獨工作的駕駛室及中央空調區(qū)域外獨立房間設置獨立空調。目標船因其科考特點和高規(guī)格檔次，獨立空調配置方案如下。

1)一般氣候條件不需要開啟中央空調，偶爾有空調需要的房間，如駕駛室、高級房間、餐廳等設有獨立空調機。因為這些房間已經(jīng)設有中央空調，所以獨立空調按所需負荷的70% 配置。既能滿足偶爾使用需要，也可在極端氣候下，配合中央空調使用，達到滿意的效果。

2)由于防火分隔和位置偏遠而不便于安裝中央空調的一些艙室，如機艙集控室、聲學設備艙、空壓機控制室、電火花震源室、廚房等設置獨立空調器。這些獨立空調的制冷量按所需負荷的100%配置。

3)對于溫度濕度控制非常嚴格的機房，設置恒溫恒濕空調器2套，每套制冷量按所需負荷的100%配置。1用1備。

4)考慮到實驗區(qū)域的間接式空調有發(fā)生故障的可能，為保障實驗如期進行，對實驗區(qū)域的各個艙室均設獨立空調器，獨立空調的制冷量按所需負荷的100%配置。

4 空調系統(tǒng)設計的特點分析

4.1 變風量空調技術的應用

現(xiàn)有的船舶和海洋平臺大多使用定風量中央空調系統(tǒng)，無法隨艙室里的冷/熱負荷改變風量?？照{系統(tǒng)按照可能的最極端環(huán)境溫度設計[1]，而這種極端情況很少出現(xiàn)。風機一直在最大風量下運行，勢必造成風速高，空氣噪聲大，功率消耗大。系統(tǒng)只能根據(jù)回風總管上的溫控器跟蹤冷/熱負荷的變化從而改變送風溫度，空調房間只能調整布風器的開度，不能單獨控制溫度?？瓶既藛T長期生活在船上，對工作生活環(huán)境有較高的要求，這種粗放式的空調系統(tǒng)顯然不能滿足高級船舶的要求。

變風量空調系統(tǒng)技術在上世紀60年代自美國誕生，隨著變頻調速技術和控制水平的提高，目前在陸地上的高級辦公建筑中，已經(jīng)得到了很大推廣。對于船用空調系統(tǒng)，由于其特殊性、復雜性和高成本，現(xiàn)在還只有少量豪華客船、科考船和軍船使用了變風量空調系統(tǒng)[2]。

該技術是對傳統(tǒng)中央空調系統(tǒng)的優(yōu)化升級。系統(tǒng)中采用變頻風機，在重要的空調房間和冷/熱負荷變化大的房間設有變風量末端裝置和溫度控制面板，當空調房間的冷/熱負荷減小的時候，通過測量和控制系統(tǒng)反饋到間接式空調器，調節(jié)變頻風機出風量和壓力，降低管道風速、降低噪聲、節(jié)約能源。該系統(tǒng)能個性化控制房間溫度，滿足人員不同體感需求[3-4]。

典型的變風量空調系統(tǒng)一般由制冷機組、變風量末端裝置、集中空氣處理機組、送回風管路及其控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成示意見圖2。

圖2 變風量空調系統(tǒng)組成示意

變風量空調系統(tǒng)與定風量空調系統(tǒng)的比較見表1。

表1 變風量系統(tǒng)與定風量系統(tǒng)對比

本船的餐廳、會議室、實驗室有尖峰負荷，船長室、輪機長室、首席科學家室及第三方貴賓室等高級住房及實驗室對溫度控制要求高，在這些房間裝有變風量末端裝置，可以精確調整進風量及房間溫度，提高了這些區(qū)域的舒適性、節(jié)能性，保證艙室噪聲的達標。在夜晚，許多工作和服務艙室不需要空調，空調負荷減低，風量減小，風速風壓減小，風管噪聲減低，能提供一個安靜的環(huán)境，提高人員睡眠質量。

在高級住房，特別考慮到個別人員可能怕冷，布風器帶電加熱功能，可以單獨提高房間溫度，滿足個性化需求。

4.2 機房空調通風系統(tǒng)

普通船舶機房僅作為中央空調的一個區(qū)域考慮，未單獨設置空調，不能不間斷使用，空調環(huán)境一般。

科考船需要進行大量數(shù)據(jù)信息的采集、處理和分析，以及對科考設備的監(jiān)測和控制，船上設有專用機房布置大量精密儀器設備，散熱量非常大，需要配置專用空調。由于數(shù)據(jù)十分珍貴，不允許儀器出現(xiàn)故障，所以對環(huán)境要求極高，需不間斷恒溫、恒濕。

機房空調可選擇多種形式。

1)由機艙冷水機組提供冷媒水，機房設立柜式風機盤管。

2)專用房間設水冷冷凝式壓縮機組，在機房設直接蒸發(fā)式風機盤管柜機。

3)設水冷或風冷式分體柜機。

對于1)，因機房一年四季均要使用，與機艙冷水機組僅在夏冬季使用時間不一致，宜獨立設置，故沒有采用。

對于2)，需要在機房附近設專用空調器間，并由機艙的中央冷卻系統(tǒng)持續(xù)供應冷卻水。本船總布置緊張，未設置專用空調器間，停航期間不想使用復雜的中央冷卻系統(tǒng)，故未采用。

對于3)，因國外有合適的恒溫恒濕風冷分體機產(chǎn)品，比國內產(chǎn)品先進，經(jīng)濟性好，且不需要額外的冷卻水，機動靈活。故予以采納。

在機房設有2臺進口恒溫恒濕空調室內機，互為備用。機房電器設備散熱量非常大，且為內部發(fā)熱，熱量不便于發(fā)散，空調送風口直達儀器內部。

常規(guī)空調風管采用上出風方式，風管布置在房間天花板內，向下出風。本船機房空調風管采取下送風方式。機房兩端各設1套恒溫恒濕空調機，空調機下部出風，上部回風，將低溫空氣直接從鋪設在地板下的風管送到機柜內，吸收機柜的熱量后，從機房頂部回到空調機組頂部，機房空調通風見圖3。

圖3 機房空調通風

送風優(yōu)點如下。

1)冷風直接送至機柜內部，機柜散熱效果好。

2)冷空氣在下，熱空氣在上，空調風流動方向與空氣特性相一致，空調效果優(yōu)良。

3)地板下的風管尺寸可以做得較大，形成了靜壓箱，送風風壓低，空調風機和送風噪聲低。

4)下送風將空調風管隱藏在地板內，機房凈空高、整齊美觀。

由于機房電路管線安裝在地板下面，施工設計時需要妥善放樣，協(xié)調考慮與風管的關系。下送風方式會給將來的線路改造帶來一定的難度。

4.3 科考區(qū)域空調通風系統(tǒng)

普通測量考察船，作業(yè)房間少，環(huán)境要求低，常與其他房間共用中央空調，未單獨設置空調器間。

目標船不僅具有地震調查作業(yè)功能，還兼具地質調查作業(yè)功能。船上設有大量的科考作業(yè)間，如干實驗室、濕實驗室、通用實驗室、重力儀室、地球物理綜合工作室、資料室、樣品庫等。設置專用空調器間并配置間接式中央空調器，空調通風系統(tǒng)不與其它區(qū)域通用。

國內常規(guī)船舶空調新風比為40%～50%，歐美國家舒適度要求高，可達60%～70%?？瓶即目瓶紖^(qū)域可能產(chǎn)生污濁空氣，有更高的新風比要求。綜合能效比后確定總新風比為70%，實驗室新風比高達100%，實驗區(qū)設機械抽風，實驗時保持負壓通風。必要時設置實驗用通風柜系統(tǒng)，以免釋放的氣體影響人體健康。

為了防止空調失效造成重大損失，每個科考房間均設有全負荷的獨立柜式空調作為備用，普通船舶不會設置。

4.4 空調系統(tǒng)的降噪措施

船舶減振降噪是一個系統(tǒng)工程，牽涉面寬廣，資金成本上投入巨大。常規(guī)船舶沒有舒適性附加標志，僅滿足規(guī)范一般要求即可，不會在減振降噪方面過多考慮。

目標船為國內領先高檔次科考船，為保證聲學設備正常工作及科學家的生活和睡眠質量，體現(xiàn)先進性，達到船級社噪聲舒適性附加標志 COMF(NOISE 2)要求，空調設備選型及系統(tǒng)的設計不同于一般空調設計。需嚴格限制空調設備噪聲指標，增加減振降噪處理措施，采用低噪聲元器件，并進行系統(tǒng)噪聲預測和達標調試[6]。

4.4.1 總布置的特殊處理

將機械設備布置在艙底，遠離生活艙室和實驗艙室；將空調器間與空調房間以走道、衛(wèi)生間、梯道等隔離；防止噪聲直接傳播。將大部分住艙特別是高級住艙布置在高層甲板，遠離機器處所的噪聲[7]。

4.4.2 選用低噪聲設備和元器件

制定機械設備的振動和空氣噪聲限制指標[8]，空調通風選用變頻風機及彈性安裝[9-11]。艙室抽風機依次優(yōu)先選用管道風機、低噪聲離心風機、低噪聲軸流風機，選用低噪聲元器件，盡量降低設備本身噪聲。

4.4.3 對重點部位進行隔音降噪處理

除了對船體艙壁、門、窗設置隔音材料外，對通風系統(tǒng)也做了隔音處理。

將艙室風機設在噪聲要求低的非居住艙室，如儲藏室、衛(wèi)生間、梯道、走道等；風機殼體內表面噴消音漆[12]，部分風機置于隔聲罩內，隔聲罩設計成可拆密封型，隔聲量不低于20 dB；風機進出口用帆布軟連接，接近風機進出口風管上安裝消聲器，阻隔風機空氣噪聲[13]。

合理設計管路走向，縮短至末端的管路長度，適當加大流通面積，降低流速；主風管根據(jù)其噪聲振動情況敷設具有隔聲減振功能的隔聲阻尼帶；重要空調通風管路設置阻性消聲器[14](消聲量不低于15 dB(A))，并選用低噪聲布風器；通風機和空調機組彈性安裝；通風機和風管撓性聯(lián)接；風管支架和船體彈性聯(lián)接。管路附件在設計流速下不產(chǎn)生異常振動噪聲。

特別注意回風柵的振動噪聲控制?；仫L柵的敲擊振動和低頻噪聲在實船中比較常見。選用帶靜音箱的回風柵，注意風柵條要有一定的強度；設計時，加大流通面積，降低流速至1～2 m/s；施工時，回風柵遠離風機，避免風機噪聲由此擴散。

5 實船測試

5.1 溫度測試

實船對艙室溫度環(huán)境進行了24 h測試，在艙室溫度設定在25 ℃和23 ℃時，其溫度波動均不超過1 ℃。測試結果見圖4、5。

圖4 設定25 ℃艙室溫度波動情況

圖5 設定23 ℃艙室溫度波動情況

由圖4、5可見，當室內熱負荷變化時，房間溫度并不隨著熱負荷的變化而劇烈波動，溫度曲線保持著較為穩(wěn)定的趨勢。2間艙室分別將溫度設定在23 ℃和25 ℃時，兩者并不互相干擾，各艙室溫度均基本恒定，可見應用了變風量中央空調系統(tǒng)，使得船舶艙室熱舒適性進一步提高。

5.2 噪聲測試

在常用的經(jīng)濟航速12 kn下對艙室噪聲進行測試，結果見表2，均達到CCS《鋼質海船入級規(guī)范》(2012)中噪聲舒適性附加標志 COMF(NOISE 2)的要求。

表2 目標區(qū)域空氣噪聲測試