某船工作艙室的空調(diào)加裝方案

尹墨晗，魏文俊

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要用于夏季和冬季的空氣處理，為艙室提供具有一定溫度、濕度和清潔度的空氣。對于配有散熱量較大的設(shè)備的工作艙室，會增設(shè)輔助空調(diào)設(shè)備，如：柜式空調(diào)機、風(fēng)機盤管等，用來配合中央空調(diào)系統(tǒng)控制艙內(nèi)的溫度，

為船員提供一個舒適的工作環(huán)境。某船是依據(jù)GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》設(shè)計的系列產(chǎn)品，其中一個工作艙室同時配備了給船員使用的頂式布風(fēng)器，及為艙內(nèi)設(shè)備散熱而提供輔助制冷的風(fēng)機盤管。然而該系列產(chǎn)品的2號船在航行試驗階段，根據(jù)船東要求在上述工作艙室中增加了1臺散熱量較大的電子機柜，導(dǎo)致艙內(nèi)的溫度高于設(shè)計要求。對此制定了3種空調(diào)設(shè)備的加改裝方案，鑒于2號船的建造階段、施工完整性和各種方案的返工量等因素，本文從施工、設(shè)計和成本等方面，對3種加改裝方案進(jìn)行分析和評價，總結(jié)出最經(jīng)濟(jì)、省時和方便施工的加裝方案，也為后續(xù)其他船舶遇到類似情況時，提供改裝經(jīng)驗、設(shè)計思路和借鑒。

1 某船的設(shè)計現(xiàn)狀介紹

1.1 原設(shè)計狀態(tài)和改裝狀態(tài)的介紹

某船是依據(jù)GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》設(shè)計的系列產(chǎn)品（簡稱“本船”），主要采用冷水機組、間接式空調(diào)器和布風(fēng)器等，作為空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要設(shè)備，為住艙和工作艙室提供具有一定溫度、濕度和潔凈度的空氣；以柜式空調(diào)器、風(fēng)機盤管和空氣冷卻器等，作為部分工作艙室的輔助空調(diào)設(shè)備。本船的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是根據(jù)人員數(shù)量和艙內(nèi)設(shè)備的散熱量等，對各艙室的空調(diào)通風(fēng)的冷量負(fù)荷和風(fēng)量進(jìn)行計算（見表1）和對空調(diào)設(shè)備進(jìn)行選型的。其中，電子室配備了1臺風(fēng)量為0～250 m3/h的布風(fēng)器和1臺制冷量為4 000 kcal/h的風(fēng)機盤管。

表1 空調(diào)通風(fēng)的冷量負(fù)荷和風(fēng)量計算表

電子室配有電子機柜、電氣設(shè)備、文件柜和書桌等，根據(jù)理論計算，現(xiàn)有的空調(diào)設(shè)備可以滿足夏季工況下(27±2) ℃的設(shè)計要求[1]。然而，根據(jù)船東要求，本系列產(chǎn)品的2號船將電子室內(nèi)的書桌改為了1臺電子機柜（見圖1）。試航期間是夏季工況，外界環(huán)境溫度接近于34 ℃的設(shè)計要求[1]，期間發(fā)現(xiàn)艙室的溫度較高，船員的感覺工作環(huán)境較熱。

圖1 2 號船的改裝示意圖

1.2 改裝后的冷量負(fù)荷計算和分析

經(jīng)核實，增設(shè)的電子機柜的散熱量～1 000 kcal/h，且電子機柜5經(jīng)過換裝，散熱量在原有基礎(chǔ)上增加了～400 kcal/h。對于電子室的艙室顯熱[3]和冷量負(fù)荷計算如式（1）：

式中：qs為艙室內(nèi)總得熱量，W；qt為艙室的傳入熱量，W；qp為艙室內(nèi)計算人數(shù)人體發(fā)熱量，W；ql為艙室內(nèi)照明熱量，W；qe為艙室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量，W；qf為食物熱量，W。

2號船改裝后，僅將原有的書桌改為電子機柜，將電子機柜5進(jìn)行換裝，其他布置和艙內(nèi)工作人員的數(shù)量并未改變，因此僅qe發(fā)生了變化，其他參數(shù)與原設(shè)計相同。將增設(shè)和換裝后的設(shè)備發(fā)熱量代入公式（1）得到：qs'=4 790 kcal/h，即2號船電子室的理論艙室顯熱為4 790 kcal/h。因輔助設(shè)備冷量沒有改變（見表1），2號船電子室的多余艙室顯熱為790 kcal/h。用于電子室的集中式空調(diào)器的理論送風(fēng)溫度為16.5 ℃，夏季工況下設(shè)計溫度為(27±2) ℃。艙內(nèi)設(shè)備散熱量較大時按極限溫升計算通風(fēng)量[1-2]如式（2）：

式中：Q為艙室通風(fēng)量，m3/h；Ht為艙內(nèi)設(shè)備散熱量，kW；Δt為允許極限溫升，℃；ρ為空氣密度，取為1.2 kg/m3；Cp為空氣比熱，取為1.0 kJ/(kg·K)。

電子室已配有4 000 kcal/h的風(fēng)機盤管作為輔助空調(diào)設(shè)備，因此可理解為電子室需要靠空調(diào)送風(fēng)帶走的艙內(nèi)得熱量為790 kcal/h，即0.919 kW。又因集中式空調(diào)器的理論送風(fēng)溫度為16.5 ℃，本艙需要達(dá)到的溫度為(27±2) ℃，則艙內(nèi)的允許極限溫升可以計為12.5 ℃。將上述參數(shù)代入式（2）得：Q=220.56 m3/h＜250 m3/h。

從上述計算可知，雖然2號船對電子室進(jìn)行的換裝和改裝，導(dǎo)致電子室的總得熱量增大，但原設(shè)計中輔助設(shè)備冷量和分配風(fēng)量的換熱量總和，理論上能夠滿足電子室在允許極限溫升時的散熱需求，但僅限于外界氣候環(huán)境不超過設(shè)計要求的34 ℃和65%相對濕度[1]的前提下。因此對于試航期間電子室的溫度過高、船員的感覺工作環(huán)境較熱的情況，其原因分析如下：

1）雖然外界環(huán)境溫度接近于設(shè)計溫度34 ℃，但新風(fēng)的相對濕度高于設(shè)計要求的65%，導(dǎo)致經(jīng)集中式空調(diào)器處理后，送至本艙的送風(fēng)溫度大于16.5 ℃的理論值，則式（2）中的允許極限溫升Δt發(fā)生變化，上述理論計算不成立。因此船員在本艙工作時，由于實際的溫度超過27 ℃，略高于夏季工況時的人體舒適溫度19 ℃～25 ℃[3]，使得船員感受到的體感溫度較高，產(chǎn)生艙內(nèi)溫度較高的主觀感受。

2）由于2號船在調(diào)節(jié)各艙室分配風(fēng)量、設(shè)置集中式空調(diào)器回風(fēng)溫度時，是參考1號船的調(diào)試經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致2號船在實際使用時，整個空調(diào)區(qū)域的回風(fēng)溫度已達(dá)到設(shè)定值，集中式空調(diào)器的電子三通閥開始動作，空調(diào)器降工況運行、換熱量降低，使得各送風(fēng)管的送風(fēng)溫度大于16.5 ℃的理論值，則上述理論計算同樣不成立，引起本艙分配風(fēng)量的換熱量不足以帶走多余得熱量，艙室溫度超標(biāo)。

3）電子機柜的實際散熱量高于船東提供的理論數(shù)據(jù)；試航期間本艙的實際船員人數(shù)多于設(shè)計需求；空調(diào)系統(tǒng)運行時，艙室門未關(guān)閉等使用不合理的情況。

2 加改裝方案及其分析

2.1 空調(diào)加改裝方案簡介

針對上述情況，為從根本上解決電子室的溫度超標(biāo)問題，需要根據(jù)2號船換裝和改裝后的電子室的總得熱量，重新計算冷量負(fù)荷，選取制冷量相當(dāng)?shù)妮o助空調(diào)設(shè)備。其中，上述原因分析3）是使用不當(dāng)，不作為空調(diào)加改裝方案的依據(jù)和考核指標(biāo)。則主要的加改裝方案有：

1）將制冷量為4 000 kcal/h的風(fēng)機盤管，改為制冷量為6 000 kcal/h的風(fēng)機盤管（見圖2）。改裝后的風(fēng)機盤管外形尺寸增大，需要相應(yīng)調(diào)整本艙前壁的設(shè)備布置，需對原有的設(shè)備基座和電氣支架進(jìn)行重新制作和裝焊。然而，主要的修改部分在于循環(huán)水管和冷凝水管的修改。

圖2 風(fēng)機盤管換裝布置圖

如圖3 所示，電子室的空調(diào)設(shè)備改為6 000 kcal/h風(fēng)機盤管后，根據(jù)設(shè)備資料的管徑需求，AF93、94循環(huán)水管改為32×2，SC357凝水管維持25×2。AF79、80循環(huán)水管和SC389凝水管的管徑則需要參考相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行調(diào)整。如表2所示[4-5]，由于AF79、80循環(huán)水管承擔(dān)的循環(huán)水流量增加為6.5 m3/h，則原管徑為45×3（DN40）的循環(huán)水管的理論流速將變?yōu)?.51 m/s，超過設(shè)計值較多，應(yīng)改為理論流速為1.14 m/s、管徑為57×3（DN50）的循環(huán)水管；SC357凝水管承擔(dān)的設(shè)備冷負(fù)荷為16.282 kW，可選用管徑為32×2（DN25）的凝水管，維持原狀。

圖3 循環(huán)水管、凝水管原理圖（單位：mm）

表2 循環(huán)水管和凝水管的管徑調(diào)整

2）將制冷量為4 000 kcal/h的風(fēng)機盤管，改為制冷量為6 kW的柜式空調(diào)機（見圖4）。由于立式風(fēng)機盤管和立柜式空調(diào)機的型式不同，需對電子室前壁的設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，并從附近配有柜式空調(diào)機的工作艙室中連接一路海水冷卻管至電子室。同理，根據(jù)設(shè)備資料的管徑需求，增設(shè)一路連接電子室的柜式空調(diào)機的海水冷卻管，管徑為30×1.5。如表3所示[1]，由于WC95、96海水冷卻管承擔(dān)的冷卻海水流量增加為2.8 m3/h，則理論流速將變?yōu)?.36 m/s，無需修改；SC357凝水管承擔(dān)的設(shè)備冷負(fù)荷為415.304 kW，選用管徑為32×2（DN25）的凝水管，走向與改裝方案1相同。

圖4 柜式空調(diào)機改裝示意圖（單位：mm）

表3 海水冷卻管的管徑選擇

3）增加1 臺制冷量為5 kW 的分體式空調(diào)（見圖5），與市場品中2 匹空調(diào)的制冷量相同。在不修改電子室原有設(shè)備、不增加循環(huán)水管和海水冷卻管的前提下，在舷側(cè)增加1 臺分體式空調(diào)，利用廁所舷側(cè)的通風(fēng)圍井布置室外機。經(jīng)計算，室內(nèi)機與室外機的理論接管長度不超過4 m，可以滿足一般分體式空調(diào)的接管長度要求；需選擇室外機的外形尺寸不大于550 mm×770 mm×290 mm（高×長×厚）的分體式空調(diào)，即可布置到通風(fēng)圍井中。與方案1 和方案2 相同，分體式空調(diào)的凝水管借至SC357 凝水管，走向和管徑不做修改。

圖5 分體式空調(diào)加裝布置圖（單位：mm）

2.2 3 種方案的分析和對比

上述3種加改裝方案都是從理論計算上，根據(jù)改裝后的電子室的總得熱量，選擇與之匹配的冷負(fù)荷，都能解決2號船電子室的實際問題。然而，2號船處于試航階段，艙室的施工完整性、系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)等工作均已完成。對電子室的空調(diào)加改裝方案進(jìn)行選擇時，秉承改動性最小的原則，同時兼顧使用效果良好、施工周期短、牽連工程少和適當(dāng)考慮成本等因素?；谏鲜鼍C合因素，對3種方案的工作量和成本等進(jìn)行分析：

1）3種方案都是根據(jù)2號船電子室的總得熱量進(jìn)行計算，對空調(diào)設(shè)備的冷負(fù)荷進(jìn)行選型的，在夏季工況下的使用效果良好。然而，春、秋季存在全船冷水機組不開啟的情況，若此時電子室的電子機柜都處于開啟狀態(tài)，艙內(nèi)電子設(shè)備仍會散發(fā)熱量。則對于風(fēng)機盤管換裝的方案而言，在循環(huán)水系統(tǒng)沒有運行的情況下，僅靠集中式空調(diào)器送入的新風(fēng)，不足以解決電子室設(shè)備散熱的問題。若此時開啟冷水機組和循環(huán)水系統(tǒng)，因春、秋季工況下的住艙更容易達(dá)到設(shè)計溫度，使集中式空調(diào)器的回風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值，電子三通閥動作，進(jìn)而引起集中式空調(diào)器和冷水機組降工況運行，導(dǎo)致電子室這類設(shè)備散熱量較高的工作艙室的實際溫度范圍不穩(wěn)定。則在春、秋季工況下，需要對集中式空調(diào)器和冷水機組的動作溫度進(jìn)行重新設(shè)定，或?qū)⒓惺娇照{(diào)器的感溫信號調(diào)整為典型艙室的溫度。針對上述使用情況的分析，顯然柜式空調(diào)機和分體式空調(diào)作為獨立的輔助空調(diào)設(shè)備，無需考慮季節(jié)的影響因素，因此方案2和方案3的使用效果更為優(yōu)良、人員操作更簡單。

2）從2.1節(jié)中3種方案的介紹可知，風(fēng)機盤管換裝和柜式空調(diào)機改裝均需要對原設(shè)備、基座和管附件進(jìn)行拆除、重新安裝，因水管規(guī)格需要對附近2個工作艙室進(jìn)行水管修改，涉及艙壁開孔、涂裝、甲板敷料修補等牽連工程，甚至需要對已安裝的電子設(shè)備進(jìn)行移位。而分體式空調(diào)管的加裝方案則無需拆除原有的風(fēng)機盤管、沒有設(shè)備需要移位、已裝船的管附件等均維持原狀，只需對分體式空調(diào)及其接管進(jìn)行安裝即可，僅涉及到安裝支架的裝焊、涂裝和艙壁絕緣層的修補，因此方案3的整體工作量最小。

3）由于風(fēng)機盤管換裝和柜式空調(diào)機改裝的工作量基本相同，又有設(shè)備拆除等牽連工作量，而分體式空調(diào)加裝方案的工作量明顯少于上述兩種方案，故無需詳細(xì)考慮和計算工作人員的施工費用，僅靠設(shè)備和管材價格即可確定，方案3的整體成本最低（見表4）。

表4 3 種方案的成本比較

綜上所述，從改動性最小、使用效果良好和成本等綜合因素考慮，增加分體式空調(diào)的方案是最簡易和便捷的方案（見表5）。同時，該方案可以在維持現(xiàn)有施工狀態(tài)、不破壞各艙室的施工完整性，且該方案實施后，在春、秋季等轉(zhuǎn)季節(jié)的工況下，無需對本區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，具備使用靈活的特點。經(jīng)船東認(rèn)可，2號、3號船均采用了分體式空調(diào)的方案。

表5 3 種方案的綜合對比

3 結(jié)論

空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是用于保證工作艙室內(nèi)部溫度適宜，為船員提供舒適工作環(huán)境的船舶輔助系統(tǒng)。因艙室得熱量計算錯誤、空調(diào)設(shè)備冷負(fù)荷選型偏小、艙室設(shè)備加改裝等因素，引起艙室得熱量與空調(diào)設(shè)備冷負(fù)荷不匹配的情況，必將影響實船的使用效果。無論何種因素引起的室溫超標(biāo)，只要在船舶的施工完整性較好、已具備航行狀態(tài)時，發(fā)生上述任一情況，需要對某工作艙室的空調(diào)設(shè)備進(jìn)行加改裝，均可以采用分體式空調(diào)的加裝方案。

由于本文方案中空調(diào)設(shè)備為壁掛式，較容易在工作艙室內(nèi)進(jìn)行加裝、布置，只需在人員容易到達(dá)、可散熱和內(nèi)外機間距滿足接管的區(qū)域布置室外機即可。本方案具備施工便捷、不破壞施工狀態(tài)、無需大量返工、經(jīng)濟(jì)和使用靈活等特點，是施工完整性較好的船舶在空調(diào)設(shè)備加改裝時的優(yōu)選方案。