周啟學(xué)，張偉，毛奇志，任晉宇

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院，武漢 430065；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

科考船由于肩負(fù)著科學(xué)考察任務(wù)，船上載有大量精密儀器設(shè)備，布置有大量實(shí)驗(yàn)室和機(jī)房，需要嚴(yán)格的溫濕度環(huán)境；高級(jí)研究人員和科學(xué)家長(zhǎng)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(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jí)綜合物探調(diào)查船，以二維地震調(diào)查作業(yè)為主，地質(zhì)調(diào)查作業(yè)為輔，航行海域?yàn)闊o(wú)限航區(qū)，長(zhǎng)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(kāi)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(kù)、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(jí)最高的船長(zhǎng)間、輪機(jī)長(zhǎng)間、首席科學(xué)家間及第三方貴賓間設(shè)在起居甲板最前面；駕駛甲板僅設(shè)有駕駛室。船舶總布置見(jiàn)圖1。

圖1 船舶總布置(側(cè)視圖)

2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特殊要求

常規(guī)船舶風(fēng)管式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：在機(jī)器處所設(shè)置數(shù)臺(tái)滿足冷/熱量要求的冷水機(jī)組和鍋爐，在各層甲板空調(diào)區(qū)域空調(diào)器間設(shè)置間接式空調(diào)器，通過(guò)冷水機(jī)組或鍋爐產(chǎn)生冷/熱水，管道輸送至間接式空調(diào)器與艙室空氣交換熱量，冷卻/加熱后的空氣經(jīng)通風(fēng)機(jī)送至各空調(diào)房間實(shí)現(xiàn)制冷/制熱。

目標(biāo)船定位高檔，在常規(guī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)師基于船東需求、儀器工作環(huán)境及實(shí)驗(yàn)條件、科考人員需求諸方面總結(jié)如下設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1)作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的科考船，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有一定的先進(jìn)性。

2)目標(biāo)船具有CCS噪聲舒適性附加標(biāo)志 COMF(NOISE 2)，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)需采用減振降噪措施。

3)考慮到取樣的成本及實(shí)驗(yàn)的時(shí)效，不允許空調(diào)出現(xiàn)故障，空調(diào)設(shè)計(jì)需考慮一定的冗余度。

4)實(shí)驗(yàn)時(shí)可能產(chǎn)生不良?xì)怏w和氣味，實(shí)驗(yàn)區(qū)域設(shè)抽風(fēng)，中央空調(diào)新風(fēng)比要求較高。

5)為保證儀器的穩(wěn)定持續(xù)工作，機(jī)房需不間斷恒溫恒濕。

3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的制定

采用風(fēng)管式中央空調(diào)系統(tǒng)為主，獨(dú)立空調(diào)器為輔的形式，既滿足全船空調(diào)需求，又滿足個(gè)性化需求。

3.1 中央空調(diào)系統(tǒng)

選用常規(guī)風(fēng)管式中央空調(diào)系統(tǒng)，在機(jī)艙及輔機(jī)艙設(shè)置制冷用冷水機(jī)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(gè)中央空調(diào)區(qū)：駕駛室+起居甲板，艇甲板，上甲板+主甲板，實(shí)驗(yàn)區(qū)域。

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

空調(diào)負(fù)荷計(jì)算選取較高的新風(fēng)比，實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)?0%，其他區(qū)域?yàn)?0%。

3.2 獨(dú)立空調(diào)器

一般船舶在設(shè)有中央空調(diào)外，不會(huì)過(guò)多的配置獨(dú)立空調(diào)，僅在防火分隔不滿足規(guī)范要求的局部區(qū)域(如機(jī)艙、廚房等)和可能單獨(dú)工作的駕駛室及中央空調(diào)區(qū)域外獨(dú)立房間設(shè)置獨(dú)立空調(diào)。目標(biāo)船因其科考特點(diǎn)和高規(guī)格檔次，獨(dú)立空調(diào)配置方案如下。

1)一般氣候條件不需要開(kāi)啟中央空調(diào)，偶爾有空調(diào)需要的房間，如駕駛室、高級(jí)房間、餐廳等設(shè)有獨(dú)立空調(diào)機(jī)。因?yàn)檫@些房間已經(jīng)設(shè)有中央空調(diào)，所以獨(dú)立空調(diào)按所需負(fù)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(diào)使用，達(dá)到滿意的效果。

2)由于防火分隔和位置偏遠(yuǎn)而不便于安裝中央空調(diào)的一些艙室，如機(jī)艙集控室、聲學(xué)設(shè)備艙、空壓機(jī)控制室、電火花震源室、廚房等設(shè)置獨(dú)立空調(diào)器。這些獨(dú)立空調(diào)的制冷量按所需負(fù)荷的100%配置。

3)對(duì)于溫度濕度控制非常嚴(yán)格的機(jī)房，設(shè)置恒溫恒濕空調(diào)器2套，每套制冷量按所需負(fù)荷的100%配置。1用1備。

4)考慮到實(shí)驗(yàn)區(qū)域的間接式空調(diào)有發(fā)生故障的可能，為保障實(shí)驗(yàn)如期進(jìn)行，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的各個(gè)艙室均設(shè)獨(dú)立空調(diào)器，獨(dú)立空調(diào)的制冷量按所需負(fù)荷的100%配置。

4 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分析

4.1 變風(fēng)量空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)有的船舶和海洋平臺(tái)大多使用定風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)，無(wú)法隨艙室里的冷/熱負(fù)荷改變風(fēng)量?？照{(diào)系統(tǒng)按照可能的最極端環(huán)境溫度設(shè)計(jì)[1]，而這種極端情況很少出現(xiàn)。風(fēng)機(jī)一直在最大風(fēng)量下運(yùn)行，勢(shì)必造成風(fēng)速高，空氣噪聲大，功率消耗大。系統(tǒng)只能根據(jù)回風(fēng)總管上的溫控器跟蹤冷/熱負(fù)荷的變化從而改變送風(fēng)溫度，空調(diào)房間只能調(diào)整布風(fēng)器的開(kāi)度，不能單獨(dú)控制溫度?？瓶既藛T長(zhǎng)期生活在船上，對(duì)工作生活環(huán)境有較高的要求，這種粗放式的空調(diào)系統(tǒng)顯然不能滿足高級(jí)船舶的要求。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)在上世紀(jì)60年代自美國(guó)誕生，隨著變頻調(diào)速技術(shù)和控制水平的提高，目前在陸地上的高級(jí)辦公建筑中，已經(jīng)得到了很大推廣。對(duì)于船用空調(diào)系統(tǒng)，由于其特殊性、復(fù)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(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)[2]。

該技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)。系統(tǒng)中采用變頻風(fēng)機(jī)，在重要的空調(diào)房間和冷/熱負(fù)荷變化大的房間設(shè)有變風(fēng)量末端裝置和溫度控制面板，當(dāng)空調(diào)房間的冷/熱負(fù)荷減小的時(shí)候，通過(guò)測(cè)量和控制系統(tǒng)反饋到間接式空調(diào)器，調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)出風(fēng)量和壓力，降低管道風(fēng)速、降低噪聲、節(jié)約能源。該系統(tǒng)能個(gè)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(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)一般由制冷機(jī)組、變風(fēng)量末端裝置、集中空氣處理機(jī)組、送回風(fēng)管路及其控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成示意見(jiàn)圖2。

圖2 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)組成示意

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的比較見(jiàn)表1。

表1 變風(fēng)量系統(tǒng)與定風(fēng)量系統(tǒng)對(duì)比

本船的餐廳、會(huì)議室、實(shí)驗(yàn)室有尖峰負(fù)荷，船長(zhǎng)室、輪機(jī)長(zhǎng)室、首席科學(xué)家室及第三方貴賓室等高級(jí)住房及實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫度控制要求高，在這些房間裝有變風(fēng)量末端裝置，可以精確調(diào)整進(jìn)風(fēng)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(dá)標(biāo)。在夜晚，許多工作和服務(wù)艙室不需要空調(diào)，空調(diào)負(fù)荷減低，風(fēng)量減小，風(fēng)速風(fēng)壓減小，風(fēng)管噪聲減低，能提供一個(gè)安靜的環(huán)境，提高人員睡眠質(zhì)量。

在高級(jí)住房，特別考慮到個(gè)別人員可能怕冷，布風(fēng)器帶電加熱功能，可以單獨(dú)提高房間溫度，滿足個(gè)性化需求。

4.2 機(jī)房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)

普通船舶機(jī)房?jī)H作為中央空調(diào)的一個(gè)區(qū)域考慮，未單獨(dú)設(shè)置空調(diào)，不能不間斷使用，空調(diào)環(huán)境一般。

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

機(jī)房空調(diào)可選擇多種形式。

1)由機(jī)艙冷水機(jī)組提供冷媒水，機(jī)房設(shè)立柜式風(fēng)機(jī)盤管。

2)專用房間設(shè)水冷冷凝式壓縮機(jī)組，在機(jī)房設(shè)直接蒸發(fā)式風(fēng)機(jī)盤管柜機(jī)。

3)設(shè)水冷或風(fēng)冷式分體柜機(jī)。

對(duì)于1)，因機(jī)房一年四季均要使用，與機(jī)艙冷水機(jī)組僅在夏冬季使用時(shí)間不一致，宜獨(dú)立設(shè)置，故沒(méi)有采用。

對(duì)于2)，需要在機(jī)房附近設(shè)專用空調(diào)器間，并由機(jī)艙的中央冷卻系統(tǒng)持續(xù)供應(yīng)冷卻水。本船總布置緊張，未設(shè)置專用空調(diào)器間，停航期間不想使用復(fù)雜的中央冷卻系統(tǒng)，故未采用。

對(duì)于3)，因國(guó)外有合適的恒溫恒濕風(fēng)冷分體機(jī)產(chǎn)品，比國(guó)內(nèi)產(chǎn)品先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)性好，且不需要額外的冷卻水，機(jī)動(dòng)靈活。故予以采納。

在機(jī)房設(shè)有2臺(tái)進(jìn)口恒溫恒濕空調(diào)室內(nèi)機(jī)，互為備用。機(jī)房電器設(shè)備散熱量非常大，且為內(nèi)部發(fā)熱，熱量不便于發(fā)散，空調(diào)送風(fēng)口直達(dá)儀器內(nèi)部。

常規(guī)空調(diào)風(fēng)管采用上出風(fēng)方式，風(fēng)管布置在房間天花板內(nèi)，向下出風(fēng)。本船機(jī)房空調(diào)風(fēng)管采取下送風(fēng)方式。機(jī)房?jī)啥烁髟O(shè)1套恒溫恒濕空調(diào)機(jī)，空調(diào)機(jī)下部出風(fēng)，上部回風(fēng)，將低溫空氣直接從鋪設(shè)在地板下的風(fēng)管送到機(jī)柜內(nèi)，吸收機(jī)柜的熱量后，從機(jī)房頂部回到空調(diào)機(jī)組頂部，機(jī)房空調(diào)通風(fēng)見(jiàn)圖3。

圖3 機(jī)房空調(diào)通風(fēng)

送風(fēng)優(yōu)點(diǎn)如下。

1)冷風(fēng)直接送至機(jī)柜內(nèi)部，機(jī)柜散熱效果好。

2)冷空氣在下，熱空氣在上，空調(diào)風(fēng)流動(dòng)方向與空氣特性相一致，空調(diào)效果優(yōu)良。

3)地板下的風(fēng)管尺寸可以做得較大，形成了靜壓箱，送風(fēng)風(fēng)壓低，空調(diào)風(fēng)機(jī)和送風(fēng)噪聲低。

4)下送風(fēng)將空調(diào)風(fēng)管隱藏在地板內(nèi)，機(jī)房?jī)艨崭摺⒄R美觀。

由于機(jī)房電路管線安裝在地板下面，施工設(shè)計(jì)時(shí)需要妥善放樣，協(xié)調(diào)考慮與風(fēng)管的關(guān)系。下送風(fēng)方式會(huì)給將來(lái)的線路改造帶來(lái)一定的難度。

4.3 科考區(qū)域空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)

普通測(cè)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(diào)，未單獨(dú)設(shè)置空調(diào)器間。

目標(biāo)船不僅具有地震調(diào)查作業(yè)功能，還兼具地質(zhì)調(diào)查作業(yè)功能。船上設(shè)有大量的科考作業(yè)間，如干實(shí)驗(yàn)室、濕實(shí)驗(yàn)室、通用實(shí)驗(yàn)室、重力儀室、地球物理綜合工作室、資料室、樣品庫(kù)等。設(shè)置專用空調(diào)器間并配置間接式中央空調(diào)器，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)不與其它區(qū)域通用。

國(guó)內(nèi)常規(guī)船舶空調(diào)新風(fēng)比為40%～50%，歐美國(guó)家舒適度要求高，可達(dá)60%～70%?？瓶即目瓶紖^(qū)域可能產(chǎn)生污濁空氣，有更高的新風(fēng)比要求。綜合能效比后確定總新風(fēng)比為70%，實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)比高達(dá)100%，實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)機(jī)械抽風(fēng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)保持負(fù)壓通風(fēng)。必要時(shí)設(shè)置實(shí)驗(yàn)用通風(fēng)柜系統(tǒng)，以免釋放的氣體影響人體健康。

為了防止空調(diào)失效造成重大損失，每個(gè)科考房間均設(shè)有全負(fù)荷的獨(dú)立柜式空調(diào)作為備用，普通船舶不會(huì)設(shè)置。

4.4 空調(diào)系統(tǒng)的降噪措施

船舶減振降噪是一個(gè)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(méi)有舒適性附加標(biāo)志，僅滿足規(guī)范一般要求即可，不會(huì)在減振降噪方面過(guò)多考慮。

目標(biāo)船為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先高檔次科考船，為保證聲學(xué)設(shè)備正常工作及科學(xué)家的生活和睡眠質(zhì)量，體現(xiàn)先進(jìn)性，達(dá)到船級(jí)社噪聲舒適性附加標(biāo)志 COMF(NOISE 2)要求，空調(diào)設(shè)備選型及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同于一般空調(diào)設(shè)計(jì)。需嚴(yán)格限制空調(diào)設(shè)備噪聲指標(biāo)，增加減振降噪處理措施，采用低噪聲元器件，并進(jìn)行系統(tǒng)噪聲預(yù)測(cè)和達(dá)標(biāo)調(diào)試[6]。

4.4.1 總布置的特殊處理

將機(jī)械設(shè)備布置在艙底，遠(yuǎn)離生活艙室和實(shí)驗(yàn)艙室；將空調(diào)器間與空調(diào)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(jí)住艙布置在高層甲板，遠(yuǎn)離機(jī)器處所的噪聲[7]。

4.4.2 選用低噪聲設(shè)備和元器件

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

4.4.3 對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行隔音降噪處理

除了對(duì)船體艙壁、門、窗設(shè)置隔音材料外，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)也做了隔音處理。

將艙室風(fēng)機(jī)設(shè)在噪聲要求低的非居住艙室，如儲(chǔ)藏室、衛(wèi)生間、梯道、走道等；風(fēng)機(jī)殼體內(nèi)表面噴消音漆[12]，部分風(fēng)機(jī)置于隔聲罩內(nèi)，隔聲罩設(shè)計(jì)成可拆密封型，隔聲量不低于20 dB；風(fēng)機(jī)進(jìn)出口用帆布軟連接，接近風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)管上安裝消聲器，阻隔風(fēng)機(jī)空氣噪聲[13]。

合理設(shè)計(jì)管路走向，縮短至末端的管路長(zhǎng)度，適當(dāng)加大流通面積，降低流速；主風(fēng)管根據(jù)其噪聲振動(dòng)情況敷設(shè)具有隔聲減振功能的隔聲阻尼帶；重要空調(diào)通風(fēng)管路設(shè)置阻性消聲器[14](消聲量不低于15 dB(A))，并選用低噪聲布風(fēng)器；通風(fēng)機(jī)和空調(diào)機(jī)組彈性安裝；通風(fēng)機(jī)和風(fēng)管撓性聯(lián)接；風(fēng)管支架和船體彈性聯(lián)接。管路附件在設(shè)計(jì)流速下不產(chǎn)生異常振動(dòng)噪聲。

特別注意回風(fēng)柵的振動(dòng)噪聲控制?；仫L(fēng)柵的敲擊振動(dòng)和低頻噪聲在實(shí)船中比較常見(jiàn)。選用帶靜音箱的回風(fēng)柵，注意風(fēng)柵條要有一定的強(qiáng)度；設(shè)計(jì)時(shí)，加大流通面積，降低流速至1～2 m/s；施工時(shí)，回風(fēng)柵遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)，避免風(fēng)機(jī)噪聲由此擴(kuò)散。

5 實(shí)船測(cè)試

5.1 溫度測(cè)試

實(shí)船對(duì)艙室溫度環(huán)境進(jìn)行了24 h測(cè)試，在艙室溫度設(shè)定在25 ℃和23 ℃時(shí)，其溫度波動(dòng)均不超過(guò)1 ℃。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4、5。

圖4 設(shè)定25 ℃艙室溫度波動(dòng)情況

圖5 設(shè)定23 ℃艙室溫度波動(dòng)情況

由圖4、5可見(jiàn)，當(dāng)室內(nèi)熱負(fù)荷變化時(shí)，房間溫度并不隨著熱負(fù)荷的變化而劇烈波動(dòng)，溫度曲線保持著較為穩(wěn)定的趨勢(shì)。2間艙室分別將溫度設(shè)定在23 ℃和25 ℃時(shí)，兩者并不互相干擾，各艙室溫度均基本恒定，可見(jiàn)應(yīng)用了變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)，使得船舶艙室熱舒適性進(jìn)一步提高。

5.2 噪聲測(cè)試

在常用的經(jīng)濟(jì)航速12 kn下對(duì)艙室噪聲進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2，均達(dá)到CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2012)中噪聲舒適性附加標(biāo)志 COMF(NOISE 2)的要求。

表2 目標(biāo)區(qū)域空氣噪聲測(cè)試