蘇景南

0 引言

模塊化工藝廣泛應用于全世界范圍內的工程領域，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）工業(yè)的模塊化建造也成為一種趨勢。LNG 在開采、處理和運輸過程中需要大量的配電設備和監(jiān)測控制系統(tǒng)支持。E-house 是一個集成的、工程化的電氣解決方案，是一個安裝在預制的、緊湊的、可運輸?shù)?、客戶化定制的、具有正壓和空調的外殼內的系統(tǒng)。在不同的環(huán)境條件下為客戶提供持續(xù)的供電、監(jiān)視和控制[1]。E-house 的使用可以大大提升LNG 工業(yè)系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。

Arctic LNG2 項目位于俄羅斯北極圈內，其工作環(huán)境嚴寒惡劣。為此，該LNG 模塊E-house 的暖通空調（Heating, Ventilation and Air Conditioning，HVAC）系統(tǒng)需從計算、設備選型、系統(tǒng)設計等方面進行全面考慮。本文詳細介紹了HVAC 系統(tǒng)的計算方法、設計流程、設備選型和設計過程中的重點難點，探討了極地LNG 模塊項目HVAC 系統(tǒng)設計的發(fā)展方向。

1 設計條件

北極圈內，冬季長夏季短。冬季標準室外工況環(huán)境溫度為-44 ℃，極限工況室外溫度可達-52 ℃，相對濕度為79%；空調系統(tǒng)夏季室外設計溫度為17 ℃，相對濕度為86%。

根據(jù)功能的不同，將E-house 內部劃分多個獨立功能處所，在模塊正常運行時，各個處所的環(huán)境條件要求見表1。

表1 艙室內部設計條件

在極地超低溫工況下，室內外設計最大溫差達67 K（1 K=273.15 ℃）。對于有溫度要求的艙室，為艙室配備空調系統(tǒng)進行加熱或者冷卻以保證其設定溫度，同時，為減少艙室與外界的熱傳遞，通常需要在兩側溫差較大的艙壁敷設隔熱絕緣[2]。

通常使用U值（傳熱系數(shù)）表示材料在單位面積上允許熱量通過的能力，U值越低說明隔熱絕緣保溫性越好。根據(jù)俄羅斯隔熱絕緣規(guī)范SP 50.13330和SP 23-101-2004 對建筑物熱防護的要求：熱阻的降低不允許超過特定值；隔熱材料特性不允許超過特定值；建筑物內部圍壁的溫度不能低于最少允許值[3-4]。各位置U值最低要求見表2。

表2 U 值最低要求

2 負荷計算

為保證E-house 正常運行，空調系統(tǒng)需能在各種工況下保證E-house 內環(huán)境條件達到設計要求。而空調系統(tǒng)設備選型的重要基礎便是負荷計算，負荷計算也是在設計初期評估空調系統(tǒng)能否滿足設計要求的重要支持文件，其內容包括艙室傳熱計算、空調系統(tǒng)風量計算、冷熱負荷計算、加濕量計算等[5]。

2.1 傳熱計算

傳熱是指由于溫度差引起的能量轉移，又稱熱傳遞。由熱力學第二定律可知，凡是有溫度差存在時，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術領域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。傳熱的產生勢必會造成一定的能量損失，此部分能量損失的計算是艙室空調系統(tǒng)負荷計算的重要組成部分[6]。傳熱計算可以使用傳統(tǒng)公式算法或者軟件計算得出。

2.1.1 公式計算法

傳統(tǒng)公式計算方法是已知艙壁（或者天花板、地板、門、窗）的面積、U值和其兩側的溫差，利用式（1）[7]進行計算：

式中：Q為傳熱量；A是傳熱面積；U是傳熱系數(shù)，可根據(jù)不同材料的屬性、厚度和其表面風速計算得出；ΔT為溫差。

2.1.2 HAP 計算法

Carrier HAP 逐時分析程序是一個二合一的工具。該程序可進行全面的建筑物負荷計算并提供系統(tǒng)選型信息，并能全年8 760 h 模擬建筑物能量耗費。HAP 使用了ASHRAE 推薦的傳遞函數(shù)方法，可輸出相應計算圖表，并運行產生相關的報告[8]。

采用HAP 對各艙室進行傳熱計算，其計算結果作為空調系統(tǒng)負荷計算的輸入條件。開始HAP計算前，需提供項目目標工作地、環(huán)境條件、絕緣信息和艙室劃分信息等作為計算輸入條件。

為滿足苛刻的極地環(huán)境和嚴格的U值要求，艙室四周圍壁采用3層絕緣，頂部甲板采用2層絕緣，根據(jù)不同的絕緣厚度和鋼圍壁厚度來計算圍壁的U值，外墻顏色選擇為黑色，表面吸收率為0.9，計算得到總U值為0.251 m2·K，參數(shù)選擇情況見表3。

結合上述輸入條件，以儀表間圍壁為例，制冷數(shù)據(jù)取自于7 月14 日15 時，室外干球/濕球溫度為17.0 ℃/15.5 ℃，室內設計溫度為23.0 ℃；制熱數(shù)據(jù)取自于設計工況，室外干球/濕球溫度為-44.0 /℃-44.1 ℃，室內設計溫度為10.0 ℃。通過HAP 計算得出的冷、熱負荷見表4，其冬季傳熱負荷在選取10%余量的情況下為8 469 W。而采用公式計算法并考慮10%余量的計算結果為8 483 W，與HAP 計算值相差不超過0.2%。結果表明：兩種計算方法所得計算結果偏差不大，均真實可靠。

表4 HAP 計算傳熱值

2.2 散熱計算

艙室內散熱量包括人體的顯熱和潛熱、設備正常工作時散發(fā)的熱量。E-house 屬于非人員居留處所，其室內散熱量主要來源于電氣設備和燈具照明散發(fā)出的熱量。根據(jù)業(yè)主要求，在進行空調負荷計算時，僅考慮永久工作設備散熱量的50%作為空調負荷計算的輸入條件。燈具照明散熱量按照房間面積進行估算，散熱量選取為5 W/m2。

2.3 風量計算

艙室送風風量需滿足多種功能需求，包括艙室換氣次數(shù)、新風換氣次數(shù)、提供加熱和制冷的最低風量要求，需要依次進行計算，并選取其中的最大值作為艙室最終選定送風風量、所有艙室送風量之和為空調系統(tǒng)所選取的總風量[9]。

在極地夏季工況下，室外溫度低于室內設計溫度，因此可不專門設置制冷系統(tǒng)，通過向艙室送入自然空氣便可達到良好的冷卻效果。但在計算送入空氣的冷量時，需要考慮空調器內風機產生的溫升ΔTf，空調器送入艙室內的溫度應為室外溫度與ΔTf之和。ΔTf可根據(jù)式（2）進行計算[10]。

式中：ΔTf為空氣經(jīng)過風機產生的溫升；ΔP為風機靜壓；ρ為空氣密度；Cp為空氣比熱；ηf為風機效率；ηm為風機馬達效率。

艙室排風風量需根據(jù)送風風量和正壓平衡來確定，通常可取送風風量相比排風風量多0.5 次/小時，以此來保證艙室內正壓。

3 主要設備選型

為滿足E-house 持續(xù)運行的需求，所有空調主設備如中央空調器、單元空調、通用排風機、蓄電池間排風機等均設置一用一備，在一臺設備故障失效時，另一臺設備迅速自動啟動，保證艙艙室環(huán)境穩(wěn)定。在模塊運輸和保存工況下，所有設備需能承受-40 ℃低溫環(huán)境。所有設備應滿足俄羅斯法規(guī)GOST 23660 的相關要求，設備要易于維護且需要配備維護手冊。

3.1 中央空調器

空調器的外殼為雙層不銹鋼殼體，內附不可燃隔熱隔音絕緣，殼體性能需滿足如下要求[11]：

1）殼體強度要滿足D2 等級，最大相對偏差不超過10 mm/m。

2）殼體空氣泄露要滿足L2等級，在400Pa 正壓下，最大泄漏量不超過0.44 L/(s·m2)，在700 Pa正壓下，最大泄漏量不超過0.63 L/(s·m2)。

3）濾器旁通泄露要使用F7型濾器，在400 Pa正壓下最大旁通泄露量不超過總風量的2%。

4）傳熱系數(shù)要滿足T2 等級，殼體U值要滿足0.5≤U≤1.0。

5）熱橋要滿足TB3 等級，熱橋系數(shù)kb要介于0.45和0.60 之間，其計算公式為

式（3）～式（5）中：Δtmin為最小溫差；Δtair為空氣間溫差；ti為空調器殼體內部空氣溫度；ta為空調器殼體外部空氣溫度；tsmax為空調器殼體外部最大空氣溫度。加熱盤管采用熱流體循環(huán)加熱，熱流體采用溫度為115 ℃，質量分數(shù)為60%的乙二醇水溶液。加熱盤管需設置乙二醇水溶液泄露探頭，并與控制系統(tǒng)相連。加熱盤管內熱流體的流速vs應滿足0.12 m/s≤vs≤1.75 m/s，盤管流量不能超過設計流量的10%[12]。

3.2 風閘

3.2.1 防火風閘

防火風閘最低需滿足EI45 防火等級，模塊外墻和屋頂需滿足EI60(H)防火等級。防火風閘的材質為316L不銹鋼，關閉形式采用氣動或者電動驅動模式，關閉時間不超過3s?？諝庑孤┝吭? 000 Pa正壓下不超過0.08m3/(s·m2)。防火風閘需取得俄羅斯海關聯(lián)盟的認證（取得CUTR-043證書），其試驗程序需依照俄羅斯建筑結構防火試驗程序GOST REN 1363-2[13]來進行。對于EI60(H)防火等級，防火風閘需要在碳氫火焰下進行試燒試驗，碳氫火焰具有燃燒溫度高、升溫快等特點。防火風閘試驗時間-溫度曲線見圖1。試驗對防火風閘的結構和部件要求極高，目前安裝在鋼結構構筑物上的防火風閘很難通過該試驗，如有相關的防火等級要求，需要與業(yè)主澄清取證事宜，避免交付困難。

圖1 防火風閘試驗時間-溫度曲線

3.2.2 防爆風閘

服務于LNG開采項目的E-house模塊隨時都承受著外部爆炸的風險，為此模塊采用了防爆外墻以抵御爆炸沖擊的危害。數(shù)量眾多的對外通風開孔也需要采取相應保護措施，以免模塊內部人員和設備受損。防爆風閘是一種能夠在經(jīng)受爆炸沖擊波作用下，當壓力超出限值時自動關閉的風閘。該風閘能有效抵御沖擊波，適合安裝在風管和通風開孔處。根據(jù)防爆計算，防爆風閘需能承受6 次最高100 kPa的沖擊壓力，最低關閉壓力為3 kPa。

3.3 室外風口裝置

室外風口裝置包含百葉窗、擋風板、除霧器、通風帽。因冬季溫度可低至-52 ℃，對于所有安裝在進風管路上的風口裝置，需設置防凍除冰裝置，并設置集液盤和泄放管。除冰裝置、集液盤和泄放管需要敷設電伴熱。敷設電伴熱的百葉窗示意圖見圖2。

圖2 敷設電伴熱的百葉窗示意圖

對于安裝在排風口的風口裝置，若艙室內無加濕裝置，則排出空氣的溫度在10 ℃左右，含濕量極低，通常不需要設置防凍除冰裝置。因儀表間內的儀控設備工作時有40%～60%相對濕度的要求，而儀表間內排出空氣的濕度較大，需對排出管路進行露點溫度計算以判斷是否需要在排風口增加電伴熱裝置。注意此處的室外排風管路可以包覆絕緣以降低排風管路內壁的露點溫度，滿足設計要求。

4 風管設計

風管的設計主要包括風管屬性的選擇和通風空調系統(tǒng)管路原理的設計。風管屬性包括風管材質、隔熱絕緣、防火絕緣、氣密性等。通風空調系統(tǒng)的管路設計則需要滿足不同艙室的功能和相關法規(guī)的要求。

4.1 風管屬性

不同使用環(huán)境下風管材質、壁厚、氣密性等要求見表5。

表5 風管材質等級

俄羅斯規(guī)范GOST R EN 13779[14]將空調系統(tǒng)的部件和系統(tǒng)分為A、B、C、D 等4 個等級，不同等級對應不同空氣泄漏量，具體見式（6）。

式中：f為空氣泄漏量；p為靜壓。

根據(jù)俄羅斯規(guī)范SP 60.13330[12]的相關要求，為了保證風管功能的完整性，風管的緊固件、風管支架等需要具有不低于風管防火等級的要求。因此，部分具有防火等級的風管支架需采用防火絕緣包裹以滿足防火要求，支架包裹防火絕緣節(jié)點布置情況見圖3。

圖3 防火風管支架絕緣節(jié)點布置圖

4.2 管路原理

HVAC 系統(tǒng)管路原理主要是根據(jù)規(guī)格書、計算書、相關規(guī)范的要求來對HVAC 設備、附件、風管進行布置，使HVAC 系統(tǒng)滿足設計需求。

4.2.1 進風口與排風口

工作在極地的模塊，需要考慮降雪的影響，避免進風口和排風口被積雪封堵，影響空調通風系統(tǒng)正常工作。根據(jù)俄羅斯規(guī)范SP 60.13330[12]的相關要求，室外風口最低點的高度應高于雪線至少1m，且要超過所在甲板平面2 m，Arctic LNG2 項目的平均積雪高度為0.4m，因此所有進風口與排風口的最低高度至少要所在甲板2 m以上。

對于進風口的布置，還應滿足以下原則：

1）進風口與危險區(qū)域的最少距離應保持在5 m以上。

2）若進風口附件設置有LNG 管線壓力釋放閥，進風口與壓力釋放閥的水平距離應在20 m 以上。

3）服務于不同防火區(qū)域的進風口，其水平與垂直距離均應超過3 m。

1.2.1 實驗組教學方法 Mini-CEX考核評估項目包括7種：病史采集；體格檢查；醫(yī)德醫(yī)風；醫(yī)患交流；臨床診斷；治療方案；整體評價。實施步驟：（1）設計以Mini-CEX考核內容為基礎的內科護理學授課計劃及內容，并在教案中體現(xiàn)。（2）教師布置病例，要求護生結合病例進行角色扮演，內容包括病史采集、體格檢查、臨床診斷、治療方案，其間要體現(xiàn)醫(yī)德醫(yī)風、醫(yī)患交流。（3）每次課程最后20分鐘，教師抽取1名護生以Mini-CEX考核表格進行全面考核，當場進行評價并反饋。Mini-CEX的優(yōu)點是護生可以及時獲得反饋，在給一名護生進行反饋的同時，其他護生也有收獲。

4）進風口距離氣體排風風口的水平距離應不少于10 m。若低于10 m，則垂直距離應超過6 m。

5）進風口與具有可燃物質的煙氣排出口的距離應不少于5 m。

6）應急氣體排出口應高于所在甲板平面3m以上。

4.2.2 危險氣體進入時間與進風管長度

危險氣體進入時間是指進風口吸入危險氣體，經(jīng)過危險氣體探頭檢測并反饋給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)發(fā)出關閉信號給進風管路上的氣密關閉風閘，氣密關閉風閘執(zhí)行關閉操作所需的時間。為防止危險氣體進入到模塊內，進風管路長度應根據(jù)風管內風速和危險氣體進入時間來進行計算，使危險氣體被阻斷在氣密關閉風閘之外。根據(jù)系統(tǒng)設計，確定危險氣體進入時間為5s，包括以下3 部分：1）氣體探頭檢測和反映時間，1.5s；2）氣體探頭傳遞信號給中控系統(tǒng)，且中控系統(tǒng)傳遞關閉信號給氣密關閉風閘時間，1.5s；3）風閘關閉時間，2.0 s。

4.2.3 升高地板區(qū)域通風管路設計

升高地板通常使用在電氣、儀表設備間內，是一種架空地板，地板上布置各類電氣設備，地板下布置電纜。為避免電纜區(qū)域熱量聚集，升高地板下方需要設置通風空調系統(tǒng)進行散熱。設計升高地板區(qū)域通風系統(tǒng)時，需重點關注以下3 個方面：

1）合理布置送風口，保證氣流能夠有效地吹掃整個區(qū)域，避免不同風口覆蓋區(qū)域重復造成氣流紊亂，從而產生通風死角。

2）選擇合理的升高地板通風開孔格柵，升高地板格柵一般由升高地板廠家提供，尺寸與升高地板一致。在限定尺寸的情況下，主要關注升高地板格柵的有效通風面積和壓力降，這兩個參數(shù)均會對整個升高地板下方區(qū)域的通風回路產生影響。在選擇升高地板時，通常要輔以壓降計算，避免因升高地板格柵壓力降過大而導致通風量減少、氣流回路不通暢。升高地板風量-壓降曲線圖見圖4。

圖4 升高地板風量-壓降曲線圖

3）升高地板格柵數(shù)量選擇和布置，升高地板區(qū)域送風口布置、升高地板格柵參數(shù)、數(shù)量和布置共同屬于升高地板區(qū)域通風系統(tǒng)，在設計時應綜合考慮所有要素，格柵的數(shù)量選擇除了根據(jù)排風量選取外，還應考慮升高地板本身的設計參數(shù)和艙室內的實際布置。格柵的布置要避開升高地板上方的電氣設備、維修空間、通道，同時也要避免距離送風口過近而產生短路，使該區(qū)域具有良好的通風效果。

4.2.4 蓄電池間通風系統(tǒng)設計

蓄電池間通常會有危險氣體聚集的風險，需設置機械排風系統(tǒng)，所有相關設備和附件選用防爆形式[15]。出于安全考慮，蓄電池間設置2臺機械排風機，一用一備，換氣次數(shù)為12次/小時，在危險氣體探頭檢測到危險氣體濃度超標時，發(fā)出應急報警，備用排風機立即啟動，2臺排風機同時工作以快速排出危險氣體。蓄電池間的送風由中央空調供給。在應急狀況下，為防止蓄電池間內負壓過大，在內部艙壁上設置自然平衡風管，平衡風管另一端通向內部走廊?？照{送風管與平衡風管均需設置止回風閘。

蓄電池間排風口應在蓄電池間頂部和底部設置，頂部風口占總排風量的2/3，底部風口占1/3。頂部風口應滿足俄羅斯規(guī)范SP 60.13330[12]，既排風口最高處距離艙室頂部甲板不低于100 mm，不高于艙室高度的0.025 倍，但最大高度不超過400 mm。甲板下方結構主型材尺寸為200～350 mm，將蓄電池間頂部分隔為多個小空間，若排風口恰好布置在某個分隔空間內，則易在未布置風口的分隔空間內聚集危險氣體；若排風口恰好布置在結構主型材處，則不滿足上述距離要求，同樣會產生危險氣體積聚的可能。為解決此問題，可以通過在蓄電池間頂部分隔空間內填充絕緣材料來消除蓄電池間頂部的空間分隔。

5 結論

本文通過依據(jù)Arctic LNG2模塊E-house HVAC系統(tǒng)的設計，介紹并對比了HVAC 系統(tǒng)主要參數(shù)的計算方法，確認使用逐時分析程序HAP 進行負荷計算。根據(jù)俄羅斯規(guī)范和相關要求，總結了中央空調器和防火風閘等主要設備在選型過程中的難點，以及風管系統(tǒng)的特殊設計方案。此外，俄羅斯的工業(yè)體系相對完整，法規(guī)比較全面，也意味著設計要求眾多，在項目執(zhí)行時采用熟悉俄羅斯法規(guī)的第三方作為技術咨詢可避免部分風險。