朱 華 汪海燕

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

科考船的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱 華 汪海燕

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

以“向陽(yáng)紅10”號(hào)海洋綜合科學(xué)考察船（簡(jiǎn)稱“科考船”）為例，介紹了科考船空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。為了提高舒適性和經(jīng)濟(jì)性，在空調(diào)系統(tǒng)配置、空調(diào)通風(fēng)管系及設(shè)備減振降噪方面采取了相應(yīng)的措施，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的整體效果產(chǎn)生積極的影響，為科考船空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

科學(xué)考察船；間接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)；空調(diào)通風(fēng)管系；減振降噪

引 言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，大型國(guó)際海洋科學(xué)計(jì)劃日趨活躍，傳統(tǒng)的海洋科學(xué)研究領(lǐng)域逐漸形成融合。為了滿足深海海洋科學(xué)多學(xué)科交叉研究的需求，現(xiàn)代化科考船的要求越來(lái)越高?？傮w而言，科考船具有考察設(shè)備集成度高、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)。由于科考船的船員配置和工作環(huán)境較為特殊，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置同常規(guī)船舶相比也有其特殊性。同時(shí)，由于國(guó)際海事組織（IMO）和相關(guān)海事組織制定的國(guó)際公約、規(guī)范的日益完善，國(guó)內(nèi)造船水平和設(shè)備技術(shù)的不斷提高，船東對(duì)船上空調(diào)系統(tǒng)的舒適性和經(jīng)濟(jì)性的要求也越來(lái)越高。本文通過(guò)對(duì)“向陽(yáng)紅10”號(hào)海洋科考船的空調(diào)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)分析，為科考船空調(diào)設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 設(shè)計(jì)條件及原則

本船滿足無(wú)限航區(qū)要求。船上定員65人，其中船員25人、科學(xué)家40人。在額定人員編制情況下，本船自持力為60天。按中國(guó)船級(jí)社（CCS）現(xiàn)行《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》和中國(guó)船舶檢驗(yàn)局《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》及其修改通報(bào)對(duì)特種用途船舶的要求設(shè)計(jì)，船舶的噪聲控制在不低于《海洋船舶噪聲規(guī)定》的基礎(chǔ)上，滿足各聲學(xué)設(shè)備的技術(shù)要求。本船噪聲值應(yīng)低于《海洋船舶噪聲級(jí)規(guī)定》（GB5979-86）的規(guī)定，振動(dòng)衡準(zhǔn)參照GB/T-7452-2007《機(jī)械振動(dòng) 客船和商船適居性振動(dòng)測(cè)量、報(bào)告和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。參照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《船舶起居處所空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法》（GB/T13409-1992），結(jié)合本船實(shí)際情況，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 本船空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)

基于科考船自身的船型特點(diǎn)及作業(yè)需求，對(duì)空調(diào)專業(yè)而言，主要的設(shè)計(jì)重點(diǎn)難點(diǎn)及相應(yīng)的解決措施如下：

2.1 科學(xué)劃分空調(diào)系統(tǒng)，合理配置空調(diào)設(shè)備

科考船上人員分船員和科考人員，人員數(shù)量會(huì)根據(jù)不同科學(xué)考察項(xiàng)目不同航次發(fā)生變化，且科考船在靠港和航行狀態(tài)中對(duì)艙室空調(diào)的需求會(huì)發(fā)生很大變化。基于以上科考船運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上就需要進(jìn)行不同狀態(tài)的分析。

在設(shè)計(jì)開(kāi)始前期，設(shè)計(jì)方與船東就不同運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、人員配置及工作住宿區(qū)域劃分進(jìn)行綜合考慮。首先，在總布置上將航行工作區(qū)域、科考工作區(qū)域、船員生活區(qū)、科考人員生活區(qū)進(jìn)行了劃分；其次，根據(jù)以上劃分確定空調(diào)系統(tǒng)的配置方案：采用以中央空調(diào)為主，單元式空調(diào)相輔的空調(diào)系統(tǒng)，中央空調(diào)系統(tǒng)的每一空調(diào)區(qū)域各設(shè)置一臺(tái)空調(diào)器。本船空調(diào)艙室按不同的甲板層、艙室類型、環(huán)境要求、運(yùn)行時(shí)間，以及空調(diào)器與其服務(wù)艙室相鄰近的原則，劃分成若干空調(diào)區(qū)域，詳見(jiàn)表2。

表2 本船空調(diào)系統(tǒng)劃分表

本船重要處所和實(shí)驗(yàn)室除供給中央空調(diào)外，根據(jù)要求分別設(shè)置獨(dú)立單元式空調(diào)機(jī)。當(dāng)中央空調(diào)停止使用時(shí)，這些艙室可以按需要運(yùn)行局部空調(diào)，以達(dá)到節(jié)能效果；在空調(diào)負(fù)荷高峰時(shí)也可作為中央空調(diào)的補(bǔ)充。

中央空調(diào)系統(tǒng)采用間接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)，降溫工況時(shí)主要由2套組裝式冷水機(jī)組（每套各承擔(dān)50%空調(diào)負(fù)荷，內(nèi)含1套獨(dú)立循環(huán)回路的制冷管系及1臺(tái)制冷壓縮機(jī)）和4臺(tái)船用間接式空調(diào)器工作，組裝式冷水機(jī)組為空調(diào)系統(tǒng)提供冷媒水，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化，可自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行加載或減載。配置1套船用定壓裝置，該裝置包括3臺(tái)冷媒水泵（其中1臺(tái)備用）、水-水板式換熱器、定壓膨脹罐、自動(dòng)排氣補(bǔ)水裝置等部件。采暖工況由機(jī)艙熱水鍋爐提供約90℃熱水做采暖熱源，通過(guò)水-水板式熱交換器將為間接式中央空調(diào)系統(tǒng)提供采暖熱源。以溫度控制器控制三通流量調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)溫度，以保證冬季采暖效果?？照{(diào)加濕采用濕膜加濕的形式，濕膜加濕器能根據(jù)冬季采暖回風(fēng)相對(duì)濕度自動(dòng)加濕，以滿足艙內(nèi)冬季的空調(diào)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度要求。中央空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖見(jiàn)圖1，主要參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)原理示意圖

表3 中央空調(diào)系統(tǒng)主要參數(shù)表

另外，駕駛室所配置的2套風(fēng)冷分體式空調(diào)以及餐廳所配置的1套水冷柜式空調(diào)，均作為中央空調(diào)的補(bǔ)充。中央空調(diào)區(qū)域的設(shè)備配置參見(jiàn)下頁(yè)表4。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)空調(diào)通風(fēng)管系

鑒于總體性能要求的考慮，科考船的甲板層高通常在2.4～2.7 m之間。本船空調(diào)艙室甲板層高為2.55 m或2.7 m，按照“以人為本”的原則，規(guī)格書(shū)要求艙室凈高為2.03 m，駕駛室要求2.2 m；而為降低空調(diào)通風(fēng)管系噪聲，本船風(fēng)管采用中低速送回風(fēng)設(shè)計(jì)，以控制風(fēng)管流速，管徑相對(duì)通常的中高速風(fēng)管要大。有限的甲板層高、嚴(yán)格的凈高要求與中低速風(fēng)管設(shè)計(jì)，三者如何平衡、如何實(shí)現(xiàn)是給設(shè)計(jì)者及施工方出的一道難題。

表4 中央空調(diào)區(qū)域設(shè)備配置

為了解決這一幾乎涉及所有專業(yè)的問(wèn)題，空調(diào)專業(yè)與總體、輪機(jī)、電氣等相關(guān)專業(yè)反復(fù)溝通逐層甲板排查計(jì)算，對(duì)每層甲板的風(fēng)管、電纜、管系綜合布置平衡。通過(guò)協(xié)調(diào)，各專業(yè)調(diào)整了相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙，既滿足了凈高要求，又保證了風(fēng)管的合理布置。采取的主要措施有：

（1）合理布置空調(diào)和通風(fēng)主要風(fēng)管通道，減少水平方向的大尺寸管系對(duì)層高的影響；

（2）管系綜合布置平衡，盡量避免管系重疊；

（3）風(fēng)管形式因地制宜，矩形、圓形及扁圓形風(fēng)管組合使用；

（4）對(duì)送風(fēng)管高度及保溫層厚度加以限制；

（5）個(gè)別艙室天花板適當(dāng)降低，主要是在艙室邊角處，但不影響使用及美觀。通過(guò)優(yōu)化，解決了層高與風(fēng)管沖突的問(wèn)題，取得了滿意的效果。

2.3 采取減振降噪措施

為保證本船聲學(xué)設(shè)備正常工作、體現(xiàn)本船的先進(jìn)性，對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備采取了一些減振降噪的措施［3］，這些措施包括：

（1）選用低噪聲空調(diào)設(shè)備，通過(guò)采用吸聲減振設(shè)計(jì)、增加設(shè)備吸聲材料的厚度等手段降低設(shè)備噪聲；

（2）選用低噪聲船用離心軸流風(fēng)機(jī)，以降低源頭噪聲；

（3）將冷水機(jī)組、空調(diào)器盡量布置在下層甲板，與生活艙室和實(shí)驗(yàn)艙室保持一定距離，防止噪聲直接傳播，避免設(shè)備與船體的共振；

（4）部分艙室采用風(fēng)冷分體式柜機(jī)，將主要噪聲源制冷壓縮機(jī)和冷凝器置于艙外；

（5）通風(fēng)機(jī)、水泵的進(jìn)出口管道采用柔性聯(lián)接，風(fēng)機(jī)、水泵、電機(jī)安裝在減振基礎(chǔ)上，以減少噪聲的傳播，離心及軸流通風(fēng)機(jī)設(shè)消聲靜壓箱以降低風(fēng)機(jī)噪聲 ；

（6）在必要的通風(fēng)管道上設(shè)置消聲附件，選擇優(yōu)質(zhì)低噪聲送風(fēng)末端裝置，使空調(diào)房間內(nèi)噪聲控制在要求的范圍。

實(shí)踐證明，以上方法將有效降低空調(diào)系統(tǒng)對(duì)全船振動(dòng)和噪聲的影響。

2.4 實(shí)驗(yàn)室空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)

與常規(guī)運(yùn)輸船、客船相比，科考船的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)相對(duì)比較特殊，實(shí)驗(yàn)室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與生活艙室相比有很多不同之處：

（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)空氣環(huán)境的要求通常較高?？瓶即鳛榭茖W(xué)考察的平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境控制非常重要。普通實(shí)驗(yàn)室溫濕度指標(biāo)可以參照生活艙室空調(diào)，溫度通?？刂圃?6℃左右、濕度在50%左右，但是某些特殊實(shí)驗(yàn)室根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)溫濕度及精度控制的要求更高，例如：低溫實(shí)驗(yàn)室要求室內(nèi)氣溫保持在5℃以下，海洋重力儀室的室溫波動(dòng)范圍不大于2℃。參照CB/T3470-1994《海洋調(diào)查船專用艙室及其設(shè)備的設(shè)置要求》，針對(duì)使用要求需要采取特殊的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于本船實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有特別要求，空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)為溫度26℃、濕度50%。

（2）實(shí)驗(yàn)室通常對(duì)室內(nèi)的噪聲有嚴(yán)格的控制。參照CB/T3527-1993《海洋調(diào)查船實(shí)驗(yàn)及調(diào)查作業(yè)甲板振動(dòng)、噪聲一般要求》，實(shí)驗(yàn)室噪聲限值為60 dB（A）。但對(duì)于裝有對(duì)振動(dòng)、噪聲敏感的調(diào)查儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室則噪聲限值更高，需要根據(jù)實(shí)際設(shè)備要求確定。為了滿足要求，這就需要優(yōu)化設(shè)計(jì)空調(diào)通風(fēng)管系，采取特別的減振降噪措施。

（3）實(shí)驗(yàn)室空調(diào)設(shè)備的配置一般要求相對(duì)獨(dú)立，運(yùn)行配置靈活。本船甲板實(shí)驗(yàn)區(qū)的重磁實(shí)驗(yàn)室、通用化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、綜合地球物理實(shí)驗(yàn)室、資料處理室及網(wǎng)絡(luò)中心等艙室除配備中央空調(diào)外，還各配置1臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管，作為中央空調(diào)的備用件，詳見(jiàn)圖1和表4?？瓶即诳扛蹠r(shí)，空調(diào)器AC3停止運(yùn)行，備用風(fēng)機(jī)盤管啟動(dòng)運(yùn)行。通過(guò)合理的系統(tǒng)配置，無(wú)論需要空調(diào)系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)還是局部空調(diào)運(yùn)行都能靈活配置，對(duì)電力能源的需求也可合理調(diào)配，從而滿足不同工況下的功能，使空調(diào)這一能源需求較多的系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保。

（4）帶通風(fēng)柜的實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)要兼顧日常工作時(shí)使用與通風(fēng)柜工作狀態(tài)。根據(jù)航次安排及不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求，實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)設(shè)計(jì)需考慮室內(nèi)日常排風(fēng)和實(shí)驗(yàn)用的通風(fēng)柜排風(fēng)兩種工況。就本船而言，通用化學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)有通風(fēng)柜，要求保持負(fù)壓，防止實(shí)驗(yàn)室不良?xì)怏w泄漏，且采取空調(diào)送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的通風(fēng)方式，排風(fēng)量稍大于送風(fēng)量。該實(shí)驗(yàn)室設(shè)有兩套獨(dú)立的機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)，1套日常工作時(shí)使用，另1套為通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)風(fēng)量平衡原則，兩套排風(fēng)系統(tǒng)不能同時(shí)運(yùn)行。日常工作排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)管道風(fēng)機(jī)，工作臺(tái)上方設(shè)置三節(jié)式萬(wàn)向抽風(fēng)臂。通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)自帶風(fēng)機(jī)，接風(fēng)管直接排出室外。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)本船空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析，可以了解到科考船的空調(diào)設(shè)計(jì)具有運(yùn)營(yíng)工況復(fù)雜，空間有限以及舒適性要求高等特點(diǎn)。針對(duì)以上特點(diǎn)，可以通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)開(kāi)展科考船空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

（1）科學(xué)劃分空調(diào)系統(tǒng)，合理配置設(shè)備，在滿足舒適性的基礎(chǔ)上適應(yīng)運(yùn)營(yíng)管理需求。

（2）在有限的船舶空間內(nèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)空調(diào)及通風(fēng)管系，在降低系統(tǒng)噪聲和保證活動(dòng)空間二者間達(dá)到平衡。

（3）在設(shè)備設(shè)計(jì)及布置等方面采取減振降噪措施，從源頭控制設(shè)備對(duì)全船噪聲水平的影響。

（4）實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)，一些實(shí)驗(yàn)室除中央空調(diào)外，配置風(fēng)機(jī)盤管作為備用。另外，通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)和日常排風(fēng)系統(tǒng)獨(dú)立且不能同時(shí)運(yùn)行，以保證風(fēng)量平衡。

通過(guò)以上對(duì)幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本船的空調(diào)系統(tǒng)具有合理運(yùn)行、節(jié)能環(huán)保、管理方便、噪聲低、振動(dòng)小、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)，從而保證船員的舒適性要求；但同時(shí)也存在一些不足，如單臺(tái)壓縮機(jī)冷量較大，在可能存在的低負(fù)荷工況下運(yùn)行性能有些不足。此外，局部風(fēng)管走向不順暢，也可能影響空調(diào)效果。這些在今后設(shè)計(jì)中應(yīng)注意并加以改進(jìn)。

［1］ 中國(guó)船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：輪機(jī)分冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999：474-575.

［2］ 尉遲斌，盧士勛，周祖毅.實(shí)用制冷與空調(diào)工程手冊(cè)［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 由成良.輔助船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲分析與控制［J］.船舶，2012（6）：48-53.

On design of air condition system for scienti fi c investigation vessel

ZHU Hua WANG Hai-yan
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Taking a ?Xiangyanghong 10‰ scientific investigation vessel for instance, this paper introduces the design points of AC system for science investigation vessels. To improve comfort and economy, the corresponding measures are adopted in AC system arrangement, AC ventilation duct design and vibration & noise reduction of equipments, which actively affect the whole AC system. It can provide some references to the design of AC system for science investigation vessels.

scientific investigation vessel; indirect evaporation AC system; AC ventilation duct; vibration & noise reduction

U664.5+1

A

1001-9855（2014）02-0066-05

2013-09-03 ；

2013-10-21

朱 華（1979- ），男，工程師，主要從事船舶空調(diào)、冷藏、通風(fēng)設(shè)計(jì)。汪海燕（1978- ），女，高級(jí)工程師，主要從事船舶空調(diào)、冷藏、通風(fēng)設(shè)計(jì)。