張金玉，崔冠乾，張偉光，張金龍

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著海洋工程的不斷向前發(fā)展，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)所提供的環(huán)境舒適度越來越受到人們的重視，相關(guān)的國(guó)際海事組織和協(xié)會(huì)不斷增加對(duì)人員舒適性的要求，因此，如何提高生活模塊空調(diào)系統(tǒng)舒適性的研究就顯得格外重要。船員對(duì)船上生活環(huán)境和工作環(huán)境的舒適度感覺主要受溫度、濕度和噪聲的影響。因此這三類指標(biāo)的適宜水平，將最終決定船上環(huán)境舒適度的高低。

本文研究的FPSO生活區(qū)模塊空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的外界設(shè)計(jì)條件為：32℃&61%RH，生活模塊內(nèi)所要求的設(shè)計(jì)條件是：24&50%℃RH，噪音標(biāo)準(zhǔn)要求滿足NORSOK-S002。

本項(xiàng)目每個(gè)房間的空調(diào)設(shè)計(jì)方式為新風(fēng)加風(fēng)機(jī)盤管的配置，在滿足相關(guān)船級(jí)社規(guī)范的同時(shí)，還需要滿足NORSOK標(biāo)準(zhǔn)及所有巴西石油相關(guān)規(guī)范、規(guī)則的要求。

1 空調(diào)系統(tǒng)的溫度和濕度控制[1,2]

本項(xiàng)目生活區(qū)內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)主要由新風(fēng)空調(diào)箱和起居處所房間內(nèi)的頂棚懸掛式風(fēng)機(jī)盤管兩部分組成?？照{(diào)箱和風(fēng)機(jī)盤管都由冷水機(jī)組提供冷媒水，對(duì)新風(fēng)和房間內(nèi)的空氣進(jìn)行冷卻。新風(fēng)空調(diào)箱首先對(duì)起居處所內(nèi)所需要的新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理（除濕降溫），然后通過風(fēng)管供到每個(gè)房間，最后通過房間內(nèi)獨(dú)立的風(fēng)機(jī)盤管，對(duì)房間空氣環(huán)境進(jìn)行二次處理，最終達(dá)到船東所要求的室內(nèi)設(shè)計(jì)條件。下面將分別介紹兩種空調(diào)配置如何更好的調(diào)控房間內(nèi)的溫濕度。

每個(gè)單獨(dú)房間內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)由新風(fēng)布風(fēng)器和風(fēng)機(jī)盤管組成。由于風(fēng)機(jī)盤管需安裝在天花板上，同時(shí)考慮噪音的要求，所以選用的冷風(fēng)機(jī)的功率和體積不能太大，同時(shí)還需要考慮房間內(nèi)的布置空間，這樣一來，合理分配新風(fēng)空調(diào)箱和風(fēng)機(jī)盤管的冷熱負(fù)荷比例對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)尤為重要。

熱負(fù)荷主要可劃分為兩部分：一是新風(fēng)本身的熱負(fù)荷，其次是外界環(huán)境傳遞和輻射到房間的熱負(fù)荷以及房間內(nèi)部人員設(shè)備的熱負(fù)荷。通過對(duì)這兩部分負(fù)荷的計(jì)算比較和風(fēng)機(jī)盤管的大小選擇范圍的綜合考慮，來確定供入室內(nèi)的新風(fēng)。新風(fēng)不能增加房間內(nèi)的負(fù)荷總量，同時(shí)還需帶走房間內(nèi)部分熱負(fù)荷。綜合上述因素，確定供到房間內(nèi)的新風(fēng)供風(fēng)溫度為20℃較合適。

供風(fēng)溫度確定后，還需考慮房間的濕度要求。通過下面的分析可知冷卻溫度對(duì)房間濕度的影響。表1和表2是空調(diào)箱對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷卻的各個(gè)階段的空氣參數(shù)，表3是室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管對(duì)空氣處理各階段的參數(shù)。

表1 空調(diào)箱冷卻新風(fēng)至16℃

表2 空調(diào)箱冷卻新風(fēng)至13.4℃

表3 室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管空氣冷卻參數(shù)

由表1可知，當(dāng)新風(fēng)通過空調(diào)箱制冷盤管冷卻到16℃時(shí)，含濕量為11g/kg，由表2可知，新風(fēng)通過空調(diào)箱制冷盤管冷卻到 13.4℃時(shí)，含濕量為9.3g/kg，這兩種空氣狀態(tài)對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度分別是15.2℃和13℃。而從表3可知，風(fēng)機(jī)盤管的供風(fēng)溫度約為14℃。由上述分析可知，對(duì)于直接冷卻到16℃的新風(fēng)，容易在房間內(nèi)冷凝結(jié)露，另外在這種冷卻情況下，當(dāng)新風(fēng)吸收熱量達(dá)到24℃時(shí)，相對(duì)濕度為59%，會(huì)出現(xiàn)房間內(nèi)局部濕度較大情況，而冷卻到13.4℃的新風(fēng)則不會(huì)出現(xiàn)這種情況。經(jīng)綜合考慮后，我們選擇第二種設(shè)計(jì)方案，保證房間內(nèi)空氣的濕度。

2 空調(diào)通風(fēng)設(shè)備的空間布置

由于此FPSO項(xiàng)目主船體是由舊式VLCC原油輪改裝而成，而生活模塊建造完成后將在巴西里約熱內(nèi)盧的EEP船廠進(jìn)行主船體合攏，所以生活模塊所占空間的大小需受到主船體尺度的限制，重量也需受到當(dāng)?shù)匮睾Ｆ鹬啬芰Φ南拗?。在上面兩點(diǎn)的限制下，生活區(qū)布置空間緊張，導(dǎo)致沒有足夠的空調(diào)通風(fēng)設(shè)備處所，同時(shí)本項(xiàng)目空調(diào)設(shè)備多，所有設(shè)備配備都是2×100%，在這種情況下，如何合理的布置空調(diào)設(shè)備成為本項(xiàng)目的一個(gè)難點(diǎn)。

2.1 空調(diào)機(jī)室的布置

生活模塊內(nèi)只有一個(gè)空調(diào)機(jī)室，空調(diào)機(jī)室總面積為91m2。此房間內(nèi)要布置四臺(tái)大型空調(diào)處理箱，還要考慮房間四周鋼壁控制箱的布置及操作，風(fēng)道的合理走向及維修空間和工作人員逃生通道的預(yù)留等。所有影響因素，加上有限的房間面積，按照通?？照{(diào)箱相對(duì)并列放置，無法保證空調(diào)箱的維修空間。經(jīng)多次研究，對(duì)空調(diào)箱的維修空間加以分析，發(fā)現(xiàn)空調(diào)箱維修空間可局部調(diào)整，濾器段所需空間最大，最終采用錯(cuò)位布置，滿足了此設(shè)備的維修操作要求。

另外，在以上已經(jīng)十分緊湊的空間內(nèi)，還要另外布置2×100%的大型風(fēng)機(jī)兩套，并且每套風(fēng)機(jī)需要安裝在一個(gè)大型的消音箱內(nèi)。顯然，采用常規(guī)的水平布置方案是行不通的。對(duì)此，本項(xiàng)目采用了風(fēng)機(jī)的立式布置方案，有效地利用房間的立體體積。同時(shí)，增加風(fēng)機(jī)盒子，既消音降噪，又達(dá)到了美觀實(shí)用的效果。

圖1 空調(diào)機(jī)室設(shè)備布置

2.2 廚房空調(diào)及制冷設(shè)備的布置

本項(xiàng)目為廚房空調(diào)設(shè)計(jì)了單獨(dú)的空調(diào)間，此房間處于生活模塊外圍走廊區(qū)域。在不影響通道的前提下，在生活區(qū)外壁外接一個(gè)空調(diào)間，用于布置廚房空調(diào)箱。此設(shè)計(jì)布置增加了風(fēng)管的長(zhǎng)度，可以起到一定的降噪效果。

圖2 廚房空調(diào)箱及風(fēng)機(jī)布置

2.3 房間內(nèi)FCU及布風(fēng)器的布置

由于本項(xiàng)目船東對(duì)房間舒適性有很高的要求，因此，在FCU及布風(fēng)器的布置時(shí)，充分考慮了合理分配氣流組織，保證工作人員的身心健康，提供工作人員舒適的室內(nèi)環(huán)境。

首先，房間內(nèi)FCU作為室內(nèi)空氣處理終端設(shè)備，供風(fēng)溫度為14℃，供風(fēng)溫度較低，且風(fēng)量較集中，所以FCU的供風(fēng)端與床應(yīng)保持合適的距離。

其次，布風(fēng)器出口的空氣溫度為20℃，低于最佳的舒適溫度24℃，為了防止較低溫度的空氣直接吹到在房間內(nèi)工作或休息的人員而引起不適，布風(fēng)器也應(yīng)與床保持一定的距離。

最后，在布置FCU及布風(fēng)器時(shí)，一定要注意防止空氣形成的冷凝液滴落在床或桌椅的上面。

3 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪音控制

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪音問題一直是整個(gè)系統(tǒng)的難點(diǎn)之一，而海洋工程的要求尤為嚴(yán)格。在各種噪音標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求中，NORSOK-S002[3]又是要求最高的標(biāo)準(zhǔn)之一。通常，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)為降低噪音采取各種消音辦法，需要足夠的設(shè)備和風(fēng)管布置空間，而本項(xiàng)目由于前面所講的空間局限性，為空調(diào)系統(tǒng)的低噪音設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

表4 NORSOK-S002噪音標(biāo)準(zhǔn)

從表4可知，空調(diào)機(jī)室所允許的噪聲值最高，對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)本身沒有限制，只對(duì)房間整體噪音要求低于70dB(A)，對(duì)醫(yī)務(wù)室的噪聲值要求最低，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的總噪音值不能超過35dB(A)。生活區(qū)內(nèi)船員主要生活區(qū)房間空調(diào)噪音值都要求低于40dB(A)，公共區(qū)域大約為45dB(A)。所以供房間用的排風(fēng)機(jī)或供風(fēng)機(jī)均不能放置在房間內(nèi)，所有的空調(diào)設(shè)備需安裝在空調(diào)機(jī)室。

下面將對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的噪音控制進(jìn)行分析[4,5]。

3.1 空調(diào)機(jī)室的噪音控制

由于空調(diào)機(jī)室所允許的噪音值最高，所以在整個(gè)生活模塊內(nèi)空調(diào)機(jī)室就成為通風(fēng)設(shè)備布置的首選位置。因此空調(diào)機(jī)室內(nèi)除了4臺(tái)主空調(diào)箱外，還布置了兩套2×100%的風(fēng)機(jī)，見圖1。由于風(fēng)機(jī)風(fēng)量很大，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的噪聲值在不同的波頻下約為95 dB，大大超過了空調(diào)機(jī)室內(nèi)的噪聲要求，必須進(jìn)行設(shè)備的降噪處理。

主要采取以下三個(gè)方面進(jìn)行噪音控制。

首先，采用吸聲法降低噪音。根據(jù)空氣傳播特點(diǎn)，在空氣噪聲傳播過程中會(huì)逐漸損失能量，通過障礙會(huì)加劇損失。另外，封閉空間內(nèi)的空氣噪聲，會(huì)受到四周敷料層的吸收，產(chǎn)生一定的消音效果。消音效果取決于封閉空間內(nèi)敷料的吸聲系數(shù)，系數(shù)越大，吸音效果越好。根據(jù)以上理論，將噪音大的風(fēng)機(jī)安裝在一個(gè)箱體內(nèi)，箱體四壁安裝吸音棉及吸音孔板，將極大的降低風(fēng)機(jī)噪聲向外傳播，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 風(fēng)機(jī)消音箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

其次，降低結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞。結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播振動(dòng)能量形成結(jié)構(gòu)噪聲。船上的噪聲源，通過其承受各種機(jī)械力的基座或各種非支撐性的連接件產(chǎn)生振動(dòng)，以結(jié)構(gòu)噪聲方式在船體結(jié)構(gòu)中傳播，并在傳播中輻射空氣噪聲。與空氣噪聲不同，結(jié)構(gòu)噪聲在其傳播過程中通過鋼結(jié)構(gòu)時(shí)損失的能量相當(dāng)小，事實(shí)上，由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲傳播途中各個(gè)子系統(tǒng)的共振及耦合，能量還可能加大。因此結(jié)構(gòu)噪聲的降低主要是通過結(jié)構(gòu)的不連續(xù)以使能量發(fā)散來達(dá)到的，而不是靠遠(yuǎn)離聲源。對(duì)于空調(diào)機(jī)室的設(shè)備，主要是通過給設(shè)備安裝減震裝置，在設(shè)備和風(fēng)管連接之間增加軟連接來使噪聲傳播不連續(xù)，來達(dá)到降低結(jié)構(gòu)噪聲傳遞的目的。

圖4 風(fēng)機(jī)機(jī)組基座的減震裝置

3.2 其他功能房間的噪聲控制

生活模塊內(nèi)其他各房間的噪聲要求一般都很高，最高要求為醫(yī)務(wù)室，噪聲值不超過 35dB(A)。而房間內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)除了中央空調(diào)的新風(fēng)布風(fēng)器供風(fēng)，還裝有風(fēng)機(jī)盤管，而風(fēng)機(jī)盤管的噪聲值通常超過40dB(A)，所以風(fēng)機(jī)盤管選型時(shí)，需要嚴(yán)格限定設(shè)備的噪聲。首先，風(fēng)機(jī)盤管需特殊定制，在風(fēng)機(jī)盤管制作時(shí)要求廠家對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行降噪處理，提供低噪音風(fēng)機(jī)盤管。其次，針對(duì)醫(yī)務(wù)室這種要求極高的房間，在風(fēng)機(jī)盤管選型時(shí)應(yīng)降檔考慮。每個(gè)風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)量和冷量都有幾個(gè)檔位，在選擇單個(gè)房間風(fēng)機(jī)盤管時(shí)按照風(fēng)機(jī)盤管的中間檔位選取，這樣能有效降低噪音。最后，在設(shè)計(jì)要求允許的情況下，空調(diào)主供風(fēng)管的風(fēng)速不應(yīng)超過 10m/s，布風(fēng)器的出口風(fēng)速最好不超過2m/s。

對(duì)于其他處所，如廚房，噪音值要求不超過55dB(A)，然而廚房需要的排風(fēng)量很大，并且船東要求廚房排風(fēng)風(fēng)速保持10m/s以上，所以廚房通風(fēng)系統(tǒng)的降噪設(shè)計(jì)成為本項(xiàng)目的難點(diǎn)。經(jīng)過分析研究，主要采取了以下措施。首先，因?yàn)榭諝庠陲L(fēng)管中的聲壓級(jí)可以隨著風(fēng)管的長(zhǎng)度而衰減，風(fēng)管越長(zhǎng)，衰減的噪聲值越高，所以排風(fēng)機(jī)布置在距離廚房盡量遠(yuǎn)的位置；其次，減少風(fēng)管彎頭和調(diào)風(fēng)閥之類的附件，降低風(fēng)管對(duì)氣流的阻力，減少再生噪音；最后，根據(jù)噪音計(jì)算報(bào)告的結(jié)果，給噪音超標(biāo)位置增加消音器。

4 結(jié)論

巴西石油建造的 FPSO生活模塊對(duì)舒適性和功能性要求極高，不僅要滿足入籍規(guī)范及船旗國(guó)的要求，還要滿足巴西勞工組織的一系列規(guī)范、各種建造說明書、標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)要求近百份。通過我們系統(tǒng)的研究分析及設(shè)計(jì)成果運(yùn)用，目前已經(jīng)順利交付兩座生活模塊，其中各項(xiàng)舒適性指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期要求。本文結(jié)合巴西石油FPSO生活模塊實(shí)船建造，對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算、設(shè)備布置及噪音控制等幾個(gè)主要方面進(jìn)行研究分析，總結(jié)出一系列切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，為今后FPSO空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)儲(chǔ)備和設(shè)計(jì)參考。

[1]American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers[S].2007.

[2]ISO-7547, Ships and marine technology - Air-conditioning and ventilation of accommodation spaces - Design conditions and basis of calculations[S].

[3]NORSOK Standard-S002 Working Environment[S].2014.

[4]中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司, 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司, 中國(guó)造船工程學(xué)會(huì).船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè), 輪機(jī)分冊(cè)[M].第3版.

[5]周炎.船舶低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].上海造船, 2010.