船舶上層建筑中央空調(diào)主送風(fēng)方案分析

張 明，張新橋，盧永華

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

為在大型貨船上層建筑的眾多艙室內(nèi)給船員提供一個(gè)健康、舒適的環(huán)境，通常由多臺(tái)中央空調(diào)機(jī)組，通過中央加熱/冷卻系統(tǒng)，在集中式空調(diào)器中完成對(duì)空氣的處理，再經(jīng)單風(fēng)管系統(tǒng)對(duì)各艙室進(jìn)行送風(fēng)，最終通過改變各艙室內(nèi)布風(fēng)器的開度，調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)上層建筑艙室內(nèi)的空調(diào)參數(shù)控制[1,2]。

其中單風(fēng)管系統(tǒng)由中央空調(diào)主送風(fēng)風(fēng)道和延伸到各個(gè)艙室的送風(fēng)支管組成，用于將處理后的空調(diào)風(fēng)，從空調(diào)機(jī)箱輸送到上層建筑各層艙室。如圖1所示[3]?？照{(diào)送風(fēng)管路的設(shè)計(jì)將直接影響上層建筑布置的合理性和通風(fēng)系統(tǒng)的熱效率。

圖1 單風(fēng)管集中式空調(diào)系統(tǒng)

1 大口徑螺旋風(fēng)管管束風(fēng)道空調(diào)系統(tǒng)

采用該方案的空調(diào)機(jī)室和管道間布置見圖2。

圖2 大口徑螺旋風(fēng)管管束風(fēng)道空調(diào)系統(tǒng)

主送風(fēng)風(fēng)管由兩臺(tái)集中式空調(diào)器之間的大型靜壓箱導(dǎo)出，通過10根內(nèi)徑為200～300mm的預(yù)絕熱螺旋風(fēng)管向上層甲板各艙室輸送空調(diào)風(fēng)。

由于螺旋風(fēng)管為預(yù)絕熱形式，該方案能很好地確保空調(diào)送風(fēng)過程不受外界環(huán)境溫度的直接影響，避免了因輸送介質(zhì)與周圍環(huán)境的熱交換而導(dǎo)致的熱效率損失。但該系統(tǒng)有下列欠缺：

1) 空調(diào)機(jī)室內(nèi)的螺旋風(fēng)管數(shù)量眾多，在有限空間內(nèi)將加大各系統(tǒng)布置的難度；

2) 分布于管道間外的螺旋風(fēng)管管束將垂直貫穿于上層建筑各艙室，由于管道需置于木作圍壁或白鐵皮內(nèi)部，因此螺旋風(fēng)管管束將直接影響上層建筑艙室的布置；

3) 螺旋風(fēng)管最早從分段階段才能開始安裝，要到區(qū)域階段最終實(shí)現(xiàn)其完整性，加大了生產(chǎn)部門在分段完成后舾裝的工作量。

2 外包絕緣的結(jié)構(gòu)圍井風(fēng)道空調(diào)系統(tǒng)

該方案（見圖3）的主送風(fēng)風(fēng)道采用結(jié)構(gòu)圍井，從主甲板向上貫通到駕駛甲板下層。各層甲板的送風(fēng)支管（預(yù)絕熱螺旋風(fēng)管）經(jīng)由管道間內(nèi)的結(jié)構(gòu)圍井導(dǎo)出。

為符合空調(diào)送風(fēng)的要求，結(jié)構(gòu)圍井需滿足：

1) 結(jié)構(gòu)焊縫滿足氣密性要求；

2) 圍井的鋼結(jié)構(gòu)需打磨、油漆，以達(dá)到防腐、防銹的要求；

3) 圍井內(nèi)配備直梯，并開人孔，以便于清潔維護(hù)；

它的超級(jí)黑色外殼結(jié)合了特殊的劃痕、耐磨性和耐腐蝕性，并使材質(zhì)的亮度降低。這種尖端材料提供舒適和偉大的美學(xué)。表盤面材質(zhì)采用黑色DLC涂層處理，提供優(yōu)質(zhì)的觸感和觀賞性。清晰醒目的橙色，高對(duì)比度帶來了視覺的沖擊力，也讓這款腕表充滿了運(yùn)動(dòng)的活力。此款腕表的表帶選擇了輕盈的織物編織表帶，使其輕盈又不失視覺上的“分量感”，同時(shí)為了和表盤面的橙色運(yùn)動(dòng)風(fēng)相匹配，表帶也特別拼接了橙色，可謂細(xì)節(jié)滿分。

4) 需為結(jié)構(gòu)圍井敷設(shè)絕熱材料，以達(dá)到隔熱要求，并能防火。

采用該外包絕緣的結(jié)構(gòu)圍井作為主送風(fēng)風(fēng)道的空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

1) 空調(diào)機(jī)室的送風(fēng)管數(shù)量減少，管路布置簡(jiǎn)化；

2) 結(jié)構(gòu)圍井作為主送風(fēng)風(fēng)道，集中在各層甲板的管道間內(nèi)，不影響其他艙室的布置；

3) 上層建筑結(jié)構(gòu)總組完成之后，除了后期的打磨、油漆及包絕緣施工程序之外，結(jié)構(gòu)圍井及風(fēng)管舾裝即已完工，減少了生產(chǎn)部門在區(qū)域階段的風(fēng)管安裝工作。

圖3 采用結(jié)構(gòu)圍井作為主送風(fēng)風(fēng)道的空調(diào)系統(tǒng)

在隔熱絕緣敷設(shè)在圍井外壁的情況下，主干風(fēng)管內(nèi)的送風(fēng)將與圍井內(nèi)壁的鋼板表面直接接觸，而由于結(jié)構(gòu)圍井本身作為整個(gè)上層建筑船體結(jié)構(gòu)的一部分，它無法隔絕外界環(huán)境通過相連船體結(jié)構(gòu)與之進(jìn)行的傳熱，這樣就造成主干風(fēng)管內(nèi)的送風(fēng)將不可避免地受到與外界環(huán)境溫度相關(guān)的邊緣導(dǎo)熱影響（如圖4所示）。這種由船體結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的“熱橋效應(yīng)”[4]，將外界的熱量導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)圍井內(nèi)部，會(huì)增加額外的熱負(fù)荷，造成設(shè)計(jì)之外的溫升，從而降低整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的熱效率。

3 內(nèi)包絕緣的結(jié)構(gòu)圍井風(fēng)道空調(diào)系統(tǒng)

為兼顧優(yōu)化上層建筑的結(jié)構(gòu)布置，同時(shí)盡量減少空調(diào)系統(tǒng)的熱效率損失，可考慮將隔熱絕緣置于結(jié)構(gòu)圍井的內(nèi)部，以阻斷船體結(jié)構(gòu)的熱橋效應(yīng)。

參考前述之結(jié)構(gòu)圍井，采用內(nèi)包絕緣的方式需額外滿足以下要求：

1) 隔熱材料需避免在送風(fēng)時(shí)受潮、腐蝕或破壞：可選用六面外包玻璃絲布、單面加貼鋁箔的玻璃棉毯，另在結(jié)構(gòu)圍井內(nèi)通過預(yù)先固定的型材，在玻璃棉毯外側(cè)再安裝一層鍍鋅鋼板或不銹鋼板作為保護(hù)（厚度1mm）；

2) 需盡可能降低在結(jié)構(gòu)圍井內(nèi)的施工難度：可選用環(huán)氧樹脂型的粘貼釘（φ5mm×30mm）用于固定玻璃棉毯，以減少采用燒焊式的碰釘所帶來的焊接、打磨和補(bǔ)漆工作；

圖4 熱橋效應(yīng)

3) 結(jié)構(gòu)圍井內(nèi)包絕緣后會(huì)導(dǎo)致主干送風(fēng)風(fēng)道的截面積縮小，送風(fēng)阻力增大，因此在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段確定圍井尺寸時(shí)需考慮絕緣厚度的影響。

外包絕緣的結(jié)構(gòu)圍井與內(nèi)包絕緣的結(jié)構(gòu)圍井見圖5。

4 實(shí)船對(duì)比試驗(yàn)

為比較不同的隔熱絕緣敷設(shè)方式對(duì)結(jié)構(gòu)圍井內(nèi)部送風(fēng)溫度的影響，選取兩條同一系列、上層建筑空調(diào)系統(tǒng)類似的實(shí)船，其中一條船的送風(fēng)圍井的隔熱絕緣外包，另一條船的送風(fēng)圍井的隔熱絕緣內(nèi)包。在夏季室外環(huán)境溫度均為31℃的試驗(yàn)條件下，通過預(yù)先安裝在結(jié)構(gòu)圍井內(nèi)不同位置處的電子溫度記錄器，測(cè)得中央空調(diào)從開始啟動(dòng)到上層建筑通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的過程中主干風(fēng)道內(nèi)的送風(fēng)溫度變化的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)選取的送風(fēng)測(cè)溫點(diǎn)H1、H2、H3、H4的位置如圖6所示。

圖5 送風(fēng)圍井的隔熱絕緣敷設(shè)方式對(duì)比

圖6 結(jié)構(gòu)圍井內(nèi)的送風(fēng)溫度測(cè)試點(diǎn)

其中測(cè)溫點(diǎn)H1為空調(diào)送風(fēng)管出口的溫度表讀數(shù)，另根據(jù)H2、H3、H4處的電子溫度記錄器測(cè)量的試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)（節(jié)選典型數(shù)據(jù)可參考表1、2），可得到外/內(nèi)隔熱風(fēng)道各測(cè)溫點(diǎn)的溫度從中央空調(diào)開始送風(fēng)到系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)過程中的變化曲線，如圖7、8所示。

表1 外隔熱風(fēng)道測(cè)溫點(diǎn)的試驗(yàn)溫度（節(jié)選）

圖7 外隔熱風(fēng)道測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線

表2 內(nèi)隔熱風(fēng)道測(cè)溫點(diǎn)的試驗(yàn)溫度（節(jié)選）

由圖8可見，在相同的試驗(yàn)環(huán)境下，圖7所示從空調(diào)開始運(yùn)行1h后，外隔熱的結(jié)構(gòu)風(fēng)道溫度才逐級(jí)達(dá)到平衡狀態(tài)，而圖8所示內(nèi)隔熱的結(jié)構(gòu)風(fēng)道溫度在試驗(yàn)開始0.5h后即趨于平衡狀態(tài)。且圖7所示的測(cè)溫點(diǎn)H2、H3、H4溫度呈階梯式分布的特征較圖8更為明顯。根據(jù)上述試驗(yàn)所測(cè)量的穩(wěn)態(tài)溫度數(shù)據(jù)，繪制結(jié)構(gòu)圍井在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)從測(cè)溫點(diǎn)H1到H4的送風(fēng)溫度變化曲線，如圖9所示。

B甲板（H2）的送風(fēng)溫差△T1=15.54-14.70=0.84℃

C甲板（H3）的送風(fēng)溫差△T2=16.13-14.85=1.28℃

D甲板（H4）的送風(fēng)溫差△T3=16.93-15.13=1.80℃

圖8 內(nèi)隔熱風(fēng)道測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線

圖9 結(jié)構(gòu)圍井內(nèi)的送風(fēng)溫度變化曲線

由此可見，在同樣高度的位置，相比絕緣內(nèi)包的結(jié)構(gòu)圍井內(nèi)的送風(fēng)溫度，絕緣外包的結(jié)構(gòu)圍井內(nèi)的送風(fēng)溫度有明顯升高，且這種受熱橋效應(yīng)所導(dǎo)致的溫升在距離空調(diào)機(jī)箱越遠(yuǎn)的位置表現(xiàn)得越顯著，這將導(dǎo)致頂層甲板的送風(fēng)溫度過高，空調(diào)制冷量浪費(fèi)在圍井的鋼結(jié)構(gòu)上，不利于提高空調(diào)系統(tǒng)的熱效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，采用內(nèi)包絕緣的結(jié)構(gòu)圍井作為主送風(fēng)風(fēng)道的空調(diào)系統(tǒng)，比較好地兼顧了上層建筑艙室的優(yōu)化布置、提高分段預(yù)舾裝率和保證空調(diào)系統(tǒng)熱效率3方面的要求，對(duì)于實(shí)現(xiàn)綠色造船、節(jié)能減排[5]和打造高質(zhì)量船舶有著十分積極的意義。

[1] 張建華，闞安康，韓厚德. 船舶中央空調(diào)系統(tǒng)能耗分析及節(jié)能措施[J]. 上海造船，2011, (1): 59-61.

[2] 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，2007.

[3] 李之義，胡國(guó)梁，胡甫才. 船舶輔助機(jī)械[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[4] 楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[5] 周振星. 船舶中央冷卻系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 船舶與海洋工程，2012, (4): 37-40.