牲畜船貨艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

張偉光，王樹山，譚 冬，張金玉

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著食品、醫(yī)療市場(chǎng)需求的增加，養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，活體動(dòng)物運(yùn)輸量越來越大[1]。牲畜運(yùn)輸船主要用于鮮活牲畜的運(yùn)輸，特殊之處在于它運(yùn)送的是成千上萬的活物，必須在較長(zhǎng)時(shí)間封閉的海上旅途中保證航行中牲畜的健康穩(wěn)定，這也決定了牲畜船設(shè)備系統(tǒng)和建造工藝的復(fù)雜和高技術(shù)含量。隨著澳大利亞和新西蘭等傳統(tǒng)畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家活禽出口規(guī)模不斷擴(kuò)大，能夠大批量運(yùn)輸活體牛羊的特種牲畜運(yùn)輸船越來越受到市場(chǎng)的垂青和關(guān)注。

大量的活體牲畜會(huì)在船艙內(nèi)產(chǎn)生過多的水汽和熱量，必須采用有效的通風(fēng)方法才能排走這些水汽和熱量，從而保證活體牲畜的安全運(yùn)輸。

大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工為新加坡Wellard Ships公司續(xù)建的大型牲畜運(yùn)輸船“希樂”輪，該船滿足綠色環(huán)保國(guó)際新型牲畜運(yùn)輸船建造要求的最高標(biāo)準(zhǔn)——澳大利亞AMSA規(guī)范，牛欄面積23 500 m2，一次可裝載運(yùn)輸約17 000頭活牛，裝載量遠(yuǎn)超我國(guó)已建造完工交付的各類牲畜運(yùn)輸船，是中國(guó)船廠迄今為止建造的最大最先進(jìn)的同類船舶。

本文依托大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工交付“希樂”輪的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合澳大利亞的AMSA規(guī)范，對(duì)牲畜區(qū)域的貨艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并通過實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了通風(fēng)系統(tǒng)的有效性，從而保證活體牲畜的安全運(yùn)輸。

1 牲畜區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的必要性

由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸，活體牲畜產(chǎn)生的水汽和熱量不斷地在船艙內(nèi)部積聚，造成氣溫升高、空氣潮濕的環(huán)境，這不僅對(duì)活體牲畜的正常生理活動(dòng)產(chǎn)生影響，也會(huì)使各種病菌滋生，活體牲畜由此而染病的可能性急劇加大，并且，活體牲畜耐高溫的能力要比耐低溫的能力弱。對(duì)于大多數(shù)牲畜而言，適合運(yùn)輸?shù)臏囟确秶s在5℃～30℃之間，艙內(nèi)氣體溫度和濕度一旦達(dá)到極限，動(dòng)物便不能維持正常的體溫（表1）。

通常情況下，高燒（hyperthermia）比低燒（hypothermia）對(duì)牲畜危害性更大，牲畜體溫升高1.5℃即可認(rèn)為高燒，升高4℃～5℃將致死亡；同樣，由于通風(fēng)不合理，活體牲畜也可能出現(xiàn)低燒，體溫降低1.5℃則表示已經(jīng)處于低燒，降低5℃時(shí)，未必導(dǎo)致死亡，但通常已不能進(jìn)行正常的生理活動(dòng)，降低7℃～8℃會(huì)導(dǎo)致死亡。

表1 活體牲畜的正常體溫

大量活體的牲畜在集中式運(yùn)輸環(huán)境下，加上海況惡劣，極易誘發(fā)各種疾病，引發(fā)規(guī)模性傳染，給船東及貨主帶來經(jīng)濟(jì)損失，并會(huì)給目的港所在國(guó)家造成輸入性疫情。因此，合理的牲畜區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，維持牲畜圍欄區(qū)域通風(fēng)的有效、持續(xù)性，可以為活體牲畜在船舶長(zhǎng)途運(yùn)輸過程中提供舒適的生存環(huán)境，保障牲畜健康的穩(wěn)定，有效降低牲畜在運(yùn)送過程中的得病率和死亡率，使船東或貨主達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2 牲畜區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在整個(gè)牲畜運(yùn)輸船牛羊配套系統(tǒng)中，通風(fēng)系統(tǒng)的要求最高，難度最大[3]。牛欄系統(tǒng)需滿足AMSA規(guī)則：Marine Order Part 43 Cargo & Cargo Handling– Livestock[4]。其中，AMSA[5]規(guī)范對(duì)換氣次數(shù)的要求為：1）如處所的最低凈高是2.30 m或以上時(shí)，換氣次數(shù)應(yīng)不低于每小時(shí)20次；2）如處所的最低凈高是1.80 m時(shí)，換氣次數(shù)應(yīng)不低于每小時(shí)30次；3）如處所的最低凈高在1.80 m～2.30 m之間，換氣次數(shù)應(yīng)按照上述要求成比例數(shù)。AMSA[5]對(duì)風(fēng)速的要求為：牛羊圍欄區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)的風(fēng)速不能小于0.5 m/s。

目前船舶牲畜區(qū)域的通風(fēng)布置主要包括2種形式：集中通風(fēng)和獨(dú)立通風(fēng)。集中通風(fēng)方式通常應(yīng)用于6層以下的封閉式貨艙牲畜運(yùn)輸船，在不同的貨艙內(nèi)易于風(fēng)量分配，能夠較容易地使各個(gè)測(cè)試點(diǎn)風(fēng)速達(dá)到要求。

獨(dú)立通風(fēng)方式多用于貨艙層數(shù)較多以及帶有開敞甲板的牲畜運(yùn)輸船。風(fēng)機(jī)安裝在露天甲板，由多臺(tái)獨(dú)立軸流或離心風(fēng)機(jī)對(duì)牲畜貨艙進(jìn)行通風(fēng)。獨(dú)立式通風(fēng)在調(diào)節(jié)各個(gè)區(qū)域風(fēng)速以及風(fēng)量時(shí)難度較大，不易滿足規(guī)范的要求。

針對(duì)上述牲畜區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及難點(diǎn)，為滿足AMSA[5]規(guī)范對(duì)最小換氣次數(shù)及圍欄區(qū)域最小風(fēng)速的要求，“希樂”輪的通風(fēng)布置和風(fēng)機(jī)配置采用了如下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2.1 通風(fēng)布置

貨艙區(qū)域共劃為9層甲板，其中，將1～5層設(shè)計(jì)為封閉式貨艙區(qū)域，6～9層為敞開式貨艙區(qū)域，分別采用獨(dú)立式的通風(fēng)系統(tǒng)。采用軸流式供、排風(fēng)機(jī)，安裝于頂層主甲板上面。通過位于船舶中部的垂直圓形結(jié)構(gòu)風(fēng)道向牲畜圍欄區(qū)域送風(fēng)；開敞甲板通風(fēng)舷側(cè)自然排風(fēng)，封閉甲板通過位于兩舷側(cè)的方形結(jié)構(gòu)風(fēng)道機(jī)械排風(fēng)。

全部牲畜貨艙區(qū)域的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)配置 86臺(tái)大口徑軸流供、排風(fēng)風(fēng)機(jī)。見典型布置圖1和圖2。

在6～9層開敞甲板通風(fēng)系統(tǒng)配置46臺(tái)風(fēng)機(jī)：

1）36臺(tái)（OSF1～36）軸流送風(fēng)機(jī)通過圓形垂直方向的結(jié)構(gòu)風(fēng)道向 6～9層甲板牲畜圍欄區(qū)域送風(fēng)，風(fēng)機(jī)位于主甲板中部；

2）4臺(tái)（OSF37～40）軸流送風(fēng)機(jī)通過方形垂直方向的結(jié)構(gòu)風(fēng)道向6～8層甲板艏部區(qū)域的牲畜圍欄處送風(fēng)，風(fēng)機(jī)位于9甲板舷側(cè)；

3）4臺(tái)（OSF41～44）軸流送風(fēng)機(jī)向9甲板艏部區(qū)域的牲畜圍欄處送風(fēng)，風(fēng)機(jī)位于艏方向艙壁；

4）2臺(tái)（OSE1～2）軸流排風(fēng)機(jī)通過方形垂直方向的結(jié)構(gòu)風(fēng)道為6層和7層甲板艏部區(qū)域的牲畜圍欄處排風(fēng)，風(fēng)機(jī)位于主甲板舷側(cè)。

在1～5層封閉甲板通風(fēng)系統(tǒng)配置40臺(tái)風(fēng)機(jī)：

1）8臺(tái)（ESF1～8）軸流送風(fēng)機(jī)通過圓形垂直方向的結(jié)構(gòu)風(fēng)道向5層甲板船尾部牲畜圍欄區(qū)域送風(fēng)，風(fēng)機(jī)位于主甲板中部；

2）2臺(tái)（ESE3～4）軸流排風(fēng)機(jī)通過圓形垂直方向的結(jié)構(gòu)風(fēng)道為5層甲板船尾部牲畜圍欄區(qū)域排風(fēng)，風(fēng)機(jī)位于主甲板舷側(cè)；

3）2個(gè)自然排風(fēng)裝置為5層甲板船尾部牲畜圍欄區(qū)域排風(fēng)；

4）18臺(tái)（ESF9～26）軸流送風(fēng)機(jī)通過圓形垂直方向的結(jié)構(gòu)風(fēng)道向 1～5層甲板牲畜圍欄區(qū)域送風(fēng)，風(fēng)機(jī)位于主甲板中部；

5）12臺(tái)（ESE5～16）軸流排風(fēng)機(jī)通過方形垂直方向的結(jié)構(gòu)風(fēng)道為1～5層甲板牲畜圍欄處排風(fēng)，風(fēng)機(jī)位于主甲板舷側(cè)。

圖1 開敞甲板典型通風(fēng)布置圖

圖2 封閉甲板典型通風(fēng)布置圖

通過位于牲畜圍欄中部區(qū)域的送風(fēng)口，將風(fēng)排向舷側(cè)，務(wù)必使全船的空氣氣流循環(huán)方向一致，保證良好的通風(fēng)效果。同時(shí)，送風(fēng)與排風(fēng)系統(tǒng)分區(qū)布置要最大限度地避免排出風(fēng)與新鮮風(fēng)的混流，見圖3。

圖3 牲畜貨艙典型通風(fēng)布置圖

2.2 風(fēng)機(jī)配置

為了減少風(fēng)機(jī)的使用個(gè)數(shù)，有效利用有限的船舶空間，牲畜貨艙區(qū)域通風(fēng)風(fēng)機(jī)全部采用直徑900 mm～18 00 mm的大口徑軸流風(fēng)機(jī)，既節(jié)約能源消耗，又能最大限度減少結(jié)構(gòu)風(fēng)道的數(shù)量，降低通風(fēng)系統(tǒng)占用貨艙區(qū)域有限的空間。同時(shí)，減少了牲畜圍欄區(qū)域的送風(fēng)口個(gè)數(shù)，送風(fēng)氣流分布更加合理，降低牲畜圍欄區(qū)域的噪聲水平。

風(fēng)機(jī)采用新一代1.8 m直徑的大口徑軸流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)解決方案，為本船的創(chuàng)新點(diǎn)。采用此通風(fēng)方案，可以同時(shí)節(jié)省能源，降低牲畜圍欄區(qū)域的噪聲水平，并為船上的工作人員創(chuàng)造更好的工作環(huán)境。

風(fēng)機(jī)的選型以及結(jié)構(gòu)風(fēng)道的尺寸等，應(yīng)用CFD（computed fluid dynamics）建模進(jìn)行計(jì)算。通過優(yōu)化風(fēng)道布置及CFD模擬計(jì)算，保證牲畜圍欄區(qū)域的氣流分布在任意一點(diǎn)的風(fēng)速不小于0.5 m/s。

根據(jù)SOLAS要求，封閉處所的通風(fēng)裝置需配置關(guān)閉裝置。因此，封閉處所的通風(fēng)風(fēng)機(jī)，增加鋁制保護(hù)蓋，既節(jié)約成本又降低重量。在正常航行狀態(tài)下，保護(hù)蓋處于常開狀態(tài)；緊急情況下，可手動(dòng)關(guān)閉。見圖4和圖5。

圖4 典型軸流風(fēng)機(jī)配置

圖5 封閉處所通風(fēng)風(fēng)機(jī)

3 牲畜區(qū)域通風(fēng)效果

檢驗(yàn)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通風(fēng)效果的重要指標(biāo)，一是換氣次數(shù)，二是圍欄區(qū)域的風(fēng)速。

換氣次數(shù)及風(fēng)速作為檢驗(yàn)通風(fēng)效果的重要指標(biāo)，高換氣次數(shù)和風(fēng)速的通風(fēng)系統(tǒng)，可以顯著地為牲畜圍欄區(qū)域提供大量新鮮空氣，帶走牲畜體表產(chǎn)生的熱量，降低牲畜圍欄區(qū)域的環(huán)境溫度及濕度。通過摘自AMSA的表2[5]可以看出，在不同的外界環(huán)境溫度條件下，通過增大換氣次數(shù)，可以顯著改善通風(fēng)效果。因此，增大牲畜圍欄區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的換氣次數(shù)及風(fēng)速，對(duì)改善船員的工作環(huán)境及保證牲畜正常的生命體征具有重要意義，必須重點(diǎn)考慮。

表2 換氣次數(shù)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響

基于上述貨艙牲畜圍欄區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，按照AMSA的規(guī)范要求，對(duì)確定進(jìn)入整個(gè)貨艙和每層甲板牲畜圍欄區(qū)域的換氣次數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見圖6。同時(shí)，對(duì)每層甲板牲畜圍欄區(qū)域的風(fēng)速也進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表3和表4。

圖6 每層甲板的換氣次數(shù)測(cè)量結(jié)果

表3 開敞甲板的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果

表4 封閉甲板的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果對(duì)比AMSA的規(guī)范要求表明，此種牲畜圍欄區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及大口徑軸流風(fēng)機(jī)的啟用，使得空氣能夠在每個(gè)活體牲畜的各個(gè)部分流動(dòng)，保證了通風(fēng)的有效性，極大地改善了牲畜的生存條件。

4 結(jié)論

隨著世界經(jīng)貿(mào)合作的進(jìn)一步拓展和人們生活追求的不斷提高，全球優(yōu)質(zhì)牲畜產(chǎn)品的跨地域轉(zhuǎn)移將持續(xù)增長(zhǎng)，牲畜運(yùn)輸船前景廣闊。本研究涉及到的牲畜圍欄區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、通風(fēng)布置及風(fēng)機(jī)配置等在“希樂”牲畜運(yùn)輸船上得到成功實(shí)踐，總結(jié)了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，證明其有效性和可靠性，對(duì)今后牲畜運(yùn)輸船牲畜區(qū)域的通風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義，以提升設(shè)計(jì)人員對(duì)該船型的設(shè)計(jì)水平。