科考船的空調系統(tǒng)設計研究

朱永兵

摘 要：隨著我國科技的日新月異，科學考察事業(yè)正在不斷進步，為了科考人員的安全、為了科考工作的順利進行，必須從硬件上進行必要的保障。本著讓科考船居住活動更舒適，應將設計研究的重點放在科考船的空調系統(tǒng)上。文章以某科考船作為研究對象，從對其空調系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等方面的設計入手，通過對各類參數(shù)的比較，分析空調系統(tǒng)的設計對人員舒適性的影響，并提出改進意見，相信可以對我國今后的科考船的設計產生積極的影響。

關鍵詞：科考船；空調系統(tǒng)；系統(tǒng)配置；通風系統(tǒng)

中圖分類號：U664.86 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0102-02

Abstract： With the rapid development of science and technology in our country， the cause of scientific investigation is progressing constantly. In order to ensure the safety of scientific examiners and the smooth progress of scientific research work， we must carry on the necessary guarantee from the hardware. In order to make the living activities of the research vessel more comfortable， the emphasis of the design research should be placed on the air conditioning system of the research vessel. The paper takes a research ship as the research object， starting with the design of the air conditioning system and ventilation system of the research vessel. Through the comparison of various parameters， this paper analyzes the influence of air conditioning system design on the comfort of personnel， and puts forward some suggestions for improvement， which will have a positive impact on the design of research ships in our country in the future.

Keywords： research vessel； air conditioning system； system configuration； ventilation system

引言

從上個世紀末至今，人類對于海洋的科學研究逐漸加深，所到之處不乏自然環(huán)境惡劣的地方，隨之而來的是對應用設備，尤其是科考船的適用性與舒適性的要求不斷增加?？偟膩碚f，科考船的專業(yè)性主要體現(xiàn)在其具備高集成度、高綜合度。因為工作性質與所處地點相對特殊，科考船在空調系統(tǒng)方面的配備與普通船舶相比仍有不同。而且，由相關國際海洋組織發(fā)起的各類國際公約、規(guī)范不斷實施，我國在科考船與設備的研發(fā)與制造水平日益精進，用戶對隨船空調系統(tǒng)的性價比的要求也在不斷提升。本文以“092型”科考船作為研究對象，通過對科考船的空調系統(tǒng)設計要求與原則分析入手，找出其設計重點，相信可以為今后科考船的舒適性、實用性的不斷發(fā)展，給出建設性的意見。

1 科考船空調系統(tǒng)設計分析

1.1 設計需求

科考船的設計應滿足可在允許進行航行的公海，與可供船航行的所有水域進行航?；顒拥囊?。除了以上對“無限航區(qū)”的要求外，其人員組成（包含船員40與科學考察人員55）共95人。在保證“無限航區(qū)”與定員數(shù)量的基礎上，加滿補給后，在海上無外界補充的情況下，要求組成人員能夠生活的最長時間為70天。

1.2 設計原則

科考船的特殊性質決定了其設計、制造應嚴格執(zhí)行相應的國家規(guī)范標準，我國涉及航海船舶的設計規(guī)范如：《鋼質海船人級與建造規(guī)范》，涉及航海船舶噪音控制的規(guī)范如：《海洋船舶噪聲規(guī)定》，按該規(guī)定進行設計建造，令科考船舶從船員的舒適性到安全性以及環(huán)境友好方面，都可以滿足要求。其他標準如GB/T-7452-2007《機械振動客船和商船適居性振動測量、報告和評價標準》在建造與測試過程中的意義也非常重大。根據(jù)我國現(xiàn)行《船舶起居處所空氣調節(jié)與通風設計參數(shù)和計算方法》（GB/T13409-1992），并聯(lián)系該科考船實際情況，確定以下設計參數(shù)。

（1）空調系統(tǒng)設計參數(shù)。性能參數(shù)項目分為Outside Air、Inside Air、Fresh Than、Fresh Air Rate、Refrigerant、Cooling medium、Heating medium、Humidifying medium。（2）空調系統(tǒng)劃分。分為JK1、JK2、JK3、JK4四個分區(qū)。覆蓋區(qū)域分別為：駕駛區(qū)、登船區(qū)；起居區(qū)、樣品收集區(qū)；實驗區(qū)；UP起居區(qū)、補給區(qū)、DOWN起居區(qū)。覆蓋面積分別為670m2、420m2、440m2、400m2。（3）中央空調系統(tǒng)參數(shù)。參數(shù)分為：制冷amount、采暖amount、冷卻水amount和循環(huán)冷熱媒水amount。數(shù)值分別對應390kWx2、650kW、90m3/2h、110m3/h。

2 科考船空調系統(tǒng)設計優(yōu)化措施

2.1 合理劃分空調系統(tǒng)

科考船運行使用中的成員就是全體船員、考察人員，伴隨項目進展與時間推移，情況可能發(fā)生變化，人員也許有一定的增減，該船的空調系統(tǒng)將依據(jù)抵岸與出海兩種運行方式，有區(qū)別地調整其運行輻度。所以，科考船的空調系統(tǒng)需要以有區(qū)別的運行狀態(tài)進行分類。在開始階段，設計單位與用戶應積極聯(lián)系實際需求，對科考船的運行效果、成員的多少、作業(yè)區(qū)、休閑空間等各個層次進行細致入微的研究。在考慮分配不同空間的過程中，國際常用的是按operation zone（OZ）、science research zone（SZ）、rest zone（RZ）進行分配后，進行分類設計。任何空調系統(tǒng)設計都要本著中央為主，專項次之的理念進行，在重要部位和科研場所除了需要配備中央空調外，還需根據(jù)特定事物供給專用空調，這是以防中央空調意外停止工作，特定空間仍可依需打開專用設備，在保證工作正常進行的同時，也減輕了中央空調的負擔，節(jié)約了資源，可謂一舉多得。

2.2 優(yōu)化空調通風系統(tǒng)的設計

在國際科考船設計中，本層甲板頂?shù)缴蠈蛹装屙數(shù)母卟?、本層甲板頂面到本層梁底或吊頂?shù)酌娴母卟?、以中低速運行的風管設計，三者之間如何達到平衡狀態(tài)，是空調系統(tǒng)設計中的要害之處，因為要從整體考慮以下幾個問題：整體機能，三者達到平衡的臨界點，經過反復計算比對發(fā)現(xiàn)，整體平衡所覆蓋的范圍應包括全船各個甲板的通風管、電纜和管系。因此，第一，要在空調的重點換氣路徑上按實際情況實施設計，防止由于管道水平尺寸過大造成的甲板凈高過低，影響日常生活作業(yè)；第二，管道施工過程中要從實際出發(fā)，以防止各類管道雜亂堆積；第三，管道的具體施工需要縝密考慮到有限空間尺寸，比如狹小空間對送風管和保溫層的影響；第四，要本著將節(jié)約空間與外觀整潔的原則，利用好各個空間。

2.3 減少振動，降低噪音

聲學設備在科考船上肩負著重大作用，減噪水平的高低體現(xiàn)了船體的先進性，所以減噪設計成為科考船空調系統(tǒng)在設計先進性上面的重要體現(xiàn)。這就要求空調設計人員要作到：第一：設備選型上，以低噪音設備代替高噪音設備，材料選擇上，應多以吸聲材料為主，以及增加厚度實施減噪，使用低噪音的空調壓縮機從聲源上減噪。第二，將產生噪音的聲源進行物理隔絕；第三，在空調產生噪音的路徑上加裝消音設備，可以有效控制噪聲；第四，在噪聲的傳入傳出的部位進行降噪。落實到具體步驟為：（1）空調的主要管理在設計上應保證合理，防止水平管系由于幾何尺寸過大產生影響。（2）維持平衡狀態(tài)，防止雜亂堆積。（3）幾何尺寸要隨機應變，必要時可以多種幾何尺寸組合使用。（4）及時約束送風管高、保溫層厚度。

2.4 注意科考船與常規(guī)船在空調設計上的差異

科考船與常規(guī)船在空調設計上的差異，以在實驗室空調系統(tǒng)上的差別為最大。其特點主要表現(xiàn)在：（1）內部空間的空氣質量較普通高?？瓶即钥蒲袨樽罱K目的，其實驗室空氣質量要求非常嚴苛。雖然在某一指標比如溫度上可以參考普通空間，比如溫度 26℃左右、濕度在50%左右，但由于大多數(shù)實驗受溫度溫度影響很大，特別是精度受影響最大。例如：電子天平作為一種精密儀器，雖然其精度極高，但其受溫度影響最大，要求每小時溫度的變化不應大于5攝氏度），所以在設計過程中空氣質量也一定要引起重視。（2）實驗室對于噪聲的控制比普通室嚴格。實驗室噪聲限值為60dB（A）。隨著加裝振動敏感、噪聲敏感的相關設備和儀器后，該實驗室噪聲限值更為嚴格，必須從實際出發(fā)，按需控制。這就要求設計人員從整個空調體系入手，聯(lián)系實際，比如在實驗室內部加裝吸聲材料，或在發(fā)聲的實驗設備上裝降噪裝置，節(jié)能減噪。（3）實驗室空調設備的使用特點為相對獨立，運行靈活。這是從實驗室從物理上的對立，以及與整個科考船節(jié)能上的統(tǒng)一考慮的。比如科考船抵岸，空調停運，以風機替代運行。兼顧節(jié)能，利用資源的整合，還同時達到了環(huán)保的目的。適應了在極端情況下滿載運行，或者部分獨立空調的局部運轉。在節(jié)電方面其優(yōu)點也一覽無余，將怠機時的電能消耗降到最低，使高能耗空調盡全力達到節(jié)能環(huán)保的要求。（4）在實驗室中，如果帶有通風柜，則該類的空調系統(tǒng)的作用有兩面性，即日常狀態(tài)與工作狀態(tài)。依據(jù)出海計劃和相關各類實驗目標，科考船實驗室通風系統(tǒng)需要實現(xiàn)日常換氣與實驗排風兩種情況。關于本船，由于化學實驗可能產生危及生命健康的有毒氣體，所以實驗室必須加裝通風柜，同時利用負壓阻止有毒氣體外泄，同時安裝排風與送風系統(tǒng)，要按“排風量>送風量”的規(guī)則控制送風速度與排風速度。本實驗室具體兩套排風體系，且相對獨立，其中一套以常規(guī)排風換氣為主，保證日常生活需要，還有一套為通風柜排風系統(tǒng)，主要為實驗室服務。依據(jù)相關流體力學原理，兩套系統(tǒng)切忌同步使用，這樣才能使風量達到平衡的狀態(tài)。日常工作排風系統(tǒng)設置1臺管道風機，利用萬向抽風臂進行抽風作業(yè)。通風柜排風系統(tǒng)自帶風機，接風管直接排出室外。隨著未來實驗項目的深化，其空調系統(tǒng)設計需要涵蓋的范圍也逐步擴大，原來被忽視的備用設施，其作用也日益加強，不可小覷。經過如上所述，通過在設計上面的深度優(yōu)化，可以使該科考船在運行上趨于更加科學、節(jié)能環(huán)保成效明顯、操作快捷、穩(wěn)定、安全性好等優(yōu)點，為成員的舒適性提供了可靠保障；其也有弊端，表現(xiàn)在：低負荷運行的壓縮機制冷能力略顯不足；如果空調送風管彎曲過大，可能影響空調效果等等。希望這些情況在今后的設計工作中，可以引起相關設計人員的關注并逐步改進，這就要求相關設計人員除了加強設計水平外，必須要聯(lián)系設計進行設計。

3 結束語

經過以上對該科考船空調系統(tǒng)設計相關內容的討論，科考船在空調系統(tǒng)設計上的復雜程度可見一斑，也就是說，在設計時，不但要考慮空調系統(tǒng)本身的工作性能，還要兼顧其空間有限以及舒適性要求高的特點。對這些特點，可以從以下幾個方面來進行科考船空調系統(tǒng)設計，使得該系統(tǒng)更加優(yōu)化：（1）合理分配空調系統(tǒng)，優(yōu)化配置設備，以舒適性、實用性為目的兼顧經濟性要求。（2）強化狹小空間的優(yōu)化設計能力，在空間、穩(wěn)定、舒適三者間找到平衡點。（3）在設計選型、源頭、安裝位置進行統(tǒng)籌減噪，有效地降低設備對全船噪聲水平的影響。（4）實驗室空調系統(tǒng)設計應聯(lián)系實際進行。

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