某冷空通設計實例簡介

蔣烈文

（上海船廠船舶有限公司，上海 202164）

0 引言

進行船舶冷藏、空調和通風（以下簡稱：冷空通）設計時，對風機風量大小、風道布置、風管通徑大小、百葉窗尺寸大小及安裝位置等均是有計算依據(jù)和規(guī)范要求的，有時設計過程中碰到實際問題時需要設計人員因地制宜、靈活應變，以達到滿足規(guī)范、方便實用以及節(jié)省建造成本的目的。本篇以上海船廠已建造的一艘4 000 TEU集裝箱船和某綜合物探調查船上的兩個設計案例為例，根據(jù)由船東和船檢提出的兩個問題，分別介紹了船廠給出的規(guī)范和計算公式，最終解決方案得到了船東和船檢的認可。

1 4 000 TEU集裝箱船增加中壓岸電系統(tǒng)后的通風系統(tǒng)改進

該艘4 000 TEU集裝箱船由上海船廠為某航運公司建造，在建造過程中，船東提出要增加一整套中壓岸電系統(tǒng)，而中壓岸電系統(tǒng)配套的變壓器要安裝在舵機艙右邊的儲藏室內，見圖 1更改后。因為變壓器的發(fā)熱量較大，按要求需要給儲藏室配備機械通風，而原來設計中儲藏室只設置了自然通風——兩個鵝頸式通風筒，見圖 1更改前。根據(jù)船舶設計實用手冊，儲藏室機械通風的風量計算公式[1]為

式中：qv2為帶走散熱量所需的風量，m3/h；Q2為散熱量，kW；ρa為空氣的密度，取1.2 kg/m3；ca為空氣的比熱容，取 1.005kJ/(kg·K)；ΔT2為送風溫度與艙室溫度之差，K。

本案例中，變壓器的散熱量由廠商提供，Q2=13 kW。對于電氣設備，若廠商提供不出設備的發(fā)熱量，則可根據(jù)經(jīng)驗公式來估算，其計算公式為

式中：η1為發(fā)熱系數(shù)，電機一般取η1=6%，變壓器一般取η1=2.5%；P為設備功率，kW。

估算所得變壓器散熱量為 16 kW，估算結果比廠商提供的值要大，說明估算公式可靠。

ΔT2為儲藏室內的溫度與外界大氣溫度之差，一般取值為 ΔT2=12.5K。儲藏室的設計溫度取 45℃，室外設計溫度取 32℃，相減得 13℃，再放 0.5℃的余量，最終得到溫差值為 12.5℃（根據(jù)風量計算公式可知，溫差取值越小，風量越大，故在設計過程中要將溫差取值減少0.5℃，以使計算得出的風量更為保險）。

經(jīng)計算，qv2=3 105 m3/h。

起初，冷空通專業(yè)給出的解決方案為專門給儲藏室配一臺離心風機（因本房間已配備了鵝頸式通風筒，考慮到風管布置的便利性，選擇配離心風機，而不是軸流風機），見圖1更改后。風機的風量Q選取還需在計算所得風量的基礎上乘以一個富裕系數(shù)k，此處取k=1.2，Q=k·qv2，經(jīng)計算，Q=3 726 m3/h。根據(jù)風機廠商提供的資料，最終風機選型為風量Q=3 800 m3/h，靜壓pt=450 Pa。但此方案馬上被否決，一是船東覺得增加風機成本太高；二是若增加風機，電氣專業(yè)的修改會很麻煩，需要在機艙集控室配電板上增加開關、修改集控室配電板、在儲藏室增加風機控制箱，如此，生產(chǎn)部門的實際修改工作量會很大，故放棄了增加風機的方案。

圖1 儲藏室增加獨立風機

增加風機的方案被否決后，考慮將儲藏室通風并入其它艙室機械通風系統(tǒng)中。由于儲藏室與舵機艙相連，或許可以將舵機艙的抽風管拉一路支管到儲藏室。經(jīng)三維建模確認新增風管布置沒有問題后，需要計算舵機艙風機的風量是否足夠兩個艙室共用。由于舵機的發(fā)熱量主要來自于舵機液壓油，而液壓油由機艙冷卻水冷卻，所以此房間需要機械通風帶走的設備發(fā)熱量很小。根據(jù)船舶設計使用手冊，按照每小時換氣次數(shù)的方法來計算舵機艙的通風量，其計算公式為

式中：q′v1為通風量，m3/h；n1為換氣次數(shù)，次/h，一般舵機艙的換氣次數(shù)要求為5～10次；v1為通風艙室容積，m3。根據(jù)計算得舵機艙最大容積v1=483 m3/h，已知舵機艙風機風量Q′=6 000 m3/h，若優(yōu)先滿足儲藏室的風量qv2，則舵機艙所得風量為q′v1=Q′－qv2，取qv2=3 105 m3/h，計算得q′v1=2 895 m3/h。反之，推算舵機艙的換氣次數(shù)n′1=q′v1/v1，計算得n′1=6。

經(jīng)過以上的計算過程，舵機艙風機的風量足夠舵機艙和儲藏室兩個房間共用。但船東認為舵機艙 6次的換氣次數(shù)太少（舵機艙比較潮濕，換氣次數(shù)越大越好），且風機的風量大小也沒有留有余量。為此，冷空通專業(yè)給出了一個合理的解釋并提供了一個巧妙的解決方案：中壓岸電系統(tǒng)只有在船舶靠碼頭時才使用，但船舶靠碼頭后，舵機是停止工作的，舵機艙也相對比較干燥，此時舵機艙的機械通風只需要滿足最基本的換氣次數(shù)（大于 5次）即可；船舶在航行時已離開碼頭，中壓岸電系統(tǒng)停止工作，變壓器不再發(fā)熱，儲藏室只需要用原來的自然通風即可，不需要機械通風，舵機艙風機風量完全用于舵機艙。為了實現(xiàn)這一功能，冷空通專業(yè)在給儲藏室增加一路支路風管后，在原舵機艙風管和新增的儲藏室的風管上各增加1個調風門，用來調節(jié)兩個艙室的風量，見圖 2更改后。在航行過程中，通往儲藏室的調風門完全關閉或調到很小，通往舵機艙的調風門完全打開或調到很大，舵機艙風機完全為舵機艙服務，即舵機艙風量為6 000 m3/h；在船舶?？看a頭時，調節(jié) 2個調風門至適當位置，使得舵機艙風量約為2 700 m3/h，儲藏室風量約為3 300 m3/h（具體的調風門開度看實際情況決定）。最終，本次改動的方案為只需增加2個調風門、1路支管、3個E型風柵。這個方案成本低、改動小、節(jié)能環(huán)保，最終得到船東的認可。

圖2 舵機艙風管延伸至儲藏室

2 某綜合物探調查船的UPS蓄電池間通風設計

該綜合物探調查船入CCS船級社。在送審居住艙室機械通風布置圖時，CCS審圖中心對UPS蓄電池間的通風提出諸多意見，具體內容如下：

“艏樓甲板蓄電池間為自然通風，進風風管的截面積和出風風管的截面積相等，截面積A應不小于按照鋼規(guī)第四分冊第2章第11節(jié)2.11.2.3的計算要求值。如蓄電池總充電功率大于2 kW，則應設機械通風裝置。通風進口和出口應設防火絲網(wǎng)?！?/p>

對于UPS蓄電池室通風，由于起先沒有蓄電池的資料，設計院的初始方案只是給該房間配備了 2個小型百葉窗（M150×200），見圖3改前。針對審圖中心提出的問題，船廠冷空通專業(yè)對規(guī)范進行了深入研究，并根據(jù)規(guī)范給出的公式等進行計算，最終給出修改方案，見圖3更改后。船廠給CCS審圖中心的答復如下：

1）已根據(jù)鋼規(guī)第四分冊第2章第11節(jié)2.11.2.3的計算更改了進風管的截面積，且進出風管的截面積相等，目前配的百葉窗分別為 M500×615 和M450×685。百葉窗的布置和進出風口的截面積計算見相應附件。

2）蓄電池的總充電功率為9.5 kW，但蓄電池為閥控型蓄電池，只有透氣型蓄電池的充電功率大于2 kW時才需要配機械通風。

3）進風口的百葉窗上帶7目/英寸的銅絲網(wǎng)，能起到防火絲網(wǎng)的作用。

下文介紹設計過程。

首先，蓄電池的總充電功率為9.5 kW，根據(jù)《鋼規(guī)》第四分冊第 2章第 11節(jié) 2.11.2.4“安裝透氣型蓄電池組的專用艙室、箱或柜，如蓄電池組的總充電功率大于 2 kW，則應設有機械通風”，但該船蓄電池為閥控型蓄電池，《鋼規(guī)》對閥控型蓄電池組沒有機械通風要求，故可采用自然通風。為節(jié)省成本和方便操作，本船決定采用自然通風——為該蓄電池間配 2個自然通風百葉窗。

自然通風的方案確定后，接下來就是確定百葉窗的通風面積，根據(jù)《鋼規(guī)》第四分冊第 2章第 11節(jié)2.11.2.3的計算公式[2]

式中：A為蓄電池室進出風管截面積，cm2；Un為蓄電池的標稱電壓，V，此處已知Un=12 V；Q為蓄電池電容量，Ah，此處已知Q=200 Ah；n為蓄電池數(shù)量，此處已知n=32。計算得A=1 536 cm2。

考慮到百葉窗的鋼絲網(wǎng)、葉片等會影響其通風面積，取百葉窗的通風效率為ηf=0.5，則實際需要的百葉窗的圍板通風面積為

計算所得A1=2 712 cm2。按照《鋼規(guī)》“進風風管的截面積應和出風風管的截面積相等”的要求，根據(jù)實際放樣情況，選擇底部進風口百葉窗尺寸為M500×615，頂部出風口百葉窗尺寸為 M450×685，其布置見圖3改后。

結合本船設計實例，總結出UPS蓄電池室通風布置的三大注意要點。

1）確定蓄電池室采用機械通風還是自然通風，若為機械通風，風機須防爆，風量按規(guī)范提供的公式計算得出；百葉窗的面積也須按規(guī)范提供的公式計算得出，詳細的說明和計算過程見《鋼規(guī)》第四分冊第 2章第11節(jié)蓄電池組，在此不再贅述。

圖3 蓄電池室增加自然通風百葉窗

2）注意UPS蓄電池室的通風口與其它房間的通風口的間距問題。有些船舶的危險區(qū)域劃分圖要求：蓄電池室的機械通風風口的危險區(qū)域范圍為3 m，自然通風風口的危險區(qū)域范圍為1 m，如果達不到3 m或1 m的距離，則周圍房間的電氣設備應選用防爆型。該船UPS蓄電池間采用自然通風，百葉窗與周圍房間的百葉窗或門的間距最小距離大于1 m，見圖3改后。

3）注意蓄電池室的通風口距離甲板高度?！朵撘?guī)》第四分冊第2章第 11節(jié)2.11.2.5“……出風口應設在頂部，進風口應設在底部，并有防止水和火焰進入的措施”中沒有具體規(guī)定設在底部的百葉窗距甲板的高度，若不考慮其它因素，單從通風的角度來講，底部的百葉窗安裝的越低，房間通風效果越好。在與 CCS審圖中心溝通的過程中，審圖中心根據(jù)《載重線公約》第 19條通風筒（1）“……在位置 1的通風筒，圍板在甲板以上的高度應至少為900 mm，在位置2的通風筒，圍板在甲板以上的高度應至少為760 mm……”，要求底部百葉窗的開口下邊緣距甲板高度必須大于760 mm（本船艏樓甲板UPS蓄電池間屬于位置2）。但見圖3改后，可看出若設在底部的百葉窗移至底邊距艏樓甲板760 mm，則該百葉窗距離右上角最近的分油機間百葉窗的距離就會過于接近，且小于1 m。為此，經(jīng)過再次認真研究《載重線公約》，發(fā)現(xiàn)大部分人詮釋《載重線公約》時往往遺漏了第 19條通風筒（1）的第一句話，即“在位置1或位置2，通往干舷甲板或封閉上層建筑甲板以下處所的通風筒，應有鋼質的或其他相當材料的為伴，其結構應堅固，并且與甲板牢固地連接。在位置 1的通風筒，圍板在甲板以上的高度至少為900 mm，在位置2的通風筒，圍板在甲板以上的高度至少為760 mm……[3]”?？梢姟遁d重線公約》中通風筒圍板高度位置1為900 mm、位置2為760 mm的前提是通風筒為“通往干舷甲板或封閉上層建筑甲板以下處所的通風筒”，即通風筒或者其所連接風管必須穿過本層甲板進入下一層甲板。本案例中，百葉窗只服務于UPS蓄電池間，并沒有連接風管穿過艏樓甲板，即便有雨水從百葉窗進入UPS蓄電池間，雨水也只會停留在本層甲板，不會進入下一層甲板。為確定一個準確的高度，參考《載重線公約》第 18條干舷甲板和上層建筑甲板的各種開口（4），即“在位置1，升降口門口的門檻，在甲板以上的高度應至少為600 mm，在位置2，則應至少為380 mm”。最終選取底部百葉窗的高度為底邊距離艏樓甲板380 mm，審圖中心認可該方案。

3 結束語

冷空通專業(yè)包含的系統(tǒng)比較雜，其涉及的面很廣。就目前為止，冷空通專業(yè)需要熟悉的規(guī)范或規(guī)則有各船級社規(guī)范、《SOLAS公約》、《載重線公約》、《綠色船舶規(guī)范》（CCS）和《海上噪聲等級規(guī)則》等等。

該專業(yè)在設計過程中要考慮的因素非常多，除了有通風換氣、氣流組織、制冷取暖等因素外，還有規(guī)范安全要求、舒適性、節(jié)能環(huán)保、減振降噪等。在布置安裝設備、風管時，還需要考慮船體結構、艙室內裝，應盡量做到布置簡單、安裝方便、整體美觀。今后的船舶對冷空通專業(yè)的要求只會越來越高，空調系統(tǒng)、冷藏系統(tǒng)、通風系統(tǒng)只會越來越復雜，且與船體專業(yè)、內裝專業(yè)、電氣專業(yè)的融合度會越來越高，這對冷空通專業(yè)設計而言的是一個巨大的挑戰(zhàn)，也是今后需要努力的方向！