海洋石油平臺HVAC系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)選取的思考

刁素仿

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計院，天津 300451）

海洋石油平臺上HVAC系統(tǒng)主要為平臺生活樓和組塊功能性房間提供房間的供熱、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)。海上平臺多為鹽霧潮濕環(huán)境，如何從瞬息萬變的氣象資料中提取能夠用于冷、熱、濕負荷計算的設(shè)計參數(shù)，尤為重要。

以旅大16-3油田基本設(shè)計項目為例，暖通專業(yè)首先要對設(shè)計基礎(chǔ)進行確認，室內(nèi)外設(shè)計溫度和相對濕度需要與業(yè)主達成共識才能開展下一步工作。根據(jù)環(huán)境專業(yè)所提供的氣象數(shù)據(jù)，夏季環(huán)境最高溫度37.8℃，最高相對濕度95%；冬季環(huán)境最低環(huán)境溫度-18℃，最低相對濕度46%；因此業(yè)主確定夏季設(shè)計溫度36.8℃，設(shè)計相對濕度95%，冬季設(shè)計溫度-17℃，設(shè)計相對濕度46%。因?qū)I(yè)主提供的夏季設(shè)計基礎(chǔ)存有異議，最高溫度37.8℃及最高的相對濕度95%，為不可同時出現(xiàn)的極限情況，不宜作為設(shè)計參數(shù)，為此對環(huán)境溫度和相對濕度進行了詳細分析。

1 油田氣象環(huán)境分析

旅大16-3油田位于渤海遼東灣南部海域，西北距河北省秦皇島約100km，東南距遼寧省旅順市約86km。首先，根據(jù)油田所處地理位置，查詢企業(yè)標準Q/HS 3008-2016《海上平臺采暖通風(fēng)空調(diào)冷庫系統(tǒng)設(shè)計方法》，其3.1.1中詳細描述了HVAC專業(yè)冬夏季通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)的計算溫度和相對濕度的選取方法，冬夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度，應(yīng)采用歷年平均不保證50h的干球溫度；但需要提供室外的氣象資料，本項目當時無法提供氣象資料，但標準中明確闡述“如無確切資料，可參考下列各海域資料”詳見表1。在表1中可看到渤海海域夏季的設(shè)計溫度為32℃，設(shè)計相對濕度為80%，與業(yè)主所提供夏季設(shè)計溫度36.8℃，設(shè)計相對濕度95%相差甚大。

對此又查詢標準GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》附錄A室外空氣計算參數(shù)，附錄A以近30年的氣象記錄數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，給出了各個區(qū)域室外空氣計算參數(shù)的參考值，此海域位于秦皇島、大連之間，查閱附錄A，秦皇島夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度為30.6℃，大連夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度為29℃，與業(yè)主所提供夏季設(shè)計溫度36.8℃相比有較大的差距。對此又查閱GB50736-2012中的附錄B，室外空氣計算溫度簡化方法，B.0.3夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度，可按下式確定：twg=0.71trp+0.29tmax；式中：twg—夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度（℃）；trp—累計最熱月平均溫度（℃）；tmax—累計極端最高溫度（℃）；經(jīng)過粗略計算夏季室外的設(shè)計溫度為31.6℃左右，所得計算數(shù)據(jù)同樣與業(yè)主所提供夏季設(shè)計溫度36.8℃存在差距。綜上所述，得出業(yè)主所提供的設(shè)計參數(shù)不盡合理，需進一步與業(yè)主進行核實確認。

2 設(shè)計參數(shù)對設(shè)備選型的影響分析

海上平臺組塊房間主要采用分體空調(diào)系統(tǒng)，生活樓主要采用集中空調(diào)系統(tǒng)，在役平臺現(xiàn)場反映空調(diào)選型過大，現(xiàn)場房間實際溫度比設(shè)計溫度偏低很多，工程設(shè)計中理論計算的空調(diào)負荷比實際需要的空調(diào)負荷偏大，是何原因造成空調(diào)機組選型過大？對此進行如下分析。

表1 各海域資料

首先對設(shè)計溫度、濕度計算進行對比，空氣焓值代表空氣中所含的總熱量，以每千克空氣焓值進行對比計算，以夏季設(shè)計溫度36.8℃，設(shè)計相對濕度95%為例，進行焓值的計算：

i=1.01t+(2500+1.84t)d；

式中：i—空氣焓值，k J/k g；t—空氣溫度，℃；d—空氣含濕量，g/kg干空氣；1.01—干空氣的平均定壓比熱，[kj(kg.K)]；1.84—水蒸氣的平均定壓比熱，[kj(kg.K)]；2500—0℃時水的汽化潛熱，kj/kg。

其中空氣含濕量d與所給設(shè)計相對濕度95%之間的換算如下：

d=622×95%×Ps/(P-Ps)

式中：d—空氣含濕量，g/kg干空氣；Ps—飽和空氣水蒸氣分壓力，Pa；P—一個空氣大氣壓，P=101325Pa。

綜合上述公式，按照業(yè)主所給夏季設(shè)計溫度36.8℃，設(shè)計相對濕度95%，計算得出每千克空氣能量為136.23kJ；如果按Q/HS 3008-2016《海上平臺采暖通風(fēng)空調(diào)冷庫系統(tǒng)設(shè)計方法》表1推薦的渤海海域夏季的設(shè)計溫度32℃，相對濕度為80%計算，得出每千克空氣能量為94.62kJ；每千克空氣焓值按照不同的設(shè)計參數(shù)計算所得結(jié)果相差41.61kJ，由此粗略計算，可推斷如果按照業(yè)主所給設(shè)計參數(shù)進行空調(diào)負荷計算，與按照Q/HS 3008-2016推薦的設(shè)計參數(shù)進行空調(diào)負荷計算，對空調(diào)設(shè)備選型的制冷量將高出約30%，這將無形中造成空調(diào)負荷理論計算結(jié)果偏大，設(shè)備選型過大，造成不必要的浪費。

其次，進行空調(diào)負荷的詳細計算，同樣以業(yè)主所給夏季設(shè)計溫度36.8℃，設(shè)計相對濕度95%為例，與Q/HS 3008-2016中表1推薦的渤海海域夏季的設(shè)計溫度為32℃，設(shè)計相對濕度為80%來進行計算對比。

由于夏季空調(diào)負荷計算涉及到新風(fēng)熱、圍護結(jié)構(gòu)傳入熱、人體熱、照明熱量以及設(shè)備散熱量等因素，其中設(shè)計參數(shù)對人體潛熱、人體顯熱、照明熱量以及設(shè)備散熱量的影響不大，新風(fēng)熱與空氣焓值密切相關(guān)，上一節(jié)已對焓值對空調(diào)的計算負荷做出對比，這里主要對圍護結(jié)構(gòu)傳入熱的計算對比，來分析設(shè)計參數(shù)對空調(diào)負荷計算的影響。

以旅大16-3油田平臺工作間為例，工作間位于中層甲板北側(cè)，房間北側(cè)和西側(cè)為日曬圍壁，南側(cè)和東側(cè)均為功能性房間，房間頂部和底部均為遮陽圍壁，房間墻壁絕熱結(jié)構(gòu)有兩種形式，一是內(nèi)艙壁絕熱，見圖1；二是外艙壁絕熱，見圖2；

圖1

圖2

傳熱系數(shù)根據(jù)《船舶設(shè)計實用手冊》表格6.4.2.1和傳熱計算選取，根據(jù)絕熱形式選取傳熱系數(shù)，圖1選取傳熱系數(shù)為1.1W/m2.k，圖2選取傳熱系數(shù)為0.8W/m2.k，房間艙壁的傳熱系數(shù)確定后，再確定房間各個面的設(shè)計溫度差，根據(jù)《船舶設(shè)計實用手冊》6.4.3.4，夏季傳熱面日曬甲板的設(shè)計溫度為環(huán)境設(shè)計溫度+25℃，即：61.8℃；日曬圍壁的設(shè)計溫度為環(huán)境設(shè)計溫度+16℃，即：52.8℃；遮陽甲板和遮陽圍壁的設(shè)計溫度為環(huán)境設(shè)計溫度+3℃，即：39.8℃；上述參數(shù)確定后進行圍護結(jié)構(gòu)傳入熱的計算。

每面墻壁的傳入熱計算公式為：Q1=A·h·Δt

式中：Q1—夏季艙內(nèi)傳入熱，W；A—艙壁傳熱面積，m2；h—艙壁傳熱系數(shù)；Δt—傳熱艙壁溫度差，K。

算出每面墻壁的傳入熱再將工作間每面艙壁的傳入熱相加，即可得出整個艙室的傳入熱。

同樣按照不同的設(shè)計參數(shù)進行工作間艙壁傳入熱的計算，按照業(yè)主所給夏季設(shè)計溫度36.8℃計算，工作間傳入熱總量為1325W；根據(jù)Q/HS 3008-2016中表1推薦的渤海海域夏季的設(shè)計溫度32℃計算，工作間傳入熱為1003W，通過對艙室傳入熱量的計算，兩種工況下，設(shè)計參數(shù)不同，設(shè)計結(jié)果有25%左右的偏差。

當然在設(shè)計過程中，影響HVAC系統(tǒng)計算的因素還有很多，此處未能全部列舉，僅通過以上兩種粗略計算的對比，空調(diào)設(shè)備的負荷計算就有25%～30%的偏差，所以設(shè)計參數(shù)的選取應(yīng)格外慎重，既要滿足工程設(shè)計的使用需求，又要考慮節(jié)能減排的要求，設(shè)計參數(shù)的選取對于HVAC系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。

3 設(shè)計參數(shù)達成一致

綜上所述，經(jīng)與業(yè)主近一步溝通，通過對設(shè)計參數(shù)的對比分析，以及綜合考慮雙方的意見，結(jié)合全球氣候變暖的現(xiàn)實和環(huán)境專業(yè)所提供的氣象數(shù)據(jù)，最終確定一個相對比較切合實際也比較合理的設(shè)計參數(shù)，即：旅大16-3油田基本設(shè)計項目，暖通專業(yè)的設(shè)計參數(shù)為夏季室外設(shè)計溫度35℃，設(shè)計相對濕度80%；冬季室外設(shè)計溫度-17℃，設(shè)計相對濕度46%；這樣不僅保障了HVAC系統(tǒng)滿足了現(xiàn)場實際使用需求，也避免HVAC設(shè)備選型過大造成浪費，最終與業(yè)主達成了共識。

4 結(jié)論

上述是對海洋石油平臺HVAC系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)選取的思考，對于暖通專業(yè)，設(shè)計參數(shù)的選取與工程實際設(shè)計效果有著不可忽略的關(guān)系，目前此項目正在運行階段，待項目投產(chǎn)后會繼續(xù)跟蹤業(yè)主的實際運行效果，為以后設(shè)計參數(shù)的選取積累更多的設(shè)計經(jīng)驗。