阿爾及利亞豪華客滾船空調(diào)通風(fēng)設(shè)計要點

秦耀明，賴海清

(廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院，廣州 510250)

豪華客滾船屬于高技術(shù)、高附加值的船舶產(chǎn)品，其空調(diào)通風(fēng)是至關(guān)重要的系統(tǒng)，無論是船東、建造船廠、設(shè)計單位還是船級社，都對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的計算、設(shè)計、設(shè)備選型、布置、功能效果、節(jié)能環(huán)保,以及控制管理等環(huán)節(jié)非常關(guān)注[1]。以阿爾及利亞客滾船為目標(biāo)船，分析空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的能量計算、空調(diào)類型、通風(fēng)形式、休閑體驗設(shè)計指數(shù)、安全返港、煙氣管理系統(tǒng)，以及系統(tǒng)控制和管理等。該船長199.9 m，型寬30 m，設(shè)計吃水6.7 m，航速可達24 kn，全船設(shè)置12層甲板，全船人數(shù)1 980，其中旅客1 800人(旅客鋪位1 500個，座席300個)，船員及服務(wù)人員180人；滾裝處所車道3 250 m，約600車位，入級法國船級社(BV)，附加符號COMF-NOISE-PAX-2、COMF-VIB-PAX-2、COMF-NOISE-CREW-3、COMF-VIB-CREW-3(相當(dāng)CCS附加符號CEDI C3/C4)。與其他客滾船相比，該船對舒適度要求極高，旅客房間舒適等級達到二級(BV)。

1 空調(diào)通風(fēng)

阿爾及利亞客滾船噸位大，服務(wù)區(qū)域空間所需要的空調(diào)能量高，各區(qū)域的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)需按防火區(qū)域、功能服務(wù)區(qū)域、休閑體驗設(shè)計指數(shù)等要求進行單獨配置。

根據(jù)防火的分隔要求，設(shè)置4個防火主豎區(qū),在各主豎區(qū)內(nèi)，根據(jù)艙室的布置及服務(wù)功能，設(shè)置獨立的空調(diào)機室和通風(fēng)機室?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計、布置應(yīng)按各防火主豎區(qū)獨立進行，同時考慮為滿足安全返港要求而劃定防火分隔的事故界限。

空調(diào)通風(fēng)設(shè)計包括：空調(diào)區(qū)域的劃分、空調(diào)系統(tǒng)的選用、空調(diào)負荷計算、系統(tǒng)管路、空調(diào)裝置及配套、環(huán)保節(jié)能,以及系統(tǒng)控制與管理等。

1.1 空調(diào)區(qū)域與空調(diào)系統(tǒng)

豪華客滾船的空調(diào)系統(tǒng)形式是多樣性的，不同服務(wù)區(qū)域根據(jù)不同舒適度要求合理配置空調(diào)器及通風(fēng)類型，以利于尋求最佳的能量控制和運行管理。各空調(diào)器對應(yīng)所服務(wù)的區(qū)域相對獨立，應(yīng)按區(qū)域劃分、服務(wù)功能，以及舒適度等級要求進行獨立配置。

1.1.1 空調(diào)區(qū)域劃分

空調(diào)區(qū)域劃分時應(yīng)考慮在同一主豎區(qū)內(nèi)滿足安全返港要求的事故界限防火分隔，不同服務(wù)區(qū)域根據(jù)舒適度要求配置功能不同的空調(diào)器及通風(fēng)類型，因此進行合理的區(qū)域劃分，利于各空調(diào)的能量計算及分配、系統(tǒng)設(shè)計、通風(fēng)布置及系統(tǒng)調(diào)試工作。目標(biāo)船空調(diào)區(qū)域劃分遵循以下原則：①按艙室防火主豎區(qū)進行劃分；②滿足安全返港要求的事故界限分隔進行劃分；③不同功能要求的服務(wù)區(qū)域進行劃分；④同一空調(diào)器所提供服務(wù)的場所應(yīng)屬同一防火區(qū)域或事故界限內(nèi)。

區(qū)域劃分需要根據(jù)總布置圖進行，一般需要繪制全船空調(diào)區(qū)域的彩色劃分圖(color drawing)見圖1。清晰區(qū)分各空調(diào)器及所對應(yīng)服務(wù)的空調(diào)區(qū)域，利于進行空調(diào)器的能量計算及分配。

圖1 甲板部分空調(diào)區(qū)域的彩色劃分

1.1.2 空調(diào)系統(tǒng)

豪華客滾船通風(fēng)系統(tǒng)的負荷和通風(fēng)量需求很大，通常會采用全新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)，在滿足熱負荷平衡風(fēng)量的同時降低通風(fēng)總量需求，以減少風(fēng)管的數(shù)量，方便管路布置，通過設(shè)置在排風(fēng)與新風(fēng)之間的能量回收裝置實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。空調(diào)系統(tǒng)設(shè)有獨立的排風(fēng)管路和通風(fēng)設(shè)施，常采用間接式處理空氣。新鮮空氣經(jīng)過濾除塵后，由中間冷熱媒介對空氣進行高低溫2級處理(預(yù)處理和再處理)，以滿足不同區(qū)域空氣溫度和濕度的調(diào)節(jié)要求，空調(diào)區(qū)域的溫度控制通常采取調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度來實現(xiàn)。區(qū)域需按不同的服務(wù)功能和《郵輪空調(diào)系統(tǒng)檢驗指南》(2017)的要求設(shè)置風(fēng)壓的中、低壓區(qū)和負壓區(qū)。所應(yīng)用的空調(diào)種類、通風(fēng)方式是多樣性，需根據(jù)空調(diào)區(qū)域劃分，按區(qū)域服務(wù)功能不同、舒適度(Cx)等級要求進行空調(diào)通風(fēng)及其系統(tǒng)的配置，其原則主要為：系統(tǒng)配置選取合理、運行節(jié)能、方便控制監(jiān)測和維護為準(zhǔn)則。

1.1.3 空調(diào)系統(tǒng)的選擇

與常規(guī)船舶相比，豪華客滾船空調(diào)艙室的溫度控制通常采用調(diào)整送風(fēng)溫度來實現(xiàn)。舒適度等級達到C4、C5級的艙室，建議配置高/低溫送風(fēng)管(雙風(fēng)管[2])，通過調(diào)節(jié)高/低溫風(fēng)量配比以達到所需的艙室溫度和濕度(見圖2)，C3級的艙室可采用低溫單風(fēng)管送風(fēng)+末端輔熱(布風(fēng)器)的方式進行溫度調(diào)節(jié)；公共區(qū)域常采用在送向不同分區(qū)的經(jīng)預(yù)處理(低溫)的管路上設(shè)置再熱器進行處理，調(diào)整不同分區(qū)所需的送風(fēng)溫度，均衡因分區(qū)熱負荷不勻時的艙內(nèi)溫度。

圖2 高/低溫送風(fēng)管形式

空調(diào)采用冷水機組+間接空調(diào)器/風(fēng)機盤管形式向全船空調(diào)區(qū)域供冷/暖。供暖采用鍋爐蒸汽加熱冷媒水。全船空調(diào)制冷負荷約為4 300 kW，設(shè)2臺冷水機組，總制冷量2×2 590 kW，每臺機組為60%的全船負荷。設(shè)蒸汽加熱冷媒水熱交換器，預(yù)加熱為2×350 kW，再加熱為2×400 kW，總制熱量1 500 kW。各區(qū)域配置空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)如下：①旅客和高級船員住艙——全新風(fēng)定風(fēng)量雙風(fēng)管系統(tǒng)(中壓中速)；②普通船員住艙——全新風(fēng)定風(fēng)量單風(fēng)管系統(tǒng)(中壓中速)；③公共區(qū)域——全新風(fēng)定風(fēng)量單風(fēng)管系統(tǒng)(低速低壓)；④廚房——全新風(fēng)單風(fēng)管系統(tǒng)(低壓低速，雙速風(fēng)機)；⑤梯道——50%新風(fēng)定風(fēng)量單風(fēng)管系統(tǒng)。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)計算

空調(diào)系統(tǒng)的熱負荷計算方法與常規(guī)船舶大體相同，但需按《郵輪空調(diào)系統(tǒng)檢驗指南》的要求，根據(jù)不同區(qū)域休閑體驗設(shè)計指數(shù)CEDI(Cx)的溫濕度要求分區(qū)域或住艙進行計算，為了便于核算和能量分配，計算書需根據(jù)空調(diào)服務(wù)區(qū)域分組單獨列出相應(yīng)數(shù)據(jù),具體的計算方法參考《郵輪空調(diào)系統(tǒng)檢驗指南》。

1.3 空調(diào)裝置

為滿足各區(qū)域通風(fēng)空調(diào)需要，本船中央空調(diào)按各主豎區(qū)單獨配置，并根據(jù)區(qū)域及功能分為5種形式。

1)AC形式(A/C for cabin)。AC形式獨立服務(wù)于旅客住艙、船員住艙及官員住艙，采用間接空調(diào)器向各住艙送風(fēng)(高速)，100%新風(fēng)，空調(diào)器設(shè)有調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度的設(shè)定功能，以滿足不同季節(jié)的要求。同時根據(jù)送風(fēng)溫度變化調(diào)節(jié)冷媒水的流量(三通閥)從而進行能量調(diào)節(jié)。

2)AP形式(A/C for public space)。AP形式獨立服務(wù)于公共服務(wù)區(qū)域，采用間接空調(diào)器向各區(qū)域送風(fēng)(低速)，單風(fēng)管，100%新風(fēng)，空調(diào)器設(shè)有調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度的設(shè)定功能，以滿足不同季節(jié)的要求。同時根據(jù)所在服務(wù)區(qū)域的溫度傳感器信號調(diào)節(jié)冷媒水的流量(三通閥)從而進行能量調(diào)節(jié)。

3)AT形式(A/C for stair system)。AT形式獨立服務(wù)于梯間(所有)，采用間接空調(diào)器向各區(qū)域送風(fēng)(低速)，單風(fēng)管，50%新風(fēng)，空調(diào)器設(shè)有調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度的設(shè)定功能，以滿足不同季節(jié)的要求。同時根據(jù)回風(fēng)溫度傳感器信號調(diào)節(jié)冷媒水的流量(三通閥)從而進行能量調(diào)節(jié)。

4)AG形式(A/C for galley)。AG形式獨立服務(wù)于船員廚房和旅客廚房，采用間接空調(diào)器向各區(qū)域送風(fēng)(低速)，單風(fēng)管，100%新風(fēng)，空調(diào)器設(shè)有調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度的設(shè)定功能，以滿足不同季節(jié)的要求。

5)AS形式(A/C for other)。AS形式獨立服務(wù)于各服務(wù)區(qū)域，并設(shè)有獨立的通風(fēng)(送風(fēng)/抽風(fēng)機)。

1.4 空調(diào)系統(tǒng)管路

空調(diào)系統(tǒng)管路分為風(fēng)管布置和冷/熱媒水循環(huán)管路兩大部分。

1.4.1 空調(diào)風(fēng)管

空調(diào)風(fēng)管的設(shè)計應(yīng)考慮風(fēng)速對噪聲帶來的影響，根據(jù)區(qū)域的風(fēng)量分配及風(fēng)速要求合理選擇風(fēng)管規(guī)格，風(fēng)速控制建議遵循以下原則：送風(fēng)管路(螺旋風(fēng)管10～12 m/s，矩形風(fēng)管8～10 m/s)，排風(fēng)管一般均控制在5～6 m/s。

空調(diào)風(fēng)管按不同區(qū)域采用2種創(chuàng)新性的布風(fēng)管路。

1)雨降天花形式，在公共區(qū)域，采用雨降天花的送風(fēng)/排風(fēng)方式，降低送/排風(fēng)的空氣流速同時可改善艙內(nèi)溫度均勻度和噪聲，提高舒適度。

2)平衡分配管形式。如圖3所示，為旅客住艙風(fēng)管模擬流速云圖，兩路送風(fēng)管將空調(diào)風(fēng)從多點送入平衡分配管，再從平衡分配管分接至各艙的布風(fēng)器。通過CFD模擬計算[3]，圖中分配管中存在風(fēng)速接近為零的平衡管段，平衡管段則在管內(nèi)風(fēng)壓的作用下，自動左右調(diào)整平衡位置，從而均衡分配各艙室的風(fēng)量，亦可有效改善送風(fēng)管路的末端效應(yīng)；平衡分配管可降低送風(fēng)速度，使氣流平穩(wěn)，有效降低通風(fēng)噪聲[4];配置平衡分配管可減少送風(fēng)管路中調(diào)節(jié)風(fēng)門的設(shè)置，提高空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)試的效率。

圖3 住艙風(fēng)管布置及流速云圖

此外，在布置空調(diào)風(fēng)管時，應(yīng)充分利用船體結(jié)構(gòu)空間進行(見圖4)，盡量避免空調(diào)風(fēng)管與其他系統(tǒng)管路和電纜的干涉，亦利于模塊化設(shè)計居住艙室的批量安裝及施工，有效縮短施工周期。

圖4 住艙區(qū)域的風(fēng)管布置示意

1.4.2 空調(diào)水管

根據(jù)所配置的空調(diào)系統(tǒng)，本船空調(diào)水管系統(tǒng)配置了預(yù)處理(低溫)和再處理(再熱)2個獨立的水循環(huán)管系。

預(yù)處理設(shè)備(包括冷水機組、預(yù)熱裝置和循環(huán)水泵)、再處理設(shè)備(再熱器和循環(huán)水泵)和系統(tǒng)配置需冗余設(shè)置，并分別安裝于不同的防火區(qū)域內(nèi)。各主豎區(qū)的供給水管路上應(yīng)設(shè)置隔離閥進行控制，在船舶發(fā)生事故后隔離相應(yīng)主豎區(qū)的供水，保證其他主豎區(qū)的空調(diào)運行不受影響，以滿足安全返港[5]的要求。

同時，艙室溫度需要保持10～30 ℃要求，僅預(yù)處理(低溫)水循環(huán)管系所提供的低溫風(fēng)管就可滿足，因此，僅需在預(yù)處理(低溫)水循環(huán)管系提供不同主豎區(qū)的管路設(shè)置隔離閥。

1.5 系統(tǒng)的控制及管理

設(shè)置監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)(SCADA)對全船空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控、安全運行和節(jié)能至關(guān)重要，本船監(jiān)測信號和控制接至機艙集控室和駕駛室服務(wù)計算機，利用可編程邏輯控制(PLC)，需要監(jiān)控的設(shè)備為：空調(diào)器、風(fēng)機盤管、通風(fēng)機、電控風(fēng)閘(防火/防煙風(fēng)閘、隔離風(fēng)閘)、冷水機組、冷媒水泵、再處理水泵、冷卻水泵、機組運行時間，以及制冷劑泄漏等，同時可調(diào)整各類傳感器及系統(tǒng)的報警值，如溫/濕度、壓力值等。

空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的信號應(yīng)延伸至全船內(nèi)部監(jiān)測報警系統(tǒng)(IAS)，服務(wù)計算機需配置備用電源(UPS)，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

2 安全返港

根據(jù)船級社規(guī)范要求，對于120 m及以上載重線船長，或者設(shè)有3個及以上主豎區(qū)的客滾船或郵輪，應(yīng)滿足《SOLAS公約》有關(guān)客船“安全返港”和“有序撤離和棄船”的相應(yīng)要求。

根據(jù)IMO MSC.1/Circ.1369通函要求，對空調(diào)系統(tǒng)的具體要求為：①艙內(nèi)溫度：在安全區(qū)域，應(yīng)保持10～30 ℃；②通風(fēng)需求，在安全區(qū)域，應(yīng)保證每人不少于4.5 m3/h的通風(fēng)。

因此，在設(shè)計時，要從低溫風(fēng)管預(yù)處理循環(huán)水的供給、通風(fēng)管路及防火措施等因素考慮，保證在安全區(qū)域內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

3 煙氣管理系統(tǒng)

根據(jù)IMO MSC.1/Circ.1514通函[5]煙氣管理系統(tǒng)評估的性能標(biāo)準(zhǔn)、功能要求和系統(tǒng)要求，在船舶的安全脫險通道和穹頂容易積聚煙氣的處所需配置煙氣管理系統(tǒng)。煙氣管理系統(tǒng)包括所有可單獨或組合使用的處理煙氣移動通道，防止煙氣侵入脫險通道。

目標(biāo)船某主豎區(qū)梯間(安全通道)的空調(diào)系統(tǒng)示意于圖5。

圖5 某主豎區(qū)梯間(安全通道)的空調(diào)系統(tǒng)煙氣管理示意

一般來說梯間的空調(diào)不需進行舒適度的考核，為了節(jié)約能量，采用回風(fēng)形式的通風(fēng)系統(tǒng)。在進行煙氣管理操作時，只需關(guān)閉防煙風(fēng)閘即可進行正常空調(diào)通風(fēng)和煙氣管理排煙通風(fēng)的轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

1)合理的利用結(jié)構(gòu)空間布置通風(fēng)管路，減少各系統(tǒng)管路的相互干涉，有利于采用模塊化設(shè)計和安裝的住艙安裝，可大大縮短船舶的建造周期。

2)艙室采用雙風(fēng)管(高/低溫)的通風(fēng)系統(tǒng)，可通過調(diào)節(jié)高低溫風(fēng)量的混合比例，靈活調(diào)整艙室溫/濕度，調(diào)節(jié)性能好，適用于豪華船舶。

3)艙室風(fēng)管設(shè)置平衡分配管，可降低送風(fēng)速度，使氣流平穩(wěn)，有效降低通風(fēng)噪聲，同時可減少送風(fēng)管路中調(diào)節(jié)風(fēng)門的設(shè)置，提高空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)試的效率。

目前，阿爾及利亞客滾船已通過海上試驗的各項調(diào)試工作，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計、制造和安裝均超越了設(shè)計要求，同時有效縮短了船舶的建造周期，為該船順利交船提供了保障，得到船東、船級社和船廠的好評和首肯。