基于防病毒的郵輪空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)診斷和改裝

徐 謙，羅良寶，高景峰，田正軍，孫捍東，吉春正

(1.招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海 200137；2.浙江友聯(lián)修造船有限公司，浙江 舟山 316000；3.招商局維京游輪有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

2020年新冠疫情暴發(fā)后， “鉆石公主”號郵輪傳染事件引發(fā)了大量郵輪停航。研究表明：新冠病毒很可能通過空氣傳播，應(yīng)合理進(jìn)行空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)以減少病毒在空氣中傳播的風(fēng)險(xiǎn)；空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)稀釋和過濾作用可以降低病毒在空氣中傳播的風(fēng)險(xiǎn)，反對在疫情期間關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)。因此，船舶中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是郵輪防病毒的關(guān)鍵，不合理的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)可以助長病毒在郵輪內(nèi)傳播，而科學(xué)合理的系統(tǒng)可以有效抑制病毒傳播，保護(hù)旅客和船員的健康。

為某郵輪復(fù)航準(zhǔn)備的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行提升防病毒能力的改裝，其主要參數(shù)為：全長261 m，寬32 m；15層甲板，有975個(gè)艙房(其中410間擁有私人陽臺)，可承載1 950名乘客。為了降低成本，船東要求在盡量減少對現(xiàn)有空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)修改的基礎(chǔ)上空調(diào)通風(fēng)依舊能使室內(nèi)達(dá)到一定的舒適度。為此，通過對此郵輪空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的圖紙進(jìn)行核查和實(shí)船考察，本文對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的防病毒能力進(jìn)行詳細(xì)診斷，找出具體的改裝方案。

1 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的防病毒能力診斷

該郵輪的中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)全面采用全空氣系統(tǒng)，空調(diào)器都布置在空調(diào)機(jī)間，然后通過風(fēng)管把處理后的空氣送到房間或公共區(qū)，空氣在循環(huán)后又通過風(fēng)機(jī)抽回空調(diào)機(jī)間。

旅客房間區(qū)域普遍使用帶熱轉(zhuǎn)輪的100%新風(fēng)的中央空調(diào)箱，室外的新風(fēng)過濾后在熱轉(zhuǎn)輪中進(jìn)行全熱交換，經(jīng)冷媒水盤管冷卻后，通過風(fēng)機(jī)送到房間；在房間內(nèi)循環(huán)和吸收熱量后，通過風(fēng)管回到空調(diào)箱，經(jīng)過過濾和熱轉(zhuǎn)輪后排到室外。全新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)見圖1。在整個(gè)空氣循環(huán)中，所有送入房間的風(fēng)都來自室外，不使用循環(huán)風(fēng)。

圖1 全新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)示意圖

該郵輪全新風(fēng)的空調(diào)箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。新風(fēng)段和回風(fēng)段都布置有濾器，風(fēng)機(jī)是皮帶輪驅(qū)動(dòng)的離心風(fēng)機(jī)。熱轉(zhuǎn)輪是以復(fù)合纖維材料為載體，覆以蓄熱吸濕材料而構(gòu)成，具有一定的自清能力，換熱效率高，可回收全熱的60%～70%，但是有一定可能的新風(fēng)污染。如果回風(fēng)受到病菌污染，可能會被吸附在轉(zhuǎn)輪上，然后傳遞到新風(fēng)側(cè)，再被送到各個(gè)艙室，這就造成了病毒的擴(kuò)散和空間的污染。

圖2 全新風(fēng)空調(diào)箱的示意圖

該郵輪有一些公共區(qū)是屬于部分回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)，中央空調(diào)沒有熱轉(zhuǎn)輪，房間內(nèi)的風(fēng)由風(fēng)機(jī)抽回空調(diào)機(jī)間：一部分回到中央空調(diào)器，一部分直接排到室外。部分回風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)見圖3。

圖3 部分回風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)示意圖

該郵輪由于采用全空氣系統(tǒng)，房間和公共區(qū)的換氣次數(shù)較高，旅客房間的換氣次數(shù)達(dá)到8次/h，公共區(qū)的換氣次數(shù)達(dá)到10次/h，因此室內(nèi)的空氣齡小，室內(nèi)的污染空氣相對容易被稀釋和排出，對防病毒比較有利。有一些服務(wù)于公共區(qū)的中央空調(diào)采用部分回風(fēng)，容易導(dǎo)致病毒的傳播，防病毒性能差，需要整改。該郵輪采用熱轉(zhuǎn)輪作為熱回收裝置，熱轉(zhuǎn)輪會導(dǎo)致排風(fēng)側(cè)的污染物進(jìn)入新風(fēng)側(cè)，需要進(jìn)行整改。該郵輪居住區(qū)分為6個(gè)主豎區(qū)，且在4號主豎區(qū)的4甲板設(shè)置醫(yī)院?？紤]緊急情況下的防疫要求，需要額外布置隔離區(qū)。

2 基于全新風(fēng)的系統(tǒng)改裝

病毒的尺寸只有20～300 nm，病毒形成氣溶膠后，尺寸為0.1～10 μm，船上普通的濾器無法對病毒完全起到作用，而更改為高效的濾器會使得壓降增加而風(fēng)量不足。因此，全新風(fēng)是防病毒空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對比較容易實(shí)現(xiàn)的選擇。

該郵輪原配有多臺中央空調(diào)器是部分回風(fēng)的，回風(fēng)混入新風(fēng)后會導(dǎo)致污染擴(kuò)散。這些中央空調(diào)的整改如下：關(guān)閉從排風(fēng)機(jī)到中央空調(diào)器風(fēng)管上的風(fēng)閘，房間內(nèi)的風(fēng)直接通過排風(fēng)機(jī)抽走，外部的風(fēng)直接通過空調(diào)箱處理后送入房間，見圖4。

圖4 回風(fēng)風(fēng)閘示意圖

在此操作下，排風(fēng)中的能量不再回收，在夏季的時(shí)候室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度會高于原來設(shè)計(jì)溫度，室內(nèi)舒適度會降低。以某公共處所為例，此處所的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在夏季采用50%部分回風(fēng)的全空氣系統(tǒng)，外界溫度35 ℃，相對濕度70%，比焓99.7 kJ/kg；內(nèi)部設(shè)計(jì)溫度26 ℃，相對濕度50%，比焓52.9 kJ/kg；內(nèi)有200個(gè)座位。根據(jù)--，每個(gè)人的顯熱為70 W，潛熱為50 W。此處所內(nèi)的空調(diào)負(fù)荷見表1。

表1 公共區(qū)的空調(diào)負(fù)荷(35 ℃)

此處所空調(diào)的送風(fēng)量為12 000 m/h，中央空調(diào)箱內(nèi)的制冷盤管將空氣溫度降至16 ℃，比焓為44.8 kJ/kg，考慮2 ℃的管道和風(fēng)機(jī)溫升，到達(dá)房間的送風(fēng)溫度為18 ℃。按照式(1)計(jì)算，可以帶走表1中的32 kW顯熱。

(1)

式中：為空調(diào)送風(fēng)帶走的顯熱，kW；為送風(fēng)量，m/h；為房間溫度，℃；為空調(diào)送風(fēng)溫度，℃；為空氣密度，一般取1.2 kg/m；為空氣的比熱容，一般取1.01 kJ/(kg·K)。

此空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)是50%新風(fēng)，新風(fēng)比例取0.5。按照式(2)，中央空調(diào)箱的制冷負(fù)荷=127 kW。而當(dāng)回風(fēng)風(fēng)閘關(guān)閉后，要達(dá)到原來的送風(fēng)溫度，需取1，按照式(2)計(jì)算，=222 kW。因此，現(xiàn)在的中央空調(diào)箱完全沒有足夠的制冷能力。

(2)

式中：為中央空調(diào)制冷負(fù)荷，kW；為外界空氣的比焓，kJ/kg；為房間回風(fēng)的比焓，kJ/kg；為制冷盤管后的比焓，kJ/kg；為新風(fēng)比例。

根據(jù)表1，夏季室內(nèi)的空調(diào)負(fù)荷主要來自人的散熱和玻璃窗的輻射熱，所以為了解決關(guān)閉回風(fēng)風(fēng)閘而導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高的問題，可通過減少公共區(qū)人數(shù)和通過窗簾等遮陽措施來減少室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷。當(dāng)外界溫度降低時(shí)，全新風(fēng)對室內(nèi)舒適度的影響也會隨之減小。當(dāng)外界溫度降低到30 ℃時(shí)，比焓為76.3 kJ/kg，外部風(fēng)的比焓會降低到此值，即使不采取任何降低室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷措施，全新風(fēng)也不會影響室內(nèi)舒適度。

3 基于紫外線殺毒的系統(tǒng)改裝

該郵輪原配有多臺帶熱轉(zhuǎn)輪的中央空調(diào)器，熱轉(zhuǎn)輪會帶來病毒傳遞的風(fēng)險(xiǎn)。考慮到室內(nèi)的舒適度，空調(diào)箱內(nèi)的熱轉(zhuǎn)輪需要繼續(xù)使用，但是有必要對這些空調(diào)箱采取一些措施，因此建議在空調(diào)箱內(nèi)或送風(fēng)靜壓箱內(nèi)布置紫外線燈管，對送入房間的風(fēng)進(jìn)行殺毒。

首先要核查空調(diào)箱內(nèi)熱轉(zhuǎn)輪附近腔體的壓力，排風(fēng)側(cè)的壓力應(yīng)該小于送風(fēng)側(cè)，避免排風(fēng)側(cè)的風(fēng)通過隔板間隙泄露到送風(fēng)側(cè)，從而污染新風(fēng)。排風(fēng)側(cè)的壓力取決于房間到空調(diào)器回風(fēng)管的阻力，管路一般較長，而送風(fēng)側(cè)的壓力取決于室外到空調(diào)器新風(fēng)管的阻力，管路一般較短，且熱轉(zhuǎn)輪本身也需要通過室外新風(fēng)來進(jìn)行自我清潔，所以此壓差一般都存在。

江蘇兆勝空調(diào)有限公司2020年發(fā)布的《船舶空調(diào)系統(tǒng)如何滿足防疫和空氣凈化的要求白皮書》中提到：254 nm長的紫外線光(UVC)對殺毒最有效果；殺毒的影響因素取決于紫外線的光照強(qiáng)度和空氣被紫外線的光照時(shí)間(不小于0.25 s)。紫外線燈管的布置位置是此項(xiàng)防病毒改裝的關(guān)鍵，可以將燈管布置在以下位置：

(1)在中央空調(diào)箱送風(fēng)靜壓箱內(nèi)布置紫外線燈管。此位置布置紫外線燈管可以對送入房間的風(fēng)進(jìn)行光照殺毒，且靜壓箱內(nèi)風(fēng)速較低，無其他設(shè)備布置在內(nèi)。

(2)在中央空調(diào)箱內(nèi)送風(fēng)機(jī)位置布置紫外線燈管。此位置布置紫外線燈管可以對送入房間的風(fēng)進(jìn)行一次光照殺毒。此段的長度較長，風(fēng)的光照時(shí)間也較長，且紫外線燈管可以照到送風(fēng)機(jī)和擋水板，減少細(xì)菌在這些凹凸表面的滋生。此位置有檢修門，燈管容易安裝。但此位置有風(fēng)機(jī)，燈管如果脫落，就會卡住皮帶，影響空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)作。

(3)在中央空調(diào)箱回風(fēng)靜壓箱內(nèi)布置紫外線燈管。此位置布置紫外線燈管，可以對房間回風(fēng)在進(jìn)入熱轉(zhuǎn)輪前進(jìn)行一次殺毒，且紫外線可以照到回風(fēng)濾器。

4 設(shè)立隔離區(qū)及隔離區(qū)的系統(tǒng)改裝

劃出居住艙室作為隔離區(qū)，這些區(qū)域最好離船上的醫(yī)院較近，可在緊急情況下將升級為防病毒隔離區(qū)。隔離區(qū)在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮負(fù)壓設(shè)計(jì)，用于隔離患者并進(jìn)行治療或?qū)γ芮薪佑|者進(jìn)行醫(yī)學(xué)觀察。

該郵輪的4號主豎區(qū)4甲板右舷已經(jīng)布置有醫(yī)院區(qū)域，且配置有獨(dú)立的送風(fēng)空調(diào)和抽風(fēng)機(jī),抽風(fēng)能力大于送風(fēng)，為負(fù)壓設(shè)計(jì)。由于醫(yī)院在4號主豎區(qū)，建議4號主豎區(qū)11甲板和10甲板左舷作為隔離區(qū)，并且保持此隔離區(qū)和前后主豎區(qū)的門常閉。人員可以通過主梯道到達(dá)醫(yī)院，并建議在此梯道內(nèi)設(shè)置緩沖間，見圖5。為了減少病毒的傳播，此緩沖間的兩個(gè)門不可以同時(shí)打開，且有空調(diào)通風(fēng)進(jìn)行加壓，使此空間氣壓大于相連接的走廊和梯道。

圖5 梯道內(nèi)緩沖間

對隔離區(qū)相對應(yīng)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)需要進(jìn)行改裝，相應(yīng)的措施如下：

(1)服務(wù)隔離區(qū)的中央空調(diào)器內(nèi)的熱轉(zhuǎn)輪需要關(guān)閉。

(2)在隔離區(qū)的處所或走廊上布置空氣凈化器。有條件的應(yīng)考慮安裝專業(yè)的可以去病毒的空凈化器。

(3)對隔離區(qū)房間的空調(diào)風(fēng)管進(jìn)行整改。原船的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是來自空調(diào)器的風(fēng)送到房間后，一部分風(fēng)從廁所抽走，另一部分風(fēng)從門上的格柵回到走廊上后再抽回空調(diào)機(jī)間。為了防止病毒從房間進(jìn)入走廊，首先需使用盲板封堵住門上的格柵和走廊上的回風(fēng)格柵，然后從走廊上的回風(fēng)管拉支管到各個(gè)房間。

(4)對走廊進(jìn)行加壓送風(fēng)，從而使走廊的氣壓大于房間的氣壓，進(jìn)一步防止房間內(nèi)的空氣溢出到走廊。

5 結(jié)論

(1)100%全新風(fēng)。來自室外的風(fēng)只經(jīng)過一次利用后就排到室外，房間和公共區(qū)都有很高的換氣次數(shù)，室內(nèi)空氣能夠保持清新。

(2)送入室內(nèi)的空氣進(jìn)行紫外線高效殺毒。

(3)郵輪上除配備獨(dú)立空調(diào)通風(fēng)的醫(yī)院外，還設(shè)置了額外的隔離區(qū)，并配置改進(jìn)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。