改進艦船空調系統舒適性設計的探討

錢衛忠，周振宇

● （1．海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室，上海 200011；2．中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

改進艦船空調系統舒適性設計的探討

錢衛忠1，周振宇2

● （1．海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室，上海 200011；2．中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

分析了艦船空調系統舒適性方面的問題，借鑒民用船舶和陸上建筑空調設計先進技術，提出了艦船設計中改進空調系統舒適性的措施。

艦船空調；舒適性；改進設計

0 引言

近年來，隨著海軍裝備的發展，大型艦船不斷增多，對艦船空調系統設計提出了新的挑戰。改進空調系統設計，提高艦船空調系統的舒適性，是艦船設計中貫徹科學發展觀，落實以人為本理念的具體體現。

1 艦船空調系統舒適性設計的現狀

1.1 民用船舶空調系統設計現狀

1.1.1 常規民用船舶空調系統設計現狀

目前，普通民用船舶空調系統設計主要遵照ISO7547-2002《船舶起居處所空氣調節與通風設計參數和技術方法》，并結合船東的特殊要求，其中包括：

1）溫、濕度和新風量要求。按ISO7547-2002規范要求，空調系統的溫、濕度和新風設計要求見表1。

表1 民用船空調系統的溫、濕度和新風設計要求

2）艙室噪聲要求。按 GB5979-86《海洋船舶噪聲級規定》，其中規定臥室噪聲為 60dB(A)，辦公室、休息室等為65dB(A)。

3）溫、濕度調節要求。無單個艙室溫度調節要求。

常規民船通常是貨船，船上人員較少，空調區域基本集中在船員生活區，艙室內電子、機械等發熱設備較少。因此，民船空調系統較為簡單，通常是單風管、定風量、定負荷的空調系統， 空調機組通常是直接蒸發式的空調系統。

1.1.2 有舒適性要求的民船空調系統設計現狀

1）對舒適性的要求。各船級社對舒適性要求各不相同，典型的如挪威船級社(DNV)把舒適性要求分為兩類，一類是針對室內氣候環境，定義為COMF-C(crn)，對艙內環境條件和溫度控制范圍等作出了相應的規范要求，部分類型艙室要求見表2。另一類則針對噪聲和振動，定義為COMF-V(crn)，其客船和貨船要求見表3、4。

表2 不同COMF-C(crn)級別的艙室環境設計參數(15min平均值)

表3 客船不同COMF-V(crn)級別的艙室噪聲值(dB(A))

表4 貨船不同COMF-V(crn)級別的船員艙室噪聲值(dB(A))

2）對艙室溫度控制的要求。舒適級別為1級的A、B、C類場所的艙室溫度需能單獨自動調控；舒適級別為2和3級的A、B、C、D類場所的艙室溫度需能單獨調控。

以上要求多針對大型客船和豪華郵輪，空調系統型式差別較大，要求也隨船東而不同，如有的采用了變風量系統（VAV系統），有的采用風機盤管和新風系統的空調型式，有的還輔以風管末端加熱裝置。

1.2 艦船空調系統設計現狀

1.2.1 規范要求

目前，艦船空調設計遵照的規范為GJB4000-2000《艦船通用規范》。具體要求如下：

1）溫、濕度和新風量要求。GJB4000-2000規范要求，空調系統的溫、濕度和新風設計要求見表5。

2）艙室噪聲要求。所有居住艙室、活動室、閱覽室、健身房、餐廳等D類艙室噪聲不大于70dB(A)。

3）艙室溫度調節要求。無單個艙室溫度調節要求。

1.2.2 設計現狀

近年來，隨著海軍裝備的發展，以及海軍執行多樣化任務的需要，對艦船空調系統設計提出了新的要求，主要體現在以下幾個方面：

表5 艦船空調系統的溫、濕度和新風設計要求

1）艦船日趨大型化。隨著海軍使命任務的拓展，海軍艦船從近海不斷走向遠洋，大型艦船日益增多，相應的艦船搭乘人員大大增加，艦船空調艙室的規模大大增加，由于大型艦船內外區域空調負荷差異較大，甚至形成了特殊的內外區不同的空調要求。

2）封閉型大型艦船對空調設計提出了新的要求。目前戰斗艦艇多設計為全封閉型，其次大型艦船除邊艙少數艙室有外窗外，內部大部分艙室仍屬封閉型艙室，艦船內環境和空氣質量必須依靠空調通風系統進行控制。有的全封閉艦船，即使在春秋季節外界溫度較低的情況下，也無法通過全新風運行來確保艙室內的舒適性，艙內仍需運行空調系統，此時的空調負荷與最大工況相比，差異往往很大，要求空調系統的調控范圍進一步擴大。

3）艦船生活保障要求的提高，對空調系統設計提出了新的要求。近年來，在艦船設計中貫徹“以人為本”的理念，艦船生活保障設施要求日漸提高，作為生活保障設施重要部分的空調通風系統的設計標準也不斷提高，如單個艙室溫度可調、艙室空氣品質、艙室噪聲等。

目前艦船空調系統存在的問題是：與一般民船相比，艦船人員變化數量大，造成在不同時段全船空調負荷變化大；全船不同區域負荷差別大，在采用同一空調系統情況下，各區域溫度差別大，難以分別控制；艦船艙室空間狹小，與外界空氣交換不暢，空氣中CO2濃度高，家具、裝飾材料等揮發產生的苯、甲醛、胺等有害物質在艙內累積，造成艦員缺氧嗜睡；空調系統噪聲大，影響艦員休息。

2 改進艦船空調系統舒適性設計的方法

衡量艙室空氣環境舒適性有關的參數包括溫度控制范圍、濕度控制范圍、新風量、空調系統噪聲、空氣品質，改進艦船空調系統舒適性設計就是要在以下方面下工夫。

2.1 提高空調系統溫度控制能力

目前艦船常用的空調系統采用單風管集中式定風量空調系統，其優點是系統控制簡單，節省空間。缺點是它根據區域總的回風溫度來進行能量調節，只能進行區域控制。對于同一區域內各個空調艙室，其溫度和風量無法單獨調控，同一區域內艙室間風量相互影響，從而影響各艙室間溫度，使用過程中經常出現局部空調艙室過熱或過冷現象。因此，必須采取措施，實現單個艙室溫度可調控。

為了實現單個艙室溫度可調控，目前可采用的方法為：風管末端再加熱系統；風機盤管和新風系統相結合的空調系統；變風量系統；雙溫組合式空調裝置和雙風管系統。

2.1.1 風管末端再加熱系統

在常規定風量系統的基礎上，在末端出風器位置設置輔助電加熱，可以實現艙室溫度的單獨控制，控制方式可以根據需要采用手動控制和自動控制。它的優點是系統簡單易行，缺點是不節能，運行費用高。

2.1.2 風機盤管和新風系統相結合的空調系統

這種方式是將風機盤管作為末端裝置布置在空調艙室內，對艙室空氣進行不斷的再循環冷、熱處理以達到維持、降低或提高艙室溫度的目的。為控制各艙室的溫度，系統通過調節風機盤管風機風速和通過風機盤管的冷（熱）媒量來調節單個艙室的溫度。艙室的新風需求則由單獨的新風系統來滿足。

這種方式的優點是可靈活調節各艙室的溫度；系統簡單可靠；室內無人時，風機盤管可停止運行，經濟性較好。缺點是風機盤管數量較多，無論是落地式還是頂裝式均需占用一定的安裝空間，同時凝水排放也是一個問題。

2.1.3 變風量系統

變風量系統是指采用變風量間接式空調器和帶電加熱變風量末端裝置，每個艙室可根據調節艙室的送風量和電加熱輔助來調節艙室的溫度，以滿足艙室溫度調節要求。變風量間接式空調器通過調節風機轉速等措施調整送到空調艙室內的實際送風量。

這種方式的優點是一定程度上解決了系統中單個艙室溫度無法調節的問題；無需設置凝水管；節約風管布置空間；系統變風涼運行，可節約能耗。缺點是系統初期投資較高；相對濕度控制質量比定風量系統差；個別工況下，新風量不足，會影響空氣品質；國內尚無成熟的船用變風量系統，需要進口；如使用變頻風機改變風量，還存在電磁兼容的問題。

2.1.4 雙溫組合式空調裝置和雙風管系統

雙溫組合式空調裝置和雙風管系統是向各個艙室同時送空調冷風和熱風，通過調節各艙室的冷、熱風量來實現對各艙室溫度的單獨控制。

這種方式的優點是：單個艙室控制性能較好；同一時間內可供冷、供熱，可同時滿足大型艦船內、外區負荷的需要；室內溫度調節反應快。 缺點是：設置兩根送風風管，占用空間較多，布置難度大；材料、安裝人工等初期投資高。

2.1.5 四種空調系統的比較

以上四種空調系統，各有其優缺點，需要根據船舶總體條件、溫度調節范圍要求、維修性等方面綜合權衡，詳見表6。

表6 各空調形式優缺點對照表

2.2 改進加濕系統潔凈度

目前軍船空調冬季加濕通常采用船用鍋爐高壓蒸汽減壓后噴射加濕的型式，鍋爐用水中通常加有化學防蝕劑，即使對這些水產生的蒸汽進行過濾，也只能去除雜質而無法消除蒸汽中的化學藥劑，因此這樣的蒸汽直接噴射入全船空調空氣中，必然影響到艙室的空氣品質。為了衛生安全考慮，須采用飲用水作為空調加濕用水源，并對原有的加濕模式進行改進和完善，采用電極式加濕、紅外加濕、超聲波加濕等。

2.3 提高空調艙室空氣品質

2.3.1 增大新風量

艙室內引入外界新風的目的有兩個，一是確保艙室內的氧氣含量；二是通過外界新鮮空氣與室內污染空氣的交換，降低室內有害氣體的濃度。

水面艦船特別是全封閉艦船艙室內的氧氣主要依賴于新風，加大新風量是提高艙室內空氣品質的有效途徑。但加大新風量也同時意味著空調負荷的增加，因此在規范中對空調系統的最小新風量都有相應的規定。如ISO7547-2002規定，新風量不得少于系統總風量的40%，GJB4000-2000規定士兵艙和其他人多的艙室，每人25m3/h；軍官艙和其他人少的艙室，每人25m3/h～30m3/h。

GJB4000-2000中對新風量的要求與其他規范相比并不低，但對軍官艙等人少艙室，則新風比偏低，艦船設計中可參考ISO7547-2002要求執行。

2.3.2 空氣過濾

對空氣中的灰塵，可采用空氣過濾器和靜電除塵器的方法。

1）空氣過濾器。目前艦船空調系統中通常設有初效過濾器，主要用于過濾≥5μm的大顆粒灰塵。醫療區空調系統中設置中效、高中效過濾器，主要用于過濾≥1μm的中等粒子灰塵。

2）靜電除塵器。一般屬于高中效或亞高效過濾器，它是應用電暈放電和靜電場對荷電粒子的相互作用，來凈化空氣中的灰塵。它的優點是過濾效率高，空氣阻力低，尤其是可消除空氣中氣溶膠。缺點是經常需要進行清潔，維護困難，除塵到一定程度，會發生逆電離現象，使沉積的灰塵重新返回氣流中。

2.3.3 空氣凈化

采用空氣過濾的方法無法清除空氣中的異味和有害的化學氣體，因此需對艦船內產生的異味和有害的氣體進行清除。

1）空氣凈化裝置。它采用光氫離子化凈化技術，其基本原理是在寬光譜紫外線與特種金屬催化劑納米級TiO2作用下，將空氣中的氧氣和水轉化為含羥基的物質，羥基物質幾乎能與所有的有機物發生快速鏈式反應，將有機物徹底分解；它同時生成負離子和凈化因子，可分解和消除空氣中的異味，凈化過程中有害氣體成分被分解為水和二氧化碳，無任何化學殘留物質，不產生二次污染，對人體和環境無害。該裝置通常設置在空調系統的送風風管和回風管路上，對空調送風進行凈化處理。該類型空氣凈化裝置已在少量艦船上試用。

2）廚房油煙凈化裝置。它利用凈化液噴淋降溫除油煙和活性炭吸附的原理，將廚房爐灶上方集氣罩的排氣進行凈化處理后在排出艙外，不僅凈化了環境，也避免了沒有處理過的油煙再次吸回或倒灌到艦船內部，從而污染到艙內空氣環境。

2.4 降低艙室噪聲

相比民船規范，軍船規范（GJB4000-2000）對艙室噪聲的要求是比較低的，這主要是軍船在降低艙室噪聲需要在結構、艙室絕緣等方面采取許多措施，影響艙室艙容和艦船重量，從而影響艦船總體性能，但對某些有特殊要求的艦船可以對其部分艙室進行降噪處理。

空調系統的噪聲可分為兩類：①空調風管系統產生的氣流噪聲（含風口噪聲）；②空調設備的噪聲。要降低空調艙室的噪聲，除了在總體布置上使噪聲源遠離居住和工作艙室，主要是針對以上兩個方面來分析并采取相應的措施。

2.4.1 降低空調風管系統氣流噪聲

降低風管內空氣流速，降低氣流噪聲：由于風管內氣流流速和壓力的變化以及對管壁和障礙物的作用而引起氣流噪聲。在低速風管中（速度<8m/s），即使處在氣流噪聲中，但與較大的聲源疊加，其可以忽略。而高速風管中這種噪聲不能忽視，因此從減少噪聲考慮，應盡可能采用較小的風速。但降低風速，會增大風管截面積，從而影響艙室層高，目前空調主管流速仍在12～15m/s左右，支管路上風速一般在8m/s以下。

適當增加送風風管絕緣厚度，降低穿透到風管外的噪聲：增加送風風管絕緣厚度可以有效降低穿透到風管外的噪聲，且可以提高保溫性能，但增加送風風管絕緣厚度需要占用較多空間，艦船特別是戰斗艦艇，系統多，管路電纜多，給空調風管布置的空間小，在層高和空間允許的情況下，應綜合考慮風管的絕緣厚度。

2.4.2 對設備進行減震降噪

設備減震降噪通常有以下幾種方式：1）對空調設備采取隔振措施，在冷水機組、泵、間接式空調器等的水管進出口處設置撓性軟管，風機進出口設置帆布接頭等；2）在間接式空調器的回風管上設置消聲器，同時在出風口距離空調器較近的管路設置管式消聲器；3）通風風機采用風機箱型式，對單個風機噪聲進行消聲隔噪。風機設置在具有消聲作用的風機箱內，用于減震降噪。但風機箱型式需占用較大體積，僅適合與某些大型艦船上應用。

2.4.3 選用低噪聲設備

1）選用低噪聲風機：在滿足風量風壓的前提下，盡可能選用低噪聲風機，鑒于軸流風機噪聲值往往在90dB(A)以上，離心風機噪聲在 75～90dB(A)之間，進口的管道風機噪聲值則在40～60dB(A)之間，因此，在滿足風量風壓的前提下，盡可能采用低噪聲離心風機；在居住艙室則盡可能采用進口管道風機以降低艙室的噪聲。

對于風機盤管和立柜式空調機這些布置在空調艙室內的設備，其噪聲直接影響到艙室的噪聲，對艙室噪聲要求高又同時設置了這些設備的艙室，應對這些設備提出相應要求，采取相應的降噪措施。

2）選用低噪聲布風器:布風器作為空調末端裝置，布置在艙室內，其消聲降噪效果直接影響到艙室的噪聲。在同等風量狀態下，目前國內生產的布風器較進口布風器噪聲一般高2～3dB(A)以上，但作為消聲的代價是阻力增大，進口布風器壓降較國產的大，需要在壓降指標和降噪指標間進行權衡。

2.5 建議

空調系統是一個全船性、綜合性的系統，空調系統的設計很大程度上是全船總體、結構、舾裝、電氣、輪機等方方面面的綜合協調結果，同時又要受經費投入、部隊使用習慣及任務要求等多種因素制約。由于每型艦船的差異性，每型艦船的空調系統型式不盡相同，甚至在同一船上，不同的功能區域也可能采用不同的空調型式，要統一不同船型的空調系統型式是很難的。

但總的來說，可采用以下思路：

1）對于居住艙室：對于小型艦船、空調規模較小的系統，可采用定風量系統設計和末端帶電加熱的空調型式來實現艙室溫度可調控性；對人員眾多且變動較大的居住艙室，如登陸兵艙等，可采用風機盤管和新風系統相結合的型式；要求溫度可調艙室不多的艦船，可采用風機盤管和新風系統相結合的型式，并設置獨立的空氣凈化裝置以消除空氣中的異味；各類對空調艙室溫度可控性要求高且居住人員密度不高的艦船的居住區域，可采用變風量空調系統；在局部空調要求較高的區域，或者內、外區無法分區設置空調系統居住區域，布置空間又能滿足條件的居住區域，推薦采用雙風管空調系統。

2）對于工作艙室和特裝艙室：對于區域集中的工作艙室，對溫度和噪聲要求均不高，仍可采用定風量系統，對于發熱設備較大的艙室，同時設置風機盤管來消除設備負荷。

對于遠離空調區域的個別工作艙室，建議采用風機盤管和新風系統相結合的型式。

為提高艦船艙室空氣品質，可采用以下思路：

1）確保人員和系統的新風量指標，以確保人員所需O2，以改善艙室空氣品質；2）利用空氣過濾器以過濾空氣中的粉塵和其他顆粒物；3）設置空氣凈化裝置以消除空氣中的異味和有害化學氣體成分；4）設置廚房油煙凈化裝置消除廚房排氣油煙；5）采用飲用水作為空調加濕用水源，并對原有的加濕模式進行改進和完善。

為降低空調艙室的噪聲，可采用以下思路：1）進一步完善設備（包括布風器等）自身的減震降噪措施，降低各設備的噪聲；2）完善空調設備（包括各類風口、布風器）在各個頻率下的噪聲值，同時完善船用消聲器的標準和參數等。

3 結束語

一直以來，陸用建筑在營造舒適環境方面進行了很多的研究，并形成了較為完整的理論，而艦船在舒適性方面的研究則剛剛起步。就空調通風系統設計而言，還有很多陸用的經驗值得我們去借鑒，也還有很多地方需要去研究完善。但舒適性環境的營造不僅僅依賴于空調系統設計，還和環境周圍的材料、燈光、色彩等有關系，因此，打造艦船艙室舒適性環境，需要大家的共同努力。

[1]電子工業部第十設計研究院. 空氣調節設計手冊（第二版）[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 1997.

[2]柯文棋. 現代艦船衛生學[M]. 北京: 人民軍醫出版社, 2005.

[3]由成良. 輔助船空調、通風系統的噪聲分析與控制[J].船舶, 2012(6), 48-53.

全球推力最大的電動振動臺在天津測試完成

據中國運載火箭技術研究院702所介紹，由該所自主研發的70噸超大推力電動振動臺測試工作已在天津順利完成，其推力為現有最大推力35噸振動臺的兩倍，是目前全球推力最大的電動振動臺。

702所振動臺總設計師張巧壽接受記者采訪時表示，電動振動臺能夠模擬航天器在運輸、飛行等使用過程中的振動環境，是火箭、衛星研制的必需設備。隨著中國航天事業的飛速發展，新一代火箭、衛星、飛船和空間站等航天器在尺寸和重量方面明顯增大，現有振動臺在臺面尺寸和推力等方面無法滿足其振動試驗的要求。

“702所自上世紀50年代末期開始進行電動振動臺的研制，先后研制成功推力10公斤至35噸電動振動臺，以及總推力達到140噸的多臺并激振動試驗系統。”據張巧壽介紹：“大型鐵路機車、大飛機、大船舶等先進裝備及核電設備、大型油氣罐、高層建筑的抗震設計等，均需要超大型振動試驗設備”。

張巧壽認為，作為地面試驗驗證的重要設備，該振動臺的研發成功，不僅為中國空間站、重型運載火箭等新一代航天器的研制創造有利條件，也為中國軍工和民用行業的發展提供了試驗裝備保障。

Discussion on Amenity Design Improvement of Ship Air Conditioning System

QIAN Wei-zhong1, ZHOU Zhen-yu2
(1. Navy Representative Office at Warship Design and Research in Shanghai, Shanghai 200011, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The problems of comfort of ship air conditioning system are analyzed. Using advanced technology of air conditioning design of civil ship and land building for reference, the measures of improving the comfort of air conditioning system in ship design are presented.

air-conditioning for ship; comfort; improvement design

U665.2

A

錢衛忠（1966-），男，高級工程師，研究方向為船舶輪機工程。