船舶艙室的通風(fēng)超壓計(jì)算法

謝玲梅

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

船舶艙室的通風(fēng)超壓計(jì)算法

謝玲梅

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

［摘 要］文章列舉船舶艙室超壓保護(hù)區(qū)通風(fēng)建壓涉及的各種因素，并從國內(nèi)外文獻(xiàn)資料、各國規(guī)范和實(shí)船經(jīng)驗(yàn)中，分析總結(jié)推導(dǎo)出實(shí)用可行的針對(duì)各影響因素的船舶艙室通風(fēng)超壓計(jì)算法，對(duì)今后船舶密閉超壓通風(fēng)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

［關(guān)鍵詞］超壓；氣密；保護(hù)區(qū)；過濾吸附通風(fēng)量；計(jì)算

引 言

船舶艙室的通風(fēng)建壓通常分為微壓差和超壓兩大類。在常規(guī)船舶內(nèi)部，為了保證船舶艙室的溫濕度和空氣品質(zhì)環(huán)境，建立良好的區(qū)域氣流組織，必須在不同類型艙室間以及和外界大氣建立約0～50 Pa的微壓差，區(qū)域的壓力差應(yīng)嚴(yán)格按照從高向低排列，如：清潔區(qū)→過渡區(qū)→污染區(qū)，或潔凈度高→潔凈度低。生活和工作區(qū)為正壓力區(qū)，污染、有毒有害和有異味區(qū)為負(fù)壓力區(qū)，各區(qū)域的壓力由送風(fēng)量、排風(fēng)量給予保證。

某些特殊船舶，在執(zhí)行任務(wù)期間，可能面臨對(duì)船員有極大或致命性危害的環(huán)境，例如核污染、細(xì)菌污染、化學(xué)毒劑污染等，這些污染物以蒸汽態(tài)、氣溶膠態(tài)存在于船舶所在的大氣環(huán)境中，有些船舶區(qū)域需要建立300～600 Pa的超壓密閉保護(hù)區(qū)與外界隔離，防止污染物進(jìn)入防護(hù)區(qū)，并且具備在航行有迎風(fēng)風(fēng)壓的環(huán)境下，防止污染物進(jìn)入保護(hù)區(qū)的能力。保護(hù)區(qū)內(nèi)邊界必須提供氣密門窗，建立超壓時(shí)，保護(hù)區(qū)壓力由經(jīng)過過濾吸附的清潔空氣向保護(hù)區(qū)供氣加壓，借助于壓差控制閥、超壓泄放閥、以及控壓差強(qiáng)排風(fēng)措施、保護(hù)區(qū)邊界結(jié)構(gòu)和門窗的泄漏，達(dá)到氣壓平衡，維持相對(duì)穩(wěn)定的300～600 Pa的超壓環(huán)境。

目前國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范都對(duì)保護(hù)區(qū)的新鮮空氣量和CO2控制濃度有規(guī)定，但缺乏保護(hù)區(qū)超壓建壓的系統(tǒng)理論和計(jì)算法。對(duì)比中國、德國、英國、挪威等多國軍民規(guī)范，雖然德國GL關(guān)于防護(hù)區(qū)的新鮮空氣量和CO2控制濃度有詳細(xì)的計(jì)算法，但是這些規(guī)范對(duì)于保護(hù)區(qū)建壓所涉及的建壓時(shí)間、超壓泄放、結(jié)構(gòu)門窗泄漏等多個(gè)因素仍缺乏綜合而系統(tǒng)的計(jì)算法。

本文在綜合研究各國軍民規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)船設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出適合船舶、實(shí)用可行的通風(fēng)超壓計(jì)算法，能比較系統(tǒng)地指導(dǎo)船舶的超壓設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 建壓原理

參考LR軍規(guī)，［1］船舶保護(hù)區(qū)應(yīng)最少劃分為4個(gè)，每個(gè)區(qū)域最長不超過30 m。相鄰區(qū)域的長度大于0.3 LWL（設(shè)計(jì)水線長）且小于 0.5 LWL。區(qū)域的邊界符合主橫向水密隔壁劃分，從龍骨延伸到最高上層建筑甲板。有著更高污染風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域壓力應(yīng)該低于臨近區(qū)域壓力但高于大氣壓。

一個(gè)滿足超壓功能的典型保護(hù)區(qū)（見圖1）除包含各種艙室外，應(yīng)包含帶過濾吸附裝置的設(shè)備室、前后2個(gè)用于隔離保護(hù)區(qū)的鎖氣室、1～2組用于進(jìn)出保護(hù)區(qū)的洗消通道（含脫衣室、洗消間、風(fēng)浴室或更衣室等隔間）組成。

保護(hù)區(qū)建壓時(shí)，邊界所有氣密門窗氣密關(guān)閉，邊界上通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)排風(fēng)口和空調(diào)器新風(fēng)口氣密關(guān)閉（除超壓密閉時(shí)邊界上必須打開的排風(fēng)口，例如醫(yī)療區(qū)手術(shù)準(zhǔn)備室、隔離病房的排風(fēng)口等），打開過濾吸附裝置氣密閥，空調(diào)器的新風(fēng)改由過濾吸附裝置提供。

過濾吸附裝置為保護(hù)區(qū)加壓提供經(jīng)過濾吸附的清潔空氣。鎖氣室和洗消通道配彈簧式壓差控制閥組，用于維持艙壁兩側(cè)的設(shè)計(jì)壓差。保護(hù)區(qū)的清潔空氣以壓差控制閥設(shè)定壓差下的額定流量，并通過壓差控制閥吹除人員通過時(shí)鎖氣室和洗消通道的沾染物。加壓的清潔空氣通過結(jié)構(gòu)和門窗的泄漏、壓差控制閥組、壓差排風(fēng)系統(tǒng)排出保護(hù)區(qū)外。保護(hù)區(qū)設(shè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的超壓泄放閥，根據(jù)探測(cè)保護(hù)區(qū)超壓值控制閥的開度，排出保護(hù)區(qū)多余的空氣，保護(hù)區(qū)維持在穩(wěn)定的超壓值，比如500 Pa。

圖1 一個(gè)滿足超壓功能的典型保護(hù)區(qū)布置示意圖

超壓保護(hù)區(qū)建壓除保持周界氣密外，過濾吸附裝置過濾吸附通風(fēng)量DAV的計(jì)算是關(guān)鍵，同時(shí)在分步計(jì)算過程中也確定了壓差控制閥、超壓泄放閥的選型流量。

以下因素決定了保護(hù)區(qū)超壓密閉時(shí)的過濾吸附通風(fēng)量DAV：根據(jù)人員安全所需計(jì)算過濾吸附通風(fēng)量DAV ′；按超壓密閉區(qū)泄漏量、泄放量、排風(fēng)量計(jì)算過濾吸附通風(fēng)量DAV ″；按任務(wù)要求時(shí)間加壓到500 Pa計(jì)算過濾吸附通風(fēng)量DAV ′″。

保護(hù)區(qū)的過濾吸附通風(fēng)量DAV （m3/h）應(yīng)取根據(jù)以上因素選取計(jì)算出的最大值，并按過濾吸附裝置單模塊額定風(fēng)量取整：

2 過濾吸附通風(fēng)量的計(jì)算

2.1 根據(jù)人員安全計(jì)算所需過濾吸附通風(fēng)量DAV ′

在密閉加壓的環(huán)境下，經(jīng)過濾吸附的清潔空氣用于加壓并置換保護(hù)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的污染空氣，以保證人員安全。一般從控制防護(hù)區(qū)CO2濃度和保證提供最少的清潔新鮮空氣量兩方面進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 根據(jù)CO2濃度的限值要求計(jì)算艙室所需過濾吸附通風(fēng)量DAV1

在保護(hù)區(qū)超壓密閉時(shí)， GL考慮了各艙室人員占位因素，規(guī)定了CO2濃度不高于表1中b2值，各艙室人員占位所需新風(fēng)量（即過濾吸附量DAV1）按以下公式進(jìn)行計(jì)算［2］：

式中：各參數(shù)按表1選取［2］。

表1 按CO2濃度的限值計(jì)算艙室所需過濾吸附通風(fēng)量參數(shù)

按GL規(guī)定的CO2含量限值選取計(jì)算的各艙室過濾吸附量，保證了各具體艙室在規(guī)定的人員占位情況下CO2含量不超標(biāo)。對(duì)于人多的保護(hù)區(qū)，按此參數(shù)選取計(jì)算的過濾吸附量較大，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差，但人員舒適度較高。對(duì)于密閉保護(hù)區(qū)，［3］我國規(guī)范規(guī)定了通風(fēng)量應(yīng)保證艙內(nèi)人員全部在位時(shí)CO2濃度不高于0.5%；［1］英國LR軍規(guī)規(guī)定CO2濃度不高于1. 5%。所以在經(jīng)濟(jì)性和空間不允許的情況下，表1 中b2可參照我國規(guī)范或英國LR軍規(guī)適當(dāng)提高限值。

2.1.2 根據(jù)人員新風(fēng)量計(jì)算所需過濾吸附通風(fēng)量DAV2

我國規(guī)范規(guī)定了平時(shí)艙室每人每小時(shí)平均新鮮空氣量不少于以下值［3］：人少艙室 25～30 m3/h，人多艙室 30 m3/h；英國LR軍規(guī)規(guī)定了平時(shí)艙室每人每小時(shí)平均新鮮空氣量不少于18 m3/h［1］；ISO 7547《起居處所空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法》規(guī)定新風(fēng)量不低于總送風(fēng)量的40%［4］。

保護(hù)區(qū)超壓密閉時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)性和布局的可實(shí)現(xiàn)性，在保證人員安全的情況下，參照［3］我國規(guī)范對(duì)進(jìn)行長期精密工作的人員艙室，外界新鮮空氣量補(bǔ)充量為8.4 m3/h；結(jié)合國內(nèi)外一些實(shí)船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可取每人每小時(shí)平均10 m3新鮮空氣量來初步估算過濾吸附量 ：

式中：p 為人數(shù)。

2.2 超壓時(shí)，按密閉區(qū)泄漏量、超壓泄放量、排風(fēng)量計(jì)算過濾吸附通風(fēng)量DAV ″

2.2.1 根據(jù)洗消通道、鎖氣室掃氣量計(jì)算壓差控制閥泄放所需過濾吸附通風(fēng)量DAV3

從外部沾染區(qū)經(jīng)過洗消通道進(jìn)入超壓保護(hù)區(qū)，依次可經(jīng)過脫衣室、洗消間、風(fēng)浴室、更衣室（為清潔區(qū)，與保護(hù)區(qū)同壓），也有的船僅設(shè)脫衣室、洗消間、更衣室；反之亦然。鎖氣室用于隔離超壓保護(hù)區(qū)。洗消通道、鎖氣室均用雙重氣密門形成隔間，這種門依次打開一扇，以避免密閉區(qū)減壓。氣密門和每個(gè)隔間的尺寸保持最小，以減小所要求的掃氣量。彈簧式壓差控制閥可作為掃氣器，用于維持艙壁兩側(cè)的壓差和用于放氣和掃氣，除去外門打開時(shí)帶進(jìn)來的污染空氣［5］。根據(jù)國外設(shè)計(jì)資料，要清除該艙室中99.9%的空中沾染物，需要6次換氣；也可依據(jù)挪威DNV規(guī)范對(duì)洗消通道、鎖氣室的通風(fēng)換氣次數(shù)要求來計(jì)算過濾吸附量，其通風(fēng)換氣次數(shù)至少是30次/h。

有些預(yù)定任務(wù)船舶，洗消通道很大，按上述方案確定的過濾吸附量很大，如果通過洗消可消除大部分沾染物，可選擇洗消間彈簧式壓差控制閥僅維持艙壁兩側(cè)的壓差并適當(dāng)兼?zhèn)浯党δ埽O(shè)小尺度風(fēng)浴室加更衣室方案，減少過濾吸附量，DAV3可取200～500 m3/h。

2.2.2 根據(jù)系統(tǒng)強(qiáng)排風(fēng)所需補(bǔ)充的過濾吸附通風(fēng)量DAV4

保護(hù)區(qū)建壓時(shí)，例如醫(yī)療區(qū)手術(shù)準(zhǔn)備室、隔離病房等的強(qiáng)排風(fēng)必須開啟，維持按相關(guān)要求的最小排風(fēng)量，過濾吸附裝置的過濾吸附量DAV4必須能補(bǔ)充這部分排風(fēng)量。

2.2.3 根據(jù)氣密門、窗、結(jié)構(gòu)泄漏量計(jì)算所需過濾吸附通風(fēng)量DAV5

通過縫隙的滲透風(fēng)量L與縫隙兩側(cè)的壓差ΔP之間的關(guān)系如下式［6］：

式中：L為通過滲透的風(fēng)量，m3/h；a、b為與縫隙結(jié)構(gòu)、氣密性有關(guān)的系數(shù)。

目前決定風(fēng)量與壓差的關(guān)系主要來源于半經(jīng)驗(yàn)公式，特別是相關(guān)系數(shù)主要靠實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定，其實(shí)用性差。據(jù)國外資料文獻(xiàn)記載，每道門、艙口蓋允許漏氣量為85 m3/h。我國規(guī)范規(guī)定甲板下保護(hù)區(qū)在500 Pa超壓下，其漏氣量每小時(shí)不大于3%。

總結(jié)國內(nèi)外一些實(shí)船設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)約500 Pa超壓、1 000 m3的保護(hù)區(qū)，新建造船舶的氣密門、窗、結(jié)構(gòu)泄露量可控制在100 m3/h或更低。后期使用過程中需考慮結(jié)構(gòu)變形和泄漏量加大的因素，因此過濾吸附通風(fēng)量應(yīng)設(shè)余量。在設(shè)計(jì)時(shí)，DAV5可按以下公式試算，作為需補(bǔ)充的過濾吸附量。

2.2.4 根據(jù)預(yù)計(jì)超壓泄放量確定超壓泄放閥泄放的過濾吸附通風(fēng)量DAV6

因考慮未來結(jié)構(gòu)變形而在新造船階段多配置的過濾吸附量、由于溫度波動(dòng)對(duì)超壓擾動(dòng)而變化的泄漏量等，需要借助馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的超壓泄放閥來進(jìn)行泄放，根據(jù)探測(cè)的保護(hù)區(qū)內(nèi)的超壓值由馬達(dá)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)閥門開度，排出保護(hù)區(qū)多余的空氣，使保護(hù)區(qū)維持在穩(wěn)定的超壓值，比如500 Pa。超壓泄放量可按考慮未來結(jié)構(gòu)變形預(yù)計(jì)的泄漏量10～20% DAV選取。按此選型的超壓泄放閥在新造初期，超壓泄放閥運(yùn)行在較高流量工況，隨著未來結(jié)構(gòu)變形，超壓泄放閥逐漸運(yùn)行在較低流量工況。

現(xiàn)有理論和試驗(yàn)結(jié)果分析表明，通過開口的風(fēng)量L與開口兩側(cè)的壓差ΔP之間的關(guān)系如下式［6］：

式中：L為通過開口的風(fēng)量，m3/h；μ為開口流量系數(shù)；A為有效開口面積，m2；ρ為通過開口的空氣密度，kg/m3。

上式說明，通過壓差控制閥、超壓泄放閥的流量與開口面積成正比關(guān)系，所以，閥組的選取除了需要考慮過濾吸附裝置的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)需要考慮閥組的適裝性。

2.3 根據(jù)船舶的建壓時(shí)間計(jì)算所需過濾吸附通風(fēng)量DAV′″

保護(hù)區(qū)在建壓前，邊界門窗及空調(diào)通風(fēng)進(jìn)出風(fēng)口氣密關(guān)閉，從開始建壓到保護(hù)區(qū)超壓達(dá)到設(shè)定壓差前，壓差控制閥和超壓泄放閥閥門是保持關(guān)閉狀態(tài)的，對(duì)于保護(hù)區(qū)，可按密閉空間，按所要求的建壓時(shí)間，按理想氣體狀態(tài)方程可推導(dǎo)計(jì)算出所需過濾吸附通風(fēng)量DAV ′″：

式中：P為外界大氣壓力， Pa；ΔP為保護(hù)區(qū)超壓，可取500 Pa；T1為外界大氣絕對(duì)溫度（數(shù)值為攝氏溫度+273.15），K；T2為保護(hù)區(qū)空氣絕對(duì)溫度（數(shù)值為攝氏溫度+273.15），K；Vc為艙室容積，m3；t為建壓時(shí)間，min。

3 過濾吸附通風(fēng)量校核計(jì)算

按以上方法計(jì)算出過濾吸附通風(fēng)量DAV除以空調(diào)器總送風(fēng)量，算出保護(hù)區(qū)超壓時(shí)的新風(fēng)比，進(jìn)而根據(jù)各艙室的送風(fēng)量算出各艙室新風(fēng)量（過濾吸附通風(fēng)量） DAV7，要求滿足式（10）：

式中：DAV1為根據(jù)CO2濃度限值要求計(jì)算艙室所需過濾吸附通風(fēng)量，m3/h。

4 實(shí)船應(yīng)用

表2是實(shí)船幾個(gè)典型功能保護(hù)區(qū)過濾吸附通風(fēng)量計(jì)算表。

表2 幾個(gè)典型功能保護(hù)區(qū)過濾吸附通風(fēng)量計(jì)算表

分析表2，對(duì)比分析幾種典型功能保護(hù)區(qū)不同決定因素計(jì)算出的過濾吸附通風(fēng)量，可以得出以下結(jié)論：按快速建壓計(jì)算法計(jì)算的過濾吸附通風(fēng)量DAV′″與建壓時(shí)間成反比關(guān)系；DAV′″與外界大氣和保護(hù)區(qū)的溫差有關(guān)，當(dāng)外界大氣與保護(hù)區(qū)溫差較小時(shí)，相比其他決定因素，溫度波動(dòng)對(duì)最終取值影響很小，但當(dāng)外界大氣與保護(hù)區(qū)溫差較大時(shí)，DAV′″明顯增大，最大值出現(xiàn)在夏季工況。

對(duì)于像大型餐廳這樣人數(shù)多的保護(hù)區(qū)，根據(jù)人員安全所需計(jì)算的過濾吸附通風(fēng)量DAV′對(duì)最終取值起決定作用；對(duì)于醫(yī)療保護(hù)區(qū)，由于有手術(shù)準(zhǔn)備室、隔離病房等需要在密閉時(shí)保留強(qiáng)排風(fēng)的區(qū)域，如果再加上洗消通道有大風(fēng)量掃氣要求，根據(jù)泄露量、洗消通道、鎖氣室、強(qiáng)排風(fēng)量、超壓泄放量所需過濾吸附通風(fēng)量DAV″對(duì)最終取值起決定作用。

上述算法中， DAV5、DAV6存在與最終的DAV試算的過程，最后達(dá)到可以選型并風(fēng)量平衡。

5 結(jié) 論

保護(hù)區(qū)超壓的建立涉及很多因素，同時(shí)，受到干擾的因素也很多。本篇闡述的船舶艙室的通風(fēng)超壓計(jì)算法實(shí)用可行，今后可隨著實(shí)船的不斷應(yīng)用、積累經(jīng)驗(yàn)并隨著設(shè)備的技術(shù)更新而不斷完善。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ LR. Version 9.18 Rules and Regulations for the classification of Naval Ships［S］ . 2012．

［2］ GL. Germanischer Lloyd Rules & Guidelines［S］ . 2006.

［3］ 艦船環(huán)境條件要求氣候環(huán)境［S］. 8.

［4］ International Standard ISO 7547 2002， Ships and Marine Technology-Air Conditioning and Ventilation of Accommodation Spaces-Design Conditions and Basis of Calculation［S］.

［5］ 美國海軍. 美國海軍艦船技術(shù)手冊(cè)［M］. 翟少曉，劉書子，譯. 北京： 中國船舶信息中心，2004：82.

［6］ 涂光備.醫(yī)院建筑-空調(diào)凈化與設(shè)備［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：210.

［中圖分類號(hào)］U664.86

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2015）03-0087-05

［收稿日期］2015-01-09；［修回日期］2015-03-02

［作者簡介］謝玲梅（1969-），女，高級(jí)工程師，研究方向：空氣調(diào)節(jié)。

Overpressure calculation for cabin ventilation

XIE Ling-mei

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：This paper describes the various factors about ventilation and pressure reduction in the citadel overpressure area of cabins， analyzes and summaries calculation methods according to these factors from domestic and foreingn literatures， rules and full-scale experiences. It can provide guidance for the overpressure ventilation.

Keywords：overpressure； airtight； citadel； decontaminated air volume； calculation