船舶駕駛室玻璃窗除霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 豐 安毓輝

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

1 駕駛室玻璃窗除霜方法介紹

駕駛室是船舶重要的控制處所。由于室內(nèi)外溫差和濕度的影響會(huì)使駕駛室玻璃窗結(jié)霜和起霧，從而影響駕駛室的視線和船舶航行的安全，因此駕駛室除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。如何快速有效地消除駕駛室玻璃窗上形成的霜和霧氣，將與船舶航行安全密切相關(guān)。

駕駛室四周通常采用大面積玻璃窗，夏季和冬季的計(jì)算負(fù)荷很大。從節(jié)能角度考慮，船舶駕駛室一般設(shè)計(jì)成中央空調(diào)的局部冷卻處所，但并不確保該處所能達(dá)到其他空調(diào)處所的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。

在冬季，由于駕駛室內(nèi)外溫差和濕度的影響，在玻璃窗室內(nèi)一側(cè)往往會(huì)有結(jié)霜和起霧現(xiàn)象，從而影響駕駛室的視線和航行安全［1-2］。為此，需設(shè)置玻璃窗除霜系統(tǒng)。

駕駛室玻璃窗除霜的本質(zhì)是防止靠近窗玻璃處的空氣變成飽和空氣。一般采用以下兩種方法：一是采用特制的帶電加熱絲的玻璃窗，二是采用熱風(fēng)除霜系統(tǒng)。［3］

電加熱前擋風(fēng)玻璃可以在極端寒冷的天氣下，消除玻璃上的霧氣和冰雪，從而保持清晰的駕駛視野，提高駕駛時(shí)的安全和舒適性，而無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間的等待。電熱除霜系統(tǒng)一般由電源、選擇開(kāi)關(guān)、過(guò)熱保護(hù)裝置及電加熱元件等組成?；驹砭褪穷A(yù)先將肉眼幾乎不可見(jiàn)的鎢絲安裝到 PVB 上，通過(guò)母線和連接端子連接到船體電路中，由電路提供12～14 V的電壓，以450～600 W/m2的功率密度來(lái)進(jìn)行加熱。［4］

駕駛室固定矩形窗（CB/T3226-1995）是安裝于船舶駕駛室（橋樓）供觀察和操縱用的封閉處所的矩形窗。其中BH和WH型為電加熱玻璃，目前在船上配置的絕大多數(shù)是WH型電加熱玻璃焊接式固定矩形窗，電加熱玻璃應(yīng)符合ISO3434的規(guī)定。

采用電加熱玻璃除霜除霧時(shí)，一般需配置窗玻璃加熱控制器，控制器具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種工作方式，控制器通過(guò)玻璃內(nèi)嵌的溫度傳感器采樣溫度數(shù)據(jù)后控制加熱器工作，可使玻璃窗溫度保持在一定范圍內(nèi)，從而有效防止玻璃結(jié)霜起霧。某些駕駛室矩形窗會(huì)加裝掃雪器（旋轉(zhuǎn)視窗），窗玻璃開(kāi)相應(yīng)的安裝孔，但駕駛室矩形窗若加裝了掃雪器，便無(wú)法采用電加熱玻璃。此外，駕駛室前部側(cè)面和側(cè)面的玻璃窗一般不采用電加熱玻璃，所以在沒(méi)有配置電加熱玻璃的情況下，會(huì)采用熱風(fēng)除霜系統(tǒng)來(lái)清除玻璃窗上的結(jié)霜和結(jié)霧。

熱風(fēng)除霜系統(tǒng)是采用通風(fēng)的手段來(lái)消除玻璃窗上的霜霧，系統(tǒng)遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)，并采用特定的設(shè)備控制送風(fēng)溫度以達(dá)到去除霜霧的目的。下面將詳細(xì)介紹熱風(fēng)除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 駕駛室熱風(fēng)除霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南

駕駛室熱風(fēng)除霜系統(tǒng)按照ISO 8863“Ship’s wheelhouse windows-heating by hot air of glass panes”來(lái)設(shè)計(jì)［5］。此設(shè)計(jì)指南適用于遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶在-20℃或其他極端低溫工況下航行的船舶。

● 設(shè)計(jì)條件室外設(shè)計(jì)溫度為-20℃；室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為+22℃；除霜噴頭空氣溫度為+42℃；溫度均采用干球溫度。

● 風(fēng)量確定用于除霜的風(fēng)量根據(jù)所需除霜的玻璃窗的面積，按每平方米0.015 m3/s（相當(dāng)于每平方米54 m3/h）的風(fēng)量配置。

● 噪聲要求由于駕駛室對(duì)于噪聲控制有一定要求，因此熱風(fēng)除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中對(duì)于噪聲的控制也有具體要求。系統(tǒng)要求在距離除霜噴頭1 m處的所測(cè)噪聲值不超過(guò)55 dB（A），因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中噴頭的選用方面要注意噴頭的型式、大小和出口風(fēng)速的控制。

● 除霜噴頭要求駕駛室前窗按規(guī)范要求一般有15°～20°傾斜，除霜噴頭的中心位置應(yīng)設(shè)置在距玻璃窗1.5 m處且位于駕駛員站立高度的上方（見(jiàn)圖1）。

圖1 除霜噴頭布置示意圖

氣流噴射到玻璃窗處的風(fēng)速為1.5 m/s，噴頭可以調(diào)節(jié)，范圍覆蓋玻璃窗上緣至下緣。按照噴射到玻璃窗處的風(fēng)速1.5 m/s的要求，根據(jù)氣體射流公式我們可以推算出噴頭出口風(fēng)速約為5 m/s，在此速度下，距離除霜噴頭1 m處的所測(cè)噪聲值應(yīng)不超過(guò) 55 dB（A），滿足噪聲要求［5］。

3 駕駛室除霜系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用

以下對(duì)實(shí)船上使用的幾種熱風(fēng)除霜系統(tǒng)作簡(jiǎn)單的實(shí)例分析。

3.1 5 萬(wàn)噸半潛工程船駕駛室除霜系統(tǒng)

5萬(wàn)噸半潛工程船駕駛室除霜系統(tǒng)如圖2所示。為保證冬季駕駛室玻璃不結(jié)霜和凝露，向駕駛室玻璃提供熱風(fēng)循環(huán)除霜系統(tǒng)，除霜系統(tǒng)是按照ISO8863來(lái)設(shè)計(jì)。除霜系統(tǒng)的熱風(fēng)來(lái)自駕駛室空調(diào)器AHU01，經(jīng)管道加熱器加熱至42℃，然后通過(guò)噴嘴送至駕駛室玻璃。

本系統(tǒng)由NOVENCO公司供貨，除霜噴頭型號(hào)HT72/80-100，每個(gè)噴頭的風(fēng)量為48 m3/h，每扇窗（窗面積約1.78 m2）配置2個(gè)噴頭，共配置4個(gè)功率為2 kW的EFR-160型管道加熱器以及64個(gè)除霜噴頭。由于本船的特殊性，對(duì)于駕駛室四周的玻璃窗均有視線要求，因此每扇玻璃窗均配置了除霜噴頭。

3.2 30 萬(wàn)載重噸超大型油船駕駛室除霜系統(tǒng)

30萬(wàn)載重噸超大型油船的駕駛室采用熱風(fēng)除霜。該船的熱風(fēng)除霜系統(tǒng)（如圖3所示）不同于5萬(wàn)噸半潛工程船，其采用的是獨(dú)立通風(fēng)除霜系統(tǒng)，而非采用空調(diào)器的空調(diào)風(fēng)經(jīng)再加熱后除霜。該系統(tǒng)由DMA公司供貨，配置1臺(tái)循環(huán)管道風(fēng)機(jī)、1個(gè)回風(fēng)格柵、1個(gè)管道加熱器和20個(gè)除霜噴頭。計(jì)算得知管道風(fēng)機(jī)除霜循環(huán)風(fēng)量為790 m3/h，除霜噴頭規(guī)格為DN80（其中3個(gè)位于報(bào)務(wù)區(qū)），管道加熱器的加熱量約為5.3 kW。房間空氣經(jīng)回風(fēng)格柵吸入系統(tǒng)后經(jīng)管道加熱器加熱后用于除霜。

圖3 30萬(wàn)噸載重量超大型油船駕駛室除霜系統(tǒng)

3.3 7.5萬(wàn)載重噸原油船駕駛室除霜系統(tǒng)

有時(shí)也會(huì)采用電加熱除霜玻璃和熱風(fēng)除霜相結(jié)合的形式，如7.5萬(wàn)載重噸原油船的駕駛室除霜系統(tǒng)（參見(jiàn)圖4）。該原油船駕駛室有3扇前窗采用電加熱除霜玻璃，其他窗均為普通玻璃窗。根據(jù)船東所要求的其他窗需采用熱風(fēng)除霜，故本船的熱風(fēng)除霜系統(tǒng)分為左右舷兩部分，每套系統(tǒng)配置1臺(tái)循環(huán)管道風(fēng)機(jī)、1個(gè)回風(fēng)格柵、1個(gè)管道加熱器和若干個(gè)除霜噴頭。計(jì)算求得每臺(tái)管道風(fēng)機(jī)除霜循環(huán)風(fēng)量為540 m3/h，左右兩舷共配置26個(gè)風(fēng)量為50 m3/h的除霜噴頭，每個(gè)管道加熱器的加熱量約為4 kW。房間空氣經(jīng)回風(fēng)格柵吸入系統(tǒng)后經(jīng)管道加熱器加熱后用于除霜，而3扇前窗獨(dú)立采用電加熱除霜玻璃來(lái)除霜。

圖4 7.5萬(wàn)載重噸原油船駕駛室除霜系統(tǒng)

上述3種駕駛室除霜系統(tǒng)均在駕駛室四周窗玻璃處布置有熱風(fēng)除霜或電熱玻璃除霜。在駕駛室空調(diào)系統(tǒng)送熱風(fēng)的基礎(chǔ)上，玻璃除霜系統(tǒng)會(huì)給室內(nèi)帶來(lái)額外熱量。由于駕駛室一般按局部冷卻設(shè)計(jì)，并不保證室內(nèi)溫度，這時(shí)玻璃除霜系統(tǒng)帶來(lái)的熱量正好能補(bǔ)償室溫，將駕駛室溫度維持在一個(gè)較高水平，從而提高駕駛舒適度。所以，玻璃除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算需要同駕駛室空調(diào)送風(fēng)的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)合起來(lái)；同時(shí)，除霜系統(tǒng)與空調(diào)送風(fēng)可能會(huì)民致室內(nèi)氣流溫度場(chǎng)速度場(chǎng)分布不均勻。這一點(diǎn)也需要在設(shè)計(jì)階段考慮進(jìn)去，通?？捎肅FD進(jìn)行模擬比較［6-7］。

以30萬(wàn)噸VLCC駕駛室玻璃除霜系統(tǒng)為模型，進(jìn)行溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)上述實(shí)例（2），建模及計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)圖5-圖10。

圖5 無(wú)除霜系統(tǒng)時(shí)建模

圖6 加除霜系統(tǒng)后建模

圖7 無(wú)除霜系統(tǒng)時(shí)室內(nèi)縱剖面溫度場(chǎng)分布

圖8 有除霜系統(tǒng)后室內(nèi)縱剖面溫度場(chǎng)分布

圖9 無(wú)除霜系統(tǒng)時(shí)室內(nèi)平面速度場(chǎng)分布（h = 0.5 H）

圖10 有除霜系統(tǒng)后室內(nèi)平面速度場(chǎng)分布（h = 0.5 H）

由圖7和圖8的對(duì)比可以看出：無(wú)除霜系統(tǒng)時(shí)，室內(nèi)人員所在剖面大面積區(qū)域溫度低于21℃；加裝除霜系統(tǒng)后，大面積區(qū)域溫度達(dá)到24℃～25℃。所以，冬季加裝除霜系統(tǒng)可以顯著改善駕駛室船員的舒適感。

由圖9和圖10的對(duì)比可以看出，無(wú)除霜系統(tǒng)時(shí)室內(nèi)平面速度場(chǎng)分布較為均勻，大部分區(qū)域氣流速度趨于一致或平滑過(guò)渡，加除霜系統(tǒng)后室內(nèi)氣流速度階梯變化較明顯，速度場(chǎng)變得略微不均勻，但整體仍然保持在一個(gè)低風(fēng)速的工況，對(duì)于船員舒適度影響很小。

4 結(jié) 語(yǔ)

駕駛室除霜系統(tǒng)對(duì)于船舶設(shè)計(jì)而言非常重要，至于電加熱玻璃除霜和熱風(fēng)除霜系統(tǒng)哪個(gè)更好，這需要從設(shè)備成本、除霜效果和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等各個(gè)方面綜合考慮。本文僅對(duì)目前常用的幾種除霜系統(tǒng)作一概述，從通風(fēng)專業(yè)角度著重介紹熱風(fēng)除霜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并以數(shù)值模擬法研究分析除霜系統(tǒng)對(duì)于駕駛室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響。熱風(fēng)除霜系統(tǒng)中，除霜出風(fēng)口的形式、風(fēng)速、出風(fēng)的溫濕度和射流角度等對(duì)除霜效果的影響以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等將在后期作進(jìn)一步研究。