極地環境下船舶進風系統的設計

常烜宇

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

對于極地運輸船舶，寒冷環境條件下的設計是船舶和其自身系統設計的重要部分。由于我國缺乏對該類船舶的設計、施工經驗，因而對于防寒設計往往是基于寒區運行船舶長期的經驗。本文針對“雪龍2”號的進風系統設計進行研究，該船是我國自主設計的第一條極地科學考察破冰船，將以極地水域科學考察為首要任務，兼具一定的極地考察站后勤物資運輸能力。據統計，在北極、南極進行科考作業工作時，外界環境溫度最低約-38℃［1］。在空調通風系統設計方面，在滿足船級社規范要求的基礎上，充分考慮公共生活區、休閑區和學術交流場所的空間和布局，要求合理、舒適、適用、美觀及良好的通風、采光和保溫。同時，為了保證機器處所空間內部溫度維持在0℃以上，充分考慮極區作業特殊環境，全船采取防凍保溫措施。整個進風系統的設置按照總體要求，區域劃分等因素，在進風口處均有防凍措施，如設置防凍百葉窗，通過不同類型加熱器對外部進風進行預熱，以達到進風口防凍的目的，整個艙室內部達到人員舒適和設備正常工作的空氣溫濕度的要求。

1 進風量設計

每個需通風處所的進風量決定了后期通風風機、通風附件的選型，進風量的計算一般有兩種方式，一個是按每小時換氣次數計算，如式（1）。另一個是按熱量計算，如式（2），并取最大值來確定［2］。

式中：qv1為通風量，m3/h；n1為換氣次數，次/h；V1為通風艙室容積，m3。

式中：qv2為帶走散熱量所需的風量，m3/h；Q2為散熱量，kW；ρa為空氣的密度，取1.2 kg/m3；Ca為空氣的比熱容，取1.005 kJ/（kg K）；ΔT2為送風溫度與艙室溫度之差，K。

本船在設計過程中，對于機器處所，通風量按換氣次數計算，對于需要空調的艙室，通風量按ISO 7547標準進行設計計算。機器處所的內部平均環境溫度不高于+45℃，不低于+5℃，機器處所包括泵艙、推進艙、首側推艙等。

對于機械通風系統，更大的通風量需匹配較大功率的風機，導致能耗上升。對于空調系統，若所需的空調新風量越大，則系統能耗越大。

鑒于嚴寒地區大量冷風滲透，在滿足通風面積要求的前提下，當進行通風換氣設計時，考慮節能性，應選擇最小的外部空氣量進行設計。為了節約能耗，除廚房空調系統采用全新風外，本船其他6臺空調器的服務處所及新風比分別為表1所示。

廚房空調的變頻風機為廚房提供新風。其他空調系統，采用新風+回風的方式，通過對艙室空調的回風經空調器處理變成新的送風，這樣有利于節能，可以充分利用回風的溫度和濕度，可以大大降低空調系統的送風能耗。同時，空調送風機多為變頻風機，可通過不同的能耗需求，實時調節送風量，避免能量浪費［3］。

表1 空調器服務處所及新風比

2 進風口設計

一般來講，進風口的設計主要考慮兩個方面：一個是進風口大小的設計，另一個是進風口位置的布置。

進風口的大小由進風量和假定進風風速計算得到。因為進風口越大，進風阻力越小，噪聲也越小。因此，考慮降低噪聲的需求，在可能的情況下應盡量增大進風口面積。本船房間噪聲控制在60 dB，機器處所噪聲控制在70 dB［4］。上建區域的進風風速一般為2～3 m/s，機器處所進風風速一般為8～10 m/s。進風口的選擇一定要合理，應確保進風能為機器處所、輔機處所以及住艙等空間的加熱、通風、空調提供所需的空氣容量、溫度和濕度。

但是，進風口的設計往往受結構限制。如在本船中，主甲板以下的機械處所進風匯總在結構風道中，結構風道的百葉窗開在艏樓甲板FR107處，由于在距舯約4 500 mm處會與貨艙箱蓋支撐相沖突，因此移位至距舯約9 000 mm處（如下頁圖1所示）。

如月池車間的風幕機設計，因月池屬于大空間區域，室外設計溫度-30℃，進行科考作業時，采用風幕機送暖風，空氣幕吹出的熱風可保持內側氣溫在0℃以上。本船在月池車間舷門，艙壁門，通用實驗室門均設置風幕機。安裝方式根據實際情況有立式安裝和水平安裝，各風幕機配備就地控制按鈕盒，顯示風幕機運行狀態及故障報警，并帶有風幕機的調速旋鈕。風機具體參數見表2。

圖1 機器處所進風口

表2 風幕機參數

其中，月池車間舷門直通式進出風，正面維修。月池車間艙壁門直角式進出風，地面維修。通用實驗室（干/濕）門直角式進出風，底面維修。因受結構橫梁的限制，只能將月池車間舷門處的風幕機分為兩只側裝。如圖2所示。

圖2 月池車間風幕

同時，進風口應選擇在空氣較為新鮮的地方，以獲得較好的通風換氣效果。為防止進排風短路，進風口和排風口需保持一定距離。對于機器處所的大百葉窗，進風百葉窗開口下邊緣距離甲板距離不得小于900 mm，對于一般艙室，進風百葉窗開口下緣距甲板不得小于1 800 mm。空調系統主機連接到室外的新風管設置不小于0.03的向外向下傾斜的坡度，以防室外雨水、冰水進入主機。進風口應設在室外空氣較清潔的地方，進風口的底部離室外地面不小于1 200 mm。

3 進風防寒設計

對于極地運輸船舶，寒冷環境條件下的設計是船舶和其自身系統設計的重要部分，寒冷天氣條件下運行的能力應在設計的整個階段考慮到。因此，進風防寒設計是不可缺少的一部分。

3.1 進風口防凍設計

進風口是進風的第一道關口，進風口的防凍設計尤為重要。對于甲板上的通風口，考慮結冰危險以及考慮破冰帶來的振動，所有附件和設備的基座需是加強和安全的。本船所有在甲板上的通風筒支撐肘板水平臂長度不小于150 mm，厚度不小于12 mm。通風出口應考慮有手動除冰的可能性。船上儲存有至少2套手動除冰工具，每套包括除雪鏟、木錘、亂板、冰鎬和除冰鹽。工具儲存在不受天氣影響且容易進入的區域。

機器處所的進風通過艏樓甲板兩個集中空氣進口，空氣進口設置有進風格柵、艙口蓋、彎道式除雪結構、風機、進風空氣預熱器、熱空氣再循環輔助加熱的調節風門。空氣進風口設置有可關閉的封蓋，在冬季運行時要求多余的進風封蓋處于關閉狀態。進風百葉窗應有足夠的強度允許進行機械除冰。通風排出口設置有電機驅動關閉的風門，出風口被排出空氣加熱。所有空調新風入口和通風量超過1 500 m3/h的進風口將通過一個垂直擋板和葉片型除水霧器。該裝置將有效去除99%直徑為15 μm或更大的水珠。分離的臨界速度在尺寸、分離效率和壓力損失等因素平衡下給予考慮，材料和結構均抗腐蝕，型式為管道安裝型。

本船在室外的進風口百葉窗多為防凍百葉窗［5］，防凍百葉窗系統由葉片內穿加熱電纜的除霧器本體、接線盒和控制箱組成。溫度傳感器給控制箱提供信號，根據外界溫度控制加熱電纜的起閉，加熱電纜在-30～5℃時工作效率相同，功率為50 W/m。百葉窗位置考慮電控箱的設置，按區域設置。

本船采用防凍百葉窗的艙室及對應的風量、功率量如表3所示。

3.2 進風加熱設計

為了達到進風溫度要求，本船在多進風口設置加熱裝置。加熱類型分為電加熱、蒸汽加熱和不凍液加熱系統。

總的來說，在住艙和科考處所采用空調系統加熱，公共處所、服務處所、電氣設備空間和科考空間采用輔助電加熱器加熱，機械處所通過蒸汽加熱器加熱。機械通風進風口設置預加熱器，預加熱器帶就地溫度控制。

表3 全船防凍百葉窗列表

本船采用加熱方式的明細表見表4所示。

表4 全船加熱方式明細表

4 典型艙室進風設計分析

航煤油泵艙屬于危險區域，且進風加熱量較大，因此其進風設計需要考慮危險區域劃分、實際電力負荷需求、生產設計情況等諸多因素。

在本船的基本設計中，航煤油泵艙考慮使用蒸汽加熱，所需加熱量為14 kW，但由于船廠放樣布置困難，故改用電加熱預熱型式。該艙室設計換氣次數20次/h，風量1 060 m3/h。本船使用的是3號航煤油，閃點為38℃。據制造廠反應，如果電加熱器和風機突然失效，其表面溫度將在短時間內達到135℃，從理論角度看似有爆炸的可能。考慮各方協調結果，對航煤油泵艙的電加熱器提出以下技術要求：

（1）防爆等級IIB以上，防護等級IP56以上，溫度等級為T4；

（2）電加熱器加熱功率為15 kW，分三檔，5 kW每檔；

（3）加熱器設置超溫保護；

（4）加熱器設置氣流保護開關，當風管內無空氣流動時，電源必須切斷；

（5）設溫度傳感器于排風系統吸風口處，當溫度低于5℃時，電加熱器開啟；

（6）加熱器電控箱設置進艙的梯道內，防護等級IP44。同時，航煤油泵艙的進風口和排風口避開危險區域，在系泊蓋上的開敞區域設置有菌形通風筒。

5 結 語

通過分析表明：極地環境下船舶進風系統的設計應考慮進風量、進風口、進風防寒，綜合考慮規范要求、總體危險區域劃分、艙室布置、結構限制、舒適美觀等諸多因素進行設計選型，整體進風系統設計性能有待在后續的航行科考任務中評估，并根據實船經驗進行優化。

極地環境下，船舶進風系統的加熱、進風量也應在滿足規范要求的前提下盡量減小，并盡可能降低加熱能耗。

極地環境下的進風口設計要注意防寒防凍，以保證在低溫的環境下，機器處所和上建艙室都能有效進風；進風加熱的設置在綜合考慮各方因素的情況下，選擇加熱的形式和功率，在確保溫度要求的同時，保證使用安全。