基于防病毒的郵輪空調通風系統診斷和改裝

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年新冠疫情暴發后， “鉆石公主”號郵輪傳染事件引發了大量郵輪停航。研究表明：新冠病毒很可能通過空氣傳播，應合理進行空調通風系統運行和維護以減少病毒在空氣中傳播的風險；空調通風系統的通風稀釋和過濾作用可以降低病毒在空氣中傳播的風險，反對在疫情期間關閉空調系統。因此，船舶中央空調通風系統是郵輪防病毒的關鍵，不合理的空調通風系統可以助長病毒在郵輪內傳播，而科學合理的系統可以有效抑制病毒傳播，保護旅客和船員的健康。

為某郵輪復航準備的空調通風系統進行提升防病毒能力的改裝，其主要參數為：全長261 m，寬32 m；15層甲板，有975個艙房(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有空調通風系統修改的基礎上空調通風依舊能使室內達到一定的舒適度。為此，通過對此郵輪空調通風系統的圖紙進行核查和實船考察，本文對空調通風系統的防病毒能力進行詳細診斷，找出具體的改裝方案。

1 空調通風系統的防病毒能力診斷

該郵輪的中央空調通風系統全面采用全空氣系統，空調器都布置在空調機間，然后通過風管把處理后的空氣送到房間或公共區，空氣在循環后又通過風機抽回空調機間。

旅客房間區域普遍使用帶熱轉輪的100%新風的中央空調箱，室外的新風過濾后在熱轉輪中進行全熱交換，經冷媒水盤管冷卻后，通過風機送到房間；在房間內循環和吸收熱量后，通過風管回到空調箱，經過過濾和熱轉輪后排到室外。全新風的空調系統見圖1。在整個空氣循環中，所有送入房間的風都來自室外，不使用循環風。

圖1 全新風的空調系統示意圖

該郵輪全新風的空調箱的內部結構見圖2。新風段和回風段都布置有濾器，風機是皮帶輪驅動的離心風機。熱轉輪是以復合纖維材料為載體，覆以蓄熱吸濕材料而構成，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污染。如果回風受到病菌污染，可能會被吸附在轉輪上，然后傳遞到新風側，再被送到各個艙室，這就造成了病毒的擴散和空間的污染。

圖2 全新風空調箱的示意圖

該郵輪有一些公共區是屬于部分回風的全空氣系統，中央空調沒有熱轉輪，房間內的風由風機抽回空調機間：一部分回到中央空調器，一部分直接排到室外。部分回風的空調系統見圖3。

圖3 部分回風的空調系統示意圖

該郵輪由于采用全空氣系統，房間和公共區的換氣次數較高，旅客房間的換氣次數達到8次/h，公共區的換氣次數達到10次/h，因此室內的空氣齡小，室內的污染空氣相對容易被稀釋和排出，對防病毒比較有利。有一些服務于公共區的中央空調采用部分回風，容易導致病毒的傳播，防病毒性能差，需要整改。該郵輪采用熱轉輪作為熱回收裝置，熱轉輪會導致排風側的污染物進入新風側，需要進行整改。該郵輪居住區分為6個主豎區，且在4號主豎區的4甲板設置醫院。考慮緊急情況下的防疫要求，需要額外布置隔離區。

2 基于全新風的系統改裝

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量不足。因此，全新風是防病毒空調通風系統設計相對比較容易實現的選擇。

該郵輪原配有多臺中央空調器是部分回風的，回風混入新風后會導致污染擴散。這些中央空調的整改如下：關閉從排風機到中央空調器風管上的風閘，房間內的風直接通過排風機抽走，外部的風直接通過空調箱處理后送入房間，見圖4。

圖4 回風風閘示意圖

在此操作下，排風中的能量不再回收，在夏季的時候室內設計溫度會高于原來設計溫度，室內舒適度會降低。以某公共處所為例，此處所的空調通風系統在夏季采用50%部分回風的全空氣系統，外界溫度35 ℃，相對濕度70%，比焓99.7 kJ/kg；內部設計溫度26 ℃，相對濕度50%，比焓52.9 kJ/kg；內有200個座位。根據--，每個人的顯熱為70 W，潛熱為50 W。此處所內的空調負荷見表1。

表1 公共區的空調負荷(35 ℃)

此處所空調的送風量為12 000 m/h，中央空調箱內的制冷盤管將空氣溫度降至16 ℃，比焓為44.8 kJ/kg，考慮2 ℃的管道和風機溫升，到達房間的送風溫度為18 ℃。按照式(1)計算，可以帶走表1中的32 kW顯熱。

(1)

式中：為空調送風帶走的顯熱，kW；為送風量，m/h；為房間溫度，℃；為空調送風溫度，℃；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)。

此空調系統正常運行時是50%新風，新風比例取0.5。按照式(2)，中央空調箱的制冷負荷=127 kW。而當回風風閘關閉后，要達到原來的送風溫度，需取1，按照式(2)計算，=222 kW。因此，現在的中央空調箱完全沒有足夠的制冷能力。

(2)

式中：為中央空調制冷負荷，kW；為外界空氣的比焓，kJ/kg；為房間回風的比焓，kJ/kg；為制冷盤管后的比焓，kJ/kg；為新風比例。

根據表1，夏季室內的空調負荷主要來自人的散熱和玻璃窗的輻射熱，所以為了解決關閉回風風閘而導致室內溫度升高的問題，可通過減少公共區人數和通過窗簾等遮陽措施來減少室內空調負荷。當外界溫度降低時，全新風對室內舒適度的影響也會隨之減小。當外界溫度降低到30 ℃時，比焓為76.3 kJ/kg，外部風的比焓會降低到此值，即使不采取任何降低室內空調負荷措施，全新風也不會影響室內舒適度。

3 基于紫外線殺毒的系統改裝

該郵輪原配有多臺帶熱轉輪的中央空調器，熱轉輪會帶來病毒傳遞的風險。考慮到室內的舒適度，空調箱內的熱轉輪需要繼續使用，但是有必要對這些空調箱采取一些措施，因此建議在空調箱內或送風靜壓箱內布置紫外線燈管，對送入房間的風進行殺毒。

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

江蘇兆勝空調有限公司2020年發布的《船舶空調系統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度和空氣被紫外線的光照時間(不小于0.25 s)。紫外線燈管的布置位置是此項防病毒改裝的關鍵，可以將燈管布置在以下位置：

(1)在中央空調箱送風靜壓箱內布置紫外線燈管。此位置布置紫外線燈管可以對送入房間的風進行光照殺毒，且靜壓箱內風速較低，無其他設備布置在內。

(2)在中央空調箱內送風機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進行一次光照殺毒。此段的長度較長，風的光照時間也較長，且紫外線燈管可以照到送風機和擋水板，減少細菌在這些凹凸表面的滋生。此位置有檢修門，燈管容易安裝。但此位置有風機，燈管如果脫落，就會卡住皮帶，影響空調系統正常運作。

(3)在中央空調箱回風靜壓箱內布置紫外線燈管。此位置布置紫外線燈管，可以對房間回風在進入熱轉輪前進行一次殺毒，且紫外線可以照到回風濾器。

4 設立隔離區及隔離區的系統改裝

劃出居住艙室作為隔離區，這些區域最好離船上的醫院較近，可在緊急情況下將升級為防病毒隔離區。隔離區在空調通風系統設計時應考慮負壓設計，用于隔離患者并進行治療或對密切接觸者進行醫學觀察。

該郵輪的4號主豎區4甲板右舷已經布置有醫院區域，且配置有獨立的送風空調和抽風機,抽風能力大于送風，為負壓設計。由于醫院在4號主豎區，建議4號主豎區11甲板和10甲板左舷作為隔離區，并且保持此隔離區和前后主豎區的門常閉。人員可以通過主梯道到達醫院，并建議在此梯道內設置緩沖間，見圖5。為了減少病毒的傳播，此緩沖間的兩個門不可以同時打開，且有空調通風進行加壓，使此空間氣壓大于相連接的走廊和梯道。

圖5 梯道內緩沖間

對隔離區相對應的空調通風系統需要進行改裝，相應的措施如下：

(1)服務隔離區的中央空調器內的熱轉輪需要關閉。

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

(3)對隔離區房間的空調風管進行整改。原船的空調通風系統的設計是來自空調器的風送到房間后，一部分風從廁所抽走，另一部分風從門上的格柵回到走廊上后再抽回空調機間。為了防止病毒從房間進入走廊，首先需使用盲板封堵住門上的格柵和走廊上的回風格柵，然后從走廊上的回風管拉支管到各個房間。

(4)對走廊進行加壓送風，從而使走廊的氣壓大于房間的氣壓，進一步防止房間內的空氣溢出到走廊。

5 結論

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

(2)送入室內的空氣進行紫外線高效殺毒。

(3)郵輪上除配備獨立空調通風的醫院外，還設置了額外的隔離區，并配置改進的空調通風系統。