某船工作艙室的空調加裝方案

尹墨晗，魏文俊

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引言

空氣調節系統主要用于夏季和冬季的空氣處理，為艙室提供具有一定溫度、濕度和清潔度的空氣。對于配有散熱量較大的設備的工作艙室，會增設輔助空調設備，如：柜式空調機、風機盤管等，用來配合中央空調系統控制艙內的溫度，

為船員提供一個舒適的工作環境。某船是依據GJB 4000—2000《艦船通用規范》設計的系列產品，其中一個工作艙室同時配備了給船員使用的頂式布風器，及為艙內設備散熱而提供輔助制冷的風機盤管。然而該系列產品的2號船在航行試驗階段，根據船東要求在上述工作艙室中增加了1臺散熱量較大的電子機柜，導致艙內的溫度高于設計要求。對此制定了3種空調設備的加改裝方案，鑒于2號船的建造階段、施工完整性和各種方案的返工量等因素，本文從施工、設計和成本等方面，對3種加改裝方案進行分析和評價，總結出最經濟、省時和方便施工的加裝方案，也為后續其他船舶遇到類似情況時，提供改裝經驗、設計思路和借鑒。

1 某船的設計現狀介紹

1.1 原設計狀態和改裝狀態的介紹

某船是依據GJB 4000—2000《艦船通用規范》設計的系列產品（簡稱“本船”），主要采用冷水機組、間接式空調器和布風器等，作為空氣調節系統的主要設備，為住艙和工作艙室提供具有一定溫度、濕度和潔凈度的空氣；以柜式空調器、風機盤管和空氣冷卻器等，作為部分工作艙室的輔助空調設備。本船的空氣調節系統是根據人員數量和艙內設備的散熱量等，對各艙室的空調通風的冷量負荷和風量進行計算（見表1）和對空調設備進行選型的。其中，電子室配備了1臺風量為0～250 m3/h的布風器和1臺制冷量為4 000 kcal/h的風機盤管。

表1 空調通風的冷量負荷和風量計算表

電子室配有電子機柜、電氣設備、文件柜和書桌等，根據理論計算，現有的空調設備可以滿足夏季工況下(27±2) ℃的設計要求[1]。然而，根據船東要求，本系列產品的2號船將電子室內的書桌改為了1臺電子機柜（見圖1）。試航期間是夏季工況，外界環境溫度接近于34 ℃的設計要求[1]，期間發現艙室的溫度較高，船員的感覺工作環境較熱。

圖1 2 號船的改裝示意圖

1.2 改裝后的冷量負荷計算和分析

經核實，增設的電子機柜的散熱量～1 000 kcal/h，且電子機柜5經過換裝，散熱量在原有基礎上增加了～400 kcal/h。對于電子室的艙室顯熱[3]和冷量負荷計算如式（1）：

式中：qs為艙室內總得熱量，W；qt為艙室的傳入熱量，W；qp為艙室內計算人數人體發熱量，W；ql為艙室內照明熱量，W；qe為艙室內設備發熱量，W；qf為食物熱量，W。

2號船改裝后，僅將原有的書桌改為電子機柜，將電子機柜5進行換裝，其他布置和艙內工作人員的數量并未改變，因此僅qe發生了變化，其他參數與原設計相同。將增設和換裝后的設備發熱量代入公式（1）得到：qs'=4 790 kcal/h，即2號船電子室的理論艙室顯熱為4 790 kcal/h。因輔助設備冷量沒有改變（見表1），2號船電子室的多余艙室顯熱為790 kcal/h。用于電子室的集中式空調器的理論送風溫度為16.5 ℃，夏季工況下設計溫度為(27±2) ℃。艙內設備散熱量較大時按極限溫升計算通風量[1-2]如式（2）：

式中：Q為艙室通風量，m3/h；Ht為艙內設備散熱量，kW；Δt為允許極限溫升，℃；ρ為空氣密度，取為1.2 kg/m3；Cp為空氣比熱，取為1.0 kJ/(kg·K)。

電子室已配有4 000 kcal/h的風機盤管作為輔助空調設備，因此可理解為電子室需要靠空調送風帶走的艙內得熱量為790 kcal/h，即0.919 kW。又因集中式空調器的理論送風溫度為16.5 ℃，本艙需要達到的溫度為(27±2) ℃，則艙內的允許極限溫升可以計為12.5 ℃。將上述參數代入式（2）得：Q=220.56 m3/h＜250 m3/h。

從上述計算可知，雖然2號船對電子室進行的換裝和改裝，導致電子室的總得熱量增大，但原設計中輔助設備冷量和分配風量的換熱量總和，理論上能夠滿足電子室在允許極限溫升時的散熱需求，但僅限于外界氣候環境不超過設計要求的34 ℃和65%相對濕度[1]的前提下。因此對于試航期間電子室的溫度過高、船員的感覺工作環境較熱的情況，其原因分析如下：

1）雖然外界環境溫度接近于設計溫度34 ℃，但新風的相對濕度高于設計要求的65%，導致經集中式空調器處理后，送至本艙的送風溫度大于16.5 ℃的理論值，則式（2）中的允許極限溫升Δt發生變化，上述理論計算不成立。因此船員在本艙工作時，由于實際的溫度超過27 ℃，略高于夏季工況時的人體舒適溫度19 ℃～25 ℃[3]，使得船員感受到的體感溫度較高，產生艙內溫度較高的主觀感受。

2）由于2號船在調節各艙室分配風量、設置集中式空調器回風溫度時，是參考1號船的調試經驗和數據，從而導致2號船在實際使用時，整個空調區域的回風溫度已達到設定值，集中式空調器的電子三通閥開始動作，空調器降工況運行、換熱量降低，使得各送風管的送風溫度大于16.5 ℃的理論值，則上述理論計算同樣不成立，引起本艙分配風量的換熱量不足以帶走多余得熱量，艙室溫度超標。

3）電子機柜的實際散熱量高于船東提供的理論數據；試航期間本艙的實際船員人數多于設計需求；空調系統運行時，艙室門未關閉等使用不合理的情況。

2 加改裝方案及其分析

2.1 空調加改裝方案簡介

針對上述情況，為從根本上解決電子室的溫度超標問題，需要根據2號船換裝和改裝后的電子室的總得熱量，重新計算冷量負荷，選取制冷量相當的輔助空調設備。其中，上述原因分析3）是使用不當，不作為空調加改裝方案的依據和考核指標。則主要的加改裝方案有：

1）將制冷量為4 000 kcal/h的風機盤管，改為制冷量為6 000 kcal/h的風機盤管（見圖2）。改裝后的風機盤管外形尺寸增大，需要相應調整本艙前壁的設備布置，需對原有的設備基座和電氣支架進行重新制作和裝焊。然而，主要的修改部分在于循環水管和冷凝水管的修改。

圖2 風機盤管換裝布置圖

如圖3 所示，電子室的空調設備改為6 000 kcal/h風機盤管后，根據設備資料的管徑需求，AF93、94循環水管改為32×2，SC357凝水管維持25×2。AF79、80循環水管和SC389凝水管的管徑則需要參考相應的設計準則進行調整。如表2所示[4-5]，由于AF79、80循環水管承擔的循環水流量增加為6.5 m3/h，則原管徑為45×3（DN40）的循環水管的理論流速將變為1.51 m/s，超過設計值較多，應改為理論流速為1.14 m/s、管徑為57×3（DN50）的循環水管；SC357凝水管承擔的設備冷負荷為16.282 kW，可選用管徑為32×2（DN25）的凝水管，維持原狀。

圖3 循環水管、凝水管原理圖（單位：mm）

表2 循環水管和凝水管的管徑調整

2）將制冷量為4 000 kcal/h的風機盤管，改為制冷量為6 kW的柜式空調機（見圖4）。由于立式風機盤管和立柜式空調機的型式不同，需對電子室前壁的設備進行調整，并從附近配有柜式空調機的工作艙室中連接一路海水冷卻管至電子室。同理，根據設備資料的管徑需求，增設一路連接電子室的柜式空調機的海水冷卻管，管徑為30×1.5。如表3所示[1]，由于WC95、96海水冷卻管承擔的冷卻海水流量增加為2.8 m3/h，則理論流速將變為1.36 m/s，無需修改；SC357凝水管承擔的設備冷負荷為415.304 kW，選用管徑為32×2（DN25）的凝水管，走向與改裝方案1相同。

圖4 柜式空調機改裝示意圖（單位：mm）

表3 海水冷卻管的管徑選擇

3）增加1 臺制冷量為5 kW 的分體式空調（見圖5），與市場品中2 匹空調的制冷量相同。在不修改電子室原有設備、不增加循環水管和海水冷卻管的前提下，在舷側增加1 臺分體式空調，利用廁所舷側的通風圍井布置室外機。經計算，室內機與室外機的理論接管長度不超過4 m，可以滿足一般分體式空調的接管長度要求；需選擇室外機的外形尺寸不大于550 mm×770 mm×290 mm（高×長×厚）的分體式空調，即可布置到通風圍井中。與方案1 和方案2 相同，分體式空調的凝水管借至SC357 凝水管，走向和管徑不做修改。

圖5 分體式空調加裝布置圖（單位：mm）

2.2 3 種方案的分析和對比

上述3種加改裝方案都是從理論計算上，根據改裝后的電子室的總得熱量，選擇與之匹配的冷負荷，都能解決2號船電子室的實際問題。然而，2號船處于試航階段，艙室的施工完整性、系統的整體聯調等工作均已完成。對電子室的空調加改裝方案進行選擇時，秉承改動性最小的原則，同時兼顧使用效果良好、施工周期短、牽連工程少和適當考慮成本等因素。基于上述綜合因素，對3種方案的工作量和成本等進行分析：

1）3種方案都是根據2號船電子室的總得熱量進行計算，對空調設備的冷負荷進行選型的，在夏季工況下的使用效果良好。然而，春、秋季存在全船冷水機組不開啟的情況，若此時電子室的電子機柜都處于開啟狀態，艙內電子設備仍會散發熱量。則對于風機盤管換裝的方案而言，在循環水系統沒有運行的情況下，僅靠集中式空調器送入的新風，不足以解決電子室設備散熱的問題。若此時開啟冷水機組和循環水系統，因春、秋季工況下的住艙更容易達到設計溫度，使集中式空調器的回風溫度達到設定值，電子三通閥動作，進而引起集中式空調器和冷水機組降工況運行，導致電子室這類設備散熱量較高的工作艙室的實際溫度范圍不穩定。則在春、秋季工況下，需要對集中式空調器和冷水機組的動作溫度進行重新設定，或將集中式空調器的感溫信號調整為典型艙室的溫度。針對上述使用情況的分析，顯然柜式空調機和分體式空調作為獨立的輔助空調設備，無需考慮季節的影響因素，因此方案2和方案3的使用效果更為優良、人員操作更簡單。

2）從2.1節中3種方案的介紹可知，風機盤管換裝和柜式空調機改裝均需要對原設備、基座和管附件進行拆除、重新安裝，因水管規格需要對附近2個工作艙室進行水管修改，涉及艙壁開孔、涂裝、甲板敷料修補等牽連工程，甚至需要對已安裝的電子設備進行移位。而分體式空調管的加裝方案則無需拆除原有的風機盤管、沒有設備需要移位、已裝船的管附件等均維持原狀，只需對分體式空調及其接管進行安裝即可，僅涉及到安裝支架的裝焊、涂裝和艙壁絕緣層的修補，因此方案3的整體工作量最小。

3）由于風機盤管換裝和柜式空調機改裝的工作量基本相同，又有設備拆除等牽連工作量，而分體式空調加裝方案的工作量明顯少于上述兩種方案，故無需詳細考慮和計算工作人員的施工費用，僅靠設備和管材價格即可確定，方案3的整體成本最低（見表4）。

表4 3 種方案的成本比較

綜上所述，從改動性最小、使用效果良好和成本等綜合因素考慮，增加分體式空調的方案是最簡易和便捷的方案（見表5）。同時，該方案可以在維持現有施工狀態、不破壞各艙室的施工完整性，且該方案實施后，在春、秋季等轉季節的工況下，無需對本區域的空調系統進行調整，具備使用靈活的特點。經船東認可，2號、3號船均采用了分體式空調的方案。

表5 3 種方案的綜合對比

3 結論

空氣調節系統是用于保證工作艙室內部溫度適宜，為船員提供舒適工作環境的船舶輔助系統。因艙室得熱量計算錯誤、空調設備冷負荷選型偏小、艙室設備加改裝等因素，引起艙室得熱量與空調設備冷負荷不匹配的情況，必將影響實船的使用效果。無論何種因素引起的室溫超標，只要在船舶的施工完整性較好、已具備航行狀態時，發生上述任一情況，需要對某工作艙室的空調設備進行加改裝，均可以采用分體式空調的加裝方案。

由于本文方案中空調設備為壁掛式，較容易在工作艙室內進行加裝、布置，只需在人員容易到達、可散熱和內外機間距滿足接管的區域布置室外機即可。本方案具備施工便捷、不破壞施工狀態、無需大量返工、經濟和使用靈活等特點，是施工完整性較好的船舶在空調設備加改裝時的優選方案。