船舶艙室正負壓控制技術

許戀斯，劉嘉倬，邰 洋，李和薇，衣 穎，張宗興

（1.江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913；2.天津航海儀器研究所，天津 300131；3.中國人民解放軍軍事科學院系統工程研究院衛勤保障技術研究所，天津 300161）

0 引 言

當前，全球新冠肺炎疫情的發展態勢依舊嚴峻，我國的常態化疫情防控體制機制不斷完善，疫情防控裝備得到了長足發展。在這些裝備中：有的通過在其內部形成正壓環境達到防護的目的，如移動式正壓潔凈艙和便攜式正壓診斷艙等；有的通過在其內部形成負壓環境達到隔離的目的，如移動式負壓實驗室、負壓隔離艙和負壓帳篷等。［1］這些裝備大多應用于陸地上，對迫切需建立防疫機制的船舶艙室缺少較好的應用方案。

在人員密集的船舶艙室中，當出現傳染性極強的新冠肺炎病毒時，極易引發群體性疫情。目前國內針對船舶艙室防疫機制的研究還屬于起步階段，只能借鑒建筑醫療防疫室的標準和部分船級社的最新指導性文件開展［2-5］。就船舶艙室的醫療環境而言，目前大部分不具備及時處理類似傳染性疫情的能力。因此，在船舶艙室內建立有效的防疫機制是很有必要的。由于船舶內部空間有限，在建立防控機制時，往往要求各船舶艙室同時具有正壓防護和負壓隔離功能，當有艙室出現感染人群和密切接觸人群時，可將該艙室切換負壓狀態對這些人員進行就地隔離，將其他艙室切換至正壓狀態進行就地防護，這樣能極大地減少人員流動，達到針對疫情發生情況靈活劃分隔離區和防護區的目的［6］。

在船舶艙室內形成正壓環境和負壓環境是實現隔離和防護功能的基礎。本文以利用現有船舶艙室建造的正負壓控制艙室為基礎，對船舶艙室正負壓控制技術進行研究，詳細介紹正負壓控制艙室的建造方案，設計并分析正負壓控制原理，闡述艙室正負壓控制試驗過程。通過對試驗數據進行分析，得出船舶艙室內部可實現正壓環境與負壓環境的建立和切換的結論，證明船舶艙室同時具備正壓防控與負壓隔離功能的可行性。

1 正負壓控制艙室設計

用于建立和切換正壓環境與負壓環境的艙室應具有不同的功能分區，艙室內部無論是處于正壓狀態還是負壓狀態，各功能分區之間均具有一定的壓差梯度［4］。為實現該功能，一般會在各功能分區設置進風口和排風口，從進風口和排風口流通的是定向氣流，調節各功能分區之間的壓差梯度即可調節進風口定向氣流流量與排風口定向氣流流量的相對大小?，F有的調節方式是在各功能分區的進風口和排風口安裝變頻風機，通過主控系統調節進風口和排風口變頻風機的相對開度，由此間接調節進風口與排風口定向氣流流量的大小。該方式的弊端在于隨著功能分區的增多，主控系統需控制的風機數量增多，系統的復雜度增加，調試效率下降。因此，合理配置各功能分區之間定向氣流的流動方式，有助于降低系統的復雜度，提高調試效率。

建造正負壓控制艙室是研究正負壓控制技術的基礎，本文在已有船舶艙室的基礎上設計并建造正負壓控制艙室，用2臺變頻風機配合回風系統，實現各功能區定向氣流的流動。該正負壓控制艙室的組成見圖1，其功能區包括走廊、緩沖區、半污染區、污染區、設備區和操控區，其中走廊、緩沖區、半污染區和污染區屬于空氣環境試驗區。該艙室的子系統包括主控系統、送風系統、排風系統、回風系統和壓差檢測系統［7］。正負壓控制艙室的功能區劃分見圖2，其中：操控區布置有主控系統；設備區布置有送風系統和排風系統，該區域內安裝有正壓環境與負壓環境建立和切換所必需的設備；回風系統布置在各功能區內，主要由通風裝置組成；壓差檢測系統布置在各功能區內，包括壓差傳感器DP1、DP2、DP3和DP4。

圖1 正負壓控制艙室的組成

圖2 正負壓控制艙室的功能區劃分

送風系統用于為走廊、緩沖區、半污染區和污染區的空氣流動提供新風，與排風系統配合使用，是艙室內用于進行正壓環境與負壓環境建立和切換的重要系統。排風系統負責將走廊、緩沖區、半污染區和污染區的氣流排出，配合送風系統，使各功能區的空氣流動，達到換氣的目的；同時，根據壓差檢測系統反饋到主控系統的艙室內與各功能區之間的壓差參數，調節排風系統的排風量，達到控制壓差的目的?；仫L系統為送風系統和排風系統的組成部分，是各功能區之間氣流流動的通道。

2 定向氣流流動設計

正負壓控制艙室的污染區內設置有送風系統的送風口、排風系統的排風口和回風系統的回風口，通過調節送風系統與排風系統的相對風量差，使污染區內形成正壓環境或負壓環境，達到驅動各功能區定向氣流流動的目的。當污染區內形成正壓環境或負壓環境時，定向氣流會在正壓或負壓的作用下，通過回風系統在各功能區內流動。

具體而言，正負壓控制艙室的各功能區在正壓環境下的氣流流向見圖3，此時通過調節使排風系統的排風量小于送風系統的送風量，進而使污染區內形成正壓環境，定向氣流通過回風系統依次流向半污染區、緩沖區和走廊。

圖3 正負壓控制艙室的各功能區在正壓環境下的氣流流向

正負壓控制艙室的空氣環境試驗區在負壓環境下的氣流流向見圖4，此時通過調節使排風系統的排風量大于送風系統的送風量，進而使污染區內形成負壓環境，定向氣流通過回風系統順次通過走廊、緩沖區和半污染區流向污染區，并通過排風系統排出。

圖4 正負壓控制艙室的空氣環境試驗區在負壓環境下的氣流流向

3 正負壓控制原理分析

正負壓控制艙室以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為核心主控系統，采用變頻控制送風量和排風量的原理實現壓差控制，見圖5。送風系統主要包括送風機、風量調節閥和生物安全閥等；排風系統主要包括排風機、風量調節閥和生物安全閥等；回風系統由3個通風面積可調的通風裝置組成。送風機和排風機均為變頻風機，可通過調節運行頻率達到調節送風風量或排風風量的目的。當艙室內被設定為正壓環境或負壓環境時，艙室與外界的壓差值由壓差傳感器DP1采集，用以反映艙室內的環境狀態（正壓或負壓），各功能區的壓差值分別由壓差傳感器DP2、DP3和DP4采集，所有壓差傳感器采集的數值都反饋給主控系統，主控系統根據艙室內設定的環境狀態調節送風機的送風量和排風機的排風量，進而維持各功能區的壓力環境和各功能區之間的壓差梯度，形成閉環控制。

圖5 正負壓控制原理

正負壓控制艙室的壓差控制流程見圖6。具體的，在設置艙室需達到的環境狀態并預置風量調節閥和通風裝置的開度之后，啟動系統，依次打開排風系統和送風系統的生物密閉閥，若在此期間反饋生物密閉閥未打開，則系統進行報警提示并關停系統。在排風系統和送風系統的生物密閉閥打開之后，依次打開排風機和送風機，4臺壓差傳感器開始工作，主控系統根據壓差傳感器采集并反饋的數值分別控制2臺風機的運行頻率，以調節送風風量與排風風量的相對差值。當設置艙室環境為正壓狀態時，主控系統通過調節使送風機的運行頻率高于排風機的運行頻率，此時送風風量大于排風風量，艙室內部形成正壓環境，4臺壓差傳感器采集的數值為正值；當設置艙室環境為負壓狀態時，主控系統通過調節使送風機的運行頻率低于排風機的運行頻率，此時送風風量小于排風風量，艙室內部形成負壓環境，4臺壓差傳感器采集的數值為正值。［8］

圖6 正負壓控制艙室的壓差控制流程

4 正負壓控制試驗

為驗證壓差控制原理的可行性，在已建設完成的正負壓控制艙室內進行正負壓控制試驗，以開度表示風機的運行頻率，風機滿頻運行時的開度為100%，風機關閉時的運行頻率為0。在試驗過程中設定試驗條件：空氣環境試驗區的所有門都處于關閉狀態，半污染區至污染區的通風裝置全開，其余通風裝置關閉；將風量調節閥的通風量設置為1 200 m3／h。在送風機的開度為60%，排風機的開度按梯度規律變化的情況下，記錄試驗數據，結果見表1。

表1 送風機的開度為60%，排風機的開度按梯度規律變化情況下的試驗數據

由表1可知，當排風機的開度按由小到大的梯度變化時，排風機的排風量由小于送風機的送風量變為大于送風機的送風量，能表示艙室與外界壓差的DP1的壓差數值采集結果由正值變為負值，能表示各功能區壓差的DP2、DP3和DP4的壓差數值采集結果也由正值變為負值，因此可得出以下結論：

1）通過控制送風機和排風機的運行頻率，可在正負壓控制艙室內形成正壓環境和負壓環境，證明本文提出的正負壓控制原理是可行的；

2）無論正負壓控制艙室內的環境是正壓環境還是負壓環境，各功能區都可形成壓差梯度；

3）在送風機定頻運行、排風機變頻運行過程中，艙室內的環境由正壓環境變為了負壓環境，說明通過調節送風系統與排風系統的相對風量差，可實現正負壓控制艙室內正壓環境與負壓環境的切換。

5 結 語

本文以建立船舶艙室防疫機制為背景，以根據現有船舶艙室建造的正負壓控制艙室為基礎，對船舶艙室正負壓控制技術進行研究，提出了正負壓控制原理并進行了正負壓控制試驗。試驗結果表明，通過調節送風機與排風機的相對開度，可在正負壓控制艙室內實現正壓環境與負壓環境的建立和切換，并在各功能區形成壓差梯度，進一步證明了船舶艙室同時具備正壓防護和負壓隔離功能的可行性。由于正負壓控制艙室內可調節的單一試驗變量較多，如送風機的開度、排風機的開度、通風裝置的開度和風量調節閥的開度等，本文開展的正負壓控制試驗的內容仍有限，例如：并未進行2個及以上試驗變量變化的正負壓控制試驗；并未討論艙室內部體積和換氣次數差異對艙室內部壓差的影響；并未討論送風風量具體值與排風風量具體值的差值與艙室內壓差變化的關系。可以肯定的是，在后續試驗中還會積累大量數據，所得結論可供船舶艙室防疫機制的建立參考。