改进舰船空调系统舒适性设计的探讨

钱卫忠，周振宇

● （1．海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海 200011；2．中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

改进舰船空调系统舒适性设计的探讨

钱卫忠1，周振宇2

● （1．海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海 200011；2．中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

分析了舰船空调系统舒适性方面的问题，借鉴民用船舶和陆上建筑空调设计先进技术，提出了舰船设计中改进空调系统舒适性的措施。

舰船空调；舒适性；改进设计

0 引言

近年来，随着海军装备的发展，大型舰船不断增多，对舰船空调系统设计提出了新的挑战。改进空调系统设计，提高舰船空调系统的舒适性，是舰船设计中贯彻科学发展观，落实以人为本理念的具体体现。

1 舰船空调系统舒适性设计的现状

1.1 民用船舶空调系统设计现状

1.1.1 常规民用船舶空调系统设计现状

目前，普通民用船舶空调系统设计主要遵照ISO7547-2002《船舶起居处所空气调节与通风设计参数和技术方法》，并结合船东的特殊要求，其中包括：

1）温、湿度和新风量要求。按ISO7547-2002规范要求，空调系统的温、湿度和新风设计要求见表1。

表1 民用船空调系统的温、湿度和新风设计要求

2）舱室噪声要求。按 GB5979-86《海洋船舶噪声级规定》，其中规定卧室噪声为 60dB(A)，办公室、休息室等为65dB(A)。

3）温、湿度调节要求。无单个舱室温度调节要求。

常规民船通常是货船，船上人员较少，空调区域基本集中在船员生活区，舱室内电子、机械等发热设备较少。因此，民船空调系统较为简单，通常是单风管、定风量、定负荷的空调系统， 空调机组通常是直接蒸发式的空调系统。

1.1.2 有舒适性要求的民船空调系统设计现状

1）对舒适性的要求。各船级社对舒适性要求各不相同，典型的如挪威船级社(DNV)把舒适性要求分为两类，一类是针对室内气候环境，定义为COMF-C(crn)，对舱内环境条件和温度控制范围等作出了相应的规范要求，部分类型舱室要求见表2。另一类则针对噪声和振动，定义为COMF-V(crn)，其客船和货船要求见表3、4。

表2 不同COMF-C(crn)级别的舱室环境设计参数(15min平均值)

表3 客船不同COMF-V(crn)级别的舱室噪声值(dB(A))

表4 货船不同COMF-V(crn)级别的船员舱室噪声值(dB(A))

2）对舱室温度控制的要求。舒适级别为1级的A、B、C类场所的舱室温度需能单独自动调控；舒适级别为2和3级的A、B、C、D类场所的舱室温度需能单独调控。

以上要求多针对大型客船和豪华邮轮，空调系统型式差别较大，要求也随船东而不同，如有的采用了变风量系统（VAV系统），有的采用风机盘管和新风系统的空调型式，有的还辅以风管末端加热装置。

1.2 舰船空调系统设计现状

1.2.1 规范要求

目前，舰船空调设计遵照的规范为GJB4000-2000《舰船通用规范》。具体要求如下：

1）温、湿度和新风量要求。GJB4000-2000规范要求，空调系统的温、湿度和新风设计要求见表5。

2）舱室噪声要求。所有居住舱室、活动室、阅览室、健身房、餐厅等D类舱室噪声不大于70dB(A)。

3）舱室温度调节要求。无单个舱室温度调节要求。

1.2.2 设计现状

近年来，随着海军装备的发展，以及海军执行多样化任务的需要，对舰船空调系统设计提出了新的要求，主要体现在以下几个方面：

表5 舰船空调系统的温、湿度和新风设计要求

1）舰船日趋大型化。随着海军使命任务的拓展，海军舰船从近海不断走向远洋，大型舰船日益增多，相应的舰船搭乘人员大大增加，舰船空调舱室的规模大大增加，由于大型舰船内外区域空调负荷差异较大，甚至形成了特殊的内外区不同的空调要求。

2）封闭型大型舰船对空调设计提出了新的要求。目前战斗舰艇多设计为全封闭型，其次大型舰船除边舱少数舱室有外窗外，内部大部分舱室仍属封闭型舱室，舰船内环境和空气质量必须依靠空调通风系统进行控制。有的全封闭舰船，即使在春秋季节外界温度较低的情况下，也无法通过全新风运行来确保舱室内的舒适性，舱内仍需运行空调系统，此时的空调负荷与最大工况相比，差异往往很大，要求空调系统的调控范围进一步扩大。

3）舰船生活保障要求的提高，对空调系统设计提出了新的要求。近年来，在舰船设计中贯彻“以人为本”的理念，舰船生活保障设施要求日渐提高，作为生活保障设施重要部分的空调通风系统的设计标准也不断提高，如单个舱室温度可调、舱室空气品质、舱室噪声等。

目前舰船空调系统存在的问题是：与一般民船相比，舰船人员变化数量大，造成在不同时段全船空调负荷变化大；全船不同区域负荷差别大，在采用同一空调系统情况下，各区域温度差别大，难以分别控制；舰船舱室空间狭小，与外界空气交换不畅，空气中CO2浓度高，家具、装饰材料等挥发产生的苯、甲醛、胺等有害物质在舱内累积，造成舰员缺氧嗜睡；空调系统噪声大，影响舰员休息。

2 改进舰船空调系统舒适性设计的方法

衡量舱室空气环境舒适性有关的参数包括温度控制范围、湿度控制范围、新风量、空调系统噪声、空气品质，改进舰船空调系统舒适性设计就是要在以下方面下工夫。

2.1 提高空调系统温度控制能力

目前舰船常用的空调系统采用单风管集中式定风量空调系统，其优点是系统控制简单，节省空间。缺点是它根据区域总的回风温度来进行能量调节，只能进行区域控制。对于同一区域内各个空调舱室，其温度和风量无法单独调控，同一区域内舱室间风量相互影响，从而影响各舱室间温度，使用过程中经常出现局部空调舱室过热或过冷现象。因此，必须采取措施，实现单个舱室温度可调控。

为了实现单个舱室温度可调控，目前可采用的方法为：风管末端再加热系统；风机盘管和新风系统相结合的空调系统；变风量系统；双温组合式空调装置和双风管系统。

2.1.1 风管末端再加热系统

在常规定风量系统的基础上，在末端出风器位置设置辅助电加热，可以实现舱室温度的单独控制，控制方式可以根据需要采用手动控制和自动控制。它的优点是系统简单易行，缺点是不节能，运行费用高。

2.1.2 风机盘管和新风系统相结合的空调系统

这种方式是将风机盘管作为末端装置布置在空调舱室内，对舱室空气进行不断的再循环冷、热处理以达到维持、降低或提高舱室温度的目的。为控制各舱室的温度，系统通过调节风机盘管风机风速和通过风机盘管的冷（热）媒量来调节单个舱室的温度。舱室的新风需求则由单独的新风系统来满足。

这种方式的优点是可灵活调节各舱室的温度；系统简单可靠；室内无人时，风机盘管可停止运行，经济性较好。缺点是风机盘管数量较多，无论是落地式还是顶装式均需占用一定的安装空间，同时凝水排放也是一个问题。

2.1.3 变风量系统

变风量系统是指采用变风量间接式空调器和带电加热变风量末端装置，每个舱室可根据调节舱室的送风量和电加热辅助来调节舱室的温度，以满足舱室温度调节要求。变风量间接式空调器通过调节风机转速等措施调整送到空调舱室内的实际送风量。

这种方式的优点是一定程度上解决了系统中单个舱室温度无法调节的问题；无需设置凝水管；节约风管布置空间；系统变风凉运行，可节约能耗。缺点是系统初期投资较高；相对湿度控制质量比定风量系统差；个别工况下，新风量不足，会影响空气品质；国内尚无成熟的船用变风量系统，需要进口；如使用变频风机改变风量，还存在电磁兼容的问题。

2.1.4 双温组合式空调装置和双风管系统

双温组合式空调装置和双风管系统是向各个舱室同时送空调冷风和热风，通过调节各舱室的冷、热风量来实现对各舱室温度的单独控制。

这种方式的优点是：单个舱室控制性能较好；同一时间内可供冷、供热，可同时满足大型舰船内、外区负荷的需要；室内温度调节反应快。 缺点是：设置两根送风风管，占用空间较多，布置难度大；材料、安装人工等初期投资高。

2.1.5 四种空调系统的比较

以上四种空调系统，各有其优缺点，需要根据船舶总体条件、温度调节范围要求、维修性等方面综合权衡，详见表6。

表6 各空调形式优缺点对照表

2.2 改进加湿系统洁净度

目前军船空调冬季加湿通常采用船用锅炉高压蒸汽减压后喷射加湿的型式，锅炉用水中通常加有化学防蚀剂，即使对这些水产生的蒸汽进行过滤，也只能去除杂质而无法消除蒸汽中的化学药剂，因此这样的蒸汽直接喷射入全船空调空气中，必然影响到舱室的空气品质。为了卫生安全考虑，须采用饮用水作为空调加湿用水源，并对原有的加湿模式进行改进和完善，采用电极式加湿、红外加湿、超声波加湿等。

2.3 提高空调舱室空气品质

2.3.1 增大新风量

舱室内引入外界新风的目的有两个，一是确保舱室内的氧气含量；二是通过外界新鲜空气与室内污染空气的交换，降低室内有害气体的浓度。

水面舰船特别是全封闭舰船舱室内的氧气主要依赖于新风，加大新风量是提高舱室内空气品质的有效途径。但加大新风量也同时意味着空调负荷的增加，因此在规范中对空调系统的最小新风量都有相应的规定。如ISO7547-2002规定，新风量不得少于系统总风量的40%，GJB4000-2000规定士兵舱和其他人多的舱室，每人25m3/h；军官舱和其他人少的舱室，每人25m3/h～30m3/h。

GJB4000-2000中对新风量的要求与其他规范相比并不低，但对军官舱等人少舱室，则新风比偏低，舰船设计中可参考ISO7547-2002要求执行。

2.3.2 空气过滤

对空气中的灰尘，可采用空气过滤器和静电除尘器的方法。

1）空气过滤器。目前舰船空调系统中通常设有初效过滤器，主要用于过滤≥5μm的大颗粒灰尘。医疗区空调系统中设置中效、高中效过滤器，主要用于过滤≥1μm的中等粒子灰尘。

2）静电除尘器。一般属于高中效或亚高效过滤器，它是应用电晕放电和静电场对荷电粒子的相互作用，来净化空气中的灰尘。它的优点是过滤效率高，空气阻力低，尤其是可消除空气中气溶胶。缺点是经常需要进行清洁，维护困难，除尘到一定程度，会发生逆电离现象，使沉积的灰尘重新返回气流中。

2.3.3 空气净化

采用空气过滤的方法无法清除空气中的异味和有害的化学气体，因此需对舰船内产生的异味和有害的气体进行清除。

1）空气净化装置。它采用光氢离子化净化技术，其基本原理是在宽光谱紫外线与特种金属催化剂纳米级TiO2作用下，将空气中的氧气和水转化为含羟基的物质，羟基物质几乎能与所有的有机物发生快速链式反应，将有机物彻底分解；它同时生成负离子和净化因子，可分解和消除空气中的异味，净化过程中有害气体成分被分解为水和二氧化碳，无任何化学残留物质，不产生二次污染，对人体和环境无害。该装置通常设置在空调系统的送风风管和回风管路上，对空调送风进行净化处理。该类型空气净化装置已在少量舰船上试用。

2）厨房油烟净化装置。它利用净化液喷淋降温除油烟和活性炭吸附的原理，将厨房炉灶上方集气罩的排气进行净化处理后在排出舱外，不仅净化了环境，也避免了没有处理过的油烟再次吸回或倒灌到舰船内部，从而污染到舱内空气环境。

2.4 降低舱室噪声

相比民船规范，军船规范（GJB4000-2000）对舱室噪声的要求是比较低的，这主要是军船在降低舱室噪声需要在结构、舱室绝缘等方面采取许多措施，影响舱室舱容和舰船重量，从而影响舰船总体性能，但对某些有特殊要求的舰船可以对其部分舱室进行降噪处理。

空调系统的噪声可分为两类：①空调风管系统产生的气流噪声（含风口噪声）；②空调设备的噪声。要降低空调舱室的噪声，除了在总体布置上使噪声源远离居住和工作舱室，主要是针对以上两个方面来分析并采取相应的措施。

2.4.1 降低空调风管系统气流噪声

降低风管内空气流速，降低气流噪声：由于风管内气流流速和压力的变化以及对管壁和障碍物的作用而引起气流噪声。在低速风管中（速度<8m/s），即使处在气流噪声中，但与较大的声源叠加，其可以忽略。而高速风管中这种噪声不能忽视，因此从减少噪声考虑，应尽可能采用较小的风速。但降低风速，会增大风管截面积，从而影响舱室层高，目前空调主管流速仍在12～15m/s左右，支管路上风速一般在8m/s以下。

适当增加送风风管绝缘厚度，降低穿透到风管外的噪声：增加送风风管绝缘厚度可以有效降低穿透到风管外的噪声，且可以提高保温性能，但增加送风风管绝缘厚度需要占用较多空间，舰船特别是战斗舰艇，系统多，管路电缆多，给空调风管布置的空间小，在层高和空间允许的情况下，应综合考虑风管的绝缘厚度。

2.4.2 对设备进行减震降噪

设备减震降噪通常有以下几种方式：1）对空调设备采取隔振措施，在冷水机组、泵、间接式空调器等的水管进出口处设置挠性软管，风机进出口设置帆布接头等；2）在间接式空调器的回风管上设置消声器，同时在出风口距离空调器较近的管路设置管式消声器；3）通风风机采用风机箱型式，对单个风机噪声进行消声隔噪。风机设置在具有消声作用的风机箱内，用于减震降噪。但风机箱型式需占用较大体积，仅适合与某些大型舰船上应用。

2.4.3 选用低噪声设备

1）选用低噪声风机：在满足风量风压的前提下，尽可能选用低噪声风机，鉴于轴流风机噪声值往往在90dB(A)以上，离心风机噪声在 75～90dB(A)之间，进口的管道风机噪声值则在40～60dB(A)之间，因此，在满足风量风压的前提下，尽可能采用低噪声离心风机；在居住舱室则尽可能采用进口管道风机以降低舱室的噪声。

对于风机盘管和立柜式空调机这些布置在空调舱室内的设备，其噪声直接影响到舱室的噪声，对舱室噪声要求高又同时设置了这些设备的舱室，应对这些设备提出相应要求，采取相应的降噪措施。

2）选用低噪声布风器:布风器作为空调末端装置，布置在舱室内，其消声降噪效果直接影响到舱室的噪声。在同等风量状态下，目前国内生产的布风器较进口布风器噪声一般高2～3dB(A)以上，但作为消声的代价是阻力增大，进口布风器压降较国产的大，需要在压降指标和降噪指标间进行权衡。

2.5 建议

空调系统是一个全船性、综合性的系统，空调系统的设计很大程度上是全船总体、结构、舾装、电气、轮机等方方面面的综合协调结果，同时又要受经费投入、部队使用习惯及任务要求等多种因素制约。由于每型舰船的差异性，每型舰船的空调系统型式不尽相同，甚至在同一船上，不同的功能区域也可能采用不同的空调型式，要统一不同船型的空调系统型式是很难的。

但总的来说，可采用以下思路：

1）对于居住舱室：对于小型舰船、空调规模较小的系统，可采用定风量系统设计和末端带电加热的空调型式来实现舱室温度可调控性；对人员众多且变动较大的居住舱室，如登陆兵舱等，可采用风机盘管和新风系统相结合的型式；要求温度可调舱室不多的舰船，可采用风机盘管和新风系统相结合的型式，并设置独立的空气净化装置以消除空气中的异味；各类对空调舱室温度可控性要求高且居住人员密度不高的舰船的居住区域，可采用变风量空调系统；在局部空调要求较高的区域，或者内、外区无法分区设置空调系统居住区域，布置空间又能满足条件的居住区域，推荐采用双风管空调系统。

2）对于工作舱室和特装舱室：对于区域集中的工作舱室，对温度和噪声要求均不高，仍可采用定风量系统，对于发热设备较大的舱室，同时设置风机盘管来消除设备负荷。

对于远离空调区域的个别工作舱室，建议采用风机盘管和新风系统相结合的型式。

为提高舰船舱室空气品质，可采用以下思路：

1）确保人员和系统的新风量指标，以确保人员所需O2，以改善舱室空气品质；2）利用空气过滤器以过滤空气中的粉尘和其他颗粒物；3）设置空气净化装置以消除空气中的异味和有害化学气体成分；4）设置厨房油烟净化装置消除厨房排气油烟；5）采用饮用水作为空调加湿用水源，并对原有的加湿模式进行改进和完善。

为降低空调舱室的噪声，可采用以下思路：1）进一步完善设备（包括布风器等）自身的减震降噪措施，降低各设备的噪声；2）完善空调设备（包括各类风口、布风器）在各个频率下的噪声值，同时完善船用消声器的标准和参数等。

3 结束语

一直以来，陆用建筑在营造舒适环境方面进行了很多的研究，并形成了较为完整的理论，而舰船在舒适性方面的研究则刚刚起步。就空调通风系统设计而言，还有很多陆用的经验值得我们去借鉴，也还有很多地方需要去研究完善。但舒适性环境的营造不仅仅依赖于空调系统设计，还和环境周围的材料、灯光、色彩等有关系，因此，打造舰船舱室舒适性环境，需要大家的共同努力。

[1]电子工业部第十设计研究院. 空气调节设计手册（第二版）[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1997.

[2]柯文棋. 现代舰船卫生学[M]. 北京: 人民军医出版社, 2005.

[3]由成良. 辅助船空调、通风系统的噪声分析与控制[J].船舶, 2012(6), 48-53.

全球推力最大的电动振动台在天津测试完成

据中国运载火箭技术研究院702所介绍，由该所自主研发的70吨超大推力电动振动台测试工作已在天津顺利完成，其推力为现有最大推力35吨振动台的两倍，是目前全球推力最大的电动振动台。

702所振动台总设计师张巧寿接受记者采访时表示，电动振动台能够模拟航天器在运输、飞行等使用过程中的振动环境，是火箭、卫星研制的必需设备。随着中国航天事业的飞速发展，新一代火箭、卫星、飞船和空间站等航天器在尺寸和重量方面明显增大，现有振动台在台面尺寸和推力等方面无法满足其振动试验的要求。

“702所自上世纪50年代末期开始进行电动振动台的研制，先后研制成功推力10公斤至35吨电动振动台，以及总推力达到140吨的多台并激振动试验系统。”据张巧寿介绍：“大型铁路机车、大飞机、大船舶等先进装备及核电设备、大型油气罐、高层建筑的抗震设计等，均需要超大型振动试验设备”。

张巧寿认为，作为地面试验验证的重要设备，该振动台的研发成功，不仅为中国空间站、重型运载火箭等新一代航天器的研制创造有利条件，也为中国军工和民用行业的发展提供了试验装备保障。

Discussion on Amenity Design Improvement of Ship Air Conditioning System

QIAN Wei-zhong1, ZHOU Zhen-yu2
(1. Navy Representative Office at Warship Design and Research in Shanghai, Shanghai 200011, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The problems of comfort of ship air conditioning system are analyzed. Using advanced technology of air conditioning design of civil ship and land building for reference, the measures of improving the comfort of air conditioning system in ship design are presented.

air-conditioning for ship; comfort; improvement design

U665.2

A

钱卫忠（1966-），男，高级工程师，研究方向为船舶轮机工程。