FPSO空调通风系统设计及舒适性研究

张金玉，崔冠乾，张伟光，张金龙

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

随着海洋工程的不断向前发展，空调通风系统所提供的环境舒适度越来越受到人们的重视，相关的国际海事组织和协会不断增加对人员舒适性的要求，因此，如何提高生活模块空调系统舒适性的研究就显得格外重要。船员对船上生活环境和工作环境的舒适度感觉主要受温度、湿度和噪声的影响。因此这三类指标的适宜水平，将最终决定船上环境舒适度的高低。

本文研究的FPSO生活区模块空调通风系统的外界设计条件为：32℃&61%RH，生活模块内所要求的设计条件是：24&50%℃RH，噪音标准要求满足NORSOK-S002。

本项目每个房间的空调设计方式为新风加风机盘管的配置，在满足相关船级社规范的同时，还需要满足NORSOK标准及所有巴西石油相关规范、规则的要求。

1 空调系统的温度和湿度控制[1,2]

本项目生活区内的空调系统主要由新风空调箱和起居处所房间内的顶棚悬挂式风机盘管两部分组成。空调箱和风机盘管都由冷水机组提供冷媒水，对新风和房间内的空气进行冷却。新风空调箱首先对起居处所内所需要的新风进行预处理（除湿降温），然后通过风管供到每个房间，最后通过房间内独立的风机盘管，对房间空气环境进行二次处理，最终达到船东所要求的室内设计条件。下面将分别介绍两种空调配置如何更好的调控房间内的温湿度。

每个单独房间内的空调系统由新风布风器和风机盘管组成。由于风机盘管需安装在天花板上，同时考虑噪音的要求，所以选用的冷风机的功率和体积不能太大，同时还需要考虑房间内的布置空间，这样一来，合理分配新风空调箱和风机盘管的冷热负荷比例对整个设计尤为重要。

热负荷主要可划分为两部分：一是新风本身的热负荷，其次是外界环境传递和辐射到房间的热负荷以及房间内部人员设备的热负荷。通过对这两部分负荷的计算比较和风机盘管的大小选择范围的综合考虑，来确定供入室内的新风。新风不能增加房间内的负荷总量，同时还需带走房间内部分热负荷。综合上述因素，确定供到房间内的新风供风温度为20℃较合适。

供风温度确定后，还需考虑房间的湿度要求。通过下面的分析可知冷却温度对房间湿度的影响。表1和表2是空调箱对新风进行预冷却的各个阶段的空气参数，表3是室内风机盘管对空气处理各阶段的参数。

表1 空调箱冷却新风至16℃

表2 空调箱冷却新风至13.4℃

表3 室内风机盘管空气冷却参数

由表1可知，当新风通过空调箱制冷盘管冷却到16℃时，含湿量为11g/kg，由表2可知，新风通过空调箱制冷盘管冷却到 13.4℃时，含湿量为9.3g/kg，这两种空气状态对应的露点温度分别是15.2℃和13℃。而从表3可知，风机盘管的供风温度约为14℃。由上述分析可知，对于直接冷却到16℃的新风，容易在房间内冷凝结露，另外在这种冷却情况下，当新风吸收热量达到24℃时，相对湿度为59%，会出现房间内局部湿度较大情况，而冷却到13.4℃的新风则不会出现这种情况。经综合考虑后，我们选择第二种设计方案，保证房间内空气的湿度。

2 空调通风设备的空间布置

由于此FPSO项目主船体是由旧式VLCC原油轮改装而成，而生活模块建造完成后将在巴西里约热内卢的EEP船厂进行主船体合拢，所以生活模块所占空间的大小需受到主船体尺度的限制，重量也需受到当地沿海起重能力的限制。在上面两点的限制下，生活区布置空间紧张，导致没有足够的空调通风设备处所，同时本项目空调设备多，所有设备配备都是2×100%，在这种情况下，如何合理的布置空调设备成为本项目的一个难点。

2.1 空调机室的布置

生活模块内只有一个空调机室，空调机室总面积为91m2。此房间内要布置四台大型空调处理箱，还要考虑房间四周钢壁控制箱的布置及操作，风道的合理走向及维修空间和工作人员逃生通道的预留等。所有影响因素，加上有限的房间面积，按照通常空调箱相对并列放置，无法保证空调箱的维修空间。经多次研究，对空调箱的维修空间加以分析，发现空调箱维修空间可局部调整，滤器段所需空间最大，最终采用错位布置，满足了此设备的维修操作要求。

另外，在以上已经十分紧凑的空间内，还要另外布置2×100%的大型风机两套，并且每套风机需要安装在一个大型的消音箱内。显然，采用常规的水平布置方案是行不通的。对此，本项目采用了风机的立式布置方案，有效地利用房间的立体体积。同时，增加风机盒子，既消音降噪，又达到了美观实用的效果。

图1 空调机室设备布置

2.2 厨房空调及制冷设备的布置

本项目为厨房空调设计了单独的空调间，此房间处于生活模块外围走廊区域。在不影响通道的前提下，在生活区外壁外接一个空调间，用于布置厨房空调箱。此设计布置增加了风管的长度，可以起到一定的降噪效果。

图2 厨房空调箱及风机布置

2.3 房间内FCU及布风器的布置

由于本项目船东对房间舒适性有很高的要求，因此，在FCU及布风器的布置时，充分考虑了合理分配气流组织，保证工作人员的身心健康，提供工作人员舒适的室内环境。

首先，房间内FCU作为室内空气处理终端设备，供风温度为14℃，供风温度较低，且风量较集中，所以FCU的供风端与床应保持合适的距离。

其次，布风器出口的空气温度为20℃，低于最佳的舒适温度24℃，为了防止较低温度的空气直接吹到在房间内工作或休息的人员而引起不适，布风器也应与床保持一定的距离。

最后，在布置FCU及布风器时，一定要注意防止空气形成的冷凝液滴落在床或桌椅的上面。

3 空调通风系统噪音控制

空调通风系统的噪音问题一直是整个系统的难点之一，而海洋工程的要求尤为严格。在各种噪音标准及规范要求中，NORSOK-S002[3]又是要求最高的标准之一。通常，空调通风系统为降低噪音采取各种消音办法，需要足够的设备和风管布置空间，而本项目由于前面所讲的空间局限性，为空调系统的低噪音设计带来了极大的挑战。

表4 NORSOK-S002噪音标准

从表4可知，空调机室所允许的噪声值最高，对空调通风系统本身没有限制，只对房间整体噪音要求低于70dB(A)，对医务室的噪声值要求最低，空调通风系统的总噪音值不能超过35dB(A)。生活区内船员主要生活区房间空调噪音值都要求低于40dB(A)，公共区域大约为45dB(A)。所以供房间用的排风机或供风机均不能放置在房间内，所有的空调设备需安装在空调机室。

下面将对空调系统的噪音控制进行分析[4,5]。

3.1 空调机室的噪音控制

由于空调机室所允许的噪音值最高，所以在整个生活模块内空调机室就成为通风设备布置的首选位置。因此空调机室内除了4台主空调箱外，还布置了两套2×100%的风机，见图1。由于风机风量很大，每台风机的噪声值在不同的波频下约为95 dB，大大超过了空调机室内的噪声要求，必须进行设备的降噪处理。

主要采取以下三个方面进行噪音控制。

首先，采用吸声法降低噪音。根据空气传播特点，在空气噪声传播过程中会逐渐损失能量，通过障碍会加剧损失。另外，封闭空间内的空气噪声，会受到四周敷料层的吸收，产生一定的消音效果。消音效果取决于封闭空间内敷料的吸声系数，系数越大，吸音效果越好。根据以上理论，将噪音大的风机安装在一个箱体内，箱体四壁安装吸音棉及吸音孔板，将极大的降低风机噪声向外传播，从而满足设计要求。

图3 风机消音箱内部结构

其次，降低结构噪声的传递。结构内部传播振动能量形成结构噪声。船上的噪声源，通过其承受各种机械力的基座或各种非支撑性的连接件产生振动，以结构噪声方式在船体结构中传播，并在传播中辐射空气噪声。与空气噪声不同，结构噪声在其传播过程中通过钢结构时损失的能量相当小，事实上，由于结构振动噪声传播途中各个子系统的共振及耦合，能量还可能加大。因此结构噪声的降低主要是通过结构的不连续以使能量发散来达到的，而不是靠远离声源。对于空调机室的设备，主要是通过给设备安装减震装置，在设备和风管连接之间增加软连接来使噪声传播不连续，来达到降低结构噪声传递的目的。

图4 风机机组基座的减震装置

3.2 其他功能房间的噪声控制

生活模块内其他各房间的噪声要求一般都很高，最高要求为医务室，噪声值不超过 35dB(A)。而房间内空调系统除了中央空调的新风布风器供风，还装有风机盘管，而风机盘管的噪声值通常超过40dB(A)，所以风机盘管选型时，需要严格限定设备的噪声。首先，风机盘管需特殊定制，在风机盘管制作时要求厂家对风机进行降噪处理，提供低噪音风机盘管。其次，针对医务室这种要求极高的房间，在风机盘管选型时应降档考虑。每个风机盘管的风量和冷量都有几个档位，在选择单个房间风机盘管时按照风机盘管的中间档位选取，这样能有效降低噪音。最后，在设计要求允许的情况下，空调主供风管的风速不应超过 10m/s，布风器的出口风速最好不超过2m/s。

对于其他处所，如厨房，噪音值要求不超过55dB(A)，然而厨房需要的排风量很大，并且船东要求厨房排风风速保持10m/s以上，所以厨房通风系统的降噪设计成为本项目的难点。经过分析研究，主要采取了以下措施。首先，因为空气在风管中的声压级可以随着风管的长度而衰减，风管越长，衰减的噪声值越高，所以排风机布置在距离厨房尽量远的位置；其次，减少风管弯头和调风阀之类的附件，降低风管对气流的阻力，减少再生噪音；最后，根据噪音计算报告的结果，给噪音超标位置增加消音器。

4 结论

巴西石油建造的 FPSO生活模块对舒适性和功能性要求极高，不仅要满足入籍规范及船旗国的要求，还要满足巴西劳工组织的一系列规范、各种建造说明书、标准及相关要求近百份。通过我们系统的研究分析及设计成果运用，目前已经顺利交付两座生活模块，其中各项舒适性指标均达到预期要求。本文结合巴西石油FPSO生活模块实船建造，对空调通风系统的负荷计算、设备布置及噪音控制等几个主要方面进行研究分析，总结出一系列切实可行的设计方案，为今后FPSO空调系统的设计提供技术储备和设计参考。

[1]American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers[S].2007.

[2]ISO-7547, Ships and marine technology - Air-conditioning and ventilation of accommodation spaces - Design conditions and basis of calculations[S].

[3]NORSOK Standard-S002 Working Environment[S].2014.

[4]中国船舶工业集团公司, 中国船舶重工集团公司, 中国造船工程学会.船舶设计实用手册, 轮机分册[M].第3版.

[5]周炎.船舶低噪声设计技术研究[J].上海造船, 2010.