科考船的空调系统设计研究

朱永兵

摘 要：随着我国科技的日新月异，科学考察事业正在不断进步，为了科考人员的安全、为了科考工作的顺利进行，必须从硬件上进行必要的保障。本着让科考船居住活动更舒适，应将设计研究的重点放在科考船的空调系统上。文章以某科考船作为研究对象，从对其空调系统、通风系统等方面的设计入手，通过对各类参数的比较，分析空調系统的设计对人员舒适性的影响，并提出改进意见，相信可以对我国今后的科考船的设计产生积极的影响。

关键词：科考船；空调系统；系统配置；通风系统

中图分类号：U664.86 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0102-02

Abstract： With the rapid development of science and technology in our country， the cause of scientific investigation is progressing constantly. In order to ensure the safety of scientific examiners and the smooth progress of scientific research work， we must carry on the necessary guarantee from the hardware. In order to make the living activities of the research vessel more comfortable， the emphasis of the design research should be placed on the air conditioning system of the research vessel. The paper takes a research ship as the research object， starting with the design of the air conditioning system and ventilation system of the research vessel. Through the comparison of various parameters， this paper analyzes the influence of air conditioning system design on the comfort of personnel， and puts forward some suggestions for improvement， which will have a positive impact on the design of research ships in our country in the future.

Keywords： research vessel； air conditioning system； system configuration； ventilation system

引言

从上个世纪末至今，人类对于海洋的科学研究逐渐加深，所到之处不乏自然环境恶劣的地方，随之而来的是对应用设备，尤其是科考船的适用性与舒适性的要求不断增加。总的来说，科考船的专业性主要体现在其具备高集成度、高综合度。因为工作性质与所处地点相对特殊，科考船在空调系统方面的配备与普通船舶相比仍有不同。而且，由相关国际海洋组织发起的各类国际公约、规范不断实施，我国在科考船与设备的研发与制造水平日益精进，用户对随船空调系统的性价比的要求也在不断提升。本文以“092型”科考船作为研究对象，通过对科考船的空调系统设计要求与原则分析入手，找出其设计重点，相信可以为今后科考船的舒适性、实用性的不断发展，给出建设性的意见。

1 科考船空调系统设计分析

1.1 设计需求

科考船的设计应满足可在允许进行航行的公海，与可供船航行的所有水域进行航海活动的要求。除了以上对“无限航区”的要求外，其人员组成（包含船员40与科学考察人员55）共95人。在保证“无限航区”与定员数量的基础上，加满补给后，在海上无外界补充的情况下，要求组成人员能够生活的最长时间为70天。

1.2 设计原则

科考船的特殊性质决定了其设计、制造应严格执行相应的国家规范标准，我国涉及航海船舶的设计规范如：《钢质海船人级与建造规范》，涉及航海船舶噪音控制的规范如：《海洋船舶噪声规定》，按该规定进行设计建造，令科考船舶从船员的舒适性到安全性以及环境友好方面，都可以满足要求。其他标准如GB/T-7452-2007《机械振动客船和商船适居性振动测量、报告和评价标准》在建造与测试过程中的意义也非常重大。根据我国现行《船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法》（GB/T13409-1992），并联系该科考船实际情况，确定以下设计参数。

（1）空调系统设计参数。性能参数项目分为Outside Air、Inside Air、Fresh Than、Fresh Air Rate、Refrigerant、Cooling medium、Heating medium、Humidifying medium。（2）空调系统划分。分为JK1、JK2、JK3、JK4四个分区。覆盖区域分别为：驾驶区、登船区；起居区、样品收集区；实验区；UP起居区、补给区、DOWN起居区。覆盖面积分别为670m2、420m2、440m2、400m2。（3）中央空调系统参数。参数分为：制冷amount、采暖amount、冷却水amount和循环冷热媒水amount。数值分别对应390kWx2、650kW、90m3/2h、110m3/h。

2 科考船空调系统设计优化措施

2.1 合理划分空调系统

科考船运行使用中的成员就是全体船员、考察人员，伴随项目进展与时间推移，情况可能发生变化，人员也许有一定的增减，该船的空调系统将依据抵岸与出海两种运行方式，有区别地调整其运行辐度。所以，科考船的空调系统需要以有区别的运行状态进行分类。在开始阶段，设计单位与用户应积极联系实际需求，对科考船的运行效果、成员的多少、作业区、休闲空间等各个层次进行细致入微的研究。在考虑分配不同空间的过程中，国际常用的是按operation zone（OZ）、science research zone（SZ）、rest zone（RZ）进行分配后，进行分类设计。任何空调系统设计都要本着中央为主，专项次之的理念进行，在重要部位和科研场所除了需要配备中央空调外，还需根据特定事物供给专用空调，这是以防中央空调意外停止工作，特定空间仍可依需打开专用设备，在保证工作正常进行的同时，也减轻了中央空调的负担，节约了资源，可谓一举多得。

2.2 优化空调通风系统的设计

在国际科考船设计中，本层甲板顶到上层甲板顶的高差、本层甲板顶面到本层梁底或吊顶底面的高差、以中低速运行的风管设计，三者之间如何达到平衡状态，是空调系统设计中的要害之处，因为要从整体考虑以下几个问题：整体机能，三者达到平衡的临界点，经过反复计算比对发现，整体平衡所覆盖的范围应包括全船各个甲板的通风管、电缆和管系。因此，第一，要在空调的重点换气路径上按实际情况实施设计，防止由于管道水平尺寸过大造成的甲板净高过低，影响日常生活作业；第二，管道施工过程中要从实际出发，以防止各类管道杂乱堆积；第三，管道的具体施工需要缜密考虑到有限空间尺寸，比如狭小空间对送风管和保温层的影响；第四，要本着将节约空间与外观整洁的原则，利用好各个空间。

2.3 减少振动，降低噪音

声学设备在科考船上肩负着重大作用，减噪水平的高低体现了船体的先进性，所以减噪设计成为科考船空调系统在设计先进性上面的重要体现。这就要求空调设计人员要作到：第一：设备选型上，以低噪音设备代替高噪音设备，材料选择上，应多以吸声材料为主，以及增加厚度实施减噪，使用低噪音的空调压缩机从声源上减噪。第二，将产生噪音的声源进行物理隔绝；第三，在空调产生噪音的路径上加装消音设备，可以有效控制噪声；第四，在噪声的传入传出的部位进行降噪。落实到具体步骤为：（1）空调的主要管理在设计上应保证合理，防止水平管系由于几何尺寸过大产生影响。（2）维持平衡状态，防止杂乱堆积。（3）几何尺寸要随机应变，必要时可以多种几何尺寸组合使用。（4）及时约束送风管高、保温层厚度。

2.4 注意科考船與常规船在空调设计上的差异

科考船与常规船在空调设计上的差异，以在实验室空调系统上的差别为最大。其特点主要表现在：（1）内部空间的空气质量较普通高。科考船以科研为最终目的，其实验室空气质量要求非常严苛。虽然在某一指标比如温度上可以参考普通空间，比如温度 26℃左右、湿度在50%左右，但由于大多数实验受温度温度影响很大，特别是精度受影响最大。例如：电子天平作为一种精密仪器，虽然其精度极高，但其受温度影响最大，要求每小时温度的变化不应大于5摄氏度），所以在设计过程中空气质量也一定要引起重视。（2）实验室对于噪声的控制比普通室严格。实验室噪声限值为60dB（A）。随着加装振动敏感、噪声敏感的相关设备和仪器后，该实验室噪声限值更为严格，必须从实际出发，按需控制。这就要求设计人员从整个空调体系入手，联系实际，比如在实验室内部加装吸声材料，或在发声的实验设备上装降噪装置，节能减噪。（3）实验室空调设备的使用特点为相对独立，运行灵活。这是从实验室从物理上的对立，以及与整个科考船节能上的统一考虑的。比如科考船抵岸，空调停运，以风机替代运行。兼顾节能，利用资源的整合，还同时达到了环保的目的。适应了在极端情况下满载运行，或者部分独立空调的局部运转。在节电方面其优点也一览无余，将怠机时的电能消耗降到最低，使高能耗空调尽全力达到节能环保的要求。（4）在实验室中，如果带有通风柜，则该类的空调系统的作用有两面性，即日常状态与工作状态。依据出海计划和相关各类实验目标，科考船实验室通风系统需要实现日常换气与实验排风两种情况。关于本船，由于化学实验可能产生危及生命健康的有毒气体，所以实验室必须加装通风柜，同时利用负压阻止有毒气体外泄，同时安装排风与送风系统，要按“排风量>送风量”的规则控制送风速度与排风速度。本实验室具体两套排风体系，且相对独立，其中一套以常规排风换气为主，保证日常生活需要，还有一套为通风柜排风系统，主要为实验室服务。依据相关流体力学原理，两套系统切忌同步使用，这样才能使风量达到平衡的状态。日常工作排风系统设置1台管道风机，利用万向抽风臂进行抽风作业。通风柜排风系统自带风机，接风管直接排出室外。随着未来实验项目的深化，其空调系统设计需要涵盖的范围也逐步扩大，原来被忽视的备用设施，其作用也日益加强，不可小觑。经过如上所述，通过在设计上面的深度优化，可以使该科考船在运行上趋于更加科学、节能环保成效明显、操作快捷、稳定、安全性好等优点，为成员的舒适性提供了可靠保障；其也有弊端，表现在：低负荷运行的压缩机制冷能力略显不足；如果空调送风管弯曲过大，可能影响空调效果等等。希望这些情况在今后的设计工作中，可以引起相关设计人员的关注并逐步改进，这就要求相关设计人员除了加强设计水平外，必须要联系设计进行设计。

3 结束语

经过以上对该科考船空调系统设计相关内容的讨论，科考船在空调系统设计上的复杂程度可见一斑，也就是说，在设计时，不但要考虑空调系统本身的工作性能，还要兼顾其空间有限以及舒适性要求高的特点。对这些特点，可以从以下几个方面来进行科考船空调系统设计，使得该系统更加优化：（1）合理分配空调系统，优化配置设备，以舒适性、实用性为目的兼顾经济性要求。（2）强化狭小空间的优化设计能力，在空间、稳定、舒适三者间找到平衡点。（3）在设计选型、源头、安装位置进行统筹减噪，有效地降低设备对全船噪声水平的影响。（4）实验室空调系统设计应联系实际进行。

参考文献：

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