极地环境下船舶进风系统的设计

常烜宇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

对于极地运输船舶，寒冷环境条件下的设计是船舶和其自身系统设计的重要部分。由于我国缺乏对该类船舶的设计、施工经验，因而对于防寒设计往往是基于寒区运行船舶长期的经验。本文针对“雪龙2”号的进风系统设计进行研究，该船是我国自主设计的第一条极地科学考察破冰船，将以极地水域科学考察为首要任务，兼具一定的极地考察站后勤物资运输能力。据统计，在北极、南极进行科考作业工作时，外界环境温度最低约-38℃［1］。在空调通风系统设计方面，在满足船级社规范要求的基础上，充分考虑公共生活区、休闲区和学术交流场所的空间和布局，要求合理、舒适、适用、美观及良好的通风、采光和保温。同时，为了保证机器处所空间内部温度维持在0℃以上，充分考虑极区作业特殊环境，全船采取防冻保温措施。整个进风系统的设置按照总体要求，区域划分等因素，在进风口处均有防冻措施，如设置防冻百叶窗，通过不同类型加热器对外部进风进行预热，以达到进风口防冻的目的，整个舱室内部达到人员舒适和设备正常工作的空气温湿度的要求。

1 进风量设计

每个需通风处所的进风量决定了后期通风风机、通风附件的选型，进风量的计算一般有两种方式，一个是按每小时换气次数计算，如式（1）。另一个是按热量计算，如式（2），并取最大值来确定［2］。

式中：qv1为通风量，m3/h；n1为换气次数，次/h；V1为通风舱室容积，m3。

式中：qv2为带走散热量所需的风量，m3/h；Q2为散热量，kW；ρa为空气的密度，取1.2 kg/m3；Ca为空气的比热容，取1.005 kJ/（kg K）；ΔT2为送风温度与舱室温度之差，K。

本船在设计过程中，对于机器处所，通风量按换气次数计算，对于需要空调的舱室，通风量按ISO 7547标准进行设计计算。机器处所的内部平均环境温度不高于+45℃，不低于+5℃，机器处所包括泵舱、推进舱、首侧推舱等。

对于机械通风系统，更大的通风量需匹配较大功率的风机，导致能耗上升。对于空调系统，若所需的空调新风量越大，则系统能耗越大。

鉴于严寒地区大量冷风渗透，在满足通风面积要求的前提下，当进行通风换气设计时，考虑节能性，应选择最小的外部空气量进行设计。为了节约能耗，除厨房空调系统采用全新风外，本船其他6台空调器的服务处所及新风比分别为表1所示。

厨房空调的变频风机为厨房提供新风。其他空调系统，采用新风+回风的方式，通过对舱室空调的回风经空调器处理变成新的送风，这样有利于节能，可以充分利用回风的温度和湿度，可以大大降低空调系统的送风能耗。同时，空调送风机多为变频风机，可通过不同的能耗需求，实时调节送风量，避免能量浪费［3］。

表1 空调器服务处所及新风比

2 进风口设计

一般来讲，进风口的设计主要考虑两个方面：一个是进风口大小的设计，另一个是进风口位置的布置。

进风口的大小由进风量和假定进风风速计算得到。因为进风口越大，进风阻力越小，噪声也越小。因此，考虑降低噪声的需求，在可能的情况下应尽量增大进风口面积。本船房间噪声控制在60 dB，机器处所噪声控制在70 dB［4］。上建区域的进风风速一般为2～3 m/s，机器处所进风风速一般为8～10 m/s。进风口的选择一定要合理，应确保进风能为机器处所、辅机处所以及住舱等空间的加热、通风、空调提供所需的空气容量、温度和湿度。

但是，进风口的设计往往受结构限制。如在本船中，主甲板以下的机械处所进风汇总在结构风道中，结构风道的百叶窗开在艏楼甲板FR107处，由于在距舯约4 500 mm处会与货舱箱盖支撑相冲突，因此移位至距舯约9 000 mm处（如下页图1所示）。

如月池车间的风幕机设计，因月池属于大空间区域，室外设计温度-30℃，进行科考作业时，采用风幕机送暖风，空气幕吹出的热风可保持内侧气温在0℃以上。本船在月池车间舷门，舱壁门，通用实验室门均设置风幕机。安装方式根据实际情况有立式安装和水平安装，各风幕机配备就地控制按钮盒，显示风幕机运行状态及故障报警，并带有风幕机的调速旋钮。风机具体参数见表2。

图1 机器处所进风口

表2 风幕机参数

其中，月池车间舷门直通式进出风，正面维修。月池车间舱壁门直角式进出风，地面维修。通用实验室（干/湿）门直角式进出风，底面维修。因受结构横梁的限制，只能将月池车间舷门处的风幕机分为两只侧装。如图2所示。

图2 月池车间风幕

同时，进风口应选择在空气较为新鲜的地方，以获得较好的通风换气效果。为防止进排风短路，进风口和排风口需保持一定距离。对于机器处所的大百叶窗，进风百叶窗开口下边缘距离甲板距离不得小于900 mm，对于一般舱室，进风百叶窗开口下缘距甲板不得小于1 800 mm。空调系统主机连接到室外的新风管设置不小于0.03的向外向下倾斜的坡度，以防室外雨水、冰水进入主机。进风口应设在室外空气较清洁的地方，进风口的底部离室外地面不小于1 200 mm。

3 进风防寒设计

对于极地运输船舶，寒冷环境条件下的设计是船舶和其自身系统设计的重要部分，寒冷天气条件下运行的能力应在设计的整个阶段考虑到。因此，进风防寒设计是不可缺少的一部分。

3.1 进风口防冻设计

进风口是进风的第一道关口，进风口的防冻设计尤为重要。对于甲板上的通风口，考虑结冰危险以及考虑破冰带来的振动，所有附件和设备的基座需是加强和安全的。本船所有在甲板上的通风筒支撑肘板水平臂长度不小于150 mm，厚度不小于12 mm。通风出口应考虑有手动除冰的可能性。船上储存有至少2套手动除冰工具，每套包括除雪铲、木锤、乱板、冰镐和除冰盐。工具储存在不受天气影响且容易进入的区域。

机器处所的进风通过艏楼甲板两个集中空气进口，空气进口设置有进风格栅、舱口盖、弯道式除雪结构、风机、进风空气预热器、热空气再循环辅助加热的调节风门。空气进风口设置有可关闭的封盖，在冬季运行时要求多余的进风封盖处于关闭状态。进风百叶窗应有足够的强度允许进行机械除冰。通风排出口设置有电机驱动关闭的风门，出风口被排出空气加热。所有空调新风入口和通风量超过1 500 m3/h的进风口将通过一个垂直挡板和叶片型除水雾器。该装置将有效去除99%直径为15 μm或更大的水珠。分离的临界速度在尺寸、分离效率和压力损失等因素平衡下给予考虑，材料和结构均抗腐蚀，型式为管道安装型。

本船在室外的进风口百叶窗多为防冻百叶窗［5］，防冻百叶窗系统由叶片内穿加热电缆的除雾器本体、接线盒和控制箱组成。温度传感器给控制箱提供信号，根据外界温度控制加热电缆的起闭，加热电缆在-30～5℃时工作效率相同，功率为50 W/m。百叶窗位置考虑电控箱的设置，按区域设置。

本船采用防冻百叶窗的舱室及对应的风量、功率量如表3所示。

3.2 进风加热设计

为了达到进风温度要求，本船在多进风口设置加热装置。加热类型分为电加热、蒸汽加热和不冻液加热系统。

总的来说，在住舱和科考处所采用空调系统加热，公共处所、服务处所、电气设备空间和科考空间采用辅助电加热器加热，机械处所通过蒸汽加热器加热。机械通风进风口设置预加热器，预加热器带就地温度控制。

表3 全船防冻百叶窗列表

本船采用加热方式的明细表见表4所示。

表4 全船加热方式明细表

4 典型舱室进风设计分析

航煤油泵舱属于危险区域，且进风加热量较大，因此其进风设计需要考虑危险区域划分、实际电力负荷需求、生产设计情况等诸多因素。

在本船的基本设计中，航煤油泵舱考虑使用蒸汽加热，所需加热量为14 kW，但由于船厂放样布置困难，故改用电加热预热型式。该舱室设计换气次数20次/h，风量1 060 m3/h。本船使用的是3号航煤油，闪点为38℃。据制造厂反应，如果电加热器和风机突然失效，其表面温度将在短时间内达到135℃，从理论角度看似有爆炸的可能。考虑各方协调结果，对航煤油泵舱的电加热器提出以下技术要求：

（1）防爆等级IIB以上，防护等级IP56以上，温度等级为T4；

（2）电加热器加热功率为15 kW，分三档，5 kW每档；

（3）加热器设置超温保护；

（4）加热器设置气流保护开关，当风管内无空气流动时，电源必须切断；

（5）设温度传感器于排风系统吸风口处，当温度低于5℃时，电加热器开启；

（6）加热器电控箱设置进舱的梯道内，防护等级IP44。同时，航煤油泵舱的进风口和排风口避开危险区域，在系泊盖上的开敞区域设置有菌形通风筒。

5 结 语

通过分析表明：极地环境下船舶进风系统的设计应考虑进风量、进风口、进风防寒，综合考虑规范要求、总体危险区域划分、舱室布置、结构限制、舒适美观等诸多因素进行设计选型，整体进风系统设计性能有待在后续的航行科考任务中评估，并根据实船经验进行优化。

极地环境下，船舶进风系统的加热、进风量也应在满足规范要求的前提下尽量减小，并尽可能降低加热能耗。

极地环境下的进风口设计要注意防寒防冻，以保证在低温的环境下，机器处所和上建舱室都能有效进风；进风加热的设置在综合考虑各方因素的情况下，选择加热的形式和功率，在确保温度要求的同时，保证使用安全。