极地气候环境实验室设计

安毓辉 刘志兵 陈晓东

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；2.中国极地研究中心 上海 200136）

0 引言

党的十九大提出要加快建设海洋强国。我国作为近北极国家和《南极条约》缔约国，极地已经成为我国拟拓展的四大战略新疆域之一[1]。我国在极地拥有重要的科研利益、经济利益、政治利益和安全利益。

航行在极地水域使用的救生设备、船载系统、露天材料与设备等装置，需要在超低温及相应湿度、极地风场等特定环境条件下保持正常运行。这些装置在极地环境下的可靠性和耐久性需要在设备性能鉴定阶段采取有效的试验方法，以保证设备在实船应用时能符合设计要求,而极地气候环境实验室是建立低气温防寒设计和低温设备试验、验证体系的条件保障基础。

1 国外气候环境实验室介绍

国际极地工程与技术实验室的目标在于优化设计和提高设备性能，改善运营。目前国外多个国家为此目的设置了低温及气候环境实验室，用于模拟极地气候环境。

1.1 加拿大的制冷材料测试实验室

加拿大国家研究委员会下属的制冷材料测试实验室（冷测试实验室）通过创造低温环境和专用设备来精确地测量和分析海洋工业的材料是否满足需求。实验室由4 个独立的制冷系统室组成，制冷系统的温度可达-32 ℃，测试包括使用测力传感器（压电和应变仪）、线性可变差动变压器、引伸计和加速度计等设备，进行单轴抗压和拉伸强度测试。4 个房间都拥有独立的制冷系统：第1 个房间用于样品制备；第2 个房间用于测试；第3 个房间用于保持0 ℃的恒定温度；第4 个房间通常用于需达到长期存储冰的标称温度，但对冰柜的冰质和温度控制要求却不太严格的一般实验室。

1.2 美国陆军寒区研究与工程实验室

美国陆军寒区研究与工程实验室（cold regions research and engineering laboratory,CRREL）成立于1961年，是目前世界上研究低温环境科学与技术规模最大且技术最先进的机构之一。CRREL 的主要任务是解决在寒冷环境下的各种军事和民用工程问题，包括基础研究、应用研究和工程研究。图1 为研究人员在低温实验室开展混凝土研究。

CRREL 的主要实验设施包括最低温度达-40 ℃的低温综合实验室、面积约2 500 m2的霜冻效应研究设施、面积约6 780 m2的冰工程设施、特殊用途的冰测试设施和低温材料实验室，以及多年冻土隧道研究设施、遥感和地理信息系统设施等。

其中低温综合实验室由26 个冷藏室组成，每个冷藏室的大小和其功能均不同，从而可以在低温下进行各种环境控制的实验。

1.3 美国空军麦金利气候实验室

位于美国南部佛罗里达州埃格林空军基地的麦金利（McKinley）气候实验室如图2 所示。该实验室占地面积近 30 km2，已有 70 多年历史，且仍在使用，是目前世界上最大的气候实验室[2]。

70 多年来，麦金利气候实验室从当初的 4 个扩充到了 8 个。目前，麦金利气候实验室主要有3种功能，即武器装备考核功能、环境武器测试功能和特种部队训练功能。

凭借先进的设备，气候实验室可对全球 30 多种气候环境和气象条件进行模拟，如下页表1 所示[3]。下页图3 和图4 所示分别为低温冻结试验与高温光照试验。

图3 低温冻结试验

图4 高温光照试验

表1 麦金利气候实验室试验项目

2 国内低温及气候环境实验室介绍

总体而言，我国气候环境实验室行业起步较晚，全国现有的低温实验室基本都集中建造于20世纪80 年代，且多以氨为制冷剂。采用的制冷方式为集中式制冷系统，制冷系统需要消耗大量金属材料，但制冷效果却不佳，而且绝大多数制冷单位管理水平较差，制冷设备的能耗很高。

近年来，国内中国科学院低温生物与医学实验室及一些高校建立了低温实验室，国内一部分科研院所、大学和企业在极地科技领域开展实验室的探索性建设，但规模一般不大，主要针对设备检测和生物试验目的进行建造，体积一般在10～ 60 m3不等。目前，真正意义上的大型气候环境实验室仅有西安气候环境实验室。

2.1 “海洋极端环境钢铁材料制备与蚀损 控制”联合实验室

该实验室由上海海事大学与宝钢集团合作，于2017 年3 月建成投入使用，重点研究极寒、极深、极湿热和极远等4 种海洋极端环境下的钢铁材料。该实验室配有一系列材料模拟实验设备，最低可到-60 ℃，并于当年研发和首次批量生产20 t 极地特种低温钢，用于“雪龙”号破冰船内部改造。

2.2 冰物理实验室

中国科学院地质与地球物理研究所建设的冰物理实验室，通过对实验室制备的冰样品进行低温变形实验，模拟和重现冰在极地环境和行星环境下的变形，来研究冰的流变学性质和显微结构的演化。此外，还有中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室等单位在国内构建了低温实验室，但是涉及到的不是极地领域。

2.3 西安气候环境实验室

西安气候环境实验室隶属于中国飞机强度研究所，如图5 所示。该实验室由大、小2 个环境舱组成，整体布局呈“凸”字形，可单独运行，也可并联运行，满足不同尺寸飞机或武器装备的低温环境试验需求。目前气候环境实验室具备开展高温、低温、太阳辐射、湿热、淋雨、降雾、降雪、积冰/冻雨、风吹雨和风吹雪等典型气候试验的能力，同时可满足飞机 APU 开车试验验证需求，可实现24 h 内将实验室温度从室温降到-54 ℃。

图5 西安气候环境实验室

2.4 集装箱式低温实验室

目前，国内部分高校建有集装箱式的小型低温实验室，可进行小尺寸零部件和传感器等的低温试验和工程应用研究，也有厂家建立了超焓差实验室应用于高温和低温大温差环境下的设备性能试验研究，但该实验室的低温尚不能覆盖我们所面临的极地环境的低温段。图6 为大连理工大学集装箱式低温实验室。

图6 大连理工大学集装箱式低温实验室

目前国内还没有通过模拟船上舱段进行相关舱室和设备在低温下的实验。关于露天设备实船低温性能试验及鉴定方法研究，我国目前仅有“雪龙”号和“雪龙2”号在夏秋季条件下进行极地作业，尚未能对大型露天设备在超低温环境下进行必要的试验验证，后期急需加强该方面的研究。

3 极地气候环境实验室设计

根据上述国内外低温及气候环境实验室的情况分析，考虑到我国迄今在极地低气温环境下的船舶设计建造及鉴定经验仍处于初步阶段，对于船舶设备和系统需满足的低气温防寒设计技术未进行系统性的归纳与研究。因此，针对我国极地考察特有需求的防寒设计技术研究及建立我国低温设备试验、验证及发证体系，加强我国对极地低气温环境的研究能力，提高极地科研和实验方面的建设水平已到了刻不容缓的地步，而设计和建造极地气候环境实验室是进行低气温防寒设计和低温设备试验、验证体系的条件保障基础。

低气温环境船舶设备及系统设计主要依据设计服务温度（design service temperature,DST）和预期的最低环境温度（minimum ambient temperature,MAT），IMO 颁布的《极地规则》明确要求船舶在设计服务温度下正常工作，各船级社针对船用材料及重要系统还要考虑MAT 的影响，通常MAT比DST 低至少10 ℃。目前极地监测到的最低温度达-58 ℃，若以此作为设计服务温度，则最低环境温度应达到-68 ℃，因此船级社制定了-68 ℃的船用材料要求。基于上述原因，考虑到一定的温度储备和温控偏差因素，极地气候环境实验室选择模拟的最低温度为-70 ℃，同时也兼顾了大部分设备在常规极地环境工作状态下-50 ℃的温度。

综上所述，在设计小型超低温集装箱实验室和大型极地环境实验室过程中，由于设计温度和实验室大小不同，2 个实验室在设计上存在很大区别，下面将简单介绍一下2 个实验室的设计思路。

3.1 超低温集装箱实验室设计

针对极地装备的共性材料、单项设备等装备，根据我国极地装备的研制规划，结合装备的航行极点区间和冬季航行的要求，需建立1 个室内低温极限温度可达-70 ℃的超低温集装箱实验室，用于测试及验证小型设备、关键部件、共性材料和监控仪器设备等在极限低温环境下的功能、特性和极限状态等。受空间限制，该实验室内无法模拟极地有关的高风速等情况。

3.1.1 主要设备功能

超低温集装箱实验室是为了创造1 个室内最低温度为-70 ℃的超低温环境,同时达到室内温度可调节，用来测试超低温环境下相关设备的各项性能。

3.1.2 设计参考标准

鉴于集装箱实验室的超低温性能和可运输性能等，在-70 ℃超低温集装箱实验室设计时需参照并满足下列标准和要求。

－GB/T 10592-2008 《高低温试验箱技术条件》－GB/T 20154-2006《低温保存箱标准》

－GJB150.4A-2009《低温试验》

－GB/T 29753-2013 《道路运输、食品与生物制品冷藏车安全要求及试验方法》

－QC/T 449-2010 《保温车、冷藏车技术条件及试验方法》

－GB/T 40363-2021 《冷藏集装箱和冷藏保温车用硬质聚氨酯泡沫塑料》

－AHRI 1110 《Performance Rating of Mechanical Transport Refrigeration Units》

3.1.3 超低温舱体结构设计

超低温集装箱实验室考虑到道路运输需求，外型尺寸按照40 ft（12.192 m）标准集装箱的外型尺寸来设计,整体质量需小于40 ft 高柜集装箱卡车的载重量，包括制冷设备模块和电控箱在内的总重应不大于30.48 t。超低温实验舱外框架为主要受力点，框架应采用高强度耐候钢和热轧铁素体不锈钢，能够满足超低温实验舱的强度要求。

超低温实验室的库板采用企口型板材，板材间通过凹凸配合拼接而成，所有接缝采用专用耐低温硅橡胶密封胶。由于实验室对气密性要求很高，需采用气密性良好的门。

3.1.4 制冷系统设计

制冷机组要求的控制温度低但控温精度高，同时干扰因素多，而且不管外界环境如何变化，尤其是夏季高温和冬季低温的极限工况下，依然要保证制冷系统能够稳定可靠地运行，保证温度稳定性。制冷主机选用风冷式低温专用复叠机组，采用环保制冷剂，压缩机具有自动调节结构。图7 为超低温制冷机组。

图7 超低温制冷机组

低温实验室内的蒸发器采用冷风机，需配置进口特殊耐低温电机，以保证低温可靠运行。

3.1.5 系统负荷计算

超低温集装箱实验室的设计的一个主要特点是制冷负荷的计算及设备的选型，实验室需满足上海本地气候的温湿度（夏季：35 ℃,70%RH；冬季：-4 ℃,75%RH）、霉菌、太阳辐射、砂尘、淋雨、雪、冰与冰雹、消毒剂影响等环境条件要求，保证设备的正常运行并达到室内-70 ℃超低温环境要求。

系统的制冷负荷主要包括围护结构传入热、设备热、灯光热、开门换气热、人员热、室内空气及表面金属制冷负荷。由于低温试验期间实验室是处于封闭状态，开门热和人员热可以忽略。围护结构传入热、设备热和灯光热是常规计算，主要影响系统维持工况下的负荷，这里不一一赘述。下面着重阐述的是室内空气及表面金属制冷负荷的计算，这部分负荷将影响系统打冷工况下的负荷。

（1）室内空气降温负荷计算

在规定的降温时间内，室内空气降温（从初始35 ℃降至-70 ℃）所需的制冷负荷可以按式（1）进行估算：

式中：Qa为空气降温制冷负荷，kW；c为空气比热容，可按300 K 时的比热容值1.005 kJ/（kg·K）估算；m 为空气质量，kg；ΔT为温差，K；t为降温时间，h。

（2）表面金属降温负荷计算

实验室内表面金属降温所需制冷负荷估算方法同式（1），304 不锈钢比热容参考值为0.5 kJ/（kg·K），钢的比热容参考值为0.46 kJ/（kg·K）。金属的总重可根据金属密度和容积进行计算，由于实验室内表面金属的用量较大（整个实验室约 2 000 kg），因此表面金属降温负荷占系统打冷负荷的比重较大。

综上所述，影响实验室制冷设备制冷量和设备选型的主要是打冷工况下的制冷负荷，这个同实验室的容积大小以及要求降温时间相关，容积越大、降温时间越短所需的制冷负荷就越大，而维持工况下的制冷负荷主要是由围护结构传入热、设备热和灯光热组成，相对比较恒定。

3.1.6 气流组织设计

合理的气流组织设计是保证舱内温度均匀性的前提，而低温集装箱气流组织的影响因素有内部设备布置、送风风量及送回风口位置大小。

（1）内部设备布置：低温实验室内的温度分布与其所载设备的状态密切相关，设备的布置方式决定了气流的路径，其中设备的形状、间距以及与壁面的间隙都对温度场影响显著。不合理的设备布置与侧壁间隙可能会产生湍流现象。

（2）送风风量：循环风量影响实验室内温度分布，通过改变实验室内的气流循环来调节冷气流与设备间的热传递效率。一般来讲，送风速度越大，室内整体的平均温度越接近送风温度，温度均匀性越好。

（3）送回风口布置：送风口布置在集装箱长度方向时，可以形成良好的气流组织，能喷射至较远距离。回风口位置可以对循环空气起到引流的作用，一般与送风口距离较远。

对于超低温集装箱实验室的气流组织设计为顶部送风、侧面回风的形式，可以达到较好的气流组织效果。低温实验室内的气流组织设计如图8所示。

图8 低温实验室内的气流组织设计

3.2 大型极地环境实验室设计

相比于超低温集装箱实验室的设计，大型极地环境实验室占地广阔，可实现对于大型极地设备和系统的检验测试。其特点是极限温度可达-50 ℃，温度控制精度为±2 ℃；可模拟极地的低气温、高盐度、降雨、降雪和风速等[7]。实验室整体采用土建型式，占地面积大，很多方面的设计要求与小型超低温集装箱实验室有很大区别，下面简单介绍实验室设计。

3.2.1 实验室布局

大型极地环境实验室主要功能区包括缓冲间、高低温实验区、低温实验区，制冷设备区、前后2个数据处理与监控办公室，见图9。

图9 大型极地环境实验室

3.2.2 制冷设备

在实验室一侧设置制冷备间，用于放置制冷冷水机组、循环泵等一些设备。采用间接式制冷系统，载冷剂通过管路接至实验室的冷风机中，用于实验室的制冷。[8]实验室保证25～ 50 Pa 的正压，主要是防止外部空气进入，正压的维持通过设置1 套新风液氮制冷系统向实验室内送风，在实验期间提供新风和保持正压。

3.2.3 气流组织设计

大型极地环境实验室具有占地广阔、层高较高的特点，要在如此大的区域建立一个稳定的温度场和气流场，气流组织的设计至关重要[9]。由于实验时人员需进入，为减少由于温差引起的温度波动，实验室的进口需设置缓冲间，人员由缓冲间进入。

主实验室区域的送风方式为上送下回，如图10所示。上部设置送风管，每根风管上安装轴流送风机末端，在整个实验区域为均布模式。墙壁一侧设置回风管，每根回风管底部设有1 个回风口。实验室实际高度约20 m，在高度18 m 左右设有大梁，风管均设在梁上，梁下的净空间高度为18 m，风口距地板高度约18 m；另一侧有设备供电箱和信号箱等。实验室两侧设有监控室，布置有监控和数据分析设备、电脑等，同实验室之间以玻璃窗隔开，上层也设有观察玻璃窗。玻璃窗采用4 层真空保温玻璃，应具有良好的保温效果，在-50℃温度下应避免玻璃窗内侧有结露和起雾现象。

图10 上送下回的送风模式

3.2.4 建筑保温设计

大型极地环境实验室的保温系统非常重要。实验室内表面壁板采用不锈钢冷库板，库板之间采用硅胶密封，应为专门的耐低温硅胶，结构如图11所示。硅胶容易老化需要定期维护，壁板内侧应该还有绝缘保温。实验室地板采用块状的防开裂特制耐低温水泥地板，每块地板之间采用硅胶或橡胶的密封条，图12 为地板保温结构。应充分考虑极端低温和高温下地板热胀冷缩的影响，地板下应有防潮和保温层，防止水泥地板开裂。此外，大型超低温实验室应考虑会有专门的叉车及运输车辆的进入，以及耐压耐温、热胀冷缩及保温的功能，因此地板保温及耐强度和制造工艺比较高。在实验室的移门和板缝之间应采用硅胶密封以防止漏风和局部区域结霜，库板的硅胶密封需定期维护保养，避免由于硅胶老化引起漏风和冷气泄漏。

图11 壁板保温结构

图12 地板保温结构

4 结语

从全球军方和民用研究院所陆续加大极地工程与技术实验室的建设来看，极地试验与研究未来有望成为推动装备研发与极地活动的重要技术保障，对于我国发挥极地工程与技术优势、突破极地重大问题具有重要帮助[1]。美国陆军建立和运营寒区研究与工程实验室半个世纪以来，主要为美国政府和军方提供寒区科学和工程支持，在极地冰盖、多年冻土、寒冷开发自然资源（例如阿拉斯加）的工程技术以及气候变化科学、波传播理解、通航水道中的结构物积雪和冰控制以及军事设施环境修复等作出了贡献。

我国目前正进入极地发展的开拓期，一方面，我国极地装备迎来智能化发展的机遇，带来极地装备智能化设计与运行的需求；另一方面，我国极地装备产业链体系的自主发展遭遇标准和认证等国际壁垒。为推动我国极地装备加快自主研制能力的形成、发挥国际科技优势，需要以科学与工程技术实验室建设为契机，推动我国极地装备自主发展，推动军民技术融合发展，实现我国在极地的发展与安全利益，因此建设实验室的作用重要且意义重大。