某船工作舱室的空调加装方案

尹墨晗，魏文俊

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引言

空气调节系统主要用于夏季和冬季的空气处理，为舱室提供具有一定温度、湿度和清洁度的空气。对于配有散热量较大的设备的工作舱室，会增设辅助空调设备，如：柜式空调机、风机盘管等，用来配合中央空调系统控制舱内的温度，

为船员提供一个舒适的工作环境。某船是依据GJB 4000—2000《舰船通用规范》设计的系列产品，其中一个工作舱室同时配备了给船员使用的顶式布风器，及为舱内设备散热而提供辅助制冷的风机盘管。然而该系列产品的2号船在航行试验阶段，根据船东要求在上述工作舱室中增加了1台散热量较大的电子机柜，导致舱内的温度高于设计要求。对此制定了3种空调设备的加改装方案，鉴于2号船的建造阶段、施工完整性和各种方案的返工量等因素，本文从施工、设计和成本等方面，对3种加改装方案进行分析和评价，总结出最经济、省时和方便施工的加装方案，也为后续其他船舶遇到类似情况时，提供改装经验、设计思路和借鉴。

1 某船的设计现状介绍

1.1 原设计状态和改装状态的介绍

某船是依据GJB 4000—2000《舰船通用规范》设计的系列产品（简称“本船”），主要采用冷水机组、间接式空调器和布风器等，作为空气调节系统的主要设备，为住舱和工作舱室提供具有一定温度、湿度和洁净度的空气；以柜式空调器、风机盘管和空气冷却器等，作为部分工作舱室的辅助空调设备。本船的空气调节系统是根据人员数量和舱内设备的散热量等，对各舱室的空调通风的冷量负荷和风量进行计算（见表1）和对空调设备进行选型的。其中，电子室配备了1台风量为0～250 m3/h的布风器和1台制冷量为4 000 kcal/h的风机盘管。

表1 空调通风的冷量负荷和风量计算表

电子室配有电子机柜、电气设备、文件柜和书桌等，根据理论计算，现有的空调设备可以满足夏季工况下(27±2) ℃的设计要求[1]。然而，根据船东要求，本系列产品的2号船将电子室内的书桌改为了1台电子机柜（见图1）。试航期间是夏季工况，外界环境温度接近于34 ℃的设计要求[1]，期间发现舱室的温度较高，船员的感觉工作环境较热。

图1 2 号船的改装示意图

1.2 改装后的冷量负荷计算和分析

经核实，增设的电子机柜的散热量～1 000 kcal/h，且电子机柜5经过换装，散热量在原有基础上增加了～400 kcal/h。对于电子室的舱室显热[3]和冷量负荷计算如式（1）：

式中：qs为舱室内总得热量，W；qt为舱室的传入热量，W；qp为舱室内计算人数人体发热量，W；ql为舱室内照明热量，W；qe为舱室内设备发热量，W；qf为食物热量，W。

2号船改装后，仅将原有的书桌改为电子机柜，将电子机柜5进行换装，其他布置和舱内工作人员的数量并未改变，因此仅qe发生了变化，其他参数与原设计相同。将增设和换装后的设备发热量代入公式（1）得到：qs'=4 790 kcal/h，即2号船电子室的理论舱室显热为4 790 kcal/h。因辅助设备冷量没有改变（见表1），2号船电子室的多余舱室显热为790 kcal/h。用于电子室的集中式空调器的理论送风温度为16.5 ℃，夏季工况下设计温度为(27±2) ℃。舱内设备散热量较大时按极限温升计算通风量[1-2]如式（2）：

式中：Q为舱室通风量，m3/h；Ht为舱内设备散热量，kW；Δt为允许极限温升，℃；ρ为空气密度，取为1.2 kg/m3；Cp为空气比热，取为1.0 kJ/(kg·K)。

电子室已配有4 000 kcal/h的风机盘管作为辅助空调设备，因此可理解为电子室需要靠空调送风带走的舱内得热量为790 kcal/h，即0.919 kW。又因集中式空调器的理论送风温度为16.5 ℃，本舱需要达到的温度为(27±2) ℃，则舱内的允许极限温升可以计为12.5 ℃。将上述参数代入式（2）得：Q=220.56 m3/h＜250 m3/h。

从上述计算可知，虽然2号船对电子室进行的换装和改装，导致电子室的总得热量增大，但原设计中辅助设备冷量和分配风量的换热量总和，理论上能够满足电子室在允许极限温升时的散热需求，但仅限于外界气候环境不超过设计要求的34 ℃和65%相对湿度[1]的前提下。因此对于试航期间电子室的温度过高、船员的感觉工作环境较热的情况，其原因分析如下：

1）虽然外界环境温度接近于设计温度34 ℃，但新风的相对湿度高于设计要求的65%，导致经集中式空调器处理后，送至本舱的送风温度大于16.5 ℃的理论值，则式（2）中的允许极限温升Δt发生变化，上述理论计算不成立。因此船员在本舱工作时，由于实际的温度超过27 ℃，略高于夏季工况时的人体舒适温度19 ℃～25 ℃[3]，使得船员感受到的体感温度较高，产生舱内温度较高的主观感受。

2）由于2号船在调节各舱室分配风量、设置集中式空调器回风温度时，是参考1号船的调试经验和数据，从而导致2号船在实际使用时，整个空调区域的回风温度已达到设定值，集中式空调器的电子三通阀开始动作，空调器降工况运行、换热量降低，使得各送风管的送风温度大于16.5 ℃的理论值，则上述理论计算同样不成立，引起本舱分配风量的换热量不足以带走多余得热量，舱室温度超标。

3）电子机柜的实际散热量高于船东提供的理论数据；试航期间本舱的实际船员人数多于设计需求；空调系统运行时，舱室门未关闭等使用不合理的情况。

2 加改装方案及其分析

2.1 空调加改装方案简介

针对上述情况，为从根本上解决电子室的温度超标问题，需要根据2号船换装和改装后的电子室的总得热量，重新计算冷量负荷，选取制冷量相当的辅助空调设备。其中，上述原因分析3）是使用不当，不作为空调加改装方案的依据和考核指标。则主要的加改装方案有：

1）将制冷量为4 000 kcal/h的风机盘管，改为制冷量为6 000 kcal/h的风机盘管（见图2）。改装后的风机盘管外形尺寸增大，需要相应调整本舱前壁的设备布置，需对原有的设备基座和电气支架进行重新制作和装焊。然而，主要的修改部分在于循环水管和冷凝水管的修改。

图2 风机盘管换装布置图

如图3 所示，电子室的空调设备改为6 000 kcal/h风机盘管后，根据设备资料的管径需求，AF93、94循环水管改为32×2，SC357凝水管维持25×2。AF79、80循环水管和SC389凝水管的管径则需要参考相应的设计准则进行调整。如表2所示[4-5]，由于AF79、80循环水管承担的循环水流量增加为6.5 m3/h，则原管径为45×3（DN40）的循环水管的理论流速将变为1.51 m/s，超过设计值较多，应改为理论流速为1.14 m/s、管径为57×3（DN50）的循环水管；SC357凝水管承担的设备冷负荷为16.282 kW，可选用管径为32×2（DN25）的凝水管，维持原状。

图3 循环水管、凝水管原理图（单位：mm）

表2 循环水管和凝水管的管径调整

2）将制冷量为4 000 kcal/h的风机盘管，改为制冷量为6 kW的柜式空调机（见图4）。由于立式风机盘管和立柜式空调机的型式不同，需对电子室前壁的设备进行调整，并从附近配有柜式空调机的工作舱室中连接一路海水冷却管至电子室。同理，根据设备资料的管径需求，增设一路连接电子室的柜式空调机的海水冷却管，管径为30×1.5。如表3所示[1]，由于WC95、96海水冷却管承担的冷却海水流量增加为2.8 m3/h，则理论流速将变为1.36 m/s，无需修改；SC357凝水管承担的设备冷负荷为415.304 kW，选用管径为32×2（DN25）的凝水管，走向与改装方案1相同。

图4 柜式空调机改装示意图（单位：mm）

表3 海水冷却管的管径选择

3）增加1 台制冷量为5 kW 的分体式空调（见图5），与市场品中2 匹空调的制冷量相同。在不修改电子室原有设备、不增加循环水管和海水冷却管的前提下，在舷侧增加1 台分体式空调，利用厕所舷侧的通风围井布置室外机。经计算，室内机与室外机的理论接管长度不超过4 m，可以满足一般分体式空调的接管长度要求；需选择室外机的外形尺寸不大于550 mm×770 mm×290 mm（高×长×厚）的分体式空调，即可布置到通风围井中。与方案1 和方案2 相同，分体式空调的凝水管借至SC357 凝水管，走向和管径不做修改。

图5 分体式空调加装布置图（单位：mm）

2.2 3 种方案的分析和对比

上述3种加改装方案都是从理论计算上，根据改装后的电子室的总得热量，选择与之匹配的冷负荷，都能解决2号船电子室的实际问题。然而，2号船处于试航阶段，舱室的施工完整性、系统的整体联调等工作均已完成。对电子室的空调加改装方案进行选择时，秉承改动性最小的原则，同时兼顾使用效果良好、施工周期短、牵连工程少和适当考虑成本等因素。基于上述综合因素，对3种方案的工作量和成本等进行分析：

1）3种方案都是根据2号船电子室的总得热量进行计算，对空调设备的冷负荷进行选型的，在夏季工况下的使用效果良好。然而，春、秋季存在全船冷水机组不开启的情况，若此时电子室的电子机柜都处于开启状态，舱内电子设备仍会散发热量。则对于风机盘管换装的方案而言，在循环水系统没有运行的情况下，仅靠集中式空调器送入的新风，不足以解决电子室设备散热的问题。若此时开启冷水机组和循环水系统，因春、秋季工况下的住舱更容易达到设计温度，使集中式空调器的回风温度达到设定值，电子三通阀动作，进而引起集中式空调器和冷水机组降工况运行，导致电子室这类设备散热量较高的工作舱室的实际温度范围不稳定。则在春、秋季工况下，需要对集中式空调器和冷水机组的动作温度进行重新设定，或将集中式空调器的感温信号调整为典型舱室的温度。针对上述使用情况的分析，显然柜式空调机和分体式空调作为独立的辅助空调设备，无需考虑季节的影响因素，因此方案2和方案3的使用效果更为优良、人员操作更简单。

2）从2.1节中3种方案的介绍可知，风机盘管换装和柜式空调机改装均需要对原设备、基座和管附件进行拆除、重新安装，因水管规格需要对附近2个工作舱室进行水管修改，涉及舱壁开孔、涂装、甲板敷料修补等牵连工程，甚至需要对已安装的电子设备进行移位。而分体式空调管的加装方案则无需拆除原有的风机盘管、没有设备需要移位、已装船的管附件等均维持原状，只需对分体式空调及其接管进行安装即可，仅涉及到安装支架的装焊、涂装和舱壁绝缘层的修补，因此方案3的整体工作量最小。

3）由于风机盘管换装和柜式空调机改装的工作量基本相同，又有设备拆除等牵连工作量，而分体式空调加装方案的工作量明显少于上述两种方案，故无需详细考虑和计算工作人员的施工费用，仅靠设备和管材价格即可确定，方案3的整体成本最低（见表4）。

表4 3 种方案的成本比较

综上所述，从改动性最小、使用效果良好和成本等综合因素考虑，增加分体式空调的方案是最简易和便捷的方案（见表5）。同时，该方案可以在维持现有施工状态、不破坏各舱室的施工完整性，且该方案实施后，在春、秋季等转季节的工况下，无需对本区域的空调系统进行调整，具备使用灵活的特点。经船东认可，2号、3号船均采用了分体式空调的方案。

表5 3 种方案的综合对比

3 结论

空气调节系统是用于保证工作舱室内部温度适宜，为船员提供舒适工作环境的船舶辅助系统。因舱室得热量计算错误、空调设备冷负荷选型偏小、舱室设备加改装等因素，引起舱室得热量与空调设备冷负荷不匹配的情况，必将影响实船的使用效果。无论何种因素引起的室温超标，只要在船舶的施工完整性较好、已具备航行状态时，发生上述任一情况，需要对某工作舱室的空调设备进行加改装，均可以采用分体式空调的加装方案。

由于本文方案中空调设备为壁挂式，较容易在工作舱室内进行加装、布置，只需在人员容易到达、可散热和内外机间距满足接管的区域布置室外机即可。本方案具备施工便捷、不破坏施工状态、无需大量返工、经济和使用灵活等特点，是施工完整性较好的船舶在空调设备加改装时的优选方案。