FPSO空調通風系統設計及舒適性研究

張金玉，崔冠乾，張偉光，張金龍

（大連中遠船務工程有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著海洋工程的不斷向前發展，空調通風系統所提供的環境舒適度越來越受到人們的重視，相關的國際海事組織和協會不斷增加對人員舒適性的要求，因此，如何提高生活模塊空調系統舒適性的研究就顯得格外重要。船員對船上生活環境和工作環境的舒適度感覺主要受溫度、濕度和噪聲的影響。因此這三類指標的適宜水平，將最終決定船上環境舒適度的高低。

本文研究的FPSO生活區模塊空調通風系統的外界設計條件為：32℃&61%RH，生活模塊內所要求的設計條件是：24&50%℃RH，噪音標準要求滿足NORSOK-S002。

本項目每個房間的空調設計方式為新風加風機盤管的配置，在滿足相關船級社規范的同時，還需要滿足NORSOK標準及所有巴西石油相關規范、規則的要求。

1 空調系統的溫度和濕度控制[1,2]

本項目生活區內的空調系統主要由新風空調箱和起居處所房間內的頂棚懸掛式風機盤管兩部分組成。空調箱和風機盤管都由冷水機組提供冷媒水，對新風和房間內的空氣進行冷卻。新風空調箱首先對起居處所內所需要的新風進行預處理（除濕降溫），然后通過風管供到每個房間，最后通過房間內獨立的風機盤管，對房間空氣環境進行二次處理，最終達到船東所要求的室內設計條件。下面將分別介紹兩種空調配置如何更好的調控房間內的溫濕度。

每個單獨房間內的空調系統由新風布風器和風機盤管組成。由于風機盤管需安裝在天花板上，同時考慮噪音的要求，所以選用的冷風機的功率和體積不能太大，同時還需要考慮房間內的布置空間，這樣一來，合理分配新風空調箱和風機盤管的冷熱負荷比例對整個設計尤為重要。

熱負荷主要可劃分為兩部分：一是新風本身的熱負荷，其次是外界環境傳遞和輻射到房間的熱負荷以及房間內部人員設備的熱負荷。通過對這兩部分負荷的計算比較和風機盤管的大小選擇范圍的綜合考慮，來確定供入室內的新風。新風不能增加房間內的負荷總量，同時還需帶走房間內部分熱負荷。綜合上述因素，確定供到房間內的新風供風溫度為20℃較合適。

供風溫度確定后，還需考慮房間的濕度要求。通過下面的分析可知冷卻溫度對房間濕度的影響。表1和表2是空調箱對新風進行預冷卻的各個階段的空氣參數，表3是室內風機盤管對空氣處理各階段的參數。

表1 空調箱冷卻新風至16℃

表2 空調箱冷卻新風至13.4℃

表3 室內風機盤管空氣冷卻參數

由表1可知，當新風通過空調箱制冷盤管冷卻到16℃時，含濕量為11g/kg，由表2可知，新風通過空調箱制冷盤管冷卻到 13.4℃時，含濕量為9.3g/kg，這兩種空氣狀態對應的露點溫度分別是15.2℃和13℃。而從表3可知，風機盤管的供風溫度約為14℃。由上述分析可知，對于直接冷卻到16℃的新風，容易在房間內冷凝結露，另外在這種冷卻情況下，當新風吸收熱量達到24℃時，相對濕度為59%，會出現房間內局部濕度較大情況，而冷卻到13.4℃的新風則不會出現這種情況。經綜合考慮后，我們選擇第二種設計方案，保證房間內空氣的濕度。

2 空調通風設備的空間布置

由于此FPSO項目主船體是由舊式VLCC原油輪改裝而成，而生活模塊建造完成后將在巴西里約熱內盧的EEP船廠進行主船體合攏，所以生活模塊所占空間的大小需受到主船體尺度的限制，重量也需受到當地沿海起重能力的限制。在上面兩點的限制下，生活區布置空間緊張，導致沒有足夠的空調通風設備處所，同時本項目空調設備多，所有設備配備都是2×100%，在這種情況下，如何合理的布置空調設備成為本項目的一個難點。

2.1 空調機室的布置

生活模塊內只有一個空調機室，空調機室總面積為91m2。此房間內要布置四臺大型空調處理箱，還要考慮房間四周鋼壁控制箱的布置及操作，風道的合理走向及維修空間和工作人員逃生通道的預留等。所有影響因素，加上有限的房間面積，按照通常空調箱相對并列放置，無法保證空調箱的維修空間。經多次研究，對空調箱的維修空間加以分析，發現空調箱維修空間可局部調整，濾器段所需空間最大，最終采用錯位布置，滿足了此設備的維修操作要求。

另外，在以上已經十分緊湊的空間內，還要另外布置2×100%的大型風機兩套，并且每套風機需要安裝在一個大型的消音箱內。顯然，采用常規的水平布置方案是行不通的。對此，本項目采用了風機的立式布置方案，有效地利用房間的立體體積。同時，增加風機盒子，既消音降噪，又達到了美觀實用的效果。

圖1 空調機室設備布置

2.2 廚房空調及制冷設備的布置

本項目為廚房空調設計了單獨的空調間，此房間處于生活模塊外圍走廊區域。在不影響通道的前提下，在生活區外壁外接一個空調間，用于布置廚房空調箱。此設計布置增加了風管的長度，可以起到一定的降噪效果。

圖2 廚房空調箱及風機布置

2.3 房間內FCU及布風器的布置

由于本項目船東對房間舒適性有很高的要求，因此，在FCU及布風器的布置時，充分考慮了合理分配氣流組織，保證工作人員的身心健康，提供工作人員舒適的室內環境。

首先，房間內FCU作為室內空氣處理終端設備，供風溫度為14℃，供風溫度較低，且風量較集中，所以FCU的供風端與床應保持合適的距離。

其次，布風器出口的空氣溫度為20℃，低于最佳的舒適溫度24℃，為了防止較低溫度的空氣直接吹到在房間內工作或休息的人員而引起不適，布風器也應與床保持一定的距離。

最后，在布置FCU及布風器時，一定要注意防止空氣形成的冷凝液滴落在床或桌椅的上面。

3 空調通風系統噪音控制

空調通風系統的噪音問題一直是整個系統的難點之一，而海洋工程的要求尤為嚴格。在各種噪音標準及規范要求中，NORSOK-S002[3]又是要求最高的標準之一。通常，空調通風系統為降低噪音采取各種消音辦法，需要足夠的設備和風管布置空間，而本項目由于前面所講的空間局限性，為空調系統的低噪音設計帶來了極大的挑戰。

表4 NORSOK-S002噪音標準

從表4可知，空調機室所允許的噪聲值最高，對空調通風系統本身沒有限制，只對房間整體噪音要求低于70dB(A)，對醫務室的噪聲值要求最低，空調通風系統的總噪音值不能超過35dB(A)。生活區內船員主要生活區房間空調噪音值都要求低于40dB(A)，公共區域大約為45dB(A)。所以供房間用的排風機或供風機均不能放置在房間內，所有的空調設備需安裝在空調機室。

下面將對空調系統的噪音控制進行分析[4,5]。

3.1 空調機室的噪音控制

由于空調機室所允許的噪音值最高，所以在整個生活模塊內空調機室就成為通風設備布置的首選位置。因此空調機室內除了4臺主空調箱外，還布置了兩套2×100%的風機，見圖1。由于風機風量很大，每臺風機的噪聲值在不同的波頻下約為95 dB，大大超過了空調機室內的噪聲要求，必須進行設備的降噪處理。

主要采取以下三個方面進行噪音控制。

首先，采用吸聲法降低噪音。根據空氣傳播特點，在空氣噪聲傳播過程中會逐漸損失能量，通過障礙會加劇損失。另外，封閉空間內的空氣噪聲，會受到四周敷料層的吸收，產生一定的消音效果。消音效果取決于封閉空間內敷料的吸聲系數，系數越大，吸音效果越好。根據以上理論，將噪音大的風機安裝在一個箱體內，箱體四壁安裝吸音棉及吸音孔板，將極大的降低風機噪聲向外傳播，從而滿足設計要求。

圖3 風機消音箱內部結構

其次，降低結構噪聲的傳遞。結構內部傳播振動能量形成結構噪聲。船上的噪聲源，通過其承受各種機械力的基座或各種非支撐性的連接件產生振動，以結構噪聲方式在船體結構中傳播，并在傳播中輻射空氣噪聲。與空氣噪聲不同，結構噪聲在其傳播過程中通過鋼結構時損失的能量相當小，事實上，由于結構振動噪聲傳播途中各個子系統的共振及耦合，能量還可能加大。因此結構噪聲的降低主要是通過結構的不連續以使能量發散來達到的，而不是靠遠離聲源。對于空調機室的設備，主要是通過給設備安裝減震裝置，在設備和風管連接之間增加軟連接來使噪聲傳播不連續，來達到降低結構噪聲傳遞的目的。

圖4 風機機組基座的減震裝置

3.2 其他功能房間的噪聲控制

生活模塊內其他各房間的噪聲要求一般都很高，最高要求為醫務室，噪聲值不超過 35dB(A)。而房間內空調系統除了中央空調的新風布風器供風，還裝有風機盤管，而風機盤管的噪聲值通常超過40dB(A)，所以風機盤管選型時，需要嚴格限定設備的噪聲。首先，風機盤管需特殊定制，在風機盤管制作時要求廠家對風機進行降噪處理，提供低噪音風機盤管。其次，針對醫務室這種要求極高的房間，在風機盤管選型時應降檔考慮。每個風機盤管的風量和冷量都有幾個檔位，在選擇單個房間風機盤管時按照風機盤管的中間檔位選取，這樣能有效降低噪音。最后，在設計要求允許的情況下，空調主供風管的風速不應超過 10m/s，布風器的出口風速最好不超過2m/s。

對于其他處所，如廚房，噪音值要求不超過55dB(A)，然而廚房需要的排風量很大，并且船東要求廚房排風風速保持10m/s以上，所以廚房通風系統的降噪設計成為本項目的難點。經過分析研究，主要采取了以下措施。首先，因為空氣在風管中的聲壓級可以隨著風管的長度而衰減，風管越長，衰減的噪聲值越高，所以排風機布置在距離廚房盡量遠的位置；其次，減少風管彎頭和調風閥之類的附件，降低風管對氣流的阻力，減少再生噪音；最后，根據噪音計算報告的結果，給噪音超標位置增加消音器。

4 結論

巴西石油建造的 FPSO生活模塊對舒適性和功能性要求極高，不僅要滿足入籍規范及船旗國的要求，還要滿足巴西勞工組織的一系列規范、各種建造說明書、標準及相關要求近百份。通過我們系統的研究分析及設計成果運用，目前已經順利交付兩座生活模塊，其中各項舒適性指標均達到預期要求。本文結合巴西石油FPSO生活模塊實船建造，對空調通風系統的負荷計算、設備布置及噪音控制等幾個主要方面進行研究分析，總結出一系列切實可行的設計方案，為今后FPSO空調系統的設計提供技術儲備和設計參考。

[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]中國船舶工業集團公司, 中國船舶重工集團公司, 中國造船工程學會.船舶設計實用手冊, 輪機分冊[M].第3版.

[5]周炎.船舶低噪聲設計技術研究[J].上海造船, 2010.