牲畜船貨艙通風系統的設計與研究

張偉光，王樹山，譚 冬，張金玉

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著食品、醫療市場需求的增加，養殖業迅速發展，活體動物運輸量越來越大[1]。牲畜運輸船主要用于鮮活牲畜的運輸，特殊之處在于它運送的是成千上萬的活物，必須在較長時間封閉的海上旅途中保證航行中牲畜的健康穩定，這也決定了牲畜船設備系統和建造工藝的復雜和高技術含量。隨著澳大利亞和新西蘭等傳統畜牧業發達國家活禽出口規模不斷擴大，能夠大批量運輸活體牛羊的特種牲畜運輸船越來越受到市場的垂青和關注。

大量的活體牲畜會在船艙內產生過多的水汽和熱量，必須采用有效的通風方法才能排走這些水汽和熱量，從而保證活體牲畜的安全運輸。

大連中遠海運重工為新加坡Wellard Ships公司續建的大型牲畜運輸船“希樂”輪，該船滿足綠色環保國際新型牲畜運輸船建造要求的最高標準——澳大利亞AMSA規范，牛欄面積23 500 m2，一次可裝載運輸約17 000頭活牛，裝載量遠超我國已建造完工交付的各類牲畜運輸船，是中國船廠迄今為止建造的最大最先進的同類船舶。

本文依托大連中遠海運重工交付“希樂”輪的成功經驗，結合澳大利亞的AMSA規范，對牲畜區域的貨艙通風系統進行了分析，并通過實際測量數據，驗證了通風系統的有效性，從而保證活體牲畜的安全運輸。

1 牲畜區域通風系統的必要性

由于長時間運輸，活體牲畜產生的水汽和熱量不斷地在船艙內部積聚，造成氣溫升高、空氣潮濕的環境，這不僅對活體牲畜的正常生理活動產生影響，也會使各種病菌滋生，活體牲畜由此而染病的可能性急劇加大，并且，活體牲畜耐高溫的能力要比耐低溫的能力弱。對于大多數牲畜而言，適合運輸的溫度范圍約在5℃～30℃之間，艙內氣體溫度和濕度一旦達到極限，動物便不能維持正常的體溫（表1）。

通常情況下，高燒（hyperthermia）比低燒（hypothermia）對牲畜危害性更大，牲畜體溫升高1.5℃即可認為高燒，升高4℃～5℃將致死亡；同樣，由于通風不合理，活體牲畜也可能出現低燒，體溫降低1.5℃則表示已經處于低燒，降低5℃時，未必導致死亡，但通常已不能進行正常的生理活動，降低7℃～8℃會導致死亡。

表1 活體牲畜的正常體溫

大量活體的牲畜在集中式運輸環境下，加上海況惡劣，極易誘發各種疾病，引發規模性傳染，給船東及貨主帶來經濟損失，并會給目的港所在國家造成輸入性疫情。因此，合理的牲畜區域通風系統設計，維持牲畜圍欄區域通風的有效、持續性，可以為活體牲畜在船舶長途運輸過程中提供舒適的生存環境，保障牲畜健康的穩定，有效降低牲畜在運送過程中的得病率和死亡率，使船東或貨主達到最大的經濟效益[2]。

2 牲畜區域通風系統設計

在整個牲畜運輸船牛羊配套系統中，通風系統的要求最高，難度最大[3]。牛欄系統需滿足AMSA規則：Marine Order Part 43 Cargo & Cargo Handling– Livestock[4]。其中，AMSA[5]規范對換氣次數的要求為：1）如處所的最低凈高是2.30 m或以上時，換氣次數應不低于每小時20次；2）如處所的最低凈高是1.80 m時，換氣次數應不低于每小時30次；3）如處所的最低凈高在1.80 m～2.30 m之間，換氣次數應按照上述要求成比例數。AMSA[5]對風速的要求為：牛羊圍欄區域內的任何一點的風速不能小于0.5 m/s。

目前船舶牲畜區域的通風布置主要包括2種形式：集中通風和獨立通風。集中通風方式通常應用于6層以下的封閉式貨艙牲畜運輸船，在不同的貨艙內易于風量分配，能夠較容易地使各個測試點風速達到要求。

獨立通風方式多用于貨艙層數較多以及帶有開敞甲板的牲畜運輸船。風機安裝在露天甲板，由多臺獨立軸流或離心風機對牲畜貨艙進行通風。獨立式通風在調節各個區域風速以及風量時難度較大，不易滿足規范的要求。

針對上述牲畜區域通風系統的特點及難點，為滿足AMSA[5]規范對最小換氣次數及圍欄區域最小風速的要求，“希樂”輪的通風布置和風機配置采用了如下優化設計方案。

2.1 通風布置

貨艙區域共劃為9層甲板，其中，將1～5層設計為封閉式貨艙區域，6～9層為敞開式貨艙區域，分別采用獨立式的通風系統。采用軸流式供、排風機，安裝于頂層主甲板上面。通過位于船舶中部的垂直圓形結構風道向牲畜圍欄區域送風；開敞甲板通風舷側自然排風，封閉甲板通過位于兩舷側的方形結構風道機械排風。

全部牲畜貨艙區域的機械通風系統配置 86臺大口徑軸流供、排風風機。見典型布置圖1和圖2。

在6～9層開敞甲板通風系統配置46臺風機：

1）36臺（OSF1～36）軸流送風機通過圓形垂直方向的結構風道向 6～9層甲板牲畜圍欄區域送風，風機位于主甲板中部；

2）4臺（OSF37～40）軸流送風機通過方形垂直方向的結構風道向6～8層甲板艏部區域的牲畜圍欄處送風，風機位于9甲板舷側；

3）4臺（OSF41～44）軸流送風機向9甲板艏部區域的牲畜圍欄處送風，風機位于艏方向艙壁；

4）2臺（OSE1～2）軸流排風機通過方形垂直方向的結構風道為6層和7層甲板艏部區域的牲畜圍欄處排風，風機位于主甲板舷側。

在1～5層封閉甲板通風系統配置40臺風機：

1）8臺（ESF1～8）軸流送風機通過圓形垂直方向的結構風道向5層甲板船尾部牲畜圍欄區域送風，風機位于主甲板中部；

2）2臺（ESE3～4）軸流排風機通過圓形垂直方向的結構風道為5層甲板船尾部牲畜圍欄區域排風，風機位于主甲板舷側；

3）2個自然排風裝置為5層甲板船尾部牲畜圍欄區域排風；

4）18臺（ESF9～26）軸流送風機通過圓形垂直方向的結構風道向 1～5層甲板牲畜圍欄區域送風，風機位于主甲板中部；

5）12臺（ESE5～16）軸流排風機通過方形垂直方向的結構風道為1～5層甲板牲畜圍欄處排風，風機位于主甲板舷側。

圖1 開敞甲板典型通風布置圖

圖2 封閉甲板典型通風布置圖

通過位于牲畜圍欄中部區域的送風口，將風排向舷側，務必使全船的空氣氣流循環方向一致，保證良好的通風效果。同時，送風與排風系統分區布置要最大限度地避免排出風與新鮮風的混流，見圖3。

圖3 牲畜貨艙典型通風布置圖

2.2 風機配置

為了減少風機的使用個數，有效利用有限的船舶空間，牲畜貨艙區域通風風機全部采用直徑900 mm～18 00 mm的大口徑軸流風機，既節約能源消耗，又能最大限度減少結構風道的數量，降低通風系統占用貨艙區域有限的空間。同時，減少了牲畜圍欄區域的送風口個數，送風氣流分布更加合理，降低牲畜圍欄區域的噪聲水平。

風機采用新一代1.8 m直徑的大口徑軸流風機的通風解決方案，為本船的創新點。采用此通風方案，可以同時節省能源，降低牲畜圍欄區域的噪聲水平，并為船上的工作人員創造更好的工作環境。

風機的選型以及結構風道的尺寸等，應用CFD（computed fluid dynamics）建模進行計算。通過優化風道布置及CFD模擬計算，保證牲畜圍欄區域的氣流分布在任意一點的風速不小于0.5 m/s。

根據SOLAS要求，封閉處所的通風裝置需配置關閉裝置。因此，封閉處所的通風風機，增加鋁制保護蓋，既節約成本又降低重量。在正常航行狀態下，保護蓋處于常開狀態；緊急情況下，可手動關閉。見圖4和圖5。

圖4 典型軸流風機配置

圖5 封閉處所通風風機

3 牲畜區域通風效果

檢驗通風系統設計通風效果的重要指標，一是換氣次數，二是圍欄區域的風速。

換氣次數及風速作為檢驗通風效果的重要指標，高換氣次數和風速的通風系統，可以顯著地為牲畜圍欄區域提供大量新鮮空氣，帶走牲畜體表產生的熱量，降低牲畜圍欄區域的環境溫度及濕度。通過摘自AMSA的表2[5]可以看出，在不同的外界環境溫度條件下，通過增大換氣次數，可以顯著改善通風效果。因此，增大牲畜圍欄區域通風系統的換氣次數及風速，對改善船員的工作環境及保證牲畜正常的生命體征具有重要意義，必須重點考慮。

表2 換氣次數對通風系統的影響

基于上述貨艙牲畜圍欄區域的通風系統優化設計方案，按照AMSA的規范要求，對確定進入整個貨艙和每層甲板牲畜圍欄區域的換氣次數進行了測量，測量結果見圖6。同時，對每層甲板牲畜圍欄區域的風速也進行了測量，測量結果見表3和表4。

圖6 每層甲板的換氣次數測量結果

表3 開敞甲板的風速測量結果

表4 封閉甲板的風速測量結果

測量結果對比AMSA的規范要求表明，此種牲畜圍欄區域通風系統的設計及大口徑軸流風機的啟用，使得空氣能夠在每個活體牲畜的各個部分流動，保證了通風的有效性，極大地改善了牲畜的生存條件。

4 結論

隨著世界經貿合作的進一步拓展和人們生活追求的不斷提高，全球優質牲畜產品的跨地域轉移將持續增長，牲畜運輸船前景廣闊。本研究涉及到的牲畜圍欄區域通風系統的設計、通風布置及風機配置等在“希樂”牲畜運輸船上得到成功實踐，總結了切實可行的設計方案，證明其有效性和可靠性，對今后牲畜運輸船牲畜區域的通風設計具有重要的借鑒意義，以提升設計人員對該船型的設計水平。