船舶駕駛室玻璃窗除霜系統設計

馮 豐 安毓輝

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

1 駕駛室玻璃窗除霜方法介紹

駕駛室是船舶重要的控制處所。由于室內外溫差和濕度的影響會使駕駛室玻璃窗結霜和起霧，從而影響駕駛室的視線和船舶航行的安全，因此駕駛室除霜系統的設計非常重要。如何快速有效地消除駕駛室玻璃窗上形成的霜和霧氣，將與船舶航行安全密切相關。

駕駛室四周通常采用大面積玻璃窗，夏季和冬季的計算負荷很大。從節能角度考慮，船舶駕駛室一般設計成中央空調的局部冷卻處所，但并不確保該處所能達到其他空調處所的室內設計溫度。

在冬季，由于駕駛室內外溫差和濕度的影響，在玻璃窗室內一側往往會有結霜和起霧現象，從而影響駕駛室的視線和航行安全［1-2］。為此，需設置玻璃窗除霜系統。

駕駛室玻璃窗除霜的本質是防止靠近窗玻璃處的空氣變成飽和空氣。一般采用以下兩種方法：一是采用特制的帶電加熱絲的玻璃窗，二是采用熱風除霜系統。［3］

電加熱前擋風玻璃可以在極端寒冷的天氣下，消除玻璃上的霧氣和冰雪，從而保持清晰的駕駛視野，提高駕駛時的安全和舒適性，而無需長時間的等待。電熱除霜系統一般由電源、選擇開關、過熱保護裝置及電加熱元件等組成。基本原理就是預先將肉眼幾乎不可見的鎢絲安裝到 PVB 上，通過母線和連接端子連接到船體電路中，由電路提供12～14 V的電壓，以450～600 W/m2的功率密度來進行加熱。［4］

駕駛室固定矩形窗（CB/T3226-1995）是安裝于船舶駕駛室（橋樓）供觀察和操縱用的封閉處所的矩形窗。其中BH和WH型為電加熱玻璃，目前在船上配置的絕大多數是WH型電加熱玻璃焊接式固定矩形窗，電加熱玻璃應符合ISO3434的規定。

采用電加熱玻璃除霜除霧時，一般需配置窗玻璃加熱控制器，控制器具有手動/自動兩種工作方式，控制器通過玻璃內嵌的溫度傳感器采樣溫度數據后控制加熱器工作，可使玻璃窗溫度保持在一定范圍內，從而有效防止玻璃結霜起霧。某些駕駛室矩形窗會加裝掃雪器（旋轉視窗），窗玻璃開相應的安裝孔，但駕駛室矩形窗若加裝了掃雪器，便無法采用電加熱玻璃。此外，駕駛室前部側面和側面的玻璃窗一般不采用電加熱玻璃，所以在沒有配置電加熱玻璃的情況下，會采用熱風除霜系統來清除玻璃窗上的結霜和結霧。

熱風除霜系統是采用通風的手段來消除玻璃窗上的霜霧，系統遵循相應的標準來設計，并采用特定的設備控制送風溫度以達到去除霜霧的目的。下面將詳細介紹熱風除霜系統的設計。

2 駕駛室熱風除霜系統設計指南

駕駛室熱風除霜系統按照ISO 8863“Ship’s wheelhouse windows-heating by hot air of glass panes”來設計［5］。此設計指南適用于遠洋運輸船舶在-20℃或其他極端低溫工況下航行的船舶。

● 設計條件室外設計溫度為-20℃；室內設計溫度為+22℃；除霜噴頭空氣溫度為+42℃；溫度均采用干球溫度。

● 風量確定用于除霜的風量根據所需除霜的玻璃窗的面積，按每平方米0.015 m3/s（相當于每平方米54 m3/h）的風量配置。

● 噪聲要求由于駕駛室對于噪聲控制有一定要求，因此熱風除霜系統的設計中對于噪聲的控制也有具體要求。系統要求在距離除霜噴頭1 m處的所測噪聲值不超過55 dB（A），因此在系統設計中噴頭的選用方面要注意噴頭的型式、大小和出口風速的控制。

● 除霜噴頭要求駕駛室前窗按規范要求一般有15°～20°傾斜，除霜噴頭的中心位置應設置在距玻璃窗1.5 m處且位于駕駛員站立高度的上方（見圖1）。

圖1 除霜噴頭布置示意圖

氣流噴射到玻璃窗處的風速為1.5 m/s，噴頭可以調節，范圍覆蓋玻璃窗上緣至下緣。按照噴射到玻璃窗處的風速1.5 m/s的要求，根據氣體射流公式我們可以推算出噴頭出口風速約為5 m/s，在此速度下，距離除霜噴頭1 m處的所測噪聲值應不超過 55 dB（A），滿足噪聲要求［5］。

3 駕駛室除霜系統實船應用

以下對實船上使用的幾種熱風除霜系統作簡單的實例分析。

3.1 5 萬噸半潛工程船駕駛室除霜系統

5萬噸半潛工程船駕駛室除霜系統如圖2所示。為保證冬季駕駛室玻璃不結霜和凝露，向駕駛室玻璃提供熱風循環除霜系統，除霜系統是按照ISO8863來設計。除霜系統的熱風來自駕駛室空調器AHU01，經管道加熱器加熱至42℃，然后通過噴嘴送至駕駛室玻璃。

本系統由NOVENCO公司供貨，除霜噴頭型號HT72/80-100，每個噴頭的風量為48 m3/h，每扇窗（窗面積約1.78 m2）配置2個噴頭，共配置4個功率為2 kW的EFR-160型管道加熱器以及64個除霜噴頭。由于本船的特殊性，對于駕駛室四周的玻璃窗均有視線要求，因此每扇玻璃窗均配置了除霜噴頭。

3.2 30 萬載重噸超大型油船駕駛室除霜系統

30萬載重噸超大型油船的駕駛室采用熱風除霜。該船的熱風除霜系統（如圖3所示）不同于5萬噸半潛工程船，其采用的是獨立通風除霜系統，而非采用空調器的空調風經再加熱后除霜。該系統由DMA公司供貨，配置1臺循環管道風機、1個回風格柵、1個管道加熱器和20個除霜噴頭。計算得知管道風機除霜循環風量為790 m3/h，除霜噴頭規格為DN80（其中3個位于報務區），管道加熱器的加熱量約為5.3 kW。房間空氣經回風格柵吸入系統后經管道加熱器加熱后用于除霜。

圖3 30萬噸載重量超大型油船駕駛室除霜系統

3.3 7.5萬載重噸原油船駕駛室除霜系統

有時也會采用電加熱除霜玻璃和熱風除霜相結合的形式，如7.5萬載重噸原油船的駕駛室除霜系統（參見圖4）。該原油船駕駛室有3扇前窗采用電加熱除霜玻璃，其他窗均為普通玻璃窗。根據船東所要求的其他窗需采用熱風除霜，故本船的熱風除霜系統分為左右舷兩部分，每套系統配置1臺循環管道風機、1個回風格柵、1個管道加熱器和若干個除霜噴頭。計算求得每臺管道風機除霜循環風量為540 m3/h，左右兩舷共配置26個風量為50 m3/h的除霜噴頭，每個管道加熱器的加熱量約為4 kW。房間空氣經回風格柵吸入系統后經管道加熱器加熱后用于除霜，而3扇前窗獨立采用電加熱除霜玻璃來除霜。

圖4 7.5萬載重噸原油船駕駛室除霜系統

上述3種駕駛室除霜系統均在駕駛室四周窗玻璃處布置有熱風除霜或電熱玻璃除霜。在駕駛室空調系統送熱風的基礎上，玻璃除霜系統會給室內帶來額外熱量。由于駕駛室一般按局部冷卻設計，并不保證室內溫度，這時玻璃除霜系統帶來的熱量正好能補償室溫，將駕駛室溫度維持在一個較高水平，從而提高駕駛舒適度。所以，玻璃除霜系統的設計計算需要同駕駛室空調送風的設計計算結合起來；同時，除霜系統與空調送風可能會民致室內氣流溫度場速度場分布不均勻。這一點也需要在設計階段考慮進去，通常可用CFD進行模擬比較［6-7］。

以30萬噸VLCC駕駛室玻璃除霜系統為模型，進行溫度場和速度場的數值模擬計算，相關參數見上述實例（2），建模及計算結果參見圖5-圖10。

圖5 無除霜系統時建模

圖6 加除霜系統后建模

圖7 無除霜系統時室內縱剖面溫度場分布

圖8 有除霜系統后室內縱剖面溫度場分布

圖9 無除霜系統時室內平面速度場分布（h = 0.5 H）

圖10 有除霜系統后室內平面速度場分布（h = 0.5 H）

由圖7和圖8的對比可以看出：無除霜系統時，室內人員所在剖面大面積區域溫度低于21℃；加裝除霜系統后，大面積區域溫度達到24℃～25℃。所以，冬季加裝除霜系統可以顯著改善駕駛室船員的舒適感。

由圖9和圖10的對比可以看出，無除霜系統時室內平面速度場分布較為均勻，大部分區域氣流速度趨于一致或平滑過渡，加除霜系統后室內氣流速度階梯變化較明顯，速度場變得略微不均勻，但整體仍然保持在一個低風速的工況，對于船員舒適度影響很小。

4 結 語

駕駛室除霜系統對于船舶設計而言非常重要，至于電加熱玻璃除霜和熱風除霜系統哪個更好，這需要從設備成本、除霜效果和系統設計等各個方面綜合考慮。本文僅對目前常用的幾種除霜系統作一概述，從通風專業角度著重介紹熱風除霜系統的設計，并以數值模擬法研究分析除霜系統對于駕駛室內溫度場和速度場的影響。熱風除霜系統中，除霜出風口的形式、風速、出風的溫濕度和射流角度等對除霜效果的影響以及優化設計等將在后期作進一步研究。