船舶舱室的通风超压计算法

谢玲梅

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

船舶舱室的通风超压计算法

谢玲梅

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

［摘 要］文章列举船舶舱室超压保护区通风建压涉及的各种因素，并从国内外文献资料、各国规范和实船经验中，分析总结推导出实用可行的针对各影响因素的船舶舱室通风超压计算法，对今后船舶密闭超压通风设计具有指导意义。

［关键词］超压；气密；保护区；过滤吸附通风量；计算

引 言

船舶舱室的通风建压通常分为微压差和超压两大类。在常规船舶内部，为了保证船舶舱室的温湿度和空气品质环境，建立良好的区域气流组织，必须在不同类型舱室间以及和外界大气建立约0～50 Pa的微压差，区域的压力差应严格按照从高向低排列，如：清洁区→过渡区→污染区，或洁净度高→洁净度低。生活和工作区为正压力区，污染、有毒有害和有异味区为负压力区，各区域的压力由送风量、排风量给予保证。

某些特殊船舶，在执行任务期间，可能面临对船员有极大或致命性危害的环境，例如核污染、细菌污染、化学毒剂污染等，这些污染物以蒸汽态、气溶胶态存在于船舶所在的大气环境中，有些船舶区域需要建立300～600 Pa的超压密闭保护区与外界隔离，防止污染物进入防护区，并且具备在航行有迎风风压的环境下，防止污染物进入保护区的能力。保护区内边界必须提供气密门窗，建立超压时，保护区压力由经过过滤吸附的清洁空气向保护区供气加压，借助于压差控制阀、超压泄放阀、以及控压差强排风措施、保护区边界结构和门窗的泄漏，达到气压平衡，维持相对稳定的300～600 Pa的超压环境。

目前国内外相关规范都对保护区的新鲜空气量和CO2控制浓度有规定，但缺乏保护区超压建压的系统理论和计算法。对比中国、德国、英国、挪威等多国军民规范，虽然德国GL关于防护区的新鲜空气量和CO2控制浓度有详细的计算法，但是这些规范对于保护区建压所涉及的建压时间、超压泄放、结构门窗泄漏等多个因素仍缺乏综合而系统的计算法。

本文在综合研究各国军民规范的基础上，结合实船设计应用经验，总结出适合船舶、实用可行的通风超压计算法，能比较系统地指导船舶的超压设计计算。

1 建压原理

参考LR军规，［1］船舶保护区应最少划分为4个，每个区域最长不超过30 m。相邻区域的长度大于0.3 LWL（设计水线长）且小于 0.5 LWL。区域的边界符合主横向水密隔壁划分，从龙骨延伸到最高上层建筑甲板。有着更高污染风险的区域压力应该低于临近区域压力但高于大气压。

一个满足超压功能的典型保护区（见图1）除包含各种舱室外，应包含带过滤吸附装置的设备室、前后2个用于隔离保护区的锁气室、1～2组用于进出保护区的洗消通道（含脱衣室、洗消间、风浴室或更衣室等隔间）组成。

保护区建压时，边界所有气密门窗气密关闭，边界上通风系统进排风口和空调器新风口气密关闭（除超压密闭时边界上必须打开的排风口，例如医疗区手术准备室、隔离病房的排风口等），打开过滤吸附装置气密阀，空调器的新风改由过滤吸附装置提供。

过滤吸附装置为保护区加压提供经过滤吸附的清洁空气。锁气室和洗消通道配弹簧式压差控制阀组，用于维持舱壁两侧的设计压差。保护区的清洁空气以压差控制阀设定压差下的额定流量，并通过压差控制阀吹除人员通过时锁气室和洗消通道的沾染物。加压的清洁空气通过结构和门窗的泄漏、压差控制阀组、压差排风系统排出保护区外。保护区设马达驱动的超压泄放阀，根据探测保护区超压值控制阀的开度，排出保护区多余的空气，保护区维持在稳定的超压值，比如500 Pa。

图1 一个满足超压功能的典型保护区布置示意图

超压保护区建压除保持周界气密外，过滤吸附装置过滤吸附通风量DAV的计算是关键，同时在分步计算过程中也确定了压差控制阀、超压泄放阀的选型流量。

以下因素决定了保护区超压密闭时的过滤吸附通风量DAV：根据人员安全所需计算过滤吸附通风量DAV ′；按超压密闭区泄漏量、泄放量、排风量计算过滤吸附通风量DAV ″；按任务要求时间加压到500 Pa计算过滤吸附通风量DAV ′″。

保护区的过滤吸附通风量DAV （m3/h）应取根据以上因素选取计算出的最大值，并按过滤吸附装置单模块额定风量取整：

2 过滤吸附通风量的计算

2.1 根据人员安全计算所需过滤吸附通风量DAV ′

在密闭加压的环境下，经过滤吸附的清洁空气用于加压并置换保护区内产生的污染空气，以保证人员安全。一般从控制防护区CO2浓度和保证提供最少的清洁新鲜空气量两方面进行计算。

2.1.1 根据CO2浓度的限值要求计算舱室所需过滤吸附通风量DAV1

在保护区超压密闭时， GL考虑了各舱室人员占位因素，规定了CO2浓度不高于表1中b2值，各舱室人员占位所需新风量（即过滤吸附量DAV1）按以下公式进行计算［2］：

式中：各参数按表1选取［2］。

表1 按CO2浓度的限值计算舱室所需过滤吸附通风量参数

按GL规定的CO2含量限值选取计算的各舱室过滤吸附量，保证了各具体舱室在规定的人员占位情况下CO2含量不超标。对于人多的保护区，按此参数选取计算的过滤吸附量较大，经济性相对较差，但人员舒适度较高。对于密闭保护区，［3］我国规范规定了通风量应保证舱内人员全部在位时CO2浓度不高于0.5%；［1］英国LR军规规定CO2浓度不高于1. 5%。所以在经济性和空间不允许的情况下，表1 中b2可参照我国规范或英国LR军规适当提高限值。

2.1.2 根据人员新风量计算所需过滤吸附通风量DAV2

我国规范规定了平时舱室每人每小时平均新鲜空气量不少于以下值［3］：人少舱室 25～30 m3/h，人多舱室 30 m3/h；英国LR军规规定了平时舱室每人每小时平均新鲜空气量不少于18 m3/h［1］；ISO 7547《起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法》规定新风量不低于总送风量的40%［4］。

保护区超压密闭时，考虑经济性和布局的可实现性，在保证人员安全的情况下，参照［3］我国规范对进行长期精密工作的人员舱室，外界新鲜空气量补充量为8.4 m3/h；结合国内外一些实船设计经验，可取每人每小时平均10 m3新鲜空气量来初步估算过滤吸附量 ：

式中：p 为人数。

2.2 超压时，按密闭区泄漏量、超压泄放量、排风量计算过滤吸附通风量DAV ″

2.2.1 根据洗消通道、锁气室扫气量计算压差控制阀泄放所需过滤吸附通风量DAV3

从外部沾染区经过洗消通道进入超压保护区，依次可经过脱衣室、洗消间、风浴室、更衣室（为清洁区，与保护区同压），也有的船仅设脱衣室、洗消间、更衣室；反之亦然。锁气室用于隔离超压保护区。洗消通道、锁气室均用双重气密门形成隔间，这种门依次打开一扇，以避免密闭区减压。气密门和每个隔间的尺寸保持最小，以减小所要求的扫气量。弹簧式压差控制阀可作为扫气器，用于维持舱壁两侧的压差和用于放气和扫气，除去外门打开时带进来的污染空气［5］。根据国外设计资料，要清除该舱室中99.9%的空中沾染物，需要6次换气；也可依据挪威DNV规范对洗消通道、锁气室的通风换气次数要求来计算过滤吸附量，其通风换气次数至少是30次/h。

有些预定任务船舶，洗消通道很大，按上述方案确定的过滤吸附量很大，如果通过洗消可消除大部分沾染物，可选择洗消间弹簧式压差控制阀仅维持舱壁两侧的压差并适当兼备吹除功能，设小尺度风浴室加更衣室方案，减少过滤吸附量，DAV3可取200～500 m3/h。

2.2.2 根据系统强排风所需补充的过滤吸附通风量DAV4

保护区建压时，例如医疗区手术准备室、隔离病房等的强排风必须开启，维持按相关要求的最小排风量，过滤吸附装置的过滤吸附量DAV4必须能补充这部分排风量。

2.2.3 根据气密门、窗、结构泄漏量计算所需过滤吸附通风量DAV5

通过缝隙的渗透风量L与缝隙两侧的压差ΔP之间的关系如下式［6］：

式中：L为通过渗透的风量，m3/h；a、b为与缝隙结构、气密性有关的系数。

目前决定风量与压差的关系主要来源于半经验公式，特别是相关系数主要靠实验测试确定，其实用性差。据国外资料文献记载，每道门、舱口盖允许漏气量为85 m3/h。我国规范规定甲板下保护区在500 Pa超压下，其漏气量每小时不大于3%。

总结国内外一些实船设计建造经验，一个约500 Pa超压、1 000 m3的保护区，新建造船舶的气密门、窗、结构泄露量可控制在100 m3/h或更低。后期使用过程中需考虑结构变形和泄漏量加大的因素，因此过滤吸附通风量应设余量。在设计时，DAV5可按以下公式试算，作为需补充的过滤吸附量。

2.2.4 根据预计超压泄放量确定超压泄放阀泄放的过滤吸附通风量DAV6

因考虑未来结构变形而在新造船阶段多配置的过滤吸附量、由于温度波动对超压扰动而变化的泄漏量等，需要借助马达驱动的超压泄放阀来进行泄放，根据探测的保护区内的超压值由马达自动驱动阀门开度，排出保护区多余的空气，使保护区维持在稳定的超压值，比如500 Pa。超压泄放量可按考虑未来结构变形预计的泄漏量10～20% DAV选取。按此选型的超压泄放阀在新造初期，超压泄放阀运行在较高流量工况，随着未来结构变形，超压泄放阀逐渐运行在较低流量工况。

现有理论和试验结果分析表明，通过开口的风量L与开口两侧的压差ΔP之间的关系如下式［6］：

式中：L为通过开口的风量，m3/h；μ为开口流量系数；A为有效开口面积，m2；ρ为通过开口的空气密度，kg/m3。

上式说明，通过压差控制阀、超压泄放阀的流量与开口面积成正比关系，所以，阀组的选取除了需要考虑过滤吸附装置的经济性，同时需要考虑阀组的适装性。

2.3 根据船舶的建压时间计算所需过滤吸附通风量DAV′″

保护区在建压前，边界门窗及空调通风进出风口气密关闭，从开始建压到保护区超压达到设定压差前，压差控制阀和超压泄放阀阀门是保持关闭状态的，对于保护区，可按密闭空间，按所要求的建压时间，按理想气体状态方程可推导计算出所需过滤吸附通风量DAV ′″：

式中：P为外界大气压力， Pa；ΔP为保护区超压，可取500 Pa；T1为外界大气绝对温度（数值为摄氏温度+273.15），K；T2为保护区空气绝对温度（数值为摄氏温度+273.15），K；Vc为舱室容积，m3；t为建压时间，min。

3 过滤吸附通风量校核计算

按以上方法计算出过滤吸附通风量DAV除以空调器总送风量，算出保护区超压时的新风比，进而根据各舱室的送风量算出各舱室新风量（过滤吸附通风量） DAV7，要求满足式（10）：

式中：DAV1为根据CO2浓度限值要求计算舱室所需过滤吸附通风量，m3/h。

4 实船应用

表2是实船几个典型功能保护区过滤吸附通风量计算表。

表2 几个典型功能保护区过滤吸附通风量计算表

分析表2，对比分析几种典型功能保护区不同决定因素计算出的过滤吸附通风量，可以得出以下结论：按快速建压计算法计算的过滤吸附通风量DAV′″与建压时间成反比关系；DAV′″与外界大气和保护区的温差有关，当外界大气与保护区温差较小时，相比其他决定因素，温度波动对最终取值影响很小，但当外界大气与保护区温差较大时，DAV′″明显增大，最大值出现在夏季工况。

对于像大型餐厅这样人数多的保护区，根据人员安全所需计算的过滤吸附通风量DAV′对最终取值起决定作用；对于医疗保护区，由于有手术准备室、隔离病房等需要在密闭时保留强排风的区域，如果再加上洗消通道有大风量扫气要求，根据泄露量、洗消通道、锁气室、强排风量、超压泄放量所需过滤吸附通风量DAV″对最终取值起决定作用。

上述算法中， DAV5、DAV6存在与最终的DAV试算的过程，最后达到可以选型并风量平衡。

5 结 论

保护区超压的建立涉及很多因素，同时，受到干扰的因素也很多。本篇阐述的船舶舱室的通风超压计算法实用可行，今后可随着实船的不断应用、积累经验并随着设备的技术更新而不断完善。

［参考文献］

［1］ LR. Version 9.18 Rules and Regulations for the classification of Naval Ships［S］ . 2012．

［2］ GL. Germanischer Lloyd Rules & Guidelines［S］ . 2006.

［3］ 舰船环境条件要求气候环境［S］. 8.

［4］ International Standard ISO 7547 2002， Ships and Marine Technology-Air Conditioning and Ventilation of Accommodation Spaces-Design Conditions and Basis of Calculation［S］.

［5］ 美国海军. 美国海军舰船技术手册［M］. 翟少晓，刘书子，译. 北京： 中国船舶信息中心，2004：82.

［6］ 涂光备.医院建筑-空调净化与设备［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005：210.

［中图分类号］U664.86

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0087-05

［收稿日期］2015-01-09；［修回日期］2015-03-02

［作者简介］谢玲梅（1969-），女，高级工程师，研究方向：空气调节。

Overpressure calculation for cabin ventilation

XIE Ling-mei

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：This paper describes the various factors about ventilation and pressure reduction in the citadel overpressure area of cabins， analyzes and summaries calculation methods according to these factors from domestic and foreingn literatures， rules and full-scale experiences. It can provide guidance for the overpressure ventilation.

Keywords：overpressure； airtight； citadel； decontaminated air volume； calculation