安毓輝 劉志兵 陳曉東

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011；2.中國極地研究中心 上海 200136）

0 引言

黨的十九大提出要加快建設(shè)海洋強國。我國作為近北極國家和《南極條約》締約國，極地已經(jīng)成為我國擬拓展的四大戰(zhàn)略新疆域之一[1]。我國在極地擁有重要的科研利益、經(jīng)濟利益、政治利益和安全利益。

航行在極地水域使用的救生設(shè)備、船載系統(tǒng)、露天材料與設(shè)備等裝置，需要在超低溫及相應(yīng)濕度、極地風(fēng)場等特定環(huán)境條件下保持正常運行。這些裝置在極地環(huán)境下的可靠性和耐久性需要在設(shè)備性能鑒定階段采取有效的試驗方法，以保證設(shè)備在實船應(yīng)用時能符合設(shè)計要求,而極地氣候環(huán)境實驗室是建立低氣溫防寒設(shè)計和低溫設(shè)備試驗、驗證體系的條件保障基礎(chǔ)。

1 國外氣候環(huán)境實驗室介紹

國際極地工程與技術(shù)實驗室的目標(biāo)在于優(yōu)化設(shè)計和提高設(shè)備性能，改善運營。目前國外多個國家為此目的設(shè)置了低溫及氣候環(huán)境實驗室，用于模擬極地氣候環(huán)境。

1.1 加拿大的制冷材料測試實驗室

加拿大國家研究委員會下屬的制冷材料測試實驗室（冷測試實驗室）通過創(chuàng)造低溫環(huán)境和專用設(shè)備來精確地測量和分析海洋工業(yè)的材料是否滿足需求。實驗室由4 個獨立的制冷系統(tǒng)室組成，制冷系統(tǒng)的溫度可達-32 ℃，測試包括使用測力傳感器（壓電和應(yīng)變儀）、線性可變差動變壓器、引伸計和加速度計等設(shè)備，進行單軸抗壓和拉伸強度測試。4 個房間都擁有獨立的制冷系統(tǒng)：第1 個房間用于樣品制備；第2 個房間用于測試；第3 個房間用于保持0 ℃的恒定溫度；第4 個房間通常用于需達到長期存儲冰的標(biāo)稱溫度，但對冰柜的冰質(zhì)和溫度控制要求卻不太嚴(yán)格的一般實驗室。

1.2 美國陸軍寒區(qū)研究與工程實驗室

美國陸軍寒區(qū)研究與工程實驗室（cold regions research and engineering laboratory,CRREL）成立于1961年，是目前世界上研究低溫環(huán)境科學(xué)與技術(shù)規(guī)模最大且技術(shù)最先進的機構(gòu)之一。CRREL 的主要任務(wù)是解決在寒冷環(huán)境下的各種軍事和民用工程問題，包括基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和工程研究。圖1 為研究人員在低溫實驗室開展混凝土研究。

CRREL 的主要實驗設(shè)施包括最低溫度達-40 ℃的低溫綜合實驗室、面積約2 500 m2的霜凍效應(yīng)研究設(shè)施、面積約6 780 m2的冰工程設(shè)施、特殊用途的冰測試設(shè)施和低溫材料實驗室，以及多年凍土隧道研究設(shè)施、遙感和地理信息系統(tǒng)設(shè)施等。

其中低溫綜合實驗室由26 個冷藏室組成，每個冷藏室的大小和其功能均不同，從而可以在低溫下進行各種環(huán)境控制的實驗。

1.3 美國空軍麥金利氣候?qū)嶒炇?/h3>

位于美國南部佛羅里達州埃格林空軍基地的麥金利（McKinley）氣候?qū)嶒炇胰鐖D2 所示。該實驗室占地面積近 30 km2，已有 70 多年歷史，且仍在使用，是目前世界上最大的氣候?qū)嶒炇襕2]。

70 多年來，麥金利氣候?qū)嶒炇覐漠?dāng)初的 4 個擴充到了 8 個。目前，麥金利氣候?qū)嶒炇抑饕?種功能，即武器裝備考核功能、環(huán)境武器測試功能和特種部隊訓(xùn)練功能。

憑借先進的設(shè)備，氣候?qū)嶒炇铱蓪θ?30 多種氣候環(huán)境和氣象條件進行模擬，如下頁表1 所示[3]。下頁圖3 和圖4 所示分別為低溫凍結(jié)試驗與高溫光照試驗。

圖3 低溫凍結(jié)試驗

圖4 高溫光照試驗

表1 麥金利氣候?qū)嶒炇以囼烅椖?/p>

2 國內(nèi)低溫及氣候環(huán)境實驗室介紹

總體而言，我國氣候環(huán)境實驗室行業(yè)起步較晚，全國現(xiàn)有的低溫實驗室基本都集中建造于20世紀(jì)80 年代，且多以氨為制冷劑。采用的制冷方式為集中式制冷系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)需要消耗大量金屬材料，但制冷效果卻不佳，而且絕大多數(shù)制冷單位管理水平較差，制冷設(shè)備的能耗很高。

近年來，國內(nèi)中國科學(xué)院低溫生物與醫(yī)學(xué)實驗室及一些高校建立了低溫實驗室，國內(nèi)一部分科研院所、大學(xué)和企業(yè)在極地科技領(lǐng)域開展實驗室的探索性建設(shè)，但規(guī)模一般不大，主要針對設(shè)備檢測和生物試驗?zāi)康倪M行建造，體積一般在10～ 60 m3不等。目前，真正意義上的大型氣候環(huán)境實驗室僅有西安氣候環(huán)境實驗室。

2.1 “海洋極端環(huán)境鋼鐵材料制備與蝕損 控制”聯(lián)合實驗室

該實驗室由上海海事大學(xué)與寶鋼集團合作，于2017 年3 月建成投入使用，重點研究極寒、極深、極濕熱和極遠等4 種海洋極端環(huán)境下的鋼鐵材料。該實驗室配有一系列材料模擬實驗設(shè)備，最低可到-60 ℃，并于當(dāng)年研發(fā)和首次批量生產(chǎn)20 t 極地特種低溫鋼，用于“雪龍”號破冰船內(nèi)部改造。

2.2 冰物理實驗室

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所建設(shè)的冰物理實驗室，通過對實驗室制備的冰樣品進行低溫變形實驗，模擬和重現(xiàn)冰在極地環(huán)境和行星環(huán)境下的變形，來研究冰的流變學(xué)性質(zhì)和顯微結(jié)構(gòu)的演化。此外，還有中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室等單位在國內(nèi)構(gòu)建了低溫實驗室，但是涉及到的不是極地領(lǐng)域。

2.3 西安氣候環(huán)境實驗室

西安氣候環(huán)境實驗室隸屬于中國飛機強度研究所，如圖5 所示。該實驗室由大、小2 個環(huán)境艙組成，整體布局呈“凸”字形，可單獨運行，也可并聯(lián)運行，滿足不同尺寸飛機或武器裝備的低溫環(huán)境試驗需求。目前氣候環(huán)境實驗室具備開展高溫、低溫、太陽輻射、濕熱、淋雨、降霧、降雪、積冰/凍雨、風(fēng)吹雨和風(fēng)吹雪等典型氣候試驗的能力，同時可滿足飛機 APU 開車試驗驗證需求，可實現(xiàn)24 h 內(nèi)將實驗室溫度從室溫降到-54 ℃。

圖5 西安氣候環(huán)境實驗室

2.4 集裝箱式低溫實驗室

目前，國內(nèi)部分高校建有集裝箱式的小型低溫實驗室，可進行小尺寸零部件和傳感器等的低溫試驗和工程應(yīng)用研究，也有廠家建立了超焓差實驗室應(yīng)用于高溫和低溫大溫差環(huán)境下的設(shè)備性能試驗研究，但該實驗室的低溫尚不能覆蓋我們所面臨的極地環(huán)境的低溫段。圖6 為大連理工大學(xué)集裝箱式低溫實驗室。

圖6 大連理工大學(xué)集裝箱式低溫實驗室

目前國內(nèi)還沒有通過模擬船上艙段進行相關(guān)艙室和設(shè)備在低溫下的實驗。關(guān)于露天設(shè)備實船低溫性能試驗及鑒定方法研究，我國目前僅有“雪龍”號和“雪龍2”號在夏秋季條件下進行極地作業(yè)，尚未能對大型露天設(shè)備在超低溫環(huán)境下進行必要的試驗驗證，后期急需加強該方面的研究。

3 極地氣候環(huán)境實驗室設(shè)計

根據(jù)上述國內(nèi)外低溫及氣候環(huán)境實驗室的情況分析，考慮到我國迄今在極地低氣溫環(huán)境下的船舶設(shè)計建造及鑒定經(jīng)驗仍處于初步階段，對于船舶設(shè)備和系統(tǒng)需滿足的低氣溫防寒設(shè)計技術(shù)未進行系統(tǒng)性的歸納與研究。因此，針對我國極地考察特有需求的防寒設(shè)計技術(shù)研究及建立我國低溫設(shè)備試驗、驗證及發(fā)證體系，加強我國對極地低氣溫環(huán)境的研究能力，提高極地科研和實驗方面的建設(shè)水平已到了刻不容緩的地步，而設(shè)計和建造極地氣候環(huán)境實驗室是進行低氣溫防寒設(shè)計和低溫設(shè)備試驗、驗證體系的條件保障基礎(chǔ)。

低氣溫環(huán)境船舶設(shè)備及系統(tǒng)設(shè)計主要依據(jù)設(shè)計服務(wù)溫度（design service temperature,DST）和預(yù)期的最低環(huán)境溫度（minimum ambient temperature,MAT），IMO 頒布的《極地規(guī)則》明確要求船舶在設(shè)計服務(wù)溫度下正常工作，各船級社針對船用材料及重要系統(tǒng)還要考慮MAT 的影響，通常MAT比DST 低至少10 ℃。目前極地監(jiān)測到的最低溫度達-58 ℃，若以此作為設(shè)計服務(wù)溫度，則最低環(huán)境溫度應(yīng)達到-68 ℃，因此船級社制定了-68 ℃的船用材料要求?；谏鲜鲈颍紤]到一定的溫度儲備和溫控偏差因素，極地氣候環(huán)境實驗室選擇模擬的最低溫度為-70 ℃，同時也兼顧了大部分設(shè)備在常規(guī)極地環(huán)境工作狀態(tài)下-50 ℃的溫度。

綜上所述，在設(shè)計小型超低溫集裝箱實驗室和大型極地環(huán)境實驗室過程中，由于設(shè)計溫度和實驗室大小不同，2 個實驗室在設(shè)計上存在很大區(qū)別，下面將簡單介紹一下2 個實驗室的設(shè)計思路。

3.1 超低溫集裝箱實驗室設(shè)計

針對極地裝備的共性材料、單項設(shè)備等裝備，根據(jù)我國極地裝備的研制規(guī)劃，結(jié)合裝備的航行極點區(qū)間和冬季航行的要求，需建立1 個室內(nèi)低溫極限溫度可達-70 ℃的超低溫集裝箱實驗室，用于測試及驗證小型設(shè)備、關(guān)鍵部件、共性材料和監(jiān)控儀器設(shè)備等在極限低溫環(huán)境下的功能、特性和極限狀態(tài)等。受空間限制，該實驗室內(nèi)無法模擬極地有關(guān)的高風(fēng)速等情況。

3.1.1 主要設(shè)備功能

超低溫集裝箱實驗室是為了創(chuàng)造1 個室內(nèi)最低溫度為-70 ℃的超低溫環(huán)境,同時達到室內(nèi)溫度可調(diào)節(jié)，用來測試超低溫環(huán)境下相關(guān)設(shè)備的各項性能。

3.1.2 設(shè)計參考標(biāo)準(zhǔn)

鑒于集裝箱實驗室的超低溫性能和可運輸性能等，在-70 ℃超低溫集裝箱實驗室設(shè)計時需參照并滿足下列標(biāo)準(zhǔn)和要求。

－GB/T 10592-2008 《高低溫試驗箱技術(shù)條件》－GB/T 20154-2006《低溫保存箱標(biāo)準(zhǔn)》

－GJB150.4A-2009《低溫試驗》

－GB/T 29753-2013 《道路運輸、食品與生物制品冷藏車安全要求及試驗方法》

－QC/T 449-2010 《保溫車、冷藏車技術(shù)條件及試驗方法》

－GB/T 40363-2021 《冷藏集裝箱和冷藏保溫車用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料》

－AHRI 1110 《Performance Rating of Mechanical Transport Refrigeration Units》

3.1.3 超低溫艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計

超低溫集裝箱實驗室考慮到道路運輸需求，外型尺寸按照40 ft（12.192 m）標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的外型尺寸來設(shè)計,整體質(zhì)量需小于40 ft 高柜集裝箱卡車的載重量，包括制冷設(shè)備模塊和電控箱在內(nèi)的總重應(yīng)不大于30.48 t。超低溫實驗艙外框架為主要受力點，框架應(yīng)采用高強度耐候鋼和熱軋鐵素體不銹鋼，能夠滿足超低溫實驗艙的強度要求。

超低溫實驗室的庫板采用企口型板材，板材間通過凹凸配合拼接而成，所有接縫采用專用耐低溫硅橡膠密封膠。由于實驗室對氣密性要求很高，需采用氣密性良好的門。

3.1.4 制冷系統(tǒng)設(shè)計

制冷機組要求的控制溫度低但控溫精度高，同時干擾因素多，而且不管外界環(huán)境如何變化，尤其是夏季高溫和冬季低溫的極限工況下，依然要保證制冷系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運行，保證溫度穩(wěn)定性。制冷主機選用風(fēng)冷式低溫專用復(fù)疊機組，采用環(huán)保制冷劑，壓縮機具有自動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。圖7 為超低溫制冷機組。

圖7 超低溫制冷機組

低溫實驗室內(nèi)的蒸發(fā)器采用冷風(fēng)機，需配置進口特殊耐低溫電機，以保證低溫可靠運行。

3.1.5 系統(tǒng)負荷計算

超低溫集裝箱實驗室的設(shè)計的一個主要特點是制冷負荷的計算及設(shè)備的選型，實驗室需滿足上海本地氣候的溫濕度（夏季：35 ℃,70%RH；冬季：-4 ℃,75%RH）、霉菌、太陽輻射、砂塵、淋雨、雪、冰與冰雹、消毒劑影響等環(huán)境條件要求，保證設(shè)備的正常運行并達到室內(nèi)-70 ℃超低溫環(huán)境要求。

系統(tǒng)的制冷負荷主要包括圍護結(jié)構(gòu)傳入熱、設(shè)備熱、燈光熱、開門換氣熱、人員熱、室內(nèi)空氣及表面金屬制冷負荷。由于低溫試驗期間實驗室是處于封閉狀態(tài)，開門熱和人員熱可以忽略。圍護結(jié)構(gòu)傳入熱、設(shè)備熱和燈光熱是常規(guī)計算，主要影響系統(tǒng)維持工況下的負荷，這里不一一贅述。下面著重闡述的是室內(nèi)空氣及表面金屬制冷負荷的計算，這部分負荷將影響系統(tǒng)打冷工況下的負荷。

（1）室內(nèi)空氣降溫負荷計算

在規(guī)定的降溫時間內(nèi)，室內(nèi)空氣降溫（從初始35 ℃降至-70 ℃）所需的制冷負荷可以按式（1）進行估算：

式中：Qa為空氣降溫制冷負荷，kW；c為空氣比熱容，可按300 K 時的比熱容值1.005 kJ/（kg·K）估算；m 為空氣質(zhì)量，kg；ΔT為溫差，K；t為降溫時間，h。

（2）表面金屬降溫負荷計算

實驗室內(nèi)表面金屬降溫所需制冷負荷估算方法同式（1），304 不銹鋼比熱容參考值為0.5 kJ/（kg·K），鋼的比熱容參考值為0.46 kJ/（kg·K）。金屬的總重可根據(jù)金屬密度和容積進行計算，由于實驗室內(nèi)表面金屬的用量較大（整個實驗室約 2 000 kg），因此表面金屬降溫負荷占系統(tǒng)打冷負荷的比重較大。

綜上所述，影響實驗室制冷設(shè)備制冷量和設(shè)備選型的主要是打冷工況下的制冷負荷，這個同實驗室的容積大小以及要求降溫時間相關(guān)，容積越大、降溫時間越短所需的制冷負荷就越大，而維持工況下的制冷負荷主要是由圍護結(jié)構(gòu)傳入熱、設(shè)備熱和燈光熱組成，相對比較恒定。

3.1.6 氣流組織設(shè)計

合理的氣流組織設(shè)計是保證艙內(nèi)溫度均勻性的前提，而低溫集裝箱氣流組織的影響因素有內(nèi)部設(shè)備布置、送風(fēng)風(fēng)量及送回風(fēng)口位置大小。

（1）內(nèi)部設(shè)備布置：低溫實驗室內(nèi)的溫度分布與其所載設(shè)備的狀態(tài)密切相關(guān)，設(shè)備的布置方式?jīng)Q定了氣流的路徑，其中設(shè)備的形狀、間距以及與壁面的間隙都對溫度場影響顯著。不合理的設(shè)備布置與側(cè)壁間隙可能會產(chǎn)生湍流現(xiàn)象。

（2）送風(fēng)風(fēng)量：循環(huán)風(fēng)量影響實驗室內(nèi)溫度分布，通過改變實驗室內(nèi)的氣流循環(huán)來調(diào)節(jié)冷氣流與設(shè)備間的熱傳遞效率。一般來講，送風(fēng)速度越大，室內(nèi)整體的平均溫度越接近送風(fēng)溫度，溫度均勻性越好。

（3）送回風(fēng)口布置：送風(fēng)口布置在集裝箱長度方向時，可以形成良好的氣流組織，能噴射至較遠距離?；仫L(fēng)口位置可以對循環(huán)空氣起到引流的作用，一般與送風(fēng)口距離較遠。

對于超低溫集裝箱實驗室的氣流組織設(shè)計為頂部送風(fēng)、側(cè)面回風(fēng)的形式，可以達到較好的氣流組織效果。低溫實驗室內(nèi)的氣流組織設(shè)計如圖8所示。

圖8 低溫實驗室內(nèi)的氣流組織設(shè)計

3.2 大型極地環(huán)境實驗室設(shè)計

相比于超低溫集裝箱實驗室的設(shè)計，大型極地環(huán)境實驗室占地廣闊，可實現(xiàn)對于大型極地設(shè)備和系統(tǒng)的檢驗測試。其特點是極限溫度可達-50 ℃，溫度控制精度為±2 ℃；可模擬極地的低氣溫、高鹽度、降雨、降雪和風(fēng)速等[7]。實驗室整體采用土建型式，占地面積大，很多方面的設(shè)計要求與小型超低溫集裝箱實驗室有很大區(qū)別，下面簡單介紹實驗室設(shè)計。

3.2.1 實驗室布局

大型極地環(huán)境實驗室主要功能區(qū)包括緩沖間、高低溫實驗區(qū)、低溫實驗區(qū)，制冷設(shè)備區(qū)、前后2個數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控辦公室，見圖9。

圖9 大型極地環(huán)境實驗室

3.2.2 制冷設(shè)備

在實驗室一側(cè)設(shè)置制冷備間，用于放置制冷冷水機組、循環(huán)泵等一些設(shè)備。采用間接式制冷系統(tǒng)，載冷劑通過管路接至實驗室的冷風(fēng)機中，用于實驗室的制冷。[8]實驗室保證25～ 50 Pa 的正壓，主要是防止外部空氣進入，正壓的維持通過設(shè)置1 套新風(fēng)液氮制冷系統(tǒng)向?qū)嶒炇覂?nèi)送風(fēng)，在實驗期間提供新風(fēng)和保持正壓。

3.2.3 氣流組織設(shè)計

大型極地環(huán)境實驗室具有占地廣闊、層高較高的特點，要在如此大的區(qū)域建立一個穩(wěn)定的溫度場和氣流場，氣流組織的設(shè)計至關(guān)重要[9]。由于實驗時人員需進入，為減少由于溫差引起的溫度波動，實驗室的進口需設(shè)置緩沖間，人員由緩沖間進入。

主實驗室區(qū)域的送風(fēng)方式為上送下回，如圖10所示。上部設(shè)置送風(fēng)管，每根風(fēng)管上安裝軸流送風(fēng)機末端，在整個實驗區(qū)域為均布模式。墻壁一側(cè)設(shè)置回風(fēng)管，每根回風(fēng)管底部設(shè)有1 個回風(fēng)口。實驗室實際高度約20 m，在高度18 m 左右設(shè)有大梁，風(fēng)管均設(shè)在梁上，梁下的凈空間高度為18 m，風(fēng)口距地板高度約18 m；另一側(cè)有設(shè)備供電箱和信號箱等。實驗室兩側(cè)設(shè)有監(jiān)控室，布置有監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析設(shè)備、電腦等，同實驗室之間以玻璃窗隔開，上層也設(shè)有觀察玻璃窗。玻璃窗采用4 層真空保溫玻璃，應(yīng)具有良好的保溫效果，在-50℃溫度下應(yīng)避免玻璃窗內(nèi)側(cè)有結(jié)露和起霧現(xiàn)象。

圖10 上送下回的送風(fēng)模式

3.2.4 建筑保溫設(shè)計

大型極地環(huán)境實驗室的保溫系統(tǒng)非常重要。實驗室內(nèi)表面壁板采用不銹鋼冷庫板，庫板之間采用硅膠密封，應(yīng)為專門的耐低溫硅膠，結(jié)構(gòu)如圖11所示。硅膠容易老化需要定期維護，壁板內(nèi)側(cè)應(yīng)該還有絕緣保溫。實驗室地板采用塊狀的防開裂特制耐低溫水泥地板，每塊地板之間采用硅膠或橡膠的密封條，圖12 為地板保溫結(jié)構(gòu)。應(yīng)充分考慮極端低溫和高溫下地板熱脹冷縮的影響，地板下應(yīng)有防潮和保溫層，防止水泥地板開裂。此外，大型超低溫實驗室應(yīng)考慮會有專門的叉車及運輸車輛的進入，以及耐壓耐溫、熱脹冷縮及保溫的功能，因此地板保溫及耐強度和制造工藝比較高。在實驗室的移門和板縫之間應(yīng)采用硅膠密封以防止漏風(fēng)和局部區(qū)域結(jié)霜，庫板的硅膠密封需定期維護保養(yǎng)，避免由于硅膠老化引起漏風(fēng)和冷氣泄漏。

圖11 壁板保溫結(jié)構(gòu)

圖12 地板保溫結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

從全球軍方和民用研究院所陸續(xù)加大極地工程與技術(shù)實驗室的建設(shè)來看，極地試驗與研究未來有望成為推動裝備研發(fā)與極地活動的重要技術(shù)保障，對于我國發(fā)揮極地工程與技術(shù)優(yōu)勢、突破極地重大問題具有重要幫助[1]。美國陸軍建立和運營寒區(qū)研究與工程實驗室半個世紀(jì)以來，主要為美國政府和軍方提供寒區(qū)科學(xué)和工程支持，在極地冰蓋、多年凍土、寒冷開發(fā)自然資源（例如阿拉斯加）的工程技術(shù)以及氣候變化科學(xué)、波傳播理解、通航水道中的結(jié)構(gòu)物積雪和冰控制以及軍事設(shè)施環(huán)境修復(fù)等作出了貢獻。

我國目前正進入極地發(fā)展的開拓期，一方面，我國極地裝備迎來智能化發(fā)展的機遇，帶來極地裝備智能化設(shè)計與運行的需求；另一方面，我國極地裝備產(chǎn)業(yè)鏈體系的自主發(fā)展遭遇標(biāo)準(zhǔn)和認證等國際壁壘。為推動我國極地裝備加快自主研制能力的形成、發(fā)揮國際科技優(yōu)勢，需要以科學(xué)與工程技術(shù)實驗室建設(shè)為契機，推動我國極地裝備自主發(fā)展，推動軍民技術(shù)融合發(fā)展，實現(xiàn)我國在極地的發(fā)展與安全利益，因此建設(shè)實驗室的作用重要且意義重大。