變風量條件下船舶會議室污染物濃度分布模擬研究

趙忠超，云 龍，張 霄，賈丹丹，趙 凱

(江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

變風量條件下船舶會議室污染物濃度分布模擬研究

趙忠超，云 龍，張 霄，賈丹丹，趙 凱

(江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

以非空態(tài)船舶會議室為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法分別對同側上送下回、上送下側回、異側上送下回、上送上回4種典型送風方式下人員工作區(qū)的CO2分布特征以及上送下側回送風形式不同風量條件下人員工作區(qū)CO2濃度變化規(guī)律進行研究分析，計算出船舶會議室空調冷負荷為3 114.6 W，且使空調冷負荷的逐級遞減為2 647.4 W，2 180.2 W和1 713 W;進而與空調負荷相對應的選取設計風量的100%，85%，70%，55%4種風量工況進行模擬.研究結果表明:在100%風量工況下，4種不同送風方式中同側上送下回和上送上回送風方式有較強的稀釋室內污染物的能力，人員工作區(qū)平均CO2濃度較低;送風量的減少使得艙室內CO2濃度分布特征改變，當送風量減小到55%時，艙室內人員工作區(qū)CO2濃度普遍高于1 000 ppm，高于國家所規(guī)定的CO2濃度標準.

船舶會議室;數(shù)值模擬;變風量;CO2濃度

船舶會議室作為人員密度大、密閉性強的人員聚集場所，室內空氣質量至關重要，良好的室內空氣質量不僅能夠有效避免疾病的發(fā)生，還能夠使人員保持良好的精神狀態(tài)和工作效率［1-3］.室內空氣中CO2的含量是評價室內空氣品質的一項重要指標，空氣中CO2的濃度對人體有著極其重要的影響，CO2的濃度過高易引起人體呼吸急促、肺部呼吸增加，甚至導致人體呼吸困難、劇烈頭痛、惡心［4］.文中通過模擬分析同一種送風方式不同送風量時CO2濃度變化以及不同通風方式下的CO2濃度分布，研究船用變風量空調系統(tǒng)風量變化對室內CO2濃度分布的影響及不同送風方式下CO2去除效率的高低.為提供一種適合船舶低矮空間條件、具有良好室內空氣品質的空調送風方案提供參考依據.

1 研究對象

以某船舶會議室作為典型船舶功能艙室為研究對象，分析夏季工況時變風量空調室內空氣品質，其具體尺寸為6 m×4.5 m×2.2 m(長×寬×高).會議室沒有舷窗，處于船體上層右舷位置.右艙壁和后艙壁為日曬艙壁，頂棚為日曬甲板，左艙壁與走廊相鄰，地板和前艙壁與貨艙相鄰，艙室內有7人正在開會，照明設備為4盞熒光燈.利用數(shù)值仿真軟件FLUENT構建該研究對象在不同送、回風形式下的三維物理模型.分別對全負荷狀態(tài)(100%送風量)時同側上送下回、上送下側回、異側上送下回、上送上回4種不同典型送風方式下人員工作區(qū)的CO2分布特征以及上送下側回送風形式100%，85%，70%，55%4種不同送風量工況下人員工作區(qū)CO2濃度變化規(guī)律進行了研究分析.

2 模型建立

2.1 計算模型

為提高計算模擬速度，節(jié)省計算成本，在數(shù)值模擬過程中將船舶會議室內文件柜、沙發(fā)、照明設備等幾何模型均做了適當?shù)暮喕?-6］，會議室內包括參會人員、文件柜、飲水機、熒光燈等均采用簡化的長方體來代替，污染物模擬計算模型如圖1.

圖1 污染物模擬計算模型Fig.1 Pollutants simulating physical model

2.2 物理模型

為簡化模擬，模擬過程中做如下必要假設［7］:

1)船舶會議室內的空氣流動為定常流動.

2)假定會議艙室內空氣低速流動，視為不可壓縮的牛頓流體，且符合Boussinesq假設.

3)假設此船舶會議室沒有舷窗，艙室的右側艙壁、后側艙壁及甲板受到陽光的照射，需要考慮輻射熱.艙室的左側艙壁與走廊相鄰，前艙壁和地板與貨艙相鄰.

4)人體口鼻處為CO2源，每個人員通過呼吸作用產生的CO2為0.005 L/s，為方便計算將會議桌兩側人員所產生CO2統(tǒng)一由兩側中間人員口鼻處釋放，送風CO2濃度為350 ppm.

船舶會議室內具體陳設布置及尺寸如表1.

表1 船舶會議室陳設布置及尺寸Table 1 Layout and size of ships meeting room

2.3 數(shù)學模型

2.3.1 邊界條件

全負荷狀態(tài)空調系統(tǒng)總送風量為0.214 8 m3/s，與空調冷負荷的逐級遞減相應的總風量的100%，85%，70%，55%4種不同風量工況對應的送風量分別為0.214 8，0.182 6，0.150 4，0.118 1 m3/s.100%送風量工況下，4種不同送風方式送風口尺寸及相應送風速度如表2.

表2 不同送風方式送風口尺寸及相應送風速度Table 2 Different types of ventilation air outlet size and the corresponding speed

2.3.2 控制方程

用于描述船舶會議室內空氣品質的控制微分方程為連續(xù)性方程、能量守恒方程、組分輸運方程和湍流輸運方程.鑒于RNG k-ε方程在空氣流動和空氣品質研究領域的廣泛應用，例如應用RNG k-ε模型模擬氣流組織對室內空氣環(huán)境的影響［8］，模擬建筑中庭熱環(huán)境及自然通風［9］等，文中使用該方程描述船舶會議室內空氣品質的變化規(guī)律，控制方程為:

1)連續(xù)性方程

2)動量方程

式中:μeff為湍流有效粘性系數(shù)，μeff=μ+μt.

3)能量方程

4)κ方程

上述控制方程組中的各變量含義參考文獻［10］，其中經驗常數(shù)見表3.

表3 常用經驗常數(shù)Table 3 Common empirical constant

3 測點分布

為直觀地展示船舶會議艙室內CO2濃度分布及變化情況，選取典型截面Z=2.3 m(經過送風口、回風口截面)、X=3 m(人員所在平面)、Y= 1.1 m(人員坐姿時呼吸平面)來分析船舶會議室內CO2濃度分布.

便于定量地分析艙室內CO2濃度分布，在艙室內人員工作區(qū)附近選取具有典型性的4條測試線，每條測試線取具有代表性的5測試點(分別為0.1，0.6，1.1，1.7，2 m)，研究艙室CO2濃度隨高度的變化規(guī)律，測試線位置如圖2.

圖2 測點分布Fig.2 Measurement point distribution

4 網格劃分

網格既是模擬與分析的載體，也是CFD模型的幾何表達形式.網格的劃分關系到計算的精度和速度，網格質量的好壞直接關系到仿真能否成功，考慮到這兩方面的因素，此次模型計算的網格劃分滿足如下條件:

1)對船舶會議室空間離散采用六面體非結構化網格;

2)網格單元最大X，Y，Z尺寸為該空間最大對應尺寸的1/20;

3)最大網格高度設為0.001 m，固體表面的網格數(shù)和流體入口的網格數(shù)都設為5，相鄰網格最大尺寸比設為1.2;

4)由于送風口、回風口及熱源周圍溫度梯度和速度梯度較大，對這些區(qū)域進行局部加密細化，劃分所得整個船舶會議室空間的網格總數(shù)在120萬左右.

5 計算結果及分析

5.1 全負荷狀態(tài)不同送風形式CO2濃度場分析

從圖3不同送風方式100%工況Z=2.3 m截面速度矢量圖可以看出:4種送風方式下，空氣射流自送風口送入到回風口排出整個過程的流動路徑;同側上送下回由送風口送出的空氣射流在頂棚有較好的貼附性，射流區(qū)覆蓋面積大，卷吸力強;上送上回方式下送風射流在地面流動過程中被熱源加熱，經誘導作用與周圍空氣混合，形成類似于“置換通風”的氣流組織;上送下側回方式下，送風口下部的空氣流速度明顯大于艙室其它區(qū)域的氣流速度;異側上送下回方式下，自送風口流出的空氣射流隨著流程的增大在下落過程中速度不斷衰減，流至會議桌左側人員附近，受到熱浮升力的影響而向上運動，在人員右上方形成漩渦.

圖3 不同送風方式100%工況Z=2.3 m截面速度矢量圖Fig.3 Velocity vector of different air supply mode of Z=2.3 m section

圖4 不同送風方式100%工況下Z=2.3 m空氣齡分布Fig.4 Air age distribution of different air supply mode of Z=2.3 m section

圖5 不同送風方式Z=2.3 m截面CO2濃度分布Fig.5 CO2concentration distribution of different air supply mode of Z=2.3 m section

圖6 不同送風方式Y=1.1 m截面CO2濃度分布Fig.6 CO2concentration distribution of different air supply mode of Y=1.1 m section

圖4通過空氣齡反映了4種不同送風方式下室內空氣新鮮程度，結合圖5，6不同送風方式下的CO2濃度分布綜合衡量4種送風方式下室內的通風換氣效果，分析可知CO2濃度分布與艙室內氣流流動形態(tài)密切相關，上送下側回送風方式和異側上送下回送風方式送風射流區(qū)和回流區(qū)空氣混合活動能力強，能夠有效置換稀釋室內舊空氣，CO2濃度較低，但上送下側回射流兩側以及異側上送下回左上方處于渦流區(qū)，空氣流動較弱，CO2濃度較大，同側上送下回方式死角面積較小，整個工作區(qū)氣流流動混合強烈，整體CO2濃度較小，上送上回送風方式有類似于置換通風的氣流組織，與溫度分布相似，下部CO2濃度低上部CO2濃度高，集中熱源投影儀上方CO2濃度較大.

圖7 不同送風方式下CO2濃度分布Fig.7 CO2concentration distribution of different air supply mode

結合圖7定量分析不同送風方式下的CO2濃度分布，其中高度為h，CO2濃度為ω(CO2)，CO2濃度最大的點是異側上送下回送風方式下1.1 m高度處，CO2濃度達到了1 423.2 ppm，說明異側上送下回送風方式對污染源處CO2稀釋排除能力不足.不同送風方式下B點處CO2濃度隨高度先增大后減小，1.1m高度人體呼吸帶處CO2濃度達到最大，這與CO2污染源的所在位置有關.C點和D點處CO2濃度隨高度的變化規(guī)律相似，隨著高度的不斷升高，CO2的濃度不斷增大.比較不同送風方式下各點CO2濃度值發(fā)現(xiàn)，100%風量工況下，4種送風方式中，同側上送下回送風時各點CO2濃度最低，異側上送下回送風時各點CO2濃度最高.

5.2 上送下側回送風不同風量工況下CO2濃度場分析

圖8，9分別為Z=2.3 m截面，X=3 m截面CO2濃度分布圖.由圖可知，艙室內有兩個區(qū)域CO2濃度特征較為明顯:① 污染源人體口鼻周圍區(qū)域受污染源影響CO2濃度較大，且隨著送風量的減小，室內空氣混合擾動的作用減弱，送風對污染源的稀釋作用逐漸變弱，污染源對周圍區(qū)域CO2濃度的影響越來越大，55%風量工況下會議桌最左側人員上方 CO2濃度明顯高于國家標準1 000 ppm，人體感覺較差;② 送風口下方射流區(qū)有效覆蓋區(qū)域CO2濃度較低，CO2濃度在750 ppm以下，這是因為該處送風射流速度較大，對室內舊空氣的稀釋作用較強，能夠將該處含CO2空氣及時稀釋排出或帶至艙室內其它區(qū)域.

圖8 Z=2.3 m截面CO2濃度分布Fig.8 CO2concentration distribution of Z=2.3 m section

圖9 X=3 m截面CO2濃度分布Fig.9 CO2concentration distribution of X=3 m section

圖10為1.1 m高度人體呼吸區(qū)CO2濃度分布圖.由圖可知，隨著送風量的減小，送風與室內舊空氣的混合稀釋作用逐漸減弱，不能很好的完成對工作區(qū)CO2的稀釋和排除，通風效果越來越差.艙室內呼吸區(qū)高度平面內平均CO2濃度逐漸增大，100%風量工況下，1.1 m水平面平均CO2濃度為857 ppm，55%風量工況時，1.1 m人員呼吸高度水平面平均CO2濃度達到了1 080 ppm，與此同時，送風量的減小還導致人體口鼻CO2污染源對周圍環(huán)境CO2濃度的影響越來越大.

圖10 Y=1.1 m截面CO2濃度分布Fig.10 CO2concentration distribution of Y=1.1 m section

結合圖11定量分析艙室內CO2濃度垂直分布規(guī)律，不同送風量工況下A點和B點CO2濃度隨高度的垂直變化規(guī)律與C點和D點CO2濃度隨高度的垂直變化規(guī)律不同:A點和B點處，1.1 m高度CO2濃度最高，其它高度CO2濃度低于1.1 m高度處;C點和D點處，從0.1～2.0 m，隨著高度的增加，CO2濃度不斷升高.這是因為A點和B點位于加有污染源的人員兩側，因而1.1 m高度CO2濃度受污染源影響較大，濃度較高，C點和D點靠近會議桌左邊緣，該區(qū)域下部處于回流區(qū)，舊空氣能夠被新風快速置換，CO2濃度較低，而上部處于渦流區(qū)，CO2濃度較大.圖中看出，隨著送風量的減小，各個位置的CO2濃度不斷升高.

圖11 不同位置CO2濃度垂直分布Fig.11 Vertical distribution of CO2concentrations at different locations

6 結論

1)船舶會議室內CO2濃度分布與不同送風方式在艙室內形成的氣流流動形態(tài)密切相關.綜合比較不同送風方式下艙室速度分布、空氣齡以及CO2濃度分布得知100%風量工況下，4種不同送風方式中同側上送下回和上送上回送風方式有較強的稀釋室內污染物的能力，人員工作區(qū)平均CO2濃度較低.

2)在變風量條件下送風量的減少使得艙室內CO2濃度分布特征改變，當送風量減小到55%時，艙室內人員工作區(qū)CO2濃度普遍高于1 000 ppm，高于國家CO2濃度標準.

3)不同送風量工況下船舶會議室內各測點CO2濃度隨高度的垂直變化規(guī)律不同，這是因為靠近回風口的C點和D點所在區(qū)域處于回流區(qū)，舊空氣能夠被新風快速置換，CO2濃度較低，而A點和B點位于加有污染源的人員兩側，1.1 m高度CO2濃度受污染源影響較大，濃度較高.

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(責任編輯:曹 莉)

Simulation on pollutant concentration distribution in conference rooms on board under variable air volume

Zhao Zhongchao，Yun Long，Zhang Xiao，Jia Dandan，Zhao Kai
(School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

To study the cabins'air quality of VAV(variable air volume，VAV)air-conditioning，the meeting room of a ship is selected as the research object.CO2concentration distribution of the meeting room with several typical air supply modes and under several typical air supply volumes are investigated with numerical simulation.The cooling load of the cabins is 3 114.6 W and progressively decreases to 2 647.4 W，2 180.2 W and 1 713 W.Corresponding to the cooling load，four kinds of air flow conditions(100%，85%，70%and 55%of the designed air volume)are chosen for the simulation.Results show that up-inlet and down-outlet on the same side pattern and up-inlet and up-outlet pattern have high ability to dilute indoor pollutants，which is the optional air organization scheme;The decrease of supply air volume makes the cabin CO2concentration change，when the air supply is reduced to 55%of the designed value，CO2concentration in the working area of cabin staff is generally higher than 1 000 ppm，which is higher than the national standard.

ship's meeting room;numerical simulation;variable air volume;CO2concentration

U664.86

A

1673-4807(2015)06-0546-09

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.008

2015-04-08

江蘇省產學研聯(lián)合創(chuàng)新基金資助項目(BY2013066-09);國家自然科學基金資助項目(51205177)

趙忠超(1975—)，男，博士，副教授，研究方向為船舶空調、建筑節(jié)能和強化傳熱.E-mail:zhongchaozhao@just.edu.cn

趙忠超，云龍，張霄，等.變風量條件下船舶會議室污染物濃度分析模擬研究［J］.江蘇科技大學學報(自然科學版)，2015，29(6): 546-554.