典型客艙冷梁空調(diào)系統(tǒng)氣流組織數(shù)值模擬

謝鵬，錢作勤，甘念重，任杰，張羽佳，胡天宇

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

常規(guī)船用空調(diào)系統(tǒng)皆以循環(huán)風(fēng)來移除室內(nèi)余熱，但同時伴隨著吹風(fēng)感等熱舒適性不佳的問題[1]。為提升游客在郵輪上的生活體驗(yàn)，郵輪的設(shè)計與建造除滿足常規(guī)船舶的規(guī)范要求之外，還必須提高其熱舒適性。主動式冷梁作為一種輻射供冷裝置，可有效提高室內(nèi)熱舒適性[2]。主動式冷梁被廣泛應(yīng)用于對室內(nèi)熱舒適性要求比較嚴(yán)格的場合，如分隔或者敞開辦公室、酒店房間、醫(yī)院病房、零售商店[3-4]，其在郵輪中的應(yīng)用具有廣闊的前景。為了保證客艙熱舒適性，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計效率，利用Airpak軟件對2種空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織進(jìn)行模擬，為典型客艙空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 典型客艙區(qū)域計算模型

1.1 設(shè)計參數(shù)

主動式冷梁與室內(nèi)環(huán)境之間的熱交換主要是通過輻射、對流形式進(jìn)行[5-7]。選擇1臺某品牌型號為FTLZL210/C-3000/300的主動式冷梁作為該豪華郵輪客艙空調(diào)末端。該型號產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見表1。

表1 主動式冷梁結(jié)構(gòu)參數(shù)表

豪華郵輪典型客艙長7 m、寬3 m、高2.4 m，舷窗寬1.9 m、高2 m，艙門寬0.8 m、高2 m。艙內(nèi)初始條件按照艙內(nèi)設(shè)計溫度26 ℃、相對濕度55%進(jìn)行設(shè)置。由艙壁傳入熱量為1 064.8 W，艙內(nèi)2名旅客的顯熱為75 W，潛熱55 W，散濕量為0.030 3 g/s、飲水機(jī)散熱功率500 W、電視機(jī)散熱功率300 W、熒光燈散熱功率30 W，回風(fēng)口中心點(diǎn)為X=0.4 m，Y=0.5 m，Z=3 m，回風(fēng)口長0.4 m、寬0.4 m。

模擬艙室A采用冷梁空調(diào)，模擬艙室B采用風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)。

艙室A中冷梁中心點(diǎn)為X=4.5 m，Z=1.5 m，Y=2.4 m，送風(fēng)口位于冷梁下表面，冷梁結(jié)構(gòu)尺寸見表1，送風(fēng)速度為1.13 m/s，送風(fēng)溫度為20.3 ℃，含濕量為11.24 g/kg，相對濕度74%。

艙室B中傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管位于艙門正上方，送風(fēng)口長1.2 m、寬0.1 m，送風(fēng)速度為2 m/s，送風(fēng)溫度18 ℃、含濕量為11.65 g/kg，相對濕度89%。

1.2 計算模型

根據(jù)實(shí)際客艙模型和室內(nèi)設(shè)備分布，利用Airpak軟件建立數(shù)值模擬物理模型，客艙內(nèi)部陳設(shè)見圖1。

圖1 模擬房間布局示意

客艙計算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，由于送風(fēng)口、回風(fēng)口及熱源周圍(照明燈、飲水機(jī)、電視機(jī)以及人體)溫度和速度梯度較大，對這些區(qū)域進(jìn)行局部加密細(xì)化，以提高網(wǎng)格質(zhì)量。

2 計算結(jié)果

2.1 溫度場對比分析

旅客日常活動區(qū)域?yàn)榫嗟孛?.5～1.5 m，取距艙室地面1.1 m(人體坐立頭部高度)高度截面的溫度場進(jìn)行分析[8-10]。艙室A、B中y=1.1 m水平剖面溫度分布情況見圖2。

圖2 模擬艙室y=1.1 m剖面溫度分布

由圖2可見，采用冷梁空調(diào)系統(tǒng)的艙室A溫度分布更加均勻。艙室A中主動式冷梁安裝在艙室頂部，主動式冷梁通過輻射和對流的方式維持艙內(nèi)空氣品質(zhì)，主動式冷梁送風(fēng)速度小，對艙內(nèi)氣流擾動較小，人體活動主要區(qū)域溫度為26 ℃左右，旅客甲與旅客乙周圍溫度約為26 ℃，溫度場分布均勻。而艙室B中艙內(nèi)冷負(fù)荷由風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)來處理，風(fēng)機(jī)盤管安裝于艙門上方，送入艙內(nèi)冷量沿射流氣流擴(kuò)散方向傳遞，因此從艙門至舷窗溫度逐漸升高，人體活動區(qū)域溫度在24～27 ℃之間，旅客甲周圍溫度約為27 ℃，旅客乙周圍溫度約為25 ℃，溫度分布均勻性較差。

2.2 速度場對比分析

艙室A和艙室B中y=1.1 m水平截面風(fēng)速分布情況見圖3。艙室A中，艙室人體主要活動區(qū)域風(fēng)速在0.1～0.2 m/s之間，旅客甲與旅客乙周圍空氣流速均在0.1 m/s左右，關(guān)于速度的熱舒適性較好。在艙室B內(nèi)風(fēng)速波動較大，人體主要活動區(qū)域風(fēng)速在0.4～0.8 m/s之間，旅客附近風(fēng)速均在0.4 m/s以上，吹風(fēng)感明顯，艙室B中關(guān)于速度的熱舒適性較差。

圖3 模擬艙室y=1.1 m剖面速度分布示意

2.3 PMV-PPD值對比分析

用PMV(預(yù)測平均熱感覺評價)及PPD(預(yù)測不滿意百分比)2項(xiàng)指標(biāo)描述和評價熱環(huán)境。艙室PMV、PPD的分布情況，艙室測點(diǎn)處垂直方向上的PMV、PPD分布見圖4。

圖4 2個艙室垂直方向上的PMV-PPD分布

艙室A中，在旅客主要活動區(qū)域(0.5

3 結(jié)論

風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)以循環(huán)風(fēng)來移除室內(nèi)余熱，送入客艙的冷風(fēng)氣流呈紊流狀態(tài)，造成艙內(nèi)吹風(fēng)感較強(qiáng)、區(qū)域過度冷卻；而冷梁空調(diào)通過誘導(dǎo)艙室內(nèi)空氣，加快艙室內(nèi)空氣流動，有利于艙室內(nèi)溫濕度均勻分布，從而可提高艙內(nèi)的熱舒適性；在豪華郵輪典型客艙中采用冷梁空調(diào)系統(tǒng)可使艙內(nèi)溫度場、速度場分布更均勻，有效提高艙內(nèi)熱舒適性。