輻射供冷末端布置對郵輪艙室熱環境影響

夏夢寒，徐 立，陳森楊，劉 越

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

郵輪是以海上觀光旅游為主要訴求，體驗奢華的居住環境和現代化的娛樂設施是乘客最主要的目的，其對環保、舒適性、節能性要求都很高。以冷輻射板為末端換熱裝置的空調系統通過降低圍護結構的表面溫度形成冷輻射面，直接與室內環境進行換熱。因而該系統能承擔室內大部分負荷，減少對新風量的需求，降低由冷風引起的局部不舒適度，更符合人體舒適性要求。

不同位置的輻射板會影響艙室內熱交換的過程，進而影響艙室負荷特性[1]。受到房間空間布局的限制，選取輻射頂板系統、輻射垂直墻壁系統和無輻射末端系統3種空調系統，采用Airpak軟件搭建艙室供冷模型，分析不同冷輻射末端布置方式對艙室熱環境的影響，選取合理的送風速度，為夏季輻射供冷末端布置方式的設計提供參考。

1 物理模型

以某郵輪的典型雙人艙室為基礎模型，建立尺寸為7.4 m×2.8 m×2.2 m的三維框架結構，簡化艙室內部家具的物理模型。艙室三維模型示意圖如圖1所示。

圖1 艙室三維模型示意圖

所選的艙室設定在中間層，與相鄰的艙室同為相同工況，無艙室之間的傳熱；靠近船舷一側艙壁設置有普通雙層玻璃，內置淡色遮陽窗簾；前艙壁與走廊有溫差，存在熱傳遞現象。艙室內主要的家具設施有2張雙人床、沙發、衣柜、茶幾、化妝臺以及電視機柜，并有浴室和衛生間2個隔斷間。按GB/T 13409-1992《船舶起居處所空氣調節與通風設計參數和計算方法》規定，艙室基本參數[2]如表1所示。

表1 艙室基本參數

根據郵輪在無限航區航行的實際情況，夏季工況艙室外部的干球溫度為35 ℃，相對濕度為70%。本艙室的空調系統采用輻射供冷空調系統，為達到艙內溫度26 ℃和相對濕度50%的要求，選取輻射板平均輻射溫度為20 ℃。

2 數學模型

實際艙室內空氣流動是自然對流、強迫對流和輻射換熱都存在的湍流流動，在數值模擬中將室內空氣流動視為常溫、低速、不可壓縮流體的流動，并且艙室內空氣符合Boussinesq假設，可以忽略壓力對密度的影響。

k-ε模型對高雷諾數的湍流流動有效，收斂性較好，精確度高，并且對有障礙物和由內熱源的混合流動，能準確預測室內流場分布[3],則采用k-ε模型對艙室進行模擬。k-ε模型中，湍流動能k方程為：

(1)

湍流耗散率ε方程為：

(2)

式中,σk、σε、C1、C2均為常數；k為單位質量流體湍流脈動動能；ε為單位質量流體湍流動能的耗散率；μt為湍流運動黏性系數；ρ為流體密度；μ為流體黏性系數；u為流體速度；t為時間；Pg為生產項。

3 仿真結果與分析

3.1 仿真工況

根據冷輻射末端在艙室內布置不同，設計3種空調系統：無輻射末端系統(工況1)、輻射垂直墻壁系統(工況2)和輻射頂板系統(工況3)。在保證送風量、輻射板面積、單位面積供冷量、室內設定溫度、室內冷負荷不變的情況下，進行模擬。各工況參數如表2所示。

表2 各工況參數

3.2 結果分析

結合人員的主要活動區域，選取艙室內具有研究意義的艙室橫截面，利用這些典型的橫截面來分析多種工況下艙室內溫度場和速度場的顯示情況。

1)無輻射末端系統工況。為分析人員主要活動區的溫度梯度變化，選取工況1，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖如圖2所示。

圖2 工況1，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖

由圖2知，對比2種工況下Y=0.62截面溫度分布情況，送風溫度為19 ℃時，大部分區域的溫度在26 ℃左右，但靠近玻璃窗區域的溫度受太陽輻射的影響，呈現較高的溫度，高于28 ℃，人體兩側呈現明顯溫差；送風溫度為18℃時，艙室內空氣溫度分布不均，受太陽輻射和走道傳熱的影響，兩端溫度相對較高，而中間部位溫度低于25 ℃，艙室溫度出現明顯的分層現象，溫度差較大，艙室舒適度體驗較差。

2)輻射垂直墻壁系統。為分析人員主要活動區的溫度梯度的變化，選取工況2，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖如圖3所示；工況2，X=0.75截面溫度和空氣流速云圖如圖4所示。

圖3 工況2，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖

圖4 工況2，X=0.75截面溫度和空氣流速云圖

由圖4知，頂部低溫區是由新風擴散氣流形成。當送風速度較大時，氣流沿水平方向運動距離更長，誘導周圍空氣向前運動與輻射板換熱，在頂部形成的低溫區范圍小，且在Y軸方向的溫度梯度分布不明顯，艙室空氣溫度趨向均勻。由圖3知，玻璃窗區域溫度分層現象明顯，送風速度越大，氣流與輻射板接觸時的速度越大，在重力和冷輻射的作用下，氣流以相對較高的速度通過玻璃窗，帶動熱空氣向前運動，在角落沉淀，形成局部溫度分層現象。

3)輻射頂板系統。分析人員主要活動區的溫度梯度變化，選取工況3，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖如圖5所示；工況3，X=0.75截面溫度和空氣流速云圖如圖6所示。

圖5 工況3，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖

圖6 工況3，X=0.75截面溫度和空氣流速云圖

由圖5知，人體主要活動區域的溫度為26 ℃，溫度分布較為均勻，人體縱向溫度差不超過2℃，受太陽輻射影響，玻璃窗區域有局部溫度分層現象，衛生間受走道傳熱影響溫度在27 ℃左右。

由圖6知，頂部低溫區是由新風擴散氣流和冷輻射共同作用形成，送風速度越小，在阻尼和重力的作用下，氣流沿水平方向運動距離越短，沿輻射板的擴散運動提前，形成的低溫扇形區越往右移，且在Y軸方向的溫度梯度分布越明顯，使得艙室空氣溫度分布不均勻。

由圖3和圖4可知，垂直墻壁輻射工況在X=0.75截面的溫度分布趨向均勻，在送風速度為1.2 m/s時，玻璃窗區域溫度分層不明顯，但在輻射板周圍存在明顯溫度梯度。

由圖5和圖6可知，頂板輻射工況在Y=0.65截面的溫度分布更加均勻，在送風速度為1.5 m/s時，溫度為26 ℃分界線的最低高度為1.6 m，該區域并非人員的主要活動區域，并且滿足人員坐姿時縱向溫差不超過2 ℃。因此，送風速度為1.5 m/s的輻射頂板系統在溫度和速度分布上更加均勻，空氣流速都要小于0.15 m/s，人員無明顯吹風感，滿足人體舒適度的要求[4]。

3.3 熱舒適性評價

PMV-PPD指標是大多數人對熱環境的平均投票和不滿意百分數，用以評估人體熱舒適性。利用熱舒適性評價指標PMV-PPD和平均空氣齡對頂部輻射3-2工況的艙室環境進行評價，選取X=3.45截面(沙發)和X=4.30截面(梳妝臺)作為參考截面，以人體坐姿0.10 m、0.60 m和1.25 m為垂直高度，描述人員主要活動區域的舒適度，如表3所示。

在PMV-PPD指標中，-0.5

表3 人員主要活動區域的舒適度

4 結束語

本文通過Airpak軟件模擬不同供冷工況下艙室熱環境，發現人員主要活動區域的空氣流速都要小于0.15 m/s，人員無明顯吹風感。

1)靠近玻璃窗區域的舒適性指標明顯偏高，局部有溫度分層現象，可在外部增加遮陽設施或改善玻璃的材質，降低太陽輻射產生的熱效應。

2)與無輻射末端系統相比，輻射供冷工況所需要的送風溫度明顯較高，人員活動區的溫度分布更加均勻，空氣新鮮程度更高，人體舒適度更高。

3)與輻射垂直墻壁系統相比，頂板供冷工況在X軸方向的溫度分布更加均勻，且送風速度為1.5 m/s時，艙室溫度和速度分布更均勻，且主要活動區域的平均空氣年齡低，評價指標處于舒適范圍，艙室內人員的感覺最舒適。