典型客艙冷梁空調系統氣流組織數值模擬

謝鵬，錢作勤，甘念重，任杰，張羽佳，胡天宇

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

常規船用空調系統皆以循環風來移除室內余熱，但同時伴隨著吹風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，郵輪的設計與建造除滿足常規船舶的規范要求之外，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，可有效提高室內熱舒適性[2]。主動式冷梁被廣泛應用于對室內熱舒適性要求比較嚴格的場合，如分隔或者敞開辦公室、酒店房間、醫院病房、零售商店[3-4]，其在郵輪中的應用具有廣闊的前景。為了保證客艙熱舒適性，降低設計成本，提高設計效率，利用Airpak軟件對2種空調通風系統的氣流組織進行模擬，為典型客艙空調系統設計提供參考。

1 典型客艙區域計算模型

1.1 設計參數

主動式冷梁與室內環境之間的熱交換主要是通過輻射、對流形式進行[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末端。該型號產品結構尺寸參數見表1。

表1 主動式冷梁結構參數表

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。艙內初始條件按照艙內設計溫度26 ℃、相對濕度55%進行設置。由艙壁傳入熱量為1 064.8 W，艙內2名旅客的顯熱為75 W，潛熱55 W，散濕量為0.030 3 g/s、飲水機散熱功率500 W、電視機散熱功率300 W、熒光燈散熱功率30 W，回風口中心點為X=0.4 m，Y=0.5 m，Z=3 m，回風口長0.4 m、寬0.4 m。

模擬艙室A采用冷梁空調，模擬艙室B采用風機盤管空調。

艙室A中冷梁中心點為X=4.5 m，Z=1.5 m，Y=2.4 m，送風口位于冷梁下表面，冷梁結構尺寸見表1，送風速度為1.13 m/s，送風溫度為20.3 ℃，含濕量為11.24 g/kg，相對濕度74%。

艙室B中傳統風機盤管位于艙門正上方，送風口長1.2 m、寬0.1 m，送風速度為2 m/s，送風溫度18 ℃、含濕量為11.65 g/kg，相對濕度89%。

1.2 計算模型

根據實際客艙模型和室內設備分布，利用Airpak軟件建立數值模擬物理模型，客艙內部陳設見圖1。

圖1 模擬房間布局示意

客艙計算域采用結構化網格劃分，由于送風口、回風口及熱源周圍(照明燈、飲水機、電視機以及人體)溫度和速度梯度較大，對這些區域進行局部加密細化，以提高網格質量。

2 計算結果

2.1 溫度場對比分析

旅客日常活動區域為距地面0.5～1.5 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，采用冷梁空調系統的艙室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空氣品質，主動式冷梁送風速度小，對艙內氣流擾動較小，人體活動主要區域溫度為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中艙內冷負荷由風機盤管送風來處理，風機盤管安裝于艙門上方，送入艙內冷量沿射流氣流擴散方向傳遞，因此從艙門至舷窗溫度逐漸升高，人體活動區域溫度在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水平截面風速分布情況見圖3。艙室A中，艙室人體主要活動區域風速在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，關于速度的熱舒適性較好。在艙室B內風速波動較大，人體主要活動區域風速在0.4～0.8 m/s之間，旅客附近風速均在0.4 m/s以上，吹風感明顯，艙室B中關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(預測平均熱感覺評價)及PPD(預測不滿意百分比)2項指標描述和評價熱環境。艙室PMV、PPD的分布情況，艙室測點處垂直方向上的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，在旅客主要活動區域(0.5

3 結論

風機盤管空調以循環風來移除室內余熱，送入客艙的冷風氣流呈紊流狀態，造成艙內吹風感較強、區域過度冷卻；而冷梁空調通過誘導艙室內空氣，加快艙室內空氣流動，有利于艙室內溫濕度均勻分布，從而可提高艙內的熱舒適性；在豪華郵輪典型客艙中采用冷梁空調系統可使艙內溫度場、速度場分布更均勻，有效提高艙內熱舒適性。