工作艙室中均勻與非均勻氣流場分析1

華呈新，李 超，錢 強

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引言

普通工作艙室通常采用機械送風、自然回風的通風方式，配合獨立式柜機或風機盤管等實現艙室的均衡降溫。由于送風口均勻布置，艙室內形成一種均勻氣流場。然而，由于人員站位與日常工作區域與熱源區域的重疊度不高，兩者對環境溫度需求相差較大，可在保證滿足器械設備與人員工作環境所需溫度的情況下減少機柜、控制臺等發熱源的送風與制冷量，進而達到節省能耗的效果，此時，艙室內形成一種非均勻氣流場。

在辦公室場所通風方面的研究有：王兆龍等[1]提出在不考慮辦公室人員流動特性的情況下，將整個辦公室看作一個均勻溫度場的溫度控制方式，往往會使空調處于高負荷運行狀態。鄭志敏等[2]對置換通風方式與混合通風系統進行了分析，重點對個性化送風進行了研究。端木琳等[3]和高乃平等[4]分別對不同通風方式的舒適性和空氣品質進行了研究。

本文對艙室布風器位置和數量、回風格柵數量和大小等冷源配置進行優化，并進行建模仿真，對優化前后溫度場和人員舒適度的變化情況進行分析，在滿足設備環境使用要求和人員舒適性要求的情況下有效減少能耗。

1 艙室模型

基于某船的典型工作艙室，建立均勻氣流場和非均勻氣流場等2 種模型，分別見圖1 和圖2。兩模型中器械與人員位置均保持一致，僅在布風器位置和數量、回風格柵數量和大小等冷源配置方面存在不同。2 種模型的配置對比情況見表1，艙室參數[5]見表2，送風設備與熱源參數見表3。

表1 2 種模型的配置對比情況

表2 艙室參數

表3 送風設備與熱源參數

圖1 均勻氣流場模型示意圖

圖2 非均勻氣流場模型示意圖

2 模擬結果分析

在分析模擬結果時，對于均勻氣流場模型要重點關注艙室整體環境溫度，對于非均勻氣流場模型要重點關注器械設備周圍環境溫度與人員站位活動處的環境溫度。選取坐在站位椅上人員的胸口高度（距離甲板約950 mm）和頭部高度（距離甲板約1 290 mm）這2 個水平高度為特征高度，特征高度處艙室溫度場情況見圖3～圖6。

圖3 均勻氣流場模型溫度場（頭部高度）

圖4 非均勻氣流場模型溫度場（頭部高度）

圖5 均勻氣流場模型溫度場（胸口高度）

圖6 非均勻氣流場模型溫度場（胸口高度）

均勻氣流場模型的艙室平均溫度介于22～26 ℃，機柜大部分位置的溫度超過30 ℃，可滿足使用要求。整體艙室溫度（特別是人員活動處）可有效保持在24 ℃以下，回風格柵處的溫度約為26 ℃。

均勻氣流場模型的溫度分層現象十分明顯，人員活動處的溫度可保持在22～24 ℃，機柜附近的環境溫度明顯高于均勻氣流場模型，但仍能滿足要求。

在考察環境溫度的基礎上，引入預測平均熱感覺指標（Predicted Mean Vote，PMV）和預測不滿意百分比（Predicted Percentage of Dissatisfied，PPD），進一步對人員活動范圍內的舒適度進行考察。

PMV 可用于預測身體的熱感覺，計算公式為

式中：M為代謝率；W為外功；Pa為水蒸氣分壓力；Ta為空氣溫度；Tr為平均輻射溫度；Tcl為服裝表面溫度，計算公式見式（2）；fcl為服裝覆蓋表面積與裸露表面積之比，計算公式見式（3）；hc為對流熱交換系數，計算公式見式（4）。

式中：C、D為參數。

式中：Icl為服裝熱阻。

式中：V為相對空氣速度。

PPD是指預測給定環境中可能感到過熱或過冷的人員在總人數的占比情況，計算公式為

式中：K為參數。

計算結果見圖7～圖14，圖中部分曲線存在間斷或跳躍的情況，間斷或跳躍出現在人員站位處，其相鄰數值可反映該區域的舒適性。由圖7～圖14可知，距離回風口處柜式空調較近的人員5 舒適度較差，體感溫度較低，其余人員舒適度良好。

圖7 均勻氣流場模型人員站位處PMV 值

圖8 非均勻氣流場模型人員站位處PMV 值

圖9 均勻氣流場模型人員站位處PPD 值

圖10 非均勻氣流場模型人員站位處PPD 值

圖11 均勻氣流場模型人員活動處PMV 值

圖12 非均勻氣流場模型人員活動處PMV 值

圖13 均勻氣流場模型人員活動處PPD 值

圖14 非均勻氣流場模型人員活動處PPD 值

3 結論

送風口均勻布置的通風方式往往存在不必要的能耗。本文優化了艙室布風器位置和數量、回風格柵數量和大小等冷源配置，并進行建模仿真，分析了優化前后溫度場和人員舒適度的變化情況，得到如下結論：

1）優化布置方案可在滿足艙室使用環境要求和人員舒適性需求的情況下減少約30%空調送風量。

2）非均勻送風形式可節省能耗，減少管路材料消耗。