船舶配電板間空調氣流組織分析

殷浪華，張譯元

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

近年海上風電在國內的需求持續上漲，對風電安裝平臺的能力需求也在不斷加大，業主對平臺上工作人員和電氣設備工作環境的要求也越來越高。

船舶配電板間電氣設備在運行時會產生大量熱量，若不能及時處理，則會導致配電板和艙室溫度迅速提高。過高的溫度將導致電子元器件性能惡化，使用壽命減少，進而加速絕緣材料的老化和變形，最終導致設備系統出現故障，嚴重時甚至會造成配電系統癱瘓[1]。考慮到海洋環境的惡劣性，為保證配電系統的正常運行，通常采用空調送風的方式以保證艙室的溫度和濕度要求。傳統的空調送風系統設計更加注重艙室各送風口的總送風量，若總風量滿足要求，則認為該艙室的空調系統合格[2]。然而，該驗收方法無法獲得整個艙室內速度和溫度的分布情況，不能確定空調系統的氣流組織是否合理，也不能準確判斷艙室空調系統能否滿足設備運行環境的要求。

氣流組織設計的目的是合理地組織室內空氣的流動，使室內工作區空氣的溫度、相對濕度、速度能更好地滿足舒適性要求[3]。張愷等[4]對變壓器附近的溫度場進行了模擬分析，通過與實測數據進行對比，驗證了模擬的可靠性。張根明等[5]對配電室常用冷卻降溫方案進行分析，并為不同要求的配電室提供了相應通風方案。

本文以某在建風電安裝平臺的配電板間為例，對不同測試點的溫度和氣流分布情況進行分析，并結合實際應用對各氣流組織形式的優缺點進行分析。

1 不同氣流組織形式介紹

1.1 側送側回式

側送側回式氣流組織形式較為簡單，在船舶艙室方面應用較多。側送側回式氣流組織形式通過空調本體送風，沒有接風管，常用于艙室不大且空調送風口前方無遮擋物的情況。氣流從空調側面橫向吹出，經衰減后先送至工作區再回流至空調本體。側送側回式氣流組織形式的缺點較為明顯，艙室容易產生高溫滯留的現象。側送側回式氣流組織形式示意見圖1。

圖1 側送側回式氣流組織形式示意圖

1.2 上送上回式

上送上回式氣流組織形式的氣流從上部風管各風口向下送出，經工作區后回流至回風管或直接回流至空調本體的回風口（見圖2）。上送上回式氣流組織形式對艙室層高的要求較高，若艙室凈高允許，可設置吊頂，將風管暗裝。其送風口常采用散流器或可調節式格柵等形式。該送風形式適合艙室進深較大或艙室遮擋物較多的場合。

圖2 上送上回式氣流組織形式示意圖

1.3 中送上下回式

中送上下回式氣流組織形式中部送風，上部和下部回風，可使艙室溫度呈現分層現象（見圖3）。空調送風將艙室下部隔離成空調區，上部作為非空調區，具有較顯著的節能效果。該氣流組織形式適合用于層高較高的艙室。

圖3 中送上下回式氣流組織形式示意圖

1.4 下送上回式

下送上回式氣流組織形式通過甲板底部送風，上部集中回風，氣流先經過工作區再回流至空調本體回風口，艙室上部區域的余熱不會進入工作區（見圖4）。由于配電板的下進線特點，位于艙室底部的設備散熱量會高于頂部，送風溫度較低的氣流從下往上流動，更有利于配電板設備的冷卻。此外，該氣流組織形式的人員舒適度性較高。

圖4 下送上回式組織形式示意圖

2 物理模型

本文以某在建風電安裝平臺的配電板間為例，對不同測試點的溫度和氣流分布情況進行分析。艙室尺寸為14.400 m×6.592 m×4.200 m（長×寬×高），室內發熱源主要包括配電板（690 V/400 V/230 V）、燈、人員和控制柜。為確保配電板設備能長期可靠運行，艙室空調設備要做到100%冗余，即布置兩臺空調柜機（一用一備）[6]。配電板間主要設備的散熱量如下：690 V 配電板的散熱量約為10 kW；400 V 配電板的散熱量約為22 kW；230 V 配電板的散熱量約為1.2 kW；燈（共10 只）的散熱量總計為160 kW；人員的散熱量為75 W；控制柜的散熱量為200 W。

經負荷計算，空調柜機制冷量為55 kW，送風量為11 000 m3/h。下面建立2 種工況進行計算和分析：1）工況1，該工況采用上送測回的氣流組織形式；2）工況2，該工況采用下送測回的氣流組織形式。2 種工況的送風相關參數一致，具體見表1。物理模型示意見圖5。

表1 各工況送風相關參數

圖5 物理模型示意圖

3 現場測試結果分析

空調艙室的氣流組織方式有很多種，為滿足配電板間電氣設備和工作區人員對溫濕度的要求，氣流組織應根據艙室的幾何形狀、艙室內部遮擋物以及設備的布置情況確定送回風口的位置和形式。合理的氣流組織不僅能增強艙室的空調效果，還會減少空調系統的能耗量。對于配電板間而言，由于熱空氣向上運動，故房間頂部的溫度會明顯高于底部，取配電板頂部區域（Y=2.2 m）為測試點進行溫度測試，2種工況下各測試點的溫度值分別見表2和表3。

表2 Y=2.2 m 處各測試點溫度值（工況1） 單位：℃

表3 Y=2.2 m 處各測試點溫度值（工況2） 單位：℃

由表2 可知，對于工況1，艙室平均溫度約為25.7 ℃，690 V 配電板周圍的溫度基本能滿足要求，但400 V 和230 V 配電板周圍的溫度偏高，高于配電板的適宜溫度（35 ℃）[7]，部分區域溫度可達到40 ℃，且高溫區域較多。400 V 和230 V 配電板在高溫下工作，設備運行環境不佳，長期如此，會縮短配電板壽命，易出現故障。

由表3 可知，對于工況2，其配電板附近的溫度相較工況1 明顯降低，配電板周圍溫度不超過35 ℃。此外，整個艙室的溫度更加均勻，艙室平均溫度為23.6 ℃，相較工況1 降低了2.1 ℃，這不僅為配電板提供了更加適宜的運行環境，還會使配電板間值班的人員感到更加舒適。

由表2 和表3 可知，440 V 和230 V 配電板附近的溫度較高。經現場風速測試，工況1 配電板附近的氣流回流機組速度較小，為0.2～0.5 m/s。高溫區域的存在說明此時配電板附近有高溫滯留現象。對于工況2，氣流回到空調的速度為0.6～1.1 m/s，回流速度明顯高于工況1。由此可以看出，下送風可有效緩解高溫滯留現象，降低配電板附近的溫度，這種送風形式與地板送風[8]較為相似。

4 應用分析

本文主要對空調氣流組織形式進行分析，對于某些尺寸較小的配電板間，也可采用側送側回式氣流組織形式。但對本項目不合適，主要原因為：1）對于尺寸較大的配電板間，離空調送風口較遠端的風速極小，導致艙室的降溫效果極差，艙室局部高溫區域范圍較大；2）在艙室頂部氣流回到空調時，易出現渦流現象，氣流死角較明顯，整個艙室的氣流不穩定，氣流組織不合理；3）該送風形式較易結露，故配電板短路和火災風險較大。

上送測回的氣流組織形式主要存在以下缺點：1）增加了空調風管的布置，對于配電板間層高受限的船舶來說風管布置極其困難；2）易出現高溫滯留現象，不利于配電板長期穩定運行；3）部分送風口存在結露可能，短路和火災風險較高。

下送測回的氣流組織形式改善了上送測回的氣流組織形式的缺點，在進一步降低整個艙室溫度的同時，氣流也更加合理。此外，下送測回的氣流組織形式不占用配電板間的層高，風管布置于配電板間的升高地板內，較為美觀。但其缺點也較為明顯：1）風管布置于升高地板內，由于配電板一般是下進線，故在前期設計時需要充分考慮風管與電纜的合理布置；2）當空調風量較大時，需要降低下送風口的風速，否則艙室會有較強的“吹風感”，值班人員會感到不適[9]。針對以上不足之處，可增加配電板間的凈層高，使配電板間內的空氣流通更加順暢，減少熱空氣的堆積，改善配電板底部區域的溫度環境。

5 結論

本文以某在建風電安裝平臺的配電板間為例，分析了不同測試點的溫度和氣流分布情況，并結合實際應用對各氣流組織形式的優缺點進行分析。結果表明：下送上回式不但可降低艙室溫度，還能使溫度分布更均勻，氣流分布更合理。本文的研究結果可為船舶配電板間空調氣流組織設計提供一定參考。