周根明，厲盼盼

(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

船舶艙室外空氣的溫濕度隨著航行區(qū)域環(huán)境的變化而發(fā)生變化，從而影響艙室內(nèi)空氣的溫濕度，而船上的艙室空間小，布置集中，使艙內(nèi)空氣易被污染，將影響船員身心健康.并且環(huán)境條件對(duì)船舶設(shè)備的影響極大，據(jù)統(tǒng)計(jì)在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)故障中，有52%是環(huán)境因素引起的，其中溫度引起的故障約占40%，濕度約占19%［1］.

隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展和科技水平的提高，對(duì)空調(diào)技術(shù)及其設(shè)備的要求也越來(lái)越高，船舶空調(diào)設(shè)備在定型化、系列化的基礎(chǔ)上，又向著小型化、組裝化和自動(dòng)化發(fā)展.而近年來(lái)發(fā)展較快的大溫差低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)因其節(jié)能性、室內(nèi)空氣品質(zhì)高、室內(nèi)噪音較低等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越多的關(guān)注.大溫差低溫送風(fēng)技術(shù)就是指空調(diào)送風(fēng)溫差比常規(guī)空調(diào)的5℃溫差大，送風(fēng)溫差達(dá)到14～20℃.空調(diào)系統(tǒng)的夏季送風(fēng)溫差，對(duì)室內(nèi)溫濕度效果有一定影響，是決定空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要因素之一［2］.

1 大溫差送風(fēng)在船舶空調(diào)上的優(yōu)勢(shì)

1 )該系統(tǒng)通過(guò)低的送風(fēng)溫度，可以減少30%～40%的送風(fēng)量，空調(diào)機(jī)組尺寸可以減小20%～ 30%，風(fēng)管尺寸可減小30%，減小系統(tǒng)設(shè)備投資費(fèi)用及節(jié)省艙室空間［3－4］.

2 )風(fēng)機(jī)功率的減少，可降低能耗與運(yùn)行費(fèi)用.空調(diào)是艦船航行中的耗能大戶，直接影響艦船航行能力，因此要求盡量減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗，提高艦船的戰(zhàn)斗力.

3 )提高舒適性，改善室內(nèi)空氣品質(zhì).低溫送風(fēng)系統(tǒng)可使室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度與露點(diǎn)溫度比常溫系統(tǒng)更低.相對(duì)濕度一般在40%左右，能顯著提高供冷房間人體的舒適性［5］.

2 船舶艙室模型

由于該系統(tǒng)通過(guò)增大送風(fēng)溫差來(lái)降低輸送系統(tǒng)的能耗，需要考慮對(duì)艙室內(nèi)舒適度的影響.文中以典型的船用艙室為例，應(yīng)用現(xiàn)在流行的商業(yè)模擬軟件fluent，研究夏季送風(fēng)工況下的艙室氣流組織分布，分析船員艙室的熱舒適度和該技術(shù)應(yīng)用的可行性.

該船員艙室長(zhǎng)、寬、高分別為4.1，2.8，2.1m(圖1)，空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為27℃，根據(jù)人體熱舒適性要求，在通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，首先送風(fēng)低速，避免冷風(fēng)直吹產(chǎn)生的不適感.在人員活動(dòng)區(qū)的送風(fēng)風(fēng)速滿足微風(fēng)速設(shè)計(jì)要求，在夏季時(shí)小于或等于0.3 m/s;其次是溫度場(chǎng)分布均勻，人體縱向溫差不大于3℃.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)“GB/T13409－92船舶起居處所空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法”進(jìn)行相關(guān)通風(fēng)參數(shù)的計(jì)算和設(shè)定，得出本模型房間的負(fù)荷(表1).

表1 主要空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷Table1 Major air conditioning design load

2.1 物理模型及邊界條件的確定

在艙室上方頂板距東艙壁面1.0m處，布置1個(gè)1050mm×20mm條形送風(fēng)口，出風(fēng)角度為20°，風(fēng)口靜壓箱直接與空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)管路連接，并布置1個(gè)長(zhǎng)為150mm×150mm的回風(fēng)口，位于東艙壁面下［6－7］.進(jìn)口邊界應(yīng)用速度進(jìn)口條件，速度方向20°于進(jìn)口截面，出口邊界應(yīng)用出流邊界條件，艙室的氣圖2.艙室壁面條件:南艙壁和西艙壁視為絕熱面.其他兩艙壁面邊界條件取為第三類邊界條件，取甲板的傳熱系數(shù)為0.6W(m2·℃)－1，外圍璧的傳熱系數(shù)為0.8W(m2·℃)－1.

圖1 船員艙室模型示意Fig.1 Livingmodel of crews

圖2 艙室氣流流型Fig.2 Air flow pattern of crews

2.2 湍流模型及送風(fēng)參數(shù)的確定

文中選用RNG k－ε渦粘性湍流模型，該模型在高應(yīng)變率情況下會(huì)自動(dòng)限制紊流粘性，適用大溫差送風(fēng)空調(diào)房間模型.為了計(jì)算方便，假設(shè)艙室內(nèi)氣流為定常不可壓縮氣體，且艙室內(nèi)空氣符合Boussinesq假設(shè)［8］，即流體中粘性耗散忽略不計(jì)，密度的變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響.

設(shè)置送風(fēng)口開口不變，艙室滿負(fù)荷送風(fēng)的送風(fēng)量為261.18m3/h，幾種送風(fēng)方案的參數(shù)分別為:送風(fēng)溫度10℃，70%送風(fēng)量183.08m3/h;送風(fēng)溫度10℃，50%送風(fēng)量130.77m3/h;送風(fēng)溫度為7℃，70%送風(fēng)量183.08m3/h;送風(fēng)溫度為7℃，50%送風(fēng)量130.77m3/h，其它由人員、電腦以及燈具等產(chǎn)生的熱量均保持不變.

3 模擬結(jié)果與分析

文中模擬了不同送風(fēng)溫度和不同送風(fēng)量的送風(fēng)情況，選擇了2個(gè)典型斷面z=1.4m(人員活動(dòng)區(qū))來(lái)分析艙室舒適度［9］.

3.1 送風(fēng)溫度為10℃時(shí)的模擬結(jié)果與分析

圖3中溫度梯度最大值出現(xiàn)在送風(fēng)口附近，在z=1.4m的人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)，由于送風(fēng)溫度為10℃，空流流型如氣的平均溫度有所提高，但是溫度分布均勻，人員感覺(jué)較舒適;當(dāng)風(fēng)量減少時(shí)，低溫射流出口風(fēng)速降低，貼附長(zhǎng)度減小.該區(qū)域平均溫度也升高為27.3～28.4℃，雖然溫度比7℃時(shí)的溫度高，但是(對(duì)于船員而言)在床鋪上休息和睡覺(jué)時(shí)，此溫度(在人體舒適性范圍)很適合熟睡.由圖4的速度分布圖可看出，在風(fēng)量為183.08m3/h時(shí)，在左下角有漩渦，這是由于送風(fēng)口所送的風(fēng)整體射流到東墻上所造成的［10］.

圖3 送風(fēng)溫度為10℃的溫度分布云圖Fig.3 Temperature contours of 10℃supply air temperature

圖4 送風(fēng)溫度為10℃的速度分布云圖Fig.4 Velocity contours of 10℃supply air temperature

3.2 送風(fēng)溫度為7℃時(shí)的模擬結(jié)果與分析

圖5為送風(fēng)溫度7℃時(shí)艙室不同送風(fēng)量的溫度和速度模擬結(jié)果.從圖中可以看出，溫度分布趨勢(shì)比較均勻，平均溫度在26～27.5℃，滿足艙室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)的要求.斷面x=1.4m人員活動(dòng)區(qū)，溫差不大.由圖6知在一定的送風(fēng)量下，房間內(nèi)速度場(chǎng)分布影響不大，當(dāng)降低送風(fēng)量時(shí)，房間斷面的速度大小發(fā)生改變，但分布趨勢(shì)不變.由于風(fēng)量的減小，在送風(fēng)口出風(fēng)面積不變的情況下，送風(fēng)速度的降低導(dǎo)致了射流出口動(dòng)量的減小，從而造成射流不能很好的貼附頂棚，但是室內(nèi)所有溫度和速度分布均勻，都能滿足設(shè)計(jì)要求.

圖5 送風(fēng)溫度為7℃的溫度分布云圖Fig.5 Temperature contours of 7℃supply air temperature

圖6 送風(fēng)溫度為7℃的速度分布云圖Fig.6 Velocity contours of 7℃supply air temperature

從圖3～6可以看出，10℃和7℃送風(fēng)的斷面上的分布云圖發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，低溫送風(fēng)斷面即x=1.4m的斷面上溫度梯度逐漸變大，冷風(fēng)下沉.當(dāng)送風(fēng)量的降低時(shí)，床鋪上的呼吸區(qū)的平均溫度升高，和送風(fēng)速度降低，但總體來(lái)看平均溫度和平均風(fēng)速仍都滿足規(guī)定的不大于3℃和不大于0.3m/s，所以可認(rèn)為在10℃和7℃溫度下送風(fēng)時(shí)的氣流組織是令人滿意的，能夠達(dá)到比較舒適的狀態(tài).

3.3 大溫差送風(fēng)與常規(guī)工況比較

為了分析大溫差送風(fēng)對(duì)艙室送風(fēng)參數(shù)如溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)均勻性以及溫度影響，文中將大溫差低溫送風(fēng)與常規(guī)空調(diào)送風(fēng)進(jìn)行比較分析，不同的送風(fēng)參數(shù)下艙室的溫度和速度平均值如表2.

常規(guī)送風(fēng)工況為艙室設(shè)計(jì)溫度27℃，送風(fēng)溫度13℃，送風(fēng)溫差14℃，100%送風(fēng)量261.18m3/h，送風(fēng)口尺寸1050mm×250mm.

表2 不同送風(fēng)溫度和送風(fēng)量條件下的平均溫度和平均速度Table2 Average temperature and average speed of different air temperature and air volume

從表2的比較可得知，大溫差低溫送風(fēng)的平均溫度和平均速度分布隨風(fēng)量變化的趨勢(shì)與常規(guī)空調(diào)送風(fēng)工況相同，并且平均值都在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，只是送風(fēng)量為50%部分負(fù)荷送風(fēng)時(shí)，送風(fēng)平均溫度的變化幅度比較大，但送風(fēng)量的減少使艙室振動(dòng)減少、噪音降低，因此大溫差低溫送風(fēng)舒適性都是令人滿意的.

4 結(jié)論

文中提出了大溫差低溫送風(fēng)方案，并針對(duì)船員艙室的負(fù)荷情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了艙室的溫度和速度分布.經(jīng)分析知，對(duì)于兩種送風(fēng)溫度為10℃和7℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為27℃，送風(fēng)量分別為送風(fēng)量183.08m3/h和130.77m3/h.當(dāng)送風(fēng)口的送風(fēng)面積不變時(shí)，在不同的送風(fēng)溫度和送風(fēng)量下，艙室的平均溫度和平均速度滿足標(biāo)準(zhǔn)和人體舒適性要求，送風(fēng)速度隨著送風(fēng)量的減小，分別更加均勻.因此，大溫差低溫送風(fēng)在船舶空調(diào)上的應(yīng)用是可行的.

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