船用變風量末端裝置的應用分析

周根明，厲盼盼

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江212003)

0 引 言

變風量空調系統由于其舒適性和節能性在船舶空調系統設計中已被逐漸推廣。變風量系統一般由空氣處理設備、送風系統、變風量末端裝置和自動控制元件組成。其中末端裝置是變風量系統的關鍵設備，通過它來調節送風量，補償變化著的室內負荷，維持室溫;其中變風量末端的種類可分為:單風道型變風量末端、雙風道型變風量末端、風機動力型末端、誘導型末端、壓力相關型末端［1-3］。在國內外變風量末端裝置已經發展了很多年，研究主要集中在VAV BOX 的控制方式模擬研究和性質實驗研究。而末端的舒適性模擬研究也隨著變風量技術的廣泛應用逐漸增多。由于人們對船用末端的重視，所以對艦船變風量空調系統的末端設備的分析也顯得格外重要，因此本文對常用的2 種末端裝置應用Fluent 軟件進行模擬研究，得到船用艙室的溫度分布和速度分布。通過對比分析，得出在送風角度為20°的2 種送風都能很好滿足艙室舒適性要求的結論［4-5］。

1 艦船VAV 末端裝置

幾種可能用于艦船的變風量空調系統末端裝置情況如表1所示［6-7］。

表1 幾種變風量末端基本特點和使用情況Tab.1 Basic characteristics and usage of several VAV boxes

表1 所介紹的末端裝置中有2 種常用的船舶變風量空調系統末端，一個是帶冷熱交換器的動力型末端空調系統;另一個是誘導型末端空調系統，如圖1所示。通過對2 種末端送風氣流組織的模擬，研究2 種末端的不同送風參數對艙室舒適性的影響［8-12］。

2 艙室概況

以1 個長、寬、高分別為4.1 m，2.8 m，2.1 m 的4 人船員艙室為研究對象，房間的布局如圖1所示，X 代表長度為2.8 m 的方向，Y 代表長度為4.1 m 的方向，Z 代表高度為2.1 m 的方向。模擬的是夏季空調工況，該艙室沒有玻璃窗，不考慮玻璃窗傳入熱量;艙室左艙壁和后艙壁與外界環境接觸，上和右艙室均和空調艙室相鄰，各艙室設計溫度相同，忽略艙室之間的換熱;下艙壁與為外地板，為非空調房間。通過計算，得出該船員室滲人熱為876 W，取送風溫差為10℃，送風量為260 m3/h。

2.1 建模和網格劃分

采用湍流模型對室內氣流組織的三維不可壓縮湍流流動進行數值模擬。假設流體為不可壓縮流符合Boussinesp 假設，采用工程實際較多采用的k-e 雙方程模型進行求解。對艙室進行網格劃分，應用四面體網格對進風口、排風口、變風量末端裝置等數學模型進行離散。風口的網格劃分采用較密的網格，艙模擬計算的整個流場內最終網格數為485 884，節點數為517 798。

2.2 送風方式

誘導型末端的物理模型是艙室上方頂板距東艙壁面1.0 m 處，布置1 個1 050 mm×20 mm 條形送風口，出風角度為20°，送風量為260 m3/h，并布置1 個150 mm×150 mm 的回風口，位于東艙壁面下。由人員、燈具和設備等的產熱量保持不變，只考慮因外界環境變化而引起的艙室負荷的變化，送風速度為2.03 m/s，進口空氣溫度為T=290 K。

帶冷熱交換器動力型末端在靠近舷側部位的艙室頂部布置1 個718 mm×508 mm×250 mm(長×寬×高)的帶熱交換器末端送風器，如圖2所示。額定風量為350 m3/h，其中集中空調系統送風量為120 m3/h，二次回風量為230 m3/h，150 mm×150 mm回風口，回風量為120 m3/h;該艙室內的二次回風部分，末端動力通風裝置的進風口即是二次回風的回風口，該風口實際尺寸為508 mm×172 mm，回風量為230 m3/h。一次風風速為1.07 m/s，送風溫度為290 K;二次回風風速為0.65 m/s，溫度為艙室室溫［10］。

圖1 艙室XY 平面布置圖Fig.1 XY floor plan of the cabin room

圖2 帶熱交換器的末端送風方式Fig.2 The air supply of the VAV terminal box with heat exchanger

3 數值模擬及結果分析

1)誘導型末端送風數值模擬結果

圖3 YZ 面X=1.4 m 處的溫度分布云圖Fig.3 YZ plane temperature contours at X=1.4 m

圖4 YZ 面X=1.4 m 處的速度分布云圖Fig.4 YZ plane velocity contours at X=1.4 m

圖5 XY 面Z=0.7 m 處的溫度分布云圖Fig.5 XY plane temperature contours at Z=0.7 m

圖6 XY 面Z=0.7 m 處的速度分布云圖Fig.6 XY plane velocity contours at Z=0.7 m

從圖3 ～圖6 可以看出，采用誘導型末端的條形送風變風量空調系統，射流能夠在頂板形成良好的貼附，在碰到西艙壁面后回流，使艙室處于回流區域。誘導風速低，床鋪上的風速均小于0.2 m/s，滿足人員活動區的送風風速微風速設計要求，即在夏季時小于或等于0.3 m/s 的標準要求，有助于船員對空氣流動的需要。由于末端采用二次混合調節，能夠將系統所送的低溫空調風與船用艙室風經行混合后排出，克服了送風下墜、射流冷風感等問題，由圖8 可以看出艙室床鋪上最高溫度是299.6 K，船員不會有冷風感，且溫度場分布均勻，滿足設計要求。綜上所述，誘導型末端適用于船用艙室，且舒適性滿足設計要求。

圖7 YZ 面X=1.4 m 處的溫度分布云圖Fig.7 YZ plane temperature contours at X=1.4 m

圖8 YZ 面X=1.4 m 處的速度分布云圖Fig.8 YZ plane velocity contours at X=1.4 m

圖9 XY 面Z=0.7 m 處的溫度分布云圖Fig.9 XY plane temperature contours at Z=0.7 m

圖10 XY 面Z=0.7 m 處的速度分布云圖Fig.9 XY plane velocity contours at Z=0.7 m

由圖7 ～圖10 可知，帶熱交換器的末端動力型送風方案的出風速度較小，射流能夠很好地貼附在艙室頂板上，遇到西艙壁后面回流，在床鋪上的風速都低于0.2 m/s。由圖9 可看出，在人行走的空間內速度低，溫度為296.4 K，船員活動會很舒適，并滿足設計要求。綜上所述，采用動力型末端送風方案的艙室溫度分布均勻，氣流速度低，艙室的舒適性較高。

4 結 語

本文以變風量空調系統最關鍵的末端裝置為研究對象，分析了常用艦船變風量末端裝置的應用，通過艙室送風方案設計和數值模擬，得出誘導型變風量末端和帶熱交換器的動力型末端都能夠很好滿足艙室的舒適性要求，艙室內的溫度分布均勻，吹風感很低，船員感覺舒適。而且使用帶熱交換器的動力型末端，能夠節約提高送風溫度所需的熱量。如當室內負荷變動幅度比較大，比如當熱負荷比較大時，即使室內風量已經達到最小送風量，室內溫度還在下降，此時為了保證室內的溫濕度，常采用提高送風溫度的方法，而在帶熱交換器的動力型末端，對室內送風再度加熱處理，提高送風溫度，確保艙室最小送風量，節約了提高送風溫度所需的熱量。所以，在船舶上使用的變風量末端有很多，在艙室空間和經濟條件允許下，可以通過多種方案設計比較，選擇最適合該艦船的變風量空調系統末端。

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