輻射供冷末端布置對郵輪艙室熱環(huán)境影響

夏夢寒，徐 立，陳森楊，劉 越

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

郵輪是以海上觀光旅游為主要訴求，體驗奢華的居住環(huán)境和現(xiàn)代化的娛樂設(shè)施是乘客最主要的目的，其對環(huán)保、舒適性、節(jié)能性要求都很高。以冷輻射板為末端換熱裝置的空調(diào)系統(tǒng)通過降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度形成冷輻射面，直接與室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行換熱。因而該系統(tǒng)能承擔(dān)室內(nèi)大部分負(fù)荷，減少對新風(fēng)量的需求，降低由冷風(fēng)引起的局部不舒適度，更符合人體舒適性要求。

不同位置的輻射板會影響艙室內(nèi)熱交換的過程，進(jìn)而影響艙室負(fù)荷特性[1]。受到房間空間布局的限制，選取輻射頂板系統(tǒng)、輻射垂直墻壁系統(tǒng)和無輻射末端系統(tǒng)3種空調(diào)系統(tǒng)，采用Airpak軟件搭建艙室供冷模型，分析不同冷輻射末端布置方式對艙室熱環(huán)境的影響，選取合理的送風(fēng)速度，為夏季輻射供冷末端布置方式的設(shè)計提供參考。

1 物理模型

以某郵輪的典型雙人艙室為基礎(chǔ)模型，建立尺寸為7.4 m×2.8 m×2.2 m的三維框架結(jié)構(gòu)，簡化艙室內(nèi)部家具的物理模型。艙室三維模型示意圖如圖1所示。

圖1 艙室三維模型示意圖

所選的艙室設(shè)定在中間層，與相鄰的艙室同為相同工況，無艙室之間的傳熱；靠近船舷一側(cè)艙壁設(shè)置有普通雙層玻璃，內(nèi)置淡色遮陽窗簾；前艙壁與走廊有溫差，存在熱傳遞現(xiàn)象。艙室內(nèi)主要的家具設(shè)施有2張雙人床、沙發(fā)、衣柜、茶幾、化妝臺以及電視機(jī)柜，并有浴室和衛(wèi)生間2個隔斷間。按GB/T 13409-1992《船舶起居處所空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計參數(shù)和計算方法》規(guī)定，艙室基本參數(shù)[2]如表1所示。

表1 艙室基本參數(shù)

根據(jù)郵輪在無限航區(qū)航行的實際情況，夏季工況艙室外部的干球溫度為35 ℃，相對濕度為70%。本艙室的空調(diào)系統(tǒng)采用輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)，為達(dá)到艙內(nèi)溫度26 ℃和相對濕度50%的要求，選取輻射板平均輻射溫度為20 ℃。

2 數(shù)學(xué)模型

實際艙室內(nèi)空氣流動是自然對流、強(qiáng)迫對流和輻射換熱都存在的湍流流動，在數(shù)值模擬中將室內(nèi)空氣流動視為常溫、低速、不可壓縮流體的流動，并且艙室內(nèi)空氣符合Boussinesq假設(shè)，可以忽略壓力對密度的影響。

k-ε模型對高雷諾數(shù)的湍流流動有效，收斂性較好，精確度高，并且對有障礙物和由內(nèi)熱源的混合流動，能準(zhǔn)確預(yù)測室內(nèi)流場分布[3],則采用k-ε模型對艙室進(jìn)行模擬。k-ε模型中，湍流動能k方程為：

(1)

湍流耗散率ε方程為：

(2)

式中,σk、σε、C1、C2均為常數(shù)；k為單位質(zhì)量流體湍流脈動動能；ε為單位質(zhì)量流體湍流動能的耗散率；μt為湍流運動黏性系數(shù)；ρ為流體密度；μ為流體黏性系數(shù)；u為流體速度；t為時間；Pg為生產(chǎn)項。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真工況

根據(jù)冷輻射末端在艙室內(nèi)布置不同，設(shè)計3種空調(diào)系統(tǒng)：無輻射末端系統(tǒng)(工況1)、輻射垂直墻壁系統(tǒng)(工況2)和輻射頂板系統(tǒng)(工況3)。在保證送風(fēng)量、輻射板面積、單位面積供冷量、室內(nèi)設(shè)定溫度、室內(nèi)冷負(fù)荷不變的情況下，進(jìn)行模擬。各工況參數(shù)如表2所示。

表2 各工況參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

結(jié)合人員的主要活動區(qū)域，選取艙室內(nèi)具有研究意義的艙室橫截面，利用這些典型的橫截面來分析多種工況下艙室內(nèi)溫度場和速度場的顯示情況。

1)無輻射末端系統(tǒng)工況。為分析人員主要活動區(qū)的溫度梯度變化，選取工況1，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖如圖2所示。

圖2 工況1，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖

由圖2知，對比2種工況下Y=0.62截面溫度分布情況，送風(fēng)溫度為19 ℃時，大部分區(qū)域的溫度在26 ℃左右，但靠近玻璃窗區(qū)域的溫度受太陽輻射的影響，呈現(xiàn)較高的溫度，高于28 ℃，人體兩側(cè)呈現(xiàn)明顯溫差；送風(fēng)溫度為18℃時，艙室內(nèi)空氣溫度分布不均，受太陽輻射和走道傳熱的影響，兩端溫度相對較高，而中間部位溫度低于25 ℃，艙室溫度出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，溫度差較大，艙室舒適度體驗較差。

2)輻射垂直墻壁系統(tǒng)。為分析人員主要活動區(qū)的溫度梯度的變化，選取工況2，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖如圖3所示；工況2，X=0.75截面溫度和空氣流速云圖如圖4所示。

圖3 工況2，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖

圖4 工況2，X=0.75截面溫度和空氣流速云圖

由圖4知，頂部低溫區(qū)是由新風(fēng)擴(kuò)散氣流形成。當(dāng)送風(fēng)速度較大時，氣流沿水平方向運動距離更長，誘導(dǎo)周圍空氣向前運動與輻射板換熱，在頂部形成的低溫區(qū)范圍小，且在Y軸方向的溫度梯度分布不明顯，艙室空氣溫度趨向均勻。由圖3知，玻璃窗區(qū)域溫度分層現(xiàn)象明顯，送風(fēng)速度越大，氣流與輻射板接觸時的速度越大，在重力和冷輻射的作用下，氣流以相對較高的速度通過玻璃窗，帶動熱空氣向前運動，在角落沉淀，形成局部溫度分層現(xiàn)象。

3)輻射頂板系統(tǒng)。分析人員主要活動區(qū)的溫度梯度變化，選取工況3，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖如圖5所示；工況3，X=0.75截面溫度和空氣流速云圖如圖6所示。

圖5 工況3，Y=0.62截面(平躺)的溫度云圖

圖6 工況3，X=0.75截面溫度和空氣流速云圖

由圖5知，人體主要活動區(qū)域的溫度為26 ℃，溫度分布較為均勻，人體縱向溫度差不超過2℃，受太陽輻射影響，玻璃窗區(qū)域有局部溫度分層現(xiàn)象，衛(wèi)生間受走道傳熱影響溫度在27 ℃左右。

由圖6知，頂部低溫區(qū)是由新風(fēng)擴(kuò)散氣流和冷輻射共同作用形成，送風(fēng)速度越小，在阻尼和重力的作用下，氣流沿水平方向運動距離越短，沿輻射板的擴(kuò)散運動提前，形成的低溫扇形區(qū)越往右移，且在Y軸方向的溫度梯度分布越明顯，使得艙室空氣溫度分布不均勻。

由圖3和圖4可知，垂直墻壁輻射工況在X=0.75截面的溫度分布趨向均勻，在送風(fēng)速度為1.2 m/s時，玻璃窗區(qū)域溫度分層不明顯，但在輻射板周圍存在明顯溫度梯度。

由圖5和圖6可知，頂板輻射工況在Y=0.65截面的溫度分布更加均勻，在送風(fēng)速度為1.5 m/s時，溫度為26 ℃分界線的最低高度為1.6 m，該區(qū)域并非人員的主要活動區(qū)域，并且滿足人員坐姿時縱向溫差不超過2 ℃。因此，送風(fēng)速度為1.5 m/s的輻射頂板系統(tǒng)在溫度和速度分布上更加均勻，空氣流速都要小于0.15 m/s，人員無明顯吹風(fēng)感，滿足人體舒適度的要求[4]。

3.3 熱舒適性評價

PMV-PPD指標(biāo)是大多數(shù)人對熱環(huán)境的平均投票和不滿意百分?jǐn)?shù)，用以評估人體熱舒適性。利用熱舒適性評價指標(biāo)PMV-PPD和平均空氣齡對頂部輻射3-2工況的艙室環(huán)境進(jìn)行評價，選取X=3.45截面(沙發(fā))和X=4.30截面(梳妝臺)作為參考截面，以人體坐姿0.10 m、0.60 m和1.25 m為垂直高度，描述人員主要活動區(qū)域的舒適度，如表3所示。

在PMV-PPD指標(biāo)中，-0.5

表3 人員主要活動區(qū)域的舒適度

4 結(jié)束語

本文通過Airpak軟件模擬不同供冷工況下艙室熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)人員主要活動區(qū)域的空氣流速都要小于0.15 m/s，人員無明顯吹風(fēng)感。

1)靠近玻璃窗區(qū)域的舒適性指標(biāo)明顯偏高，局部有溫度分層現(xiàn)象，可在外部增加遮陽設(shè)施或改善玻璃的材質(zhì)，降低太陽輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

2)與無輻射末端系統(tǒng)相比，輻射供冷工況所需要的送風(fēng)溫度明顯較高，人員活動區(qū)的溫度分布更加均勻，空氣新鮮程度更高，人體舒適度更高。

3)與輻射垂直墻壁系統(tǒng)相比，頂板供冷工況在X軸方向的溫度分布更加均勻，且送風(fēng)速度為1.5 m/s時，艙室溫度和速度分布更均勻，且主要活動區(qū)域的平均空氣年齡低，評價指標(biāo)處于舒適范圍，艙室內(nèi)人員的感覺最舒適。