某郵輪餐廳空調系統CFD仿真設計

謝旭晨，郭勇，葉杰，于學超

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

優化艙室空調系統，獲得更優的氣流組織，對于改善郵輪艙室熱舒適性及室內空氣品質具有重要意義。對于艙室氣流環境，常用的研究方法包括CFD仿真、實驗法、理論分析法等，其中CFD仿真不受實際條件限制，研究效率較高。某郵輪餐廳原始送風方式為側向送風，為進一步提升乘客用餐舒適度，考慮采用全孔板送風方式。為此，在CFD軟件中建立餐廳模型，分別模擬兩種方案運行效果，分析溫度、風速、空氣齡等參數，從吹風感、熱舒適性、空氣潔凈度三個角度驗證方案的可行性。

1 模型建立

1.1 餐廳數學模型

選取某郵輪餐廳，依據實際布置建立CFD幾何模型見圖1。

圖1 餐廳幾何模型

軸正向為船艏方向。該餐廳位于甲板中央位置，長、寬、高分別為10、6、3.2 m，四周墻壁及地板與外界溫差趨近于零，可看作絕熱邊界條件。其中艏艉兩側墻壁處分別貼墻設置6張單人餐桌，餐廳中部均勻布置4張6人桌，全餐廳可容納36人同時用餐。

夏季工況顯熱冷負荷計算公式如下。

∑=+++

(1)

式中：∑為顯熱冷負荷；為艙室四周圍護結構及地板熱傳導傳入熱量；為人體散熱；為來自天花板的燈光及傳熱負荷；為其他散熱。取人體顯熱散熱為70 W/人，來自天花板的傳熱及燈光負荷為20 W/m，食物散熱單人桌取50 W每桌，六人桌取200 W每桌。計算可知餐廳顯熱冷負荷∑為5 120 W。

1.2 評價方法

1.2.1 熱舒適性評價

對于空調系統優劣的評價標準主要可以歸結為3方面：熱舒適性、吹風感、空氣潔凈度。其中熱舒適性表征了人對周圍熱環境所做的主觀滿意度評價，衡量標準為預測平均熱感覺指數(predicted mean vote,PMV)和預測不滿意者百分數(predicted percentage dissatisfied，PPD)。PMV根據人體熱平衡的基本方程式及心理生理學主觀熱感覺的等級為出發點，考慮人體熱舒適感的諸多有關因素的全面評價指標，將人體熱感覺從冷到熱依次劃分為冷(-3)、涼(-2)、微涼(-1)、適中(0)、微暖(+1)、暖(+2)、熱(+3)7個等級,依照GB/T 18049—2017《熱環境的人類工效學 通過計算PMV和PPD指數與局部熱舒適準則對熱舒適進行分析測定與解釋》,范圍宜在[-1,1]之間；PPD指數是預計處于熱環境中的群體對于熱環境不滿意的投票平均值，可以預計群體中感覺過暖(≥+2)或過涼(≤-2)的人所占的百分比，GB/T 18049-2017中提出宜≤27%。

1.2.2 氣流速度評價

依據ISO7730,吹風感的衡量標準為吹風感指數(draught rate，DR)，代表由于氣流帶走人體熱量所導致的不滿意人群的百分數。

=(34-)(-005)062·

(037··+314)

(2)

式中:為局部平均空氣溫度，℃；為局部平均空氣流速，若≤0.0 5 m/s，則取=0.05 m/s；為局部紊流強度，即局部空氣流速的標準差與局部平均空氣流速之比，可取0.4。

1.2.3 空氣齡評價

空氣品質是影響船舶艙室衛生的最重要因數，其中空氣齡(age of air)是評價通風換氣的重要指標，是影響空氣品質的重要環節，較短的空氣齡可以有效保證污染物擴散、提高空氣的清新度，是提高乘客航行體驗和舒適感的有效助力。

2 設計方案

2.1 全孔板送風

采用全孔板送風。依據相關設計手冊，出口風速，可按下式進行估算。

(3)

式中:為孔口直徑取0.003 m；為空氣的運動黏度，標準空氣為15.06·10m/s。

為保證乘客用餐舒適度，該餐廳設定環境溫度為24 ℃，送風溫差取4 ℃。根據熱負荷、送風溫差計算得到送風量(m/h),結合送風速度計算孔口總面積和凈孔面積比。

(4)

(5)

式中：為孔口流量系數，取078；為孔板面積，m。

孔口中心距(m):

(6)

對于邊長為·的孔板，其孔口總數為

(7)

式中:、分別為孔板長度、寬度方向的孔口數。

由上述計算得到孔口總面積0.168 m，凈孔面積比2.8%，孔口中心距0.05 m。

在回風口布置方面，選擇地板條縫回風，沿長度方向布置6條條縫，縫尺寸為6 m×0.04 m，間隔1.4 m；沿寬度方向布置3條條縫，每條縫尺寸為10 m×0.04 m，間隔2.5 m。

如果按照實際情況對每個孔口建立模型，網格數會過于龐大，超出計算機的運算性能極限。因此，采用布風器簡化替代模型，在CFD軟件中采用與全孔板送風方案總送風面積、質量流量、動量相同的虛擬布風器來實現預期效果,見圖2。

圖2 全孔板送風風口布置

2.2 側向送風

該餐廳原方案采用百葉風口進行側向送風，包含單/雙側上送下回、單/雙側上送上回等多種方式。送風口最好貼頂布置，以獲得貼附氣流，送冷風時可采取水平送出。

依據總送風量和房間尺寸查表取風口尺寸為400 mm×250 mm，風口面積為0.1 m，根據風量應選取風口數為5。送風口應按房間長度方向布置在一側墻頂部，依照頂部中心展開布置。由于房間進深較長為10 m，故選擇雙側對送。將回風口布置在另一側墻下方，回風口尺寸為2 000 mm×250 mm，見圖3。

圖3 側向送風風口布置

3 CFD仿真分析

對2種方案模擬結果進行分析對比，將全孔板送風記為方案1，側向送風記為方案2。在分析各項參數時，分別選取截面=0.5 m(腿部高度)、和=-1.5 m(人體縱截面)處。

3.1 熱舒適性仿真分析

模擬結果顯示，相同送風量情況下，方案1室內均溫為23.8 ℃，方案2室內均溫為24.1 ℃。方案1的送風混合效果較為明顯，故制冷效果要強于方案2，室內均溫略低；但人體附近溫度兩方案近似，均為24 ℃。從圖4可見，在方案2中右起第二位乘客的背部溫度較高。

圖4 溫度云圖(Y=-1.5 m)

模擬結果顯示，從橫截面看，方案1在=0.5 m處平均值為-07，平均值為188；=1.3 m處平均值為-07，平均值為178；方案2在=0.5 m處平均值為-09，平均值為23；=1.3 m處平均值為-08，平均值為19。

從縱向截面來看，在方案2中右起第二位乘客的背部溫度較高引起了熱感上的不適(大于1)，而方案1中人體周圍均在[-0.5,0.5]的區間內，無明顯冷熱不適區域。這說明方案1中的氣流組織分布更為均勻合理。

總體而言雖然方案1室內均溫相對略低，但方案2中人員相對冷感更強，不滿意度更高。兩方案值均在[-1,1]的范圍內，均小于27，符合GB/T 18049-2017中的要求。

圖5 PMV圖(Y=-1.5 m)

3.2 氣流速度仿真分析

從式(2)可知，當局部空氣溫度近似、紊流強度系數為常數時，吹風感只和空氣流速成正相關，可通過流速判斷吹風感。

模擬結果，方案1在=1.3 m處平均風速為0.133，在=0.5 m處平均風速為0.121；方案2在=1.3 m處平均風速為0.174，在=0.5 m處平均風速為0.225。對比速度云圖發現，方案2中高風速區域大多鄰近人體，由于回風口集中在另一側墻下部，處于房間中部的部分人員頭部以及近一半人員腿部風速風速均大于0.3，而方案1中人體附近風速基本在0.15以下。這也解釋了為什么雖然方案1室內均溫相對略低，但方案2中人員相對冷感更強。高風速導致了人體冷感的增強。

方案2在左上方至房間中央處風速較高，見圖6。這是因為送風口布置在左側墻壁上方；結合相同位置的云圖可以發現，高風速導致這塊區域的滿意度很差，>26，<-1。

圖6 速度云圖(Y=-1.5 m)

3.3 空氣齡仿真分析

兩方案中人頭部處截面的空氣齡見圖7。模擬結果顯示方案1中平均空氣齡為155 s(相當于約每2.5 min置換1次)，方案2中平均空氣齡為203 s(相當于約每3.5 min置換1次)。

圖7 空氣齡云圖(Z=1.3 m)

從云圖中可以發現，方案1房間中部空氣齡相對較低為125 s左右，而這也是人員較為密集的區域，左上角和右下角小部分區域空氣齡較高為187 s以上，但這部分區域人員分布較少對實際衛生情況影響不大；方案2同樣中部空氣齡相對較低，外側空氣齡較高為200 s以上。顯然由于送風口、回風口均勻的分布在空調房間內，方案1在空氣潔凈度方面具有優勢。

4 結論

全孔板送風方案的空氣齡相較側向送風方案減少了31%、相較側向送風方案減少了約18%、風速相較側向送風方案減少了約24%。全孔板送風方案由于送回風口均勻的分布在空調房間內，加深了送風氣流與室內氣流混合程度，使得室內氣流的置換更為順暢；同時由于全孔板送風方案的氣流組織更為均勻，人體表附近風速更低，在空氣潔凈度、熱舒適度、吹風感等方面都比側向送風方案達到了更高的舒適度水平。全孔板送風在性能上具有優勢，但全孔板天花板制造成本較高，可考慮采用局部孔板方案。