船舶艙段冬季空調(diào)舒適性優(yōu)化研究

劉秀峰 黃峙 謝軍龍 徐新華 王飛飛*

1 海裝駐武漢地區(qū)第二軍事代表室

2 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心

3 華中科技大學(xué)能源動(dòng)力與工程學(xué)院

4 華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)船舶制造工藝不斷進(jìn)步，大型船舶的種類與數(shù)量越來(lái)越多。海上大型船舶可以容納上百名工作人員，保障船員的生活環(huán)境非常重要[1]。目前，大多數(shù)船舶均采用全封閉的舷窗設(shè)計(jì)，艙室內(nèi)溫濕度環(huán)境均由空調(diào)系統(tǒng)維持。當(dāng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，船員的活動(dòng)區(qū)域受限，且超過(guò)80%的時(shí)間在艙內(nèi)[2]。因此，船舶艙室的內(nèi)部環(huán)境對(duì)船員的身心健康和工作效率有重要影響[3]。另一方面，室內(nèi)空氣污染程度超過(guò)室外的2～5 倍，嚴(yán)重的甚至超過(guò)100 倍[4]，對(duì)于封閉船艙，室內(nèi)污染的問(wèn)題更加嚴(yán)重。因此船舶艙室的空氣質(zhì)量問(wèn)題成為了船舶行業(yè)的熱點(diǎn)之一[5-6]。優(yōu)化和改善船舶空調(diào)系統(tǒng)，為船員提供良好和健康的生活環(huán)境，已成為大型船舶在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的因素[7-8]。同時(shí)，船舶艙室氣流組織的熱舒適性和空氣品質(zhì)也是船舶舒適度標(biāo)準(zhǔn)中的重要指標(biāo)[9-10]。

本文主要通過(guò) CFD 技術(shù)對(duì)某大型船舶艙段的冬季空調(diào)舒適性開展模擬分析。在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，針對(duì)艙段的內(nèi)外區(qū)艙室，提出了五種空調(diào)優(yōu)化策略，并基于CFD 模擬開展對(duì)比和分析。本文結(jié)果將對(duì)大型船舶在冬季時(shí)的空調(diào)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 研究對(duì)象

本研究針對(duì)某大型船舶的艙段第三層進(jìn)行。為方便建模，可將整個(gè)艙段分為6 個(gè)區(qū)域（A、B、C、D、E、F），如圖1 所示。本文主要以B 區(qū)為例開展模擬研究。該區(qū)上側(cè)及右上側(cè)為暴露側(cè)壁，下側(cè)及右下側(cè)為艙室內(nèi)部非空調(diào)房間（0310A），左側(cè)為艙段空調(diào)區(qū)域。B 區(qū)包含4 個(gè)空調(diào)艙室為0302，0304，0306 和0312，分別設(shè)有3、1、1、1 個(gè)布風(fēng)器。每個(gè)布風(fēng)器的送風(fēng)量為156 m3/h。各空調(diào)艙室均設(shè)有1 個(gè)回風(fēng)口，底端距離地面0.15m。墻體材料為鋁蜂窩板，熱阻值約為0.026 m2·K/W，厚度為40 mm。B 區(qū)各空調(diào)艙室的初始設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

圖1 船艙區(qū)域示意圖

表1 各空調(diào)艙室冬季空調(diào)設(shè)計(jì)工況

2 研究方法

2.1 數(shù)值模型

CFD 是探討空調(diào)和氣流組織中的常用方法[11-14]，亦能獲得準(zhǔn)確度較高的結(jié)果。本研究采用商業(yè)軟件 ANSYS Fluent v19.2 開展數(shù)值模擬研究，求解全部控制方程。室內(nèi)空氣流動(dòng)模擬選擇基于壓力的求解器。在模擬時(shí)，考慮重力的影響，將室內(nèi)空氣視為不可壓縮氣體，使用RNGk-ε模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，用增強(qiáng)型壁面函數(shù)來(lái)模擬近壁面的傳熱和流動(dòng)。采用 Couple 算法對(duì)離散方程組進(jìn)行求解。壓力項(xiàng)采用交錯(cuò)壓力（Pressure Staggering Option，P RESIO）離散格式，而動(dòng)量、能量等方程采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

采用 ANSYS ICEMCFD 對(duì)艙段進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分。根據(jù)圖1 可建立如圖2 所示的幾何模型。在建模時(shí)，直接建立布風(fēng)器、排風(fēng)口、墻面等幾何模型。整體計(jì)算域采用混合策略進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即布風(fēng)器附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，而其他區(qū)域則采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格以減少網(wǎng)格數(shù)。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證之后，最終可確定艙段B 區(qū)模型的網(wǎng)格數(shù)量為440 萬(wàn)。

圖2 艙段B 區(qū)模型圖

2.2 邊界條件

由于艙室實(shí)際工況較為復(fù)雜，模擬時(shí)可對(duì)艙段各邊界條件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。上側(cè)及右上側(cè)為暴露側(cè)壁，冬季工況外壁面溫度設(shè)置為-18℃，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.57 W/(m2·K)。非空調(diào)與空調(diào)艙室的冬季設(shè)計(jì)溫差取值為10℃。艙室，走廊以及墻壁導(dǎo)熱系數(shù)為0.026 m2·K/W。艙段頂板壁面設(shè)為絕熱壁面。各艙室熱擾包括人員和照明，可簡(jiǎn)化折合為單位面積熱流率，設(shè)置為地板放熱。其中，0302、0304、0306、0312 室的熱流分別為29.6、36.6、36.6、36.6 W/m2。布風(fēng)器出口為速度邊界條件，速度為2.156 m/s，送風(fēng)溫度27℃?；仫L(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界。

模擬收斂標(biāo)準(zhǔn)包括兩個(gè)，一是所有變量的殘差小于10-3，二是出口的流速不隨迭代變化，波動(dòng)在±0.1 m/s 以內(nèi)。

3 結(jié)果與分析

3.1 初始空調(diào)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀分析

根據(jù) B 區(qū)艙段的冬季空調(diào)設(shè)計(jì)條件（表1），首先對(duì)該區(qū)在冬季設(shè)計(jì)工況下的室內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3 展示了B 區(qū)艙段及艙室在冬季空調(diào)設(shè)計(jì)條件時(shí)的z=1.4 m 高度平面的溫度分布。結(jié)果表明，艙段B 區(qū)冬季房間溫度偏高，室溫分布在24～30℃之間，部分區(qū)域室溫超過(guò)了我國(guó)舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍18～24℃。0302 室雖然上側(cè)和右側(cè)均為暴露側(cè)壁，壁面?zhèn)鳠崃亢艽?，但由?302 室設(shè)置了3 個(gè)布風(fēng)器送風(fēng)，送風(fēng)量較大，室內(nèi)溫度約為24～26℃，稍高于設(shè)計(jì)值22℃。0306 室和0312 室位于內(nèi)區(qū)，通過(guò)壁面與其他空調(diào)艙室換熱很少，且又存在室內(nèi)熱負(fù)荷，因此這兩個(gè)房間室溫非常高，約在28～30℃之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)計(jì)值。0304 室室溫約為26～27℃，稍高于設(shè)計(jì)值22℃。0310A 室為非空調(diào)房間，室溫在21～23℃ 之間。

圖3 按初始設(shè)計(jì)條件模擬的B 區(qū)冬季的艙室溫度分布

通過(guò)上述分析可知，B 區(qū)艙段中的部分處于船舶內(nèi)區(qū)的艙室（如0306、0312 房間）的室溫度較高，可能造成一定的人員不舒適情況。因此，需對(duì)此區(qū)域（艙段內(nèi)區(qū)）的空調(diào)送風(fēng)策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免或改善內(nèi)區(qū)溫度過(guò)高的現(xiàn)象，以提高冬季運(yùn)行艙室環(huán)境的舒適性。本研究主要考慮如下五種改善措施，包括①減小內(nèi)區(qū)送風(fēng)量。② 增大內(nèi)區(qū)送風(fēng)量。③內(nèi)外區(qū)均以20～24℃供風(fēng)。④ 內(nèi)區(qū)僅供新風(fēng)。⑤ 內(nèi)區(qū)供冷外區(qū)供熱。后文將對(duì)此五種改進(jìn)措施展開數(shù)值模擬研究，探討不同措施對(duì)艙室內(nèi)區(qū)溫度偏高現(xiàn)象的改善效果。

3.2 不同的空調(diào)策略分析

根據(jù)所提出的五種冬季空調(diào)改善策略，本文開展了10 種工況的模擬分析，具體條件如表2 所示。

表2 五種不同的送風(fēng)策略下各空調(diào)艙室的送風(fēng)參數(shù)

3.2.1 減小內(nèi)區(qū)送風(fēng)量

策略①探討減小內(nèi)區(qū)風(fēng)量對(duì)內(nèi)區(qū)艙室冬季空調(diào)舒適性的影響。如表2 所示，將內(nèi)區(qū)0312 艙室送風(fēng)量減少25%，0306 艙室送風(fēng)量減少30%，外區(qū)0302 艙室各風(fēng)口送風(fēng)量增加17%，以27 或24℃供風(fēng)。這里，將內(nèi)區(qū)風(fēng)量減小，外區(qū)風(fēng)量加大是為了維持總風(fēng)量不變。圖4 展示了策略①的2 種工況下在高度1.4 m 處的溫度分布。當(dāng)送風(fēng)溫度為27℃時(shí)，空調(diào)房間室溫分布在25～31℃之間，0302 艙室室內(nèi)溫度在25～27℃之間。0306 室和0312 室位于內(nèi)區(qū)，冬季室溫高于其他艙室，約在29～31℃之間，遠(yuǎn)超過(guò)了舒適性空調(diào)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（18～24℃）。0304 室室溫約為28℃。當(dāng)送風(fēng)溫度為24℃時(shí)，艙段整體溫度分布特征與送風(fēng)溫度為27℃時(shí)類似，0306 和0312 艙室溫度有所下降，在28～29℃之間，但仍超過(guò)舒適性空調(diào)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，當(dāng)減小內(nèi)區(qū)風(fēng)量，不論以27℃或24℃ 供風(fēng)，內(nèi)區(qū)冬季房間溫度都仍然偏高。因此，僅減小了內(nèi)區(qū)風(fēng)量不能改善或消除內(nèi)區(qū)艙室冬季溫度過(guò)高的現(xiàn)象。

圖4 減小內(nèi)區(qū)送風(fēng)量時(shí)B 區(qū)1.4m 處溫度分布

3.2.2 增大內(nèi)區(qū)送風(fēng)量

策略②探討增大內(nèi)區(qū)風(fēng)量對(duì)內(nèi)區(qū)艙室冬季空調(diào)舒適性的影響。如表2 所示，內(nèi)區(qū)0312 艙室、0306 艙室風(fēng)量增加30%，外區(qū)0302 艙室各風(fēng)口送風(fēng)量減小10%、0304 各風(fēng)口減小20%，且僅以27℃供風(fēng)。這里，將內(nèi)區(qū)風(fēng)量增大，外區(qū)風(fēng)量減小也是為了維持總風(fēng)量不變。

圖5 展示了策略②的在高度1.4 m 處的溫度分布。當(dāng)內(nèi)區(qū)風(fēng)量增大時(shí)，空調(diào)房間室溫分布在25～29℃ 之間，0302 艙室室內(nèi)溫度在25～27℃之間；0306 室和0312 室位于內(nèi)區(qū)，冬季室溫高于其他艙室，約在28～ 29℃之間，仍超過(guò)了舒適性空調(diào)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（18～24℃）。0304 室室溫約為27℃。因此，僅增大內(nèi)區(qū)送風(fēng)量，同時(shí)以27℃供風(fēng)，內(nèi)區(qū)艙室仍存在溫度偏高的現(xiàn)象，對(duì)溫度舒適性改善作用不明顯。

圖5 增大內(nèi)區(qū)送風(fēng)量時(shí)B 區(qū)1.4 m 處溫度分布

3.2.3 內(nèi)外區(qū)均以20～24℃供風(fēng)

策略③探討內(nèi)外區(qū)均以20～24℃供風(fēng)對(duì)內(nèi)區(qū)艙室冬季空調(diào)舒適性的影響。如表2 所示，各艙室送風(fēng)量按照設(shè)計(jì)條件，降低送風(fēng)溫度至20～24℃。

圖6 展示了策略③各工況下在水平高度1.4 m 處的溫度分布。當(dāng)送風(fēng)溫度為20℃時(shí)，空調(diào)房間室溫分布在20～24℃之間，0302 艙室室內(nèi)溫度在20～21℃之間。0306 室和0312 室位于內(nèi)區(qū)，冬季室溫高于其他艙室，約在23～25℃之間。304 室室溫約為22.5℃。因此，所有艙室的溫度均基本滿足舒適性空調(diào)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（18～24℃）。當(dāng)送風(fēng)溫度為22℃時(shí)，艙段整體溫度分布與送風(fēng)溫度為20℃時(shí)類似，艙室平均溫度上升約1℃，所有艙室的溫度仍能基本滿足舒適性要求。然而，當(dāng)送風(fēng)溫度為24℃時(shí)，0306 和0312 艙室溫度高于其他艙室，溫度在26～27℃之間，已稍高于不滿足舒適性要求。

圖6 全部艙室以20～24℃供風(fēng) B 區(qū)1.4 m 處溫度分布

上述結(jié)果表明：1）當(dāng)送風(fēng)溫度為20～22℃時(shí)，內(nèi)區(qū)、外區(qū)房間溫度都基本上能滿足舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。2）當(dāng)送風(fēng)溫度為24℃時(shí)，內(nèi)區(qū)房間溫度接近27℃，造成內(nèi)區(qū)溫度偏高，不滿足舒適性要求。因此，當(dāng)采用策略③進(jìn)行改善內(nèi)區(qū)空調(diào)環(huán)境時(shí)，應(yīng)采用合適的送風(fēng)溫度下（20、22℃），從而改善內(nèi)區(qū)艙室冬季溫度過(guò)高的現(xiàn)象。

3.2.4 內(nèi)區(qū)僅供新風(fēng)

策略④探討內(nèi)區(qū)僅供新風(fēng)對(duì)內(nèi)區(qū)艙室冬季空調(diào)舒適性的影響。如表2 所示，內(nèi)區(qū)0312、0306 房間僅供給室內(nèi)人員的新風(fēng)量60 m3/h，采用18℃或15℃供風(fēng)，其他艙室條件不變。

圖7 展示了策略④各工況下在水平高度1.4 m 處的溫度分布。當(dāng)內(nèi)區(qū)僅供新風(fēng)且送風(fēng)溫度為18℃時(shí)，空調(diào)房間室溫分布在24℃～30℃之間，0302 艙室室內(nèi)溫度在24～26℃之間。0306 室和0312 室位于內(nèi)區(qū)，冬季室溫高于其他艙室，約在27～30℃之間。0304 室室溫約為27℃。當(dāng)送風(fēng)溫度采用15℃時(shí)，艙段空調(diào)區(qū)域溫度有所下降，內(nèi)區(qū)艙室（0306 和0312）的溫度仍然高于26℃，不滿足舒適性要求。因此，如果僅對(duì)內(nèi)區(qū)供新風(fēng)量，無(wú)論以18℃或15℃供風(fēng)，內(nèi)區(qū)房間溫度都超過(guò)了舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍，不滿足舒適性要求。

圖7 內(nèi)區(qū)僅供新風(fēng)時(shí)B 區(qū)1.4 m 處溫度分布

3.2.5 內(nèi)區(qū)供冷外區(qū)供熱

策略⑤探討內(nèi)區(qū)供冷外區(qū)供熱對(duì)內(nèi)區(qū)艙室冬季空調(diào)舒適性的影響。如表2 所示，內(nèi)區(qū)供冷風(fēng)（0312、0306 房間以17、19℃供風(fēng)）、其他送風(fēng)條件不變。

圖8 展示了各工況下在水平高度1.4 m 處的溫度分布。當(dāng)內(nèi)區(qū)送風(fēng)溫度為19℃時(shí)，空調(diào)房間室溫分布在24～26℃之間，0302 艙室室內(nèi)溫度在24～26℃之間。0306 室和0312 室雖然位于內(nèi)區(qū)，但此時(shí)室溫約在24～25℃之間。0304 室室溫約為26℃。此時(shí)艙段整體溫度分布比較均勻，內(nèi)區(qū)溫度過(guò)高的問(wèn)題得到改善，能夠滿足人體舒適性要求。當(dāng)內(nèi)區(qū)送風(fēng)溫度下降到17℃時(shí)，艙段空調(diào)區(qū)域內(nèi)區(qū)溫度下降約2℃，在22～ 24℃之間，外區(qū)溫度變化不明顯。因此，當(dāng)內(nèi)區(qū)供冷、外區(qū)供熱，其他送風(fēng)條件按照設(shè)計(jì)保持不變時(shí)，所有艙室溫度分布均勻，內(nèi)區(qū)艙室高溫區(qū)消失，能滿足舒適性空調(diào)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（18～24℃）。

圖8 僅降低內(nèi)區(qū)送風(fēng)溫度時(shí)B 區(qū)1.4 m 處溫度分布

3.3 討論

B 區(qū)艙室在初始設(shè)計(jì)及五種改進(jìn)策略下，空調(diào)區(qū)域最高溫度及最低溫度如表3 所示。結(jié)果表明，當(dāng)采用策略①，即通過(guò)減小內(nèi)區(qū)送風(fēng)量，以27℃或24℃供風(fēng)（即工況1-1、1-2）時(shí)，B 區(qū)空調(diào)區(qū)域溫度在24～31℃之間，艙室內(nèi)區(qū)仍存在高溫區(qū)域，僅靠減小內(nèi)區(qū)風(fēng)量不能改善內(nèi)區(qū)高溫情況。當(dāng)采用策略②，即增大內(nèi)區(qū)送風(fēng)量（即工況2-1）時(shí)，B 區(qū)空調(diào)區(qū)域溫度在24～29℃之間，艙室內(nèi)區(qū)仍存在高溫區(qū)域。當(dāng)采用策略③，即各艙室送風(fēng)量按照設(shè)計(jì)條件，降低整體送風(fēng)溫度至20～24℃，當(dāng)送風(fēng)溫度為20～22℃（即工況3-1、3-2）時(shí)，B 區(qū)空調(diào)區(qū)域房間溫度在20～25℃之間，基本能滿足舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。送風(fēng)溫度為24℃（即工況3-3）時(shí)，雖然空調(diào)區(qū)域整體溫度相比設(shè)計(jì)工況有下降，但內(nèi)區(qū)房間溫度接近27℃，仍存在內(nèi)區(qū)溫度偏高現(xiàn)象。當(dāng)采用策略④，即內(nèi)區(qū)僅供新風(fēng)，18℃或15℃送風(fēng)（即工況4-1、4-2）時(shí)，B 區(qū)空調(diào)區(qū)域溫度在24～29℃之間，內(nèi)區(qū)房間溫度超過(guò)了舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍，不滿足舒適性要求。當(dāng)采用策略⑤，即僅內(nèi)區(qū)供冷風(fēng)（即工況5-1、5-2），其他送風(fēng)條件不變時(shí)，此時(shí) B 區(qū)空調(diào)區(qū)域溫度分布在23～26℃ 之間，模擬結(jié)果表明所有艙室溫度分布均勻，滿足空調(diào)設(shè)計(jì)要求。

表3 各工況下空調(diào)區(qū)域最高溫度及最低溫度

4 結(jié)論

對(duì)于本文研究的大型船舶艙段B 區(qū)，在冬季設(shè)計(jì)工況下，該艙段內(nèi)區(qū)的空調(diào)艙室溫度相對(duì)較高，局部近30℃，超過(guò)了我國(guó)舒適性空調(diào)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（18～24℃），因此需要對(duì)該區(qū)域的空調(diào)策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以 B 區(qū)為例，當(dāng)采用策略①減小內(nèi)區(qū)送風(fēng)量，② 增大內(nèi)區(qū)送風(fēng)量，④ 內(nèi)區(qū)僅供新風(fēng)三種手段進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)時(shí)，無(wú)法消除內(nèi)區(qū)高溫現(xiàn)象并改善空調(diào)溫度舒適性。而當(dāng)采用策略③降低送風(fēng)溫度或⑤內(nèi)區(qū)供冷外區(qū)供熱時(shí)，則該艙段內(nèi)區(qū)各空調(diào)艙室溫度均能滿足空調(diào)舒適性要求，但送風(fēng)溫度不宜過(guò)高。對(duì)于大型船舶，應(yīng)根據(jù)空調(diào)區(qū)域劃分內(nèi)外區(qū)分別進(jìn)行空調(diào)設(shè)計(jì)。建議采用本文提出策略③降低送風(fēng)溫度或⑤內(nèi)區(qū)供冷外區(qū)供熱進(jìn)行空調(diào)設(shè)計(jì)。