866客位高端客滾船雨降式空調設計

葛冀歡，朱雨林

(招商局金陵船舶(南京)有限公司，南京 210015)

866客位高端客滾船內部配備了餐廳、酒吧、兒童游樂區等公共區域，其區域空調按照COMF (C1)最高級別的空氣舒適度入級符號設計，需要滿足規范中溫度調節能力、最大風速、新風量、豎直溫度差以及相對濕度的要求，本文以866客位高端客滾船的公共區域大雨降盒子的雨降式空調為設計及優化對象，首先將進行空調熱負荷計算，然后準備通過雨降區域劃分、雨降盒子設計及制作、天花的封堵3個方面完成大雨降盒子的雨降式空調設計，為了驗證設計的合理性，優化設計，通過CFD仿真軟件對大雨降盒子對公共區域的氣流組織以及雨降盒子內部風管均勻送、回風設計進行仿真與優化，最后將通過與實船測試數據的對比、分析，驗證設計的合理性。

1 公共區域的空調設計

1.1 高端客滾船基本資料

為德國公司建造的866客位綠色高端客滾船，總長229.4 m、型寬31 m、型深(至主甲板)15.35 m，型深(至上甲板)9.50 m，設計吃水6.3 m，載重量10 850 t，設計航速22.4 kn，共設有12層甲板，其中9～11甲板為住艙和公共區域，公共區域包含中庭、自助餐廳、酒吧、影院、超市、休閑/雪茄吧、兒童游樂區等。

1.2 公共區域空調設計方案

根據安全返港的要求，在任意主豎區失效的情況下，垂直管弄均可正常使用[1]，因此每個主豎區的每層甲板，均采用獨立空調的設計，本項目中公共區域均在10甲板1區、11甲板1區及2區，因此設計了3臺空氣處理機組(AHU)分別負責這3個區域。本船公共區域借鑒豪華客船陽臺房空調系統的節能設計[2]，采用新風+風機盤管的設計，共設計有30臺風機盤管(FCU)。

1.3 空調熱負荷計算

以11甲板2區為例，其設計工況見表1。

表1 11甲板2區空調設計工況

根據DNV船級社的規范以及ISO 7547船舶空調設計國際標準，以穩定傳熱法將各種熱量按其同時性簡單疊加，以空調器的制冷符合等于疊加成的得熱來處理，不再考慮其他裕度[3]，通過不同表面的傳熱面積、傳熱系數、溫差計算冷熱負荷；通過公共區域的面積以及換氣次數計算最小風量；同時根據COMF (C1)的要求，結合每個公共區域的最大人數，計算最小新風量和顯熱、潛熱量。作為新一代綠色高端客滾船，本船的AHU均配備了轉輪式熱回收器，通過該回收器達到排風能量回收的作用，可以有效降低空調負荷。綜合以上數據，在考慮AHU帶轉輪熱回收的情況下，服務于11甲2區公共區域的AHU的夏季制冷負荷為99.73 kW，冬季制熱負荷為69.34 kW。該區域FCU的熱負荷計算結果見表2。

表2 11甲板2區FCU熱負荷計算結果

2 公共區域大雨降盒子的雨降式空調設計

2.1 雨降區域劃分

雨降式設計就是將空調的送回風口均勻布置在天花頂部，然后通過天花的縫隙或者網孔來連通下面的公共區域，把天花作為一個面積非常大的送回風格柵，猶如下雨一樣。首先要將服務區域劃分為送風、回風、排風。送風區域會設計AHU的送風管以及FCU的送風口，回風區域主要用于FCU的回風，排風區域用于布置AHU的排風。以11甲板2區為例，劃分后的區域見圖1。

圖1 11甲板2區的服務區域劃分

2.2 大雨降盒子的設計及制作

在完成空調區域劃分后，就要設計雨降盒子，雨降盒子就是在天花頂部圍出一個個“靜壓箱”，除了天花那一面，其他幾個面均需要制作保溫絕緣。雨降盒子的設計有兩種方法：①設計多個較小的雨降盒子，見圖2，這種設計的好處是布置簡單，缺點是空調的均勻度較差；②設計是采用大的雨降盒子，見圖3，對于氣流組織效果更好，但布置難度較大，需要克服空間狹小、風管數量多、和內裝交集多等困難，需要詳細設計和生產設計不斷相互協調，多次更新優化[4]。

圖2 較小雨降盒子設計

圖3 大雨降盒子設計

為了獲得最佳的空調效果，采用第二種設計，即大雨降盒子的設計，相鄰的回風和排風也進行了合并。

送風的雨降盒子的設計流速1.2～1.5 m/s，流速太大會造成阻力大，也可能會超過COMF (C1)要求的最大流速，流速太小，在冬季制熱工況下，靠近地面的制熱效果會變差，垂直度溫差會較大。回風的流速一般小于1.5 m/s，對流速下限不做要求。送風盒子和回風盒子之間需要保證至少1 000 mm的過渡區，這是避免送風直接被回排風吸走造成短路導致空調效果減弱，在條件允許的情況下過渡區應該設置的盡量大。過渡區可以用2道距離1 000 mm以上的盒子邊界來實現，也可以只設置1道邊界，然后采用天花封堵的方法來實現。

2.3 雨降天花的封堵

雨降天花的封堵主要考慮以下幾種情況。

1)過渡區的封堵。

2)火警探頭附件的封堵。按照規范要求，火警探頭0.5 m半徑之內不允許有空調和通風系統的風口，否則會影響傳感器的精度。

3)食物及其他需要防止空調直吹的位置的封堵。

4)調整送回風流速的封堵。

封堵有兩種方法：①從天花底部采用特制材料封堵，見圖4；②在天花頂部采用巖棉和鋁箔膠帶封堵，見圖5。

圖4 特制材料封堵

圖5 巖棉和鋁箔膠帶封堵

需要從成本、施工難度、可行性等多方面綜合考慮，靈活運用兩種封堵方式完成封堵。在設計完封堵之后，應對雨降盒子的送回風面積及流速進行準確細致的核對，此外還需要考慮本來就有的B級延伸，雨降盒子的邊界盡量借用B級延伸，這樣可以減少工作量，但是對于穿過雨降盒子的B級延伸，需要考慮該B級延伸將雨降盒子分成了幾個小盒子，需要校核每個小盒子的面積是否夠。

3 大雨降盒子對公共區域氣流組織的仿真

3.1 典型公共區域的模型

選擇兒童娛樂區作為典型公共區域進行仿真分析。這個區域的面積為67 m2，層高2.4 m，體積160.8 m3，AHU送排風風量為505 m3/h，FCU送回風風量為850 m3/h，總風量為1 355 m3/h。建立的模型見圖6。

圖6 兒童娛樂區模型

3.2 仿真結果及分析

根據表1的參數設置室外條件，該區域夏季制冷的速度云圖見圖7，溫度云圖見圖8，冬季制熱的速度云圖見圖9，溫度云圖見圖10。

圖7 夏季制冷下兒童娛樂區速度云圖

圖8 夏季制冷下兒童娛樂區溫度云圖

圖9 冬季制熱下兒童娛樂區速度云圖

圖10 冬季制熱下兒童娛樂區溫度云圖

從圖7可見，整個區域的上半部分氣流由回排風雨降盒子區域流向送風雨降盒子區域，而整個區域下半部分正好相反，這種氣流組織使得送風可以在整個區域形成一個大循環再回到回排風雨降盒子，相比于多個小雨降盒子的設計，可以充分組織整個區域的氣流，減小公共區域的垂直及水平溫差，從而保證整個區域的制冷、制熱效果。從兩個速度云圖可以看出，整個區域的速度分布比較均勻，在兩個工況下都沒有超過2 m/s。

圖8和圖10溫度云圖中標出的溫度為該位置豎直剖面在0.3、1.2和1.8 m的平均溫度，根據COMF (C1)的檢驗要求，1.2 m高度的溫度作為該區域的平均溫度，1.8 m和0.3 m的溫度差作為垂直度溫度差。可以看出，在夏季制冷工況下，兒童娛樂區的平均溫度約為22.65 ℃，垂直方向最大溫度差1.1 ℃，在冬季制冷工況下，兒童娛樂區的平均溫度約為23 ℃，垂直方向最大溫度差1.3 ℃，均滿足設計要求。綜上所述，從仿真的結果來看，采用大雨降盒子的設計對提升公共區域氣流組織有很好的作用，可以滿足船級社的要求。

以上仿真在設置邊界條件時，將大雨降盒子的送、回風的定義為均勻的，要達到這個效果，需要將各個送、回風口均勻布置在雨降盒子中，且需要保證每個末端的風量接近，因此需要對雨降盒子內部風管進行均勻送、回風設計。

4 大雨降盒子內部風管均勻送、回風設計

4.1 風管均勻送、回風問題分析

雨降盒子設計，若采用較小的雨降盒子，其內部的風管布置簡單，可以按照完全對稱的設計布置末端進出口，但若采用大雨降盒子的設計，其內部的風管走向需要考慮到和其他管子、支架、設備的協調，因此會造成每個出風口的管路阻力不一樣，造成流量分配不均勻的問題。若在每個出口設置調風門，對成本及布置均帶來了更大的問題，為了解決這個問題，通過仿真計算及管徑優化設計，對整個風管末端進行均勻設計。

由于風管在雨降盒子內部的長度有限，根據理論計算，該段圓管的沿程阻力較小，同樣的，單個彎頭、Z形彎頭的局部阻力均較小，可以忽略不計，為了驗證這個結論，建立末端模型進行仿真計算，見圖11。其中0是總管入口，出口1、2是標準出口，出口3、4是支管加長的出口，出口5、6是支管帶彎管的出口，出口7、8是支管帶Z形彎的出口。

圖11 初步仿真計算模型

仿真的速度云圖見圖12，可以看出，流速最高出現在變徑三通的局部，約15 m/s。入口流量為723.8 m3/h，平均流速為10 m/s。8個出口的流速都比較低，平均約3 m/s。各出口的流量見表3，流量標準差為4.55。

圖12 初步仿真的速度云圖

表3 初步仿真的出口流量

通過初步仿真分析驗證了理論計算的結論，及雨降盒子內部的風管沿程阻力、單個彎頭、Z形彎頭的局部阻力均較小，對流量分配影響不大，可以忽略。

綜上所述，忽略雨降盒子內部的管路長度、單個彎頭，以及Z形彎，可以將實際布置中的幾十個不同類型、不同參數的送、回風口分為A、B、C、D 4類，見圖13。

圖13 送、回風口末端類型

4.2 不同類型的風管末端均勻優化設計

和初步仿真類似，對每一種末端形式進行仿真，并計算流量標準差，通過增加變徑的方法進行均勻優化設計，最終對每一種末端類型選擇流量標準差最小的方案。A類型最終方案的流量標準差為3.85，B方案為18.78，C方案為13.66，D方案為18.28。

5 實船調試與測量結果

5.1 公共區域舒適度及測量方法

入級符號COMF (V-crn C-crn)表明該船滿足可接受的噪音、振動和室內空氣的相關要求。本船滿足C-1級別最高舒適度要求，見表4，包含空氣溫度控制范圍、最大風速、每人最小的新風量、豎直方向的空氣溫度差異和相對濕度的要求。

表4 COMF C1的入級符號要求

測試時，需根據室外溫度，將測試區域調整到指定溫度以下，并保持溫度穩定，需測量1.2 m高度的溫度、濕度及風速以及0.3 m和1.8 m的溫度差，然后在不影響其他區域空調工作的情況下打開該測試區域的加熱功能，2 h內，再次測量以上參數。

5.2 公共區域舒適度測量結果及對比分析

部分區域的舒適度測量結果見表5。全船的舒適度測試結果均滿足COMF (C1)要求。

表5 部分區域的舒適度測量結果

將兒童娛樂區的測試結果和仿真結果作對比，可以發現，由于仿真計算是極端工況下的，因此在室外溫度較溫和的情況下，房間的最低和最高溫度范圍更大，但從流速和溫度差來看，都比較接近，說明設計很合理，可以滿足COMF (C1)要求。

5.3 風管末端風量測量結果及對比分析

采用熱球式風速儀，通過在風管上打孔的方式測量某一截面的風速，為了驗證仿真計算的準確性，在實船選取了不同類型的十幾個末端進行測量，部分測量結果見表6。

表6 部分末端的實船測量結果

采用熱球式風速儀測量風速需要選擇平直的風管段，同時距離管路附件、進出口需要保持一定距離，在實船測試時，由于測量的末端位置的直管長度不能滿足最佳的測量要求，因此在測量進出口風量時存在一定誤差，實船測量數據和仿真計算結果的偏差可能是這個原因造成的。總體來講，實船測試結果與仿真的結果基本接近，說明通過仿真計算的結果是比較準確的，對末端的均勻優化設計有效。

6 結論

1)大雨降盒子的雨降式空調設計，需從熱負荷計算、雨降區域劃分、盒子設計及制作、雨降天花封堵等方面完成設計，難點在于雨降區域劃分和雨降盒子內部風管的均勻送、回風設計。

2)通過大雨降盒子對公共區域氣流組織的仿真和實船舒適度測量結果的對比分析，證明大雨降盒子的設計可以充分組織整個公共區域的氣流，減小垂直及水平溫差，保證整個區域的制冷、制熱效果。

3)通過大雨降盒子內部風管均勻送、回風設計和實船試驗的對比分析，證明通過仿真計算優化末端的方案是有效的，從而保證空調的效果，該均勻優化設計方案可以為后續項目設計提供經驗。

目前，886客位高端客滾船已經完成了雨降式空調的設計、施工及調試，并通過了船級社COMF(C1)的驗收。