基于熱舒適性的郵輪客房空調風口優化設計

謝旭晨,劉巖,張朝霞,李雪歌

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

大型郵輪以海上觀光為主要用途,體驗舒適的居住環境是乘客的基本要求。艙室空間相對低矮狹小,密閉性好,空氣流通不暢,空氣中容易聚集污染氣體、可吸入口顆粒物等有害物質,會危害人體健康[1]。關于改善艙室空氣環境,提升乘客居住舒適性的研究,有學者研究兩人艙室不同的送回風口位置和送風條件對舒適性和排污能力的影響,通過對比分析得出最佳的送風方案[2];對客船高檔餐廳進行空調通風設計,提出局部孔板通風方案,且證明天花板頂部回風的氣流組織更優[3];建立室內對流環境中的人體熱反應模型,可用于各種對流空調環境下的人體生理參數預測,為新型對流空調系統設計評估及修正提供參考[4];將輻射空調與傳統空調從熱舒適度角度進行了全面分析,結果表明輻射空調系統在舒適性和能源利用率方面具有優勢[5];以高大艙室活動大廳為研究對象,分別對中間送風頂部回風、底部送風頂部回風兩種方案進行仿真模擬,并對室內溫度、速度、空氣齡、PMV分布進行對比分析,得出中間送風的方案室內舒適性較好的結論[6];對地板送風、置換通風、混合通風三種傳統送風方式下及工位送風的新性送風方式下郵輪閱覽室內的氣流組織進行模擬,根據氣流組織評價指標對各種送風方式下室內氣流進行評價,結果表明,工位送風的效果更好,且工位送風與置換送風聯合運行效果最佳[7]。本文在前人研究基礎上,考慮利用AIRPAK軟件模擬艙室內氣流組織,從熱舒適性、吹風感、空氣清新度角度對比不同風口布置方案;考慮到廁所門縫漏風影響,進一步細化通風模型,更為貼合工程實際。

1 設計參數

1.1 住艙模型建立

郵輪艙室長2.3 m,寬7 m,高2.75 m。坐標系原點取右艙壁、前部艙壁與底面交點處。艙室為兩人間,上下前后均為相同類型艙室,左艙壁側與外界相鄰,右側為走廊。廁所面積為2.34 m2,由三堵墻與臥室隔開,廁所門底部漏風門縫高0.12 m,寬0.6 m。舷窗中心位于高度1.6 m處,長1.2 m寬0.8 m。

艙室中家具包括雙人床、沙發、桌椅、儲物柜、燈、電視機,其中4盞吊燈每盞功率為27 W,電視機功率為108 W。艙室門、廁所門、桌腿、椅腿均被簡化省略。

模型中選取夏季工況下兩人靜坐在沙發上看電視的場景(窗外有輻射、吊燈全部打開,此時艙內熱量最大),幾何模型圖見圖1。

圖1 住艙幾何模型

1.2 送風參數計算

夏季工況總顯熱冷負荷為[8]:

∑φ=q+qp+qr+qε

(1)

式中:∑φ為顯熱冷負荷;q為艙室四周圍護結構熱傳導傳入熱量;qp為人體散熱;qr為窗戶的輻射與傳熱功率;qε為設備散熱。由于上下前后均為相同類型艙室,右側為走廊,均可視為不存在溫差的絕熱界面,故q即為左側除舷窗外的墻壁傳熱量,按式(2)計算:

q=kAΔT

(2)

式中:k為左側墻壁與外界的傳熱系數,取0.9 W/(m2.K);A為左側墻壁的有效傳熱面積,計算后得到為5.365 m2;ΔT為墻壁內外溫差,室外環境取35℃,室內依據設計規范取24℃,計算后得到ΔT為11℃。

情景內人員均為靜坐狀態,人體散熱qp依據70 W/人計算得到為140 W;窗戶的輻射與傳熱量qr取85 W/m2;設備散熱qε依據1.1中數據計算得到為216 W。將數據帶入式(1),計算可知顯熱冷負荷為484.812 W。

1.2.2 風口參數計算

1.2.2.1 艙室送風口參數計算

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夏季送風溫差在8～10 ℃范圍內,故本文選取送風溫度為14 ℃、送風相對濕度為92%。室內空氣設計參數為24 ℃、相對濕度55%。依據式(3)計算得到送風量為0.039 4 m3/s。

(3)

式中:V為艙室送風量,m3;ρ為空氣密度取1.22 kg/m3;hi為室內空氣焓值;ho為室外空氣焓值。抽、送風口形狀均為0.2×0.2的正方形,計算得送風出口風速為0.984 m/s。

1.2.2.2 廁所抽風口參數計算

廁所換氣頻次為15次/h,廁所面積為2.34 m2,抽風口安裝于天花板處,中心坐標為(0.35,0.35,2.75)。

(4)

式中:Ut為抽風口風速,m/s;n為每小時換氣次數;At為廁所面積;H為廁所高度;Ao為風口面積。

計算得到廁所抽風口風速為0.67 m/s。

2 風口布置設計

送風和回風模式均采用孔板送/回風模式。根據送風/排風口位置的變化,設計兩種風口布置方案,即:①頂部送風,下側回風;②頂部送風,頂部回風。兩種方案的風口位置及風速方向見表1。

表1 各方案風口參數表

各風口布置方案三維幾何模型見圖2。

圖2 各風口布置方案三維幾何模型

3 模擬結果及分析

考慮到熱舒適性、吹風感、空氣清新度,分析各方案溫度場、空氣齡、速度場、PMV、PPD。其中在X方向上選取截面X=1.8(兩個人共同豎直方向截面)作為參考。

3.1 頂部送風、下側回風

方案1采用天花板頂部送風,衛生間對面壁下側回風的風口布置方式,其溫度場、PPD場、PMV場、空氣齡場和速度矢量分布分別見圖3～7。

圖3 方案1溫度場分布

如圖3所示,整個艙室內溫度大部分處于23.5～25.0 ℃之間,少數的高溫區域主要為左側艙壁附近和艙室頂部的吊燈處。人體周圍區域溫度在23.0～24.5 ℃之間,較為適宜;人首部與腿部溫差僅為0.5～1.0 ℃左右,體表附近溫度分布較為均勻。低溫區域為排風口右側天花板附近,這是因為該區域距離主要熱源較遠。

如圖4所示,在方案1的風口布置情況下室內人員可活動范圍內PPD值在3.75～7.50之間。PPD較低的區域為靠近送風口處左半側艙室,和溫度場中溫度24 ℃左右區域對應,人體在該區域熱舒適度較高,預測不滿意度較低;PPD較高的區域位于艙室右半側,對應艙室溫度場中溫度較低區域(22～23 ℃),人體在此處會略有冷感,預測不滿意度相對較高。但艙室整體PPD至較低,滿足ISO7730中PPD小于10的要求。

圖4 方案1的PPD分布

如圖5所示,方案1的PMV分布大多在-0.15～-0.50之間,室內整體熱舒適性高。對比圖4可以發現PMV分布和PPD分布基本一致,左側艙壁附近PMV值最接近于0,對應PPD分布中最低值區域。

圖5 方案1的PMV分布

結合圖6、7對比分析方案1中空氣流動性。從圖6可以看出,空氣齡最小處為頂部送風口附近為777 s左右,并以此為中心向外空氣齡逐漸增大,墻角處空氣齡最大為950 s左右。參考圖7分析這是因為風口處空氣流速最大,墻角附近存在流動死區,空氣流速幾乎為0。人體附近雖然處于風口下部不遠處,但人體的擾流作用影響了空氣流動,故人體周圍空氣流速僅在0.012 5～0.025 0 m/s之間。由于本方案中艙室整體空氣流速均較低,處于0～0.05 m/s的范圍內,所以人體附近區域空氣齡依然高于兩側其余區域。從圖7中可以看出,在艙室左側空氣流動主要以順時針環流的形式;在艙室右側空氣流動主要從兩邊向下流動,這是因為排風口及廁所底部漏風口均位于靠近底部區域。

圖6 方案1的空氣齡分布

圖7 方案1的速度矢量分布

3.2 頂部送風、頂部回風

方案2采用天花板頂部靠近雙人床側送風,頂部靠近門口側回風的風口布置方式,其溫度場、PPD場、PMV場、空氣齡場和速度矢量分布分別見圖8～12。

圖8 方案2的溫度場分布

如圖8所示,整個艙室內的溫度大部分處于22.0～24.5 ℃之間,少數的高溫區域主要為左側艙壁附近底部和艙室頂部的吊燈處,這是由于設備散熱和艙壁傳熱且角落處空氣流動性差導致的。 溫度最低處為送風口附近,處于21～22 ℃之間,并以該區域為中心向外溫度逐漸上升。右半側艙室空氣溫度為24.5 ℃左右,左半側溫度大部分為22.75 ℃左右。人體體表溫度為25 ℃左右。

如圖9所示,在方案2的風口布置情況下室內人員可活動范圍內PPD值大部分在6～10之間。人體體表附近PPD值范圍為6～7之間,其余區域基本在7～10的范圍內。艙室左半側PPD值普遍較高在9以上,尤其是風口附近PPD值大于10,該部分區域對應溫度場中的低溫區域,冷感引起了預測不滿意度上升。

圖9 方案2的PPD分布

如圖10所示,方案2的PMV分布大多在-0.3～-0.5之間。對比發現PMV分布和PPD分布較為相似,在人體活動范圍內送風口附近PMV值最低,并以該區域為中心向外PMV值逐漸上升。左半側艙室PMV值低于右半側艙室,這是由于距離風口較近冷感較強。還發現在右側艙室上部存在部分區域PMV值相對較低,這是因為回風口布置于附近,冷空氣向該區域流動導致的。

圖10 方案2的PMV分布

結合圖11、12對比分析方案2中空氣流動性。從圖11可以看出,送風口附近空氣齡最小,為710 s左右,艙室空氣齡以該區域為中心向外逐漸變大,全艙室空氣齡為700～1 000 s,空氣齡最大處位于右側底部墻角。

圖11 方案2的空氣齡分布

圖12 方案2的速度矢量分布

3.3 方案模擬結果對比分析

1)從熱舒適性角度分析,方案1艙室人體活動區域溫度范圍為23.5～25.0 ℃,方案2中該范圍為22.0～24.5 ℃,顯然方案1溫度范圍更為舒適,方案2溫度范圍略低冷感會引起人體的不適,PMV和PPD分布也印證了這一點,圖9中顯示艙室左半部分PPD值較高,普遍在9以上甚至存在部分區域超過了10,不能滿足ISO7730中PPD小于10的要求。而方案1中PPD值處于3.75～7.50之間,預測不滿意度更低,熱舒適性更好。進一步探究其中原因,對比兩方案的速度矢量圖,可以發現方案1中“天花板頂部送風,衛生間對面壁底部排風”的通風方式可以在整個艙室形成較好的環流,增強了冷空氣從送風口向右半部艙室的流動;而方案1中更多冷空氣停滯于左艙壁附近,導致該部分區域溫度更低。

2)在吹風感方面,方案1人體表附近空氣流速更低(大部分低于0.025 m/s區域),而方案2中兩人中間區域流速在0.025～0.037 5 m/s之間。方案1略優于方案2;兩個方案中人鼻部空氣齡均為855 s左右,但方案2中左側艙室空氣齡顯然更低處于777 s以下,模擬結果顯示方案1平均空氣齡為841 s,方案2的平均空氣齡803 s,方案2的空氣清新度更優。結合速度矢量分布圖分析其原因,發現方案2中人員之間空氣流速更高,流動低速區更小,這使得空氣得以在全艙室內更好的進行循環。

4 結論

模擬上送底側回、上送上回兩種送風方案下的室內流場,對比分析兩種方案的溫度場、PPD場、PMV場、空氣齡場和速度矢量分布。結果表明,方案1的艙室人體活動區域溫度范圍更接近人體舒適溫度,艙室整體PPD至較低,PMV更接近0,人體表附近空氣流速更低,但方案2的平均空氣齡低于方案1,綜合看來,方案1下艙室內熱舒適性更佳。同時,創新性在前人基礎上考慮到廁所底部門縫回風,更貼近實際工程。