郵輪艙室不同布置下的熱舒適性數(shù)值模擬分析

陳森楊 徐 立 方 楊 夏夢寒 劉 越

(武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

郵輪艙室不同于陸地房間，受其空間限制，艙室往往具有層高低、艙室物品擺放緊湊等特點(diǎn)[1].由于郵輪在航行過程中游客絕大部分時間呆在艙室內(nèi)，因此要求艙室的空氣品質(zhì)與熱濕環(huán)境要安全、健康，并使乘客感到舒適，郵輪艙室良好的熱濕環(huán)境與空氣品質(zhì)是由空調(diào)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)保障的.郵輪艙室比一般普通客船的舒適性要求高，艙室內(nèi)家具與物品比較齊全，而家具擺放位置的不同會對氣流組織產(chǎn)生一定的影響，從而影響艙室的熱舒適性.

計算流體力學(xué)CFD技術(shù)因能夠快速而又準(zhǔn)確的模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，而被眾多學(xué)者應(yīng)用于研究艙室室內(nèi)空氣組織與熱舒適性.李以通[2]采用CFD方法，利用數(shù)值模擬軟件對采用四種布風(fēng)器送風(fēng)條件下的室內(nèi)氣流分布進(jìn)行模擬，以期望得到最佳送風(fēng)布風(fēng)器形式.亓海青等[3]利用CFD與商用模擬軟件，對不同送風(fēng)角度、溫度以及送風(fēng)量對室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性及空氣品質(zhì)進(jìn)行了模擬研究，為選擇最佳送風(fēng)口的布置來提高艙室空氣品質(zhì)與熱舒適性提供了理論支持.張慶力等[4]以人體舒適度為目標(biāo)，利用軟件模擬出風(fēng)口位置與熱舒適性指標(biāo)之間的關(guān)系，為出風(fēng)口的位置選擇提供了設(shè)計依據(jù).Chen等[5]通過模擬與實(shí)驗(yàn)，利用流體動力學(xué)的方法，對艙室不同送風(fēng)角度下的氣流組織及環(huán)境進(jìn)行了分析研究與評價.權(quán)崇仁等[6]通過對采用布風(fēng)器進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)的典型艙室進(jìn)行了熱舒適性的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了艙室空調(diào)布置的合理性.

文中將利用數(shù)值模擬軟件Airpak，采用計算流體力學(xué)技術(shù)，對郵輪艙室內(nèi)家具不同擺放位置下的氣流組織進(jìn)行仿真模擬，并分析研究艙室內(nèi)家具不同擺放方案下的溫度場、速度場，以及預(yù)測平均評價指標(biāo)(predicted mean vote，PMV)、預(yù)期不滿意百分?jǐn)?shù)指標(biāo)(predicted percentage of dissatisfied，PPD)，通過對上述指標(biāo)進(jìn)行分析來評價不同方案下的熱舒適性，通過分析為選擇家具合理的擺放位置提供理論支撐.

1 評價指標(biāo)與艙室描述

1.1 熱舒適性評價指標(biāo)

環(huán)境熱舒適性評價指標(biāo)有多種， Fanger提出的預(yù)測平均評價-預(yù)測不滿意百分?jǐn)?shù)(PMV-PPD)評價指標(biāo)在工程建筑領(lǐng)域應(yīng)用較廣.PMV指標(biāo)是根據(jù)人的主觀對熱環(huán)境的感覺基于體溫調(diào)節(jié)與熱平衡理論得出的，PMV可按式(1)進(jìn)行計算[7].

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.028]{(M-W)-

3.05×10-3×[5 733-6.99×(M-W)-pa]-0.42×

[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M(5867-pa)-

0.0014M(34-ta)-3.96×10-8fcl×[(tcl+273)4-

(1)

表1 PMV熱感覺標(biāo)尺

人與人之間的衣著與心理感覺不完全一樣，因此僅根據(jù)預(yù)測平均評價PMV難以全面評價艙室熱舒適性.為完善熱舒適性指標(biāo)，F(xiàn)anger在PMV的基礎(chǔ)上提出了預(yù)測不滿意百分?jǐn)?shù)PPD來表示人群對熱環(huán)境的不滿意百分?jǐn)?shù).PPD與PMV關(guān)系式為[8]

PPD=100-95×exp(-0.033 53PMV4-

0.217 9PMV2)

(2)

依據(jù)學(xué)會ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO標(biāo)準(zhǔn)，熱舒適性空調(diào)的PMV值在-0.5～0.5，PPD取值為10%，也即在調(diào)查中允許有10%的人對環(huán)境的熱舒適性感到不滿意.

1.2 艙室描述

本文根據(jù)郵輪實(shí)際艙室建模，艙室的簡化平面圖見圖1a)，平面圖上下左右分別對應(yīng)艙室右側(cè)、左側(cè)、前面與后面，其三維立體圖見圖1b).艙室長7.55 m、寬2.95 m、凈高2.15 m.艙室入戶門設(shè)置在圖艙室前面墻壁上，靠床頭柜右側(cè)墻壁上設(shè)有1.8 m×1.9 m落地窗.艙室設(shè)置一個矩形布風(fēng)器，其大小為0.4 m×0.4 m.艙室設(shè)置兩個回風(fēng)口，位于衛(wèi)生間頂部的回風(fēng)口大小為0.15 m×0.15 m，位于左側(cè)墻壁的回風(fēng)口(平面圖中序號9)大小為0.3 m×0.3 m，衛(wèi)生間門上設(shè)置有0.2 m×0.2 m的格柵，回風(fēng)口均為自由回流.為保證回風(fēng)時不吸入地面灰塵，側(cè)面墻壁回風(fēng)口與衛(wèi)生間門上格柵均距地面0.15 m.文中將以圖1的布置作為方案一來對比其他方案.

圖1 方案一布置圖(1～13見表2)

郵輪艙室內(nèi)可移動家具為單人床、床頭柜、衣柜、茶幾、沙發(fā)、梳妝臺、電視柜，但由于床一般靠窗設(shè)置，本文將不對單人床與床頭柜進(jìn)行移動再布置，而基于生活經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際使用，沙發(fā)、茶幾、電視柜一般采取對中布置.

家具對艙室的熱舒適性的影響主要是家具的擺放位置以及擺放順序?qū)ζ涫孢m性的影響.綜合考慮艙室空間以及使用習(xí)慣，文中對梳妝臺與衣柜進(jìn)行了再布置，方案二與方案三改變了其擺放區(qū)域，方案四、方案五與方案六在方案一、方案二與方案三的基礎(chǔ)上改變了擺放區(qū)域內(nèi)梳妝臺與衣柜的擺放順序.方案七則借助衛(wèi)生間內(nèi)墻與外墻的固有結(jié)構(gòu)將衣柜擺在衛(wèi)生間內(nèi)墻與外墻構(gòu)成的角落，同時對衣柜、沙發(fā)、電視柜、茶幾、梳妝臺進(jìn)行了再布置.方案二～方案七布置的平面圖見圖2.

圖2 方案二～七布置平面圖

方案一～三的對比可以對比擺放區(qū)域?qū)κ孢m性的影響，方案四～六與方案一～三的兩兩對比可獲知在擺放區(qū)域內(nèi)擺放順序?qū)ε撌覠崾孢m性的影響，兩種對比結(jié)合可得出艙室內(nèi)家具擺放對艙室熱舒適性的影響.各布置方案的編號信息、尺寸與數(shù)量見表2.

表2 編號信息表

2 建模與邊界條件的設(shè)置

采用Airpak3.0軟件建立艙室各布置方案下的流體域數(shù)值分析模型，建立模型后對模型進(jìn)行質(zhì)量檢查，之后利用軟件自帶的網(wǎng)格劃分模塊對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分與局部加密.通過局部優(yōu)化，提高網(wǎng)格質(zhì)量，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，選取合適數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行求解.

艙室內(nèi)氣體視為不可壓縮的牛頓流體且低速流動，空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流.艙室內(nèi)除進(jìn)氣口與回風(fēng)口外，均密閉良好，空氣與熱源間的換熱為對流換熱，不考慮輻射換熱，相鄰艙室壁溫設(shè)置絕熱，陽臺艙室壁溫設(shè)置為室外溫度.根據(jù)以上假設(shè)，本文湍流模型選取Airpak中的二方程k-ε模型，該模型被廣泛的應(yīng)用于工程中的流體計算[9].

艙室模擬各布置方案下夏季的工況，選取郵輪的單人間作為研究對象，艙室的冷負(fù)荷來源主要為人體、照明、電視、以及陽臺窗戶與陽臺艙壁的輻射及傳熱負(fù)荷，其中人體負(fù)荷為75 W，照明總負(fù)荷為68 W，電視負(fù)荷為150 W，陽臺窗戶與陽臺艙壁的輻射及傳熱負(fù)荷為923 W.為達(dá)到設(shè)計溫度，經(jīng)計算，在送風(fēng)溫度為16 ℃下，送風(fēng)量為650 m3/h，送風(fēng)相對濕度為55%.具體設(shè)計參數(shù)見表3.各方案進(jìn)行模擬時，人體模型均在沙發(fā)上，且為坐姿狀態(tài).模擬的收斂條件保持默認(rèn)，即各向速度及k與ε的收斂殘差為10-3，能量的收斂殘差為10-6.

表3 設(shè)計參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

選取距地面0.1，0.7，1.1，1.7 m四處截面，這些截面的高度分別對應(yīng)人體坐姿或站立時腳踝部位、人體坐姿時胸部位置或人體平躺在床上的高度、人體坐姿時頭部位置或站立時腰部位置、人體站立時頭部位置[10].

3.1 擺放區(qū)域?qū)崾孢m性的影響

艙室家具對于艙室氣流運(yùn)動來說屬于障礙物，障礙物的位置不同，會對艙室的氣流組織產(chǎn)生影響，從而影響艙室內(nèi)的熱舒適性.方案一～方案三最主要的區(qū)別在于衣柜與梳妝臺擺放區(qū)域的不同，方案一衣柜與梳妝臺在平面圖電視柜的左側(cè)且靠近回風(fēng)口，方案二衣柜與梳妝臺在平面圖電視柜的右側(cè)，方案三衣柜與梳妝臺則是貼靠陽臺墻壁設(shè)置.三種方案衣柜與梳妝臺的擺放順序均未改變，其他家具也均未改變移動.經(jīng)模擬計算，圖3為方案一～方案三在典型高度截面處的平均速度、溫度、PMV與PPD折線圖.

圖3 方案一～方案三的平均速度、溫度、PMV與PPD折線圖

由圖3可知，三種布置方案的平均風(fēng)速均小于0.065 m/s，但方案三的風(fēng)速要優(yōu)于另兩種方案，其在1.1 m處的平均風(fēng)速要比方案二小5.24%.三種布置方案在典型截面的平均溫度均在22.8～23.1 ℃，達(dá)到了我國對舒適性空調(diào)夏季調(diào)節(jié)溫度在22～28 ℃的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[11].在PMV折線圖中，可知各特征截面高度處的平均PMV值均在-0.53～-0.47，方案一與方案三除腳踝高度處，PMV值更接近與舒適性空調(diào)-0.5～0.5的PMV值，但方案三略優(yōu)于方案一.PPD圖則驗(yàn)證了以上各圖的結(jié)論，從預(yù)測不滿意百分?jǐn)?shù)圖上看，方案三在各截面高度處具有最低的預(yù)測不滿意度，在1.1 m高度處不滿意的人最少為10.3%.

三種方案出現(xiàn)舒適度的差異是因?yàn)橐鹿衽c梳妝臺擺放區(qū)域的改變影響了室內(nèi)的氣流組織分布.靠墻角布置的方案三由于本身氣流在墻角處的變動較大，因而衣柜與梳妝臺對氣流的影響相對較小，反之另兩種方案氣流不僅在墻角處有較大的改變而且在衣柜與梳妝臺處的改變較方案三大.因此，家具擺放時在不堵塞進(jìn)回風(fēng)口的情況下應(yīng)盡量借助氣流在艙室固有結(jié)構(gòu)改變較大處如墻角來擺放，這有助于提高艙室內(nèi)的熱舒適性.

3.2 擺放順序?qū)崾孢m性的影響

艙室中衣柜與室內(nèi)天花板等高，而梳妝臺只有0.7 m，因此兩者的擺放順序也會對室內(nèi)的熱舒適性產(chǎn)生影響.方案四～方案六是在方案一～方案三的基礎(chǔ)上改變了梳妝臺與衣柜的擺放順序，從而與方案一～方案三形成兩兩對比.對比方案的平均速度、溫度、PMV、PPD在特征高度處的數(shù)值見圖4.

圖4 對比方案速度、溫度、PMV與PPD折線圖

由圖4可知，方案二與方案三在調(diào)換衣柜與梳妝臺的擺放順序后，其預(yù)測平均評價與預(yù)測不滿意百分?jǐn)?shù)均有一定的改善.而方案一在調(diào)換擺放順序后，PMV與PPD值除在腳踝高度處沒有改善，其余各高度處均有優(yōu)化.出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)橐鹿衽c天花板等高，衣柜對氣流繞流的影響較大，將衣柜擺在遠(yuǎn)離出風(fēng)口的位置，可留出較多距離來使受影響的氣流逐漸趨于穩(wěn)定.因此可知，在確定物體的擺放區(qū)域后，與室內(nèi)凈高等高的物體靠墻擺放時應(yīng)盡量遠(yuǎn)離出風(fēng)口.

為對上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，本文依據(jù)艙室與實(shí)際使用習(xí)慣，設(shè)計了對比方案七，該方案衣柜布置在衛(wèi)生間內(nèi)墻與外墻形成的角落，梳妝臺布置在遠(yuǎn)離出風(fēng)口的陽臺角落處，沙發(fā)、電視柜與茶幾相比于前述各方案反對稱布置.由圖4可知，方案七在0.1與0.7 m特征高度截面處的平均風(fēng)速要大于方案六，但在各截面高度處的PMV與PPD值均優(yōu)于方案六，其在1.1 m高度截面處的不滿意度僅為9.78%.方案七熱舒適性優(yōu)于方案六的原因在于方案七借助于艙室固有空間，將衣柜放置于衛(wèi)生間內(nèi)墻與外墻的角落與將梳妝臺放置在遠(yuǎn)離回風(fēng)口的陽臺角落，能減緩上述家具對空氣的擾動，從而改善艙室的熱舒適性.

4 結(jié) 論

1) 方案一～方案三之間對比可知利用艙室空間結(jié)構(gòu)將家具布置在氣流變化較大處如墻角區(qū)域有助于提高艙室熱舒適性，在1.1 m處方案三的PMV值比方案二高出5.96%，不滿意度卻比方案二低5.5%.方案四～方案六與方案一～方案三之間兩兩對比，表明擺放家具時較高的家具應(yīng)盡量擺在遠(yuǎn)離出風(fēng)口的艙室結(jié)構(gòu)如墻角處，而方案七的數(shù)據(jù)則驗(yàn)證了上述結(jié)論.

2) 通過分析比較，艙室的布置對穩(wěn)態(tài)時艙室溫度的影響不大，但借助艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的布置，能夠在一定程度上提升艙室的熱舒適性.這也表明在實(shí)際設(shè)計中，即便空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備已確定，仍可通過改變艙室內(nèi)的家具布置來提升改善艙室內(nèi)的熱舒適性，尤其是對大型空間設(shè)備繁多的公共場所艙室，合理的布置尤為重要.