866客位高端客滾船雨降式空調(diào)設(shè)計(jì)

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(nèi)部配備了餐廳、酒吧、兒童游樂區(qū)等公共區(qū)域，其區(qū)域空調(diào)按照COMF (C1)最高級別的空氣舒適度入級符號設(shè)計(jì)，需要滿足規(guī)范中溫度調(diào)節(jié)能力、最大風(fēng)速、新風(fēng)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(qū)域大雨降盒子的雨降式空調(diào)為設(shè)計(jì)及優(yōu)化對象，首先將進(jìn)行空調(diào)熱負(fù)荷計(jì)算，然后準(zhǔn)備通過雨降區(qū)域劃分、雨降盒子設(shè)計(jì)及制作、天花的封堵3個(gè)方面完成大雨降盒子的雨降式空調(diào)設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過CFD仿真軟件對大雨降盒子對公共區(qū)域的氣流組織以及雨降盒子內(nèi)部風(fēng)管均勻送、回風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，最后將通過與實(shí)船測試數(shù)據(jù)的對比、分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1 公共區(qū)域的空調(diào)設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)吃水6.3 m，載重量10 850 t，設(shè)計(jì)航速22.4 kn，共設(shè)有12層甲板，其中9～11甲板為住艙和公共區(qū)域，公共區(qū)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(qū)等。

1.2 公共區(qū)域空調(diào)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)安全返港的要求，在任意主豎區(qū)失效的情況下，垂直管弄均可正常使用[1]，因此每個(gè)主豎區(qū)的每層甲板，均采用獨(dú)立空調(diào)的設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目中公共區(qū)域均在10甲板1區(qū)、11甲板1區(qū)及2區(qū)，因此設(shè)計(jì)了3臺空氣處理機(jī)組(AHU)分別負(fù)責(zé)這3個(gè)區(qū)域。本船公共區(qū)域借鑒豪華客船陽臺房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)[2]，采用新風(fēng)+風(fēng)機(jī)盤管的設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)有30臺風(fēng)機(jī)盤管(FCU)。

1.3 空調(diào)熱負(fù)荷計(jì)算

以11甲板2區(qū)為例，其設(shè)計(jì)工況見表1。

表1 11甲板2區(qū)空調(diào)設(shè)計(jì)工況

根據(jù)DNV船級社的規(guī)范以及ISO 7547船舶空調(diào)設(shè)計(jì)國際標(biāo)準(zhǔn)，以穩(wěn)定傳熱法將各種熱量按其同時(shí)性簡單疊加，以空調(diào)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(shù)、溫差計(jì)算冷熱負(fù)荷；通過公共區(qū)域的面積以及換氣次數(shù)計(jì)算最小風(fēng)量；同時(shí)根據(jù)COMF (C1)的要求，結(jié)合每個(gè)公共區(qū)域的最大人數(shù)，計(jì)算最小新風(fēng)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(zhuǎn)輪式熱回收器，通過該回收器達(dá)到排風(fēng)能量回收的作用，可以有效降低空調(diào)負(fù)荷。綜合以上數(shù)據(jù)，在考慮AHU帶轉(zhuǎn)輪熱回收的情況下，服務(wù)于11甲2區(qū)公共區(qū)域的AHU的夏季制冷負(fù)荷為99.73 kW，冬季制熱負(fù)荷為69.34 kW。該區(qū)域FCU的熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 11甲板2區(qū)FCU熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

2 公共區(qū)域大雨降盒子的雨降式空調(diào)設(shè)計(jì)

2.1 雨降區(qū)域劃分

雨降式設(shè)計(jì)就是將空調(diào)的送回風(fēng)口均勻布置在天花頂部，然后通過天花的縫隙或者網(wǎng)孔來連通下面的公共區(qū)域，把天花作為一個(gè)面積非常大的送回風(fēng)格柵，猶如下雨一樣。首先要將服務(wù)區(qū)域劃分為送風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)。送風(fēng)區(qū)域會設(shè)計(jì)AHU的送風(fēng)管以及FCU的送風(fēng)口，回風(fēng)區(qū)域主要用于FCU的回風(fēng)，排風(fēng)區(qū)域用于布置AHU的排風(fēng)。以11甲板2區(qū)為例，劃分后的區(qū)域見圖1。

圖1 11甲板2區(qū)的服務(wù)區(qū)域劃分

2.2 大雨降盒子的設(shè)計(jì)及制作

在完成空調(diào)區(qū)域劃分后，就要設(shè)計(jì)雨降盒子，雨降盒子就是在天花頂部圍出一個(gè)個(gè)“靜壓箱”，除了天花那一面，其他幾個(gè)面均需要制作保溫絕緣。雨降盒子的設(shè)計(jì)有兩種方法：①設(shè)計(jì)多個(gè)較小的雨降盒子，見圖2，這種設(shè)計(jì)的好處是布置簡單，缺點(diǎn)是空調(diào)的均勻度較差；②設(shè)計(jì)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(fēng)管數(shù)量多、和內(nèi)裝交集多等困難，需要詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)不斷相互協(xié)調(diào)，多次更新優(yōu)化[4]。

圖2 較小雨降盒子設(shè)計(jì)

圖3 大雨降盒子設(shè)計(jì)

為了獲得最佳的空調(diào)效果，采用第二種設(shè)計(jì)，即大雨降盒子的設(shè)計(jì)，相鄰的回風(fēng)和排風(fēng)也進(jìn)行了合并。

送風(fēng)的雨降盒子的設(shè)計(jì)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(fēng)的流速一般小于1.5 m/s，對流速下限不做要求。送風(fēng)盒子和回風(fēng)盒子之間需要保證至少1 000 mm的過渡區(qū)，這是避免送風(fēng)直接被回排風(fēng)吸走造成短路導(dǎo)致空調(diào)效果減弱，在條件允許的情況下過渡區(qū)應(yīng)該設(shè)置的盡量大。過渡區(qū)可以用2道距離1 000 mm以上的盒子邊界來實(shí)現(xiàn)，也可以只設(shè)置1道邊界，然后采用天花封堵的方法來實(shí)現(xiàn)。

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(qū)的封堵。

2)火警探頭附件的封堵。按照規(guī)范要求，火警探頭0.5 m半徑之內(nèi)不允許有空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)口，否則會影響傳感器的精度。

3)食物及其他需要防止空調(diào)直吹的位置的封堵。

4)調(diào)整送回風(fēng)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(yùn)用兩種封堵方式完成封堵。在設(shè)計(jì)完封堵之后，應(yīng)對雨降盒子的送回風(fēng)面積及流速進(jìn)行準(zhǔn)確細(xì)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(gè)小盒子，需要校核每個(gè)小盒子的面積是否夠。

3 大雨降盒子對公共區(qū)域氣流組織的仿真

3.1 典型公共區(qū)域的模型

選擇兒童娛樂區(qū)作為典型公共區(qū)域進(jìn)行仿真分析。這個(gè)區(qū)域的面積為67 m2，層高2.4 m，體積160.8 m3，AHU送排風(fēng)風(fēng)量為505 m3/h，F(xiàn)CU送回風(fēng)風(fēng)量為850 m3/h，總風(fēng)量為1 355 m3/h。建立的模型見圖6。

圖6 兒童娛樂區(qū)模型

3.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)表1的參數(shù)設(shè)置室外條件，該區(qū)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(qū)速度云圖

圖8 夏季制冷下兒童娛樂區(qū)溫度云圖

圖9 冬季制熱下兒童娛樂區(qū)速度云圖

圖10 冬季制熱下兒童娛樂區(qū)溫度云圖

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

圖8和圖10溫度云圖中標(biāo)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(jù)COMF (C1)的檢驗(yàn)要求，1.2 m高度的溫度作為該區(qū)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?？梢钥闯?，在夏季制冷工況下，兒童娛樂區(qū)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(qū)的平均溫度約為23 ℃，垂直方向最大溫度差1.3 ℃，均滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，從仿真的結(jié)果來看，采用大雨降盒子的設(shè)計(jì)對提升公共區(qū)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(shè)置邊界條件時(shí)，將大雨降盒子的送、回風(fēng)的定義為均勻的，要達(dá)到這個(gè)效果，需要將各個(gè)送、回風(fēng)口均勻布置在雨降盒子中，且需要保證每個(gè)末端的風(fēng)量接近，因此需要對雨降盒子內(nèi)部風(fēng)管進(jìn)行均勻送、回風(fēng)設(shè)計(jì)。

4 大雨降盒子內(nèi)部風(fēng)管均勻送、回風(fēng)設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)管均勻送、回風(fēng)問題分析

雨降盒子設(shè)計(jì)，若采用較小的雨降盒子，其內(nèi)部的風(fēng)管布置簡單，可以按照完全對稱的設(shè)計(jì)布置末端進(jìn)出口，但若采用大雨降盒子的設(shè)計(jì)，其內(nèi)部的風(fēng)管走向需要考慮到和其他管子、支架、設(shè)備的協(xié)調(diào)，因此會造成每個(gè)出風(fēng)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(gè)出口設(shè)置調(diào)風(fēng)門，對成本及布置均帶來了更大的問題，為了解決這個(gè)問題，通過仿真計(jì)算及管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)，對整個(gè)風(fēng)管末端進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)。

由于風(fēng)管在雨降盒子內(nèi)部的長度有限，根據(jù)理論計(jì)算，該段圓管的沿程阻力較小，同樣的，單個(gè)彎頭、Z形彎頭的局部阻力均較小，可以忽略不計(jì)，為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論，建立末端模型進(jìn)行仿真計(jì)算，見圖11。其中0是總管入口，出口1、2是標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算模型

仿真的速度云圖見圖12，可以看出，流速最高出現(xiàn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證了理論計(jì)算的結(jié)論，及雨降盒子內(nèi)部的風(fēng)管沿程阻力、單個(gè)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(nèi)部的管路長度、單個(gè)彎頭，以及Z形彎，可以將實(shí)際布置中的幾十個(gè)不同類型、不同參數(shù)的送、回風(fēng)口分為A、B、C、D 4類，見圖13。

圖13 送、回風(fēng)口末端類型

4.2 不同類型的風(fēng)管末端均勻優(yōu)化設(shè)計(jì)

和初步仿真類似，對每一種末端形式進(jìn)行仿真，并計(jì)算流量標(biāo)準(zhǔn)差，通過增加變徑的方法進(jìn)行均勻優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終對每一種末端類型選擇流量標(biāo)準(zhǔn)差最小的方案。A類型最終方案的流量標(biāo)準(zhǔn)差為3.85，B方案為18.78，C方案為13.66，D方案為18.28。

5 實(shí)船調(diào)試與測量結(jié)果

5.1 公共區(qū)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(dòng)和室內(nèi)空氣的相關(guān)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(fēng)速、每人最小的新風(fēng)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(shí)，需根據(jù)室外溫度，將測試區(qū)域調(diào)整到指定溫度以下，并保持溫度穩(wěn)定，需測量1.2 m高度的溫度、濕度及風(fēng)速以及0.3 m和1.8 m的溫度差，然后在不影響其他區(qū)域空調(diào)工作的情況下打開該測試區(qū)域的加熱功能，2 h內(nèi)，再次測量以上參數(shù)。

5.2 公共區(qū)域舒適度測量結(jié)果及對比分析

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

表5 部分區(qū)域的舒適度測量結(jié)果

將兒童娛樂區(qū)的測試結(jié)果和仿真結(jié)果作對比，可以發(fā)現(xiàn)，由于仿真計(jì)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(shè)計(jì)很合理，可以滿足COMF (C1)要求。

5.3 風(fēng)管末端風(fēng)量測量結(jié)果及對比分析

采用熱球式風(fēng)速儀，通過在風(fēng)管上打孔的方式測量某一截面的風(fēng)速，為了驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，在實(shí)船選取了不同類型的十幾個(gè)末端進(jìn)行測量，部分測量結(jié)果見表6。

表6 部分末端的實(shí)船測量結(jié)果

采用熱球式風(fēng)速儀測量風(fēng)速需要選擇平直的風(fēng)管段，同時(shí)距離管路附件、進(jìn)出口需要保持一定距離，在實(shí)船測試時(shí)，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(jìn)出口風(fēng)量時(shí)存在一定誤差，實(shí)船測量數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算結(jié)果的偏差可能是這個(gè)原因造成的?？傮w來講，實(shí)船測試結(jié)果與仿真的結(jié)果基本接近，說明通過仿真計(jì)算的結(jié)果是比較準(zhǔn)確的，對末端的均勻優(yōu)化設(shè)計(jì)有效。

6 結(jié)論

1)大雨降盒子的雨降式空調(diào)設(shè)計(jì)，需從熱負(fù)荷計(jì)算、雨降區(qū)域劃分、盒子設(shè)計(jì)及制作、雨降天花封堵等方面完成設(shè)計(jì)，難點(diǎn)在于雨降區(qū)域劃分和雨降盒子內(nèi)部風(fēng)管的均勻送、回風(fēng)設(shè)計(jì)。

2)通過大雨降盒子對公共區(qū)域氣流組織的仿真和實(shí)船舒適度測量結(jié)果的對比分析，證明大雨降盒子的設(shè)計(jì)可以充分組織整個(gè)公共區(qū)域的氣流，減小垂直及水平溫差，保證整個(gè)區(qū)域的制冷、制熱效果。

3)通過大雨降盒子內(nèi)部風(fēng)管均勻送、回風(fēng)設(shè)計(jì)和實(shí)船試驗(yàn)的對比分析，證明通過仿真計(jì)算優(yōu)化末端的方案是有效的，從而保證空調(diào)的效果，該均勻優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可以為后續(xù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

目前，886客位高端客滾船已經(jīng)完成了雨降式空調(diào)的設(shè)計(jì)、施工及調(diào)試，并通過了船級社COMF(C1)的驗(yàn)收。