基于熱舒適性的郵輪客房空調(diào)風(fēng)口優(yōu)化設(shè)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(huán)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(zhì),會危害人體健康[1]。關(guān)于改善艙室空氣環(huán)境,提升乘客居住舒適性的研究,有學(xué)者研究兩人艙室不同的送回風(fēng)口位置和送風(fēng)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(fēng)方案[2];對客船高檔餐廳進行空調(diào)通風(fēng)設(shè)計,提出局部孔板通風(fēng)方案,且證明天花板頂部回風(fēng)的氣流組織更優(yōu)[3];建立室內(nèi)對流環(huán)境中的人體熱反應(yīng)模型,可用于各種對流空調(diào)環(huán)境下的人體生理參數(shù)預(yù)測,為新型對流空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計評估及修正提供參考[4];將輻射空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)從熱舒適度角度進行了全面分析,結(jié)果表明輻射空調(diào)系統(tǒng)在舒適性和能源利用率方面具有優(yōu)勢[5];以高大艙室活動大廳為研究對象,分別對中間送風(fēng)頂部回風(fēng)、底部送風(fēng)頂部回風(fēng)兩種方案進行仿真模擬,并對室內(nèi)溫度、速度、空氣齡、PMV分布進行對比分析,得出中間送風(fēng)的方案室內(nèi)舒適性較好的結(jié)論[6];對地板送風(fēng)、置換通風(fēng)、混合通風(fēng)三種傳統(tǒng)送風(fēng)方式下及工位送風(fēng)的新性送風(fēng)方式下郵輪閱覽室內(nèi)的氣流組織進行模擬,根據(jù)氣流組織評價指標(biāo)對各種送風(fēng)方式下室內(nèi)氣流進行評價,結(jié)果表明,工位送風(fēng)的效果更好,且工位送風(fēng)與置換送風(fēng)聯(lián)合運行效果最佳[7]。本文在前人研究基礎(chǔ)上,考慮利用AIRPAK軟件模擬艙室內(nèi)氣流組織,從熱舒適性、吹風(fēng)感、空氣清新度角度對比不同風(fēng)口布置方案;考慮到廁所門縫漏風(fēng)影響,進一步細(xì)化通風(fēng)模型,更為貼合工程實際。

1 設(shè)計參數(shù)

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(biāo)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(cè)與外界相鄰,右側(cè)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(fēng)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(fā)、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(fā)上看電視的場景(窗外有輻射、吊燈全部打開,此時艙內(nèi)熱量最大),幾何模型圖見圖1。

圖1 住艙幾何模型

1.2 送風(fēng)參數(shù)計算

夏季工況總顯熱冷負(fù)荷為[8]:

∑φ=q+qp+qr+qε

(1)

式中:∑φ為顯熱冷負(fù)荷;q為艙室四周圍護結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)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(shè)備散熱。由于上下前后均為相同類型艙室,右側(cè)為走廊,均可視為不存在溫差的絕熱界面,故q即為左側(cè)除舷窗外的墻壁傳熱量,按式(2)計算:

q=kAΔT

(2)

式中:k為左側(cè)墻壁與外界的傳熱系數(shù),取0.9 W/(m2.K);A為左側(cè)墻壁的有效傳熱面積,計算后得到為5.365 m2;ΔT為墻壁內(nèi)外溫差,室外環(huán)境取35℃,室內(nèi)依據(jù)設(shè)計規(guī)范取24℃,計算后得到ΔT為11℃。

情景內(nèi)人員均為靜坐狀態(tài),人體散熱qp依據(jù)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(shè)備散熱qε依據(jù)1.1中數(shù)據(jù)計算得到為216 W。將數(shù)據(jù)帶入式(1),計算可知顯熱冷負(fù)荷為484.812 W。

1.2.2 風(fēng)口參數(shù)計算

1.2.2.1 艙室送風(fēng)口參數(shù)計算

葉圣陶先生曾指出:“把整本書作主體，把單篇短章作輔佐。”閱讀完整本書只是一個開端，教師和學(xué)生之間還要繼續(xù)圍繞這個“原點”進行發(fā)散式、輻射式閱讀。這樣就可以以整本書這個“原點”帶動一個閱讀群，實現(xiàn)更好的語文閱讀群構(gòu)建，從而有效提升學(xué)生的語文閱讀素養(yǎng)。當(dāng)然，在推進學(xué)生閱讀整本書的過程中，重要的不是讓學(xué)生讀幾本書，而是要教給學(xué)生閱讀整本書的方法與技能，從而使他們閱讀更多更好的作品，提升語文素養(yǎng)，陶冶精神情操，培養(yǎng)人文情懷。這樣的整本書閱讀及教學(xué)才會更有意義。

夏季送風(fēng)溫差在8～10 ℃范圍內(nèi),故本文選取送風(fēng)溫度為14 ℃、送風(fēng)相對濕度為92%。室內(nèi)空氣設(shè)計參數(shù)為24 ℃、相對濕度55%。依據(jù)式(3)計算得到送風(fēng)量為0.039 4 m3/s。

(3)

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

1.2.2.2 廁所抽風(fēng)口參數(shù)計算

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

(4)

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

計算得到廁所抽風(fēng)口風(fēng)速為0.67 m/s。

2 風(fēng)口布置設(shè)計

送風(fēng)和回風(fēng)模式均采用孔板送/回風(fēng)模式。根據(jù)送風(fēng)/排風(fēng)口位置的變化,設(shè)計兩種風(fēng)口布置方案,即:①頂部送風(fēng),下側(cè)回風(fēng);②頂部送風(fēng),頂部回風(fēng)。兩種方案的風(fēng)口位置及風(fēng)速方向見表1。

表1 各方案風(fēng)口參數(shù)表

各風(fēng)口布置方案三維幾何模型見圖2。

圖2 各風(fēng)口布置方案三維幾何模型

3 模擬結(jié)果及分析

考慮到熱舒適性、吹風(fēng)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(fēng)、下側(cè)回風(fēng)

方案1采用天花板頂部送風(fēng),衛(wèi)生間對面壁下側(cè)回風(fēng)的風(fēng)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(nèi)溫度大部分處于23.5～25.0 ℃之間,少數(shù)的高溫區(qū)域主要為左側(cè)艙壁附近和艙室頂部的吊燈處。人體周圍區(qū)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(qū)域為排風(fēng)口右側(cè)天花板附近,這是因為該區(qū)域距離主要熱源較遠。

如圖4所示,在方案1的風(fēng)口布置情況下室內(nèi)人員可活動范圍內(nèi)PPD值在3.75～7.50之間。PPD較低的區(qū)域為靠近送風(fēng)口處左半側(cè)艙室,和溫度場中溫度24 ℃左右區(qū)域?qū)?yīng),人體在該區(qū)域熱舒適度較高,預(yù)測不滿意度較低;PPD較高的區(qū)域位于艙室右半側(cè),對應(yīng)艙室溫度場中溫度較低區(qū)域(22～23 ℃),人體在此處會略有冷感,預(yù)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(nèi)整體熱舒適性高。對比圖4可以發(fā)現(xiàn)PMV分布和PPD分布基本一致,左側(cè)艙壁附近PMV值最接近于0,對應(yīng)PPD分布中最低值區(qū)域。

圖5 方案1的PMV分布

結(jié)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(fēng)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(fēng)口處空氣流速最大,墻角附近存在流動死區(qū),空氣流速幾乎為0。人體附近雖然處于風(fēng)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(nèi),所以人體附近區(qū)域空氣齡依然高于兩側(cè)其余區(qū)域。從圖7中可以看出,在艙室左側(cè)空氣流動主要以順時針環(huán)流的形式;在艙室右側(cè)空氣流動主要從兩邊向下流動,這是因為排風(fēng)口及廁所底部漏風(fēng)口均位于靠近底部區(qū)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(fēng)、頂部回風(fēng)

方案2采用天花板頂部靠近雙人床側(cè)送風(fēng),頂部靠近門口側(cè)回風(fēng)的風(fēng)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(nèi)的溫度大部分處于22.0～24.5 ℃之間,少數(shù)的高溫區(qū)域主要為左側(cè)艙壁附近底部和艙室頂部的吊燈處,這是由于設(shè)備散熱和艙壁傳熱且角落處空氣流動性差導(dǎo)致的。 溫度最低處為送風(fēng)口附近,處于21～22 ℃之間,并以該區(qū)域為中心向外溫度逐漸上升。右半側(cè)艙室空氣溫度為24.5 ℃左右,左半側(cè)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(fēng)口布置情況下室內(nèi)人員可活動范圍內(nèi)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(qū)域基本在7～10的范圍內(nèi)。艙室左半側(cè)PPD值普遍較高在9以上,尤其是風(fēng)口附近PPD值大于10,該部分區(qū)域?qū)?yīng)溫度場中的低溫區(qū)域,冷感引起了預(yù)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(fā)現(xiàn)PMV分布和PPD分布較為相似,在人體活動范圍內(nèi)送風(fēng)口附近PMV值最低,并以該區(qū)域為中心向外PMV值逐漸上升。左半側(cè)艙室PMV值低于右半側(cè)艙室,這是由于距離風(fēng)口較近冷感較強。還發(fā)現(xiàn)在右側(cè)艙室上部存在部分區(qū)域PMV值相對較低,這是因為回風(fēng)口布置于附近,冷空氣向該區(qū)域流動導(dǎo)致的。

圖10 方案2的PMV分布

結(jié)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(fēng)口附近空氣齡最小,為710 s左右,艙室空氣齡以該區(qū)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(cè)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(jié)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(qū)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(qū)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(yù)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(fā)現(xiàn)方案1中“天花板頂部送風(fēng),衛(wèi)生間對面壁底部排風(fēng)”的通風(fēng)方式可以在整個艙室形成較好的環(huán)流,增強了冷空氣從送風(fēng)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(dǎo)致該部分區(qū)域溫度更低。

2)在吹風(fēng)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(qū)域),而方案2中兩人中間區(qū)域流速在0.025～0.037 5 m/s之間。方案1略優(yōu)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(cè)艙室空氣齡顯然更低處于777 s以下,模擬結(jié)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(yōu)。結(jié)合速度矢量分布圖分析其原因,發(fā)現(xiàn)方案2中人員之間空氣流速更高,流動低速區(qū)更小,這使得空氣得以在全艙室內(nèi)更好的進行循環(huán)。

4 結(jié)論

模擬上送底側(cè)回、上送上回兩種送風(fēng)方案下的室內(nèi)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(jié)果表明,方案1的艙室人體活動區(qū)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(nèi)熱舒適性更佳。同時,創(chuàng)新性在前人基礎(chǔ)上考慮到廁所底部門縫回風(fēng),更貼近實際工程。