大温差技术在船舶空调中应用的可行性分析

周根明，厉盼盼

(江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)

船舶舱室外空气的温湿度随着航行区域环境的变化而发生变化，从而影响舱室内空气的温湿度，而船上的舱室空间小，布置集中，使舱内空气易被污染，将影响船员身心健康.并且环境条件对船舶设备的影响极大，据统计在设备现场故障中，有52%是环境因素引起的，其中温度引起的故障约占40%，湿度约占19%［1］.

随着社会生产的发展和科技水平的提高，对空调技术及其设备的要求也越来越高，船舶空调设备在定型化、系列化的基础上，又向着小型化、组装化和自动化发展.而近年来发展较快的大温差低温送风空调系统因其节能性、室内空气品质高、室内噪音较低等优点，得到越来越多的关注.大温差低温送风技术就是指空调送风温差比常规空调的5℃温差大，送风温差达到14～20℃.空调系统的夏季送风温差，对室内温湿度效果有一定影响，是决定空调系统经济性的主要因素之一［2］.

1 大温差送风在船舶空调上的优势

1 )该系统通过低的送风温度，可以减少30%～40%的送风量，空调机组尺寸可以减小20%～ 30%，风管尺寸可减小30%，减小系统设备投资费用及节省舱室空间［3－4］.

2 )风机功率的减少，可降低能耗与运行费用.空调是舰船航行中的耗能大户，直接影响舰船航行能力，因此要求尽量减少空调系统的能耗，提高舰船的战斗力.

3 )提高舒适性，改善室内空气品质.低温送风系统可使室内空气的相对湿度与露点温度比常温系统更低.相对湿度一般在40%左右，能显著提高供冷房间人体的舒适性［5］.

2 船舶舱室模型

由于该系统通过增大送风温差来降低输送系统的能耗，需要考虑对舱室内舒适度的影响.文中以典型的船用舱室为例，应用现在流行的商业模拟软件fluent，研究夏季送风工况下的舱室气流组织分布，分析船员舱室的热舒适度和该技术应用的可行性.

该船员舱室长、宽、高分别为4.1，2.8，2.1m(图1)，空调设计温度为27℃，根据人体热舒适性要求，在通风空调设计时，首先送风低速，避免冷风直吹产生的不适感.在人员活动区的送风风速满足微风速设计要求，在夏季时小于或等于0.3 m/s;其次是温度场分布均匀，人体纵向温差不大于3℃.根据标准“GB/T13409－92船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法”进行相关通风参数的计算和设定，得出本模型房间的负荷(表1).

表1 主要空调设计负荷Table1 Major air conditioning design load

2.1 物理模型及边界条件的确定

在舱室上方顶板距东舱壁面1.0m处，布置1个1050mm×20mm条形送风口，出风角度为20°，风口静压箱直接与空调系统送风管路连接，并布置1个长为150mm×150mm的回风口，位于东舱壁面下［6－7］.进口边界应用速度进口条件，速度方向20°于进口截面，出口边界应用出流边界条件，舱室的气图2.舱室壁面条件:南舱壁和西舱壁视为绝热面.其他两舱壁面边界条件取为第三类边界条件，取甲板的传热系数为0.6W(m2·℃)－1，外围璧的传热系数为0.8W(m2·℃)－1.

图1 船员舱室模型示意Fig.1 Livingmodel of crews

图2 舱室气流流型Fig.2 Air flow pattern of crews

2.2 湍流模型及送风参数的确定

文中选用RNG k－ε涡粘性湍流模型，该模型在高应变率情况下会自动限制紊流粘性，适用大温差送风空调房间模型.为了计算方便，假设舱室内气流为定常不可压缩气体，且舱室内空气符合Boussinesq假设［8］，即流体中粘性耗散忽略不计，密度的变化仅对浮升力产生影响.

设置送风口开口不变，舱室满负荷送风的送风量为261.18m3/h，几种送风方案的参数分别为:送风温度10℃，70%送风量183.08m3/h;送风温度10℃，50%送风量130.77m3/h;送风温度为7℃，70%送风量183.08m3/h;送风温度为7℃，50%送风量130.77m3/h，其它由人员、电脑以及灯具等产生的热量均保持不变.

3 模拟结果与分析

文中模拟了不同送风温度和不同送风量的送风情况，选择了2个典型断面z=1.4m(人员活动区)来分析舱室舒适度［9］.

3.1 送风温度为10℃时的模拟结果与分析

图3中温度梯度最大值出现在送风口附近，在z=1.4m的人员活动区内，由于送风温度为10℃，空流流型如气的平均温度有所提高，但是温度分布均匀，人员感觉较舒适;当风量减少时，低温射流出口风速降低，贴附长度减小.该区域平均温度也升高为27.3～28.4℃，虽然温度比7℃时的温度高，但是(对于船员而言)在床铺上休息和睡觉时，此温度(在人体舒适性范围)很适合熟睡.由图4的速度分布图可看出，在风量为183.08m3/h时，在左下角有漩涡，这是由于送风口所送的风整体射流到东墙上所造成的［10］.

图3 送风温度为10℃的温度分布云图Fig.3 Temperature contours of 10℃supply air temperature

图4 送风温度为10℃的速度分布云图Fig.4 Velocity contours of 10℃supply air temperature

3.2 送风温度为7℃时的模拟结果与分析

图5为送风温度7℃时舱室不同送风量的温度和速度模拟结果.从图中可以看出，温度分布趋势比较均匀，平均温度在26～27.5℃，满足舱室内温度设计的要求.断面x=1.4m人员活动区，温差不大.由图6知在一定的送风量下，房间内速度场分布影响不大，当降低送风量时，房间断面的速度大小发生改变，但分布趋势不变.由于风量的减小，在送风口出风面积不变的情况下，送风速度的降低导致了射流出口动量的减小，从而造成射流不能很好的贴附顶棚，但是室内所有温度和速度分布均匀，都能满足设计要求.

图5 送风温度为7℃的温度分布云图Fig.5 Temperature contours of 7℃supply air temperature

图6 送风温度为7℃的速度分布云图Fig.6 Velocity contours of 7℃supply air temperature

从图3～6可以看出，10℃和7℃送风的断面上的分布云图发现，随着温度的降低，低温送风断面即x=1.4m的断面上温度梯度逐渐变大，冷风下沉.当送风量的降低时，床铺上的呼吸区的平均温度升高，和送风速度降低，但总体来看平均温度和平均风速仍都满足规定的不大于3℃和不大于0.3m/s，所以可认为在10℃和7℃温度下送风时的气流组织是令人满意的，能够达到比较舒适的状态.

3.3 大温差送风与常规工况比较

为了分析大温差送风对舱室送风参数如温度场和速度场均匀性以及温度影响，文中将大温差低温送风与常规空调送风进行比较分析，不同的送风参数下舱室的温度和速度平均值如表2.

常规送风工况为舱室设计温度27℃，送风温度13℃，送风温差14℃，100%送风量261.18m3/h，送风口尺寸1050mm×250mm.

表2 不同送风温度和送风量条件下的平均温度和平均速度Table2 Average temperature and average speed of different air temperature and air volume

从表2的比较可得知，大温差低温送风的平均温度和平均速度分布随风量变化的趋势与常规空调送风工况相同，并且平均值都在规范要求的范围内，只是送风量为50%部分负荷送风时，送风平均温度的变化幅度比较大，但送风量的减少使舱室振动减少、噪音降低，因此大温差低温送风舒适性都是令人满意的.

4 结论

文中提出了大温差低温送风方案，并针对船员舱室的负荷情况进行了数值模拟，得出了舱室的温度和速度分布.经分析知，对于两种送风温度为10℃和7℃，室内设计温度为27℃，送风量分别为送风量183.08m3/h和130.77m3/h.当送风口的送风面积不变时，在不同的送风温度和送风量下，舱室的平均温度和平均速度满足标准和人体舒适性要求，送风速度随着送风量的减小，分别更加均匀.因此，大温差低温送风在船舶空调上的应用是可行的.

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