船用变风量末端装置的应用分析

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)

0 引 言

变风量空调系统由于其舒适性和节能性在船舶空调系统设计中已被逐渐推广。变风量系统一般由空气处理设备、送风系统、变风量末端装置和自动控制元件组成。其中末端装置是变风量系统的关键设备，通过它来调节送风量，补偿变化着的室内负荷，维持室温;其中变风量末端的种类可分为:单风道型变风量末端、双风道型变风量末端、风机动力型末端、诱导型末端、压力相关型末端［1-3］。在国内外变风量末端装置已经发展了很多年，研究主要集中在VAV BOX 的控制方式模拟研究和性质实验研究。而末端的舒适性模拟研究也随着变风量技术的广泛应用逐渐增多。由于人们对船用末端的重视，所以对舰船变风量空调系统的末端设备的分析也显得格外重要，因此本文对常用的2 种末端装置应用Fluent 软件进行模拟研究，得到船用舱室的温度分布和速度分布。通过对比分析，得出在送风角度为20°的2 种送风都能很好满足舱室舒适性要求的结论［4-5］。

1 舰船VAV 末端装置

几种可能用于舰船的变风量空调系统末端装置情况如表1所示［6-7］。

表1 几种变风量末端基本特点和使用情况Tab.1 Basic characteristics and usage of several VAV boxes

表1 所介绍的末端装置中有2 种常用的船舶变风量空调系统末端，一个是带冷热交换器的动力型末端空调系统;另一个是诱导型末端空调系统，如图1所示。通过对2 种末端送风气流组织的模拟，研究2 种末端的不同送风参数对舱室舒适性的影响［8-12］。

2 舱室概况

以1 个长、宽、高分别为4.1 m，2.8 m，2.1 m 的4 人船员舱室为研究对象，房间的布局如图1所示，X 代表长度为2.8 m 的方向，Y 代表长度为4.1 m 的方向，Z 代表高度为2.1 m 的方向。模拟的是夏季空调工况，该舱室没有玻璃窗，不考虑玻璃窗传入热量;舱室左舱壁和后舱壁与外界环境接触，上和右舱室均和空调舱室相邻，各舱室设计温度相同，忽略舱室之间的换热;下舱壁与为外地板，为非空调房间。通过计算，得出该船员室渗人热为876 W，取送风温差为10℃，送风量为260 m3/h。

2.1 建模和网格划分

采用湍流模型对室内气流组织的三维不可压缩湍流流动进行数值模拟。假设流体为不可压缩流符合Boussinesp 假设，采用工程实际较多采用的k-e 双方程模型进行求解。对舱室进行网格划分，应用四面体网格对进风口、排风口、变风量末端装置等数学模型进行离散。风口的网格划分采用较密的网格，舱模拟计算的整个流场内最终网格数为485 884，节点数为517 798。

2.2 送风方式

诱导型末端的物理模型是舱室上方顶板距东舱壁面1.0 m 处，布置1 个1 050 mm×20 mm 条形送风口，出风角度为20°，送风量为260 m3/h，并布置1 个150 mm×150 mm 的回风口，位于东舱壁面下。由人员、灯具和设备等的产热量保持不变，只考虑因外界环境变化而引起的舱室负荷的变化，送风速度为2.03 m/s，进口空气温度为T=290 K。

带冷热交换器动力型末端在靠近舷侧部位的舱室顶部布置1 个718 mm×508 mm×250 mm(长×宽×高)的带热交换器末端送风器，如图2所示。额定风量为350 m3/h，其中集中空调系统送风量为120 m3/h，二次回风量为230 m3/h，150 mm×150 mm回风口，回风量为120 m3/h;该舱室内的二次回风部分，末端动力通风装置的进风口即是二次回风的回风口，该风口实际尺寸为508 mm×172 mm，回风量为230 m3/h。一次风风速为1.07 m/s，送风温度为290 K;二次回风风速为0.65 m/s，温度为舱室室温［10］。

图1 舱室XY 平面布置图Fig.1 XY floor plan of the cabin room

图2 带热交换器的末端送风方式Fig.2 The air supply of the VAV terminal box with heat exchanger

3 数值模拟及结果分析

1)诱导型末端送风数值模拟结果

图3 YZ 面X=1.4 m 处的温度分布云图Fig.3 YZ plane temperature contours at X=1.4 m

图4 YZ 面X=1.4 m 处的速度分布云图Fig.4 YZ plane velocity contours at X=1.4 m

图5 XY 面Z=0.7 m 处的温度分布云图Fig.5 XY plane temperature contours at Z=0.7 m

图6 XY 面Z=0.7 m 处的速度分布云图Fig.6 XY plane velocity contours at Z=0.7 m

从图3 ～图6 可以看出，采用诱导型末端的条形送风变风量空调系统，射流能够在顶板形成良好的贴附，在碰到西舱壁面后回流，使舱室处于回流区域。诱导风速低，床铺上的风速均小于0.2 m/s，满足人员活动区的送风风速微风速设计要求，即在夏季时小于或等于0.3 m/s 的标准要求，有助于船员对空气流动的需要。由于末端采用二次混合调节，能够将系统所送的低温空调风与船用舱室风经行混合后排出，克服了送风下坠、射流冷风感等问题，由图8 可以看出舱室床铺上最高温度是299.6 K，船员不会有冷风感，且温度场分布均匀，满足设计要求。综上所述，诱导型末端适用于船用舱室，且舒适性满足设计要求。

图7 YZ 面X=1.4 m 处的温度分布云图Fig.7 YZ plane temperature contours at X=1.4 m

图8 YZ 面X=1.4 m 处的速度分布云图Fig.8 YZ plane velocity contours at X=1.4 m

图9 XY 面Z=0.7 m 处的温度分布云图Fig.9 XY plane temperature contours at Z=0.7 m

图10 XY 面Z=0.7 m 处的速度分布云图Fig.9 XY plane velocity contours at Z=0.7 m

由图7 ～图10 可知，带热交换器的末端动力型送风方案的出风速度较小，射流能够很好地贴附在舱室顶板上，遇到西舱壁后面回流，在床铺上的风速都低于0.2 m/s。由图9 可看出，在人行走的空间内速度低，温度为296.4 K，船员活动会很舒适，并满足设计要求。综上所述，采用动力型末端送风方案的舱室温度分布均匀，气流速度低，舱室的舒适性较高。

4 结 语

本文以变风量空调系统最关键的末端装置为研究对象，分析了常用舰船变风量末端装置的应用，通过舱室送风方案设计和数值模拟，得出诱导型变风量末端和带热交换器的动力型末端都能够很好满足舱室的舒适性要求，舱室内的温度分布均匀，吹风感很低，船员感觉舒适。而且使用带热交换器的动力型末端，能够节约提高送风温度所需的热量。如当室内负荷变动幅度比较大，比如当热负荷比较大时，即使室内风量已经达到最小送风量，室内温度还在下降，此时为了保证室内的温湿度，常采用提高送风温度的方法，而在带热交换器的动力型末端，对室内送风再度加热处理，提高送风温度，确保舱室最小送风量，节约了提高送风温度所需的热量。所以，在船舶上使用的变风量末端有很多，在舱室空间和经济条件允许下，可以通过多种方案设计比较，选择最适合该舰船的变风量空调系统末端。

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