辐射供冷末端布置对邮轮舱室热环境影响

2021-08-04夏梦寒陈森杨

中国修船 2021年4期

夏梦寒，徐立，陈森杨，刘越

(武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430063)

邮轮是以海上观光旅游为主要诉求，体验奢华的居住环境和现代化的娱乐设施是乘客最主要的目的，其对环保、舒适性、节能性要求都很高。以冷辐射板为末端换热装置的空调系统通过降低围护结构的表面温度形成冷辐射面，直接与室内环境进行换热。因而该系统能承担室内大部分负荷，减少对新风量的需求，降低由冷风引起的局部不舒适度，更符合人体舒适性要求。

不同位置的辐射板会影响舱室内热交换的过程，进而影响舱室负荷特性[1]。受到房间空间布局的限制，选取辐射顶板系统、辐射垂直墙壁系统和无辐射末端系统3种空调系统，采用Airpak软件搭建舱室供冷模型，分析不同冷辐射末端布置方式对舱室热环境的影响，选取合理的送风速度，为夏季辐射供冷末端布置方式的设计提供参考。

1 物理模型

以某邮轮的典型双人舱室为基础模型，建立尺寸为7.4 m×2.8 m×2.2 m的三维框架结构，简化舱室内部家具的物理模型。舱室三维模型示意图如图1所示。

图1 舱室三维模型示意图

所选的舱室设定在中间层，与相邻的舱室同为相同工况，无舱室之间的传热；靠近船舷一侧舱壁设置有普通双层玻璃，内置淡色遮阳窗帘；前舱壁与走廊有温差，存在热传递现象。舱室内主要的家具设施有2张双人床、沙发、衣柜、茶几、化妆台以及电视机柜，并有浴室和卫生间2个隔断间。按GB/T 13409-1992《船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法》规定，舱室基本参数[2]如表1所示。

表1 舱室基本参数

根据邮轮在无限航区航行的实际情况，夏季工况舱室外部的干球温度为35 ℃，相对湿度为70%。本舱室的空调系统采用辐射供冷空调系统，为达到舱内温度26 ℃和相对湿度50%的要求，选取辐射板平均辐射温度为20 ℃。

2 数学模型

实际舱室内空气流动是自然对流、强迫对流和辐射换热都存在的湍流流动，在数值模拟中将室内空气流动视为常温、低速、不可压缩流体的流动，并且舱室内空气符合Boussinesq假设，可以忽略压力对密度的影响。

k-ε模型对高雷诺数的湍流流动有效，收敛性较好，精确度高，并且对有障碍物和由内热源的混合流动，能准确预测室内流场分布[3],则采用k-ε模型对舱室进行模拟。k-ε模型中，湍流动能k方程为：

(1)

湍流耗散率ε方程为：

(2)

式中,σk、σε、C1、C2均为常数；k为单位质量流体湍流脉动动能；ε为单位质量流体湍流动能的耗散率；μt为湍流运动黏性系数；ρ为流体密度；μ为流体黏性系数；u为流体速度；t为时间；Pg为生产项。

3 仿真结果与分析

3.1 仿真工况

根据冷辐射末端在舱室内布置不同，设计3种空调系统：无辐射末端系统(工况1)、辐射垂直墙壁系统(工况2)和辐射顶板系统(工况3)。在保证送风量、辐射板面积、单位面积供冷量、室内设定温度、室内冷负荷不变的情况下，进行模拟。各工况参数如表2所示。

表2 各工况参数

3.2 结果分析

结合人员的主要活动区域，选取舱室内具有研究意义的舱室横截面，利用这些典型的横截面来分析多种工况下舱室内温度场和速度场的显示情况。

1)无辐射末端系统工况。为分析人员主要活动区的温度梯度变化，选取工况1，Y=0.62截面(平躺)的温度云图如图2所示。

图2 工况1，Y=0.62截面(平躺)的温度云图

由图2知，对比2种工况下Y=0.62截面温度分布情况，送风温度为19 ℃时，大部分区域的温度在26 ℃左右，但靠近玻璃窗区域的温度受太阳辐射的影响，呈现较高的温度，高于28 ℃，人体两侧呈现明显温差；送风温度为18℃时，舱室内空气温度分布不均，受太阳辐射和走道传热的影响，两端温度相对较高，而中间部位温度低于25 ℃，舱室温度出现明显的分层现象，温度差较大，舱室舒适度体验较差。

2)辐射垂直墙壁系统。为分析人员主要活动区的温度梯度的变化，选取工况2，Y=0.62截面(平躺)的温度云图如图3所示；工况2，X=0.75截面温度和空气流速云图如图4所示。

图3 工况2，Y=0.62截面(平躺)的温度云图

图4 工况2，X=0.75截面温度和空气流速云图

由图4知，顶部低温区是由新风扩散气流形成。当送风速度较大时，气流沿水平方向运动距离更长，诱导周围空气向前运动与辐射板换热，在顶部形成的低温区范围小，且在Y轴方向的温度梯度分布不明显，舱室空气温度趋向均匀。由图3知，玻璃窗区域温度分层现象明显，送风速度越大，气流与辐射板接触时的速度越大，在重力和冷辐射的作用下，气流以相对较高的速度通过玻璃窗，带动热空气向前运动，在角落沉淀，形成局部温度分层现象。

3)辐射顶板系统。分析人员主要活动区的温度梯度变化，选取工况3，Y=0.62截面(平躺)的温度云图如图5所示；工况3，X=0.75截面温度和空气流速云图如图6所示。

图5 工况3，Y=0.62截面(平躺)的温度云图

图6 工况3，X=0.75截面温度和空气流速云图

由图5知，人体主要活动区域的温度为26 ℃，温度分布较为均匀，人体纵向温度差不超过2℃，受太阳辐射影响，玻璃窗区域有局部温度分层现象，卫生间受走道传热影响温度在27 ℃左右。

由图6知，顶部低温区是由新风扩散气流和冷辐射共同作用形成，送风速度越小，在阻尼和重力的作用下，气流沿水平方向运动距离越短，沿辐射板的扩散运动提前，形成的低温扇形区越往右移，且在Y轴方向的温度梯度分布越明显，使得舱室空气温度分布不均匀。

由图3和图4可知，垂直墙壁辐射工况在X=0.75截面的温度分布趋向均匀，在送风速度为1.2 m/s时，玻璃窗区域温度分层不明显，但在辐射板周围存在明显温度梯度。

由图5和图6可知，顶板辐射工况在Y=0.65截面的温度分布更加均匀，在送风速度为1.5 m/s时，温度为26 ℃分界线的最低高度为1.6 m，该区域并非人员的主要活动区域，并且满足人员坐姿时纵向温差不超过2 ℃。因此，送风速度为1.5 m/s的辐射顶板系统在温度和速度分布上更加均匀，空气流速都要小于0.15 m/s，人员无明显吹风感，满足人体舒适度的要求[4]。

3.3 热舒适性评价

PMV-PPD指标是大多数人对热环境的平均投票和不满意百分数，用以评估人体热舒适性。利用热舒适性评价指标PMV-PPD和平均空气龄对顶部辐射3-2工况的舱室环境进行评价，选取X=3.45截面(沙发)和X=4.30截面(梳妆台)作为参考截面，以人体坐姿0.10 m、0.60 m和1.25 m为垂直高度，描述人员主要活动区域的舒适度，如表3所示。

在PMV-PPD指标中，-0.5