船舶舱段冬季空调舒适性优化研究

刘秀峰 黄峙 谢军龙 徐新华 王飞飞*

1 海装驻武汉地区第二军事代表室

2 中国舰船研究设计中心

3 华中科技大学能源动力与工程学院

4 华中科技大学环境科学与工程学院

0 引言

近年来，我国船舶制造工艺不断进步，大型船舶的种类与数量越来越多。海上大型船舶可以容纳上百名工作人员，保障船员的生活环境非常重要[1]。目前，大多数船舶均采用全封闭的舷窗设计，舱室内温湿度环境均由空调系统维持。当执行任务时，船员的活动区域受限，且超过80%的时间在舱内[2]。因此，船舶舱室的内部环境对船员的身心健康和工作效率有重要影响[3]。另一方面，室内空气污染程度超过室外的2～5 倍，严重的甚至超过100 倍[4]，对于封闭船舱，室内污染的问题更加严重。因此船舶舱室的空气质量问题成为了船舶行业的热点之一[5-6]。优化和改善船舶空调系统，为船员提供良好和健康的生活环境，已成为大型船舶在设计和制造过程中需要重点考虑的因素[7-8]。同时，船舶舱室气流组织的热舒适性和空气品质也是船舶舒适度标准中的重要指标[9-10]。

本文主要通过 CFD 技术对某大型船舶舱段的冬季空调舒适性开展模拟分析。在原设计基础上，针对舱段的内外区舱室，提出了五种空调优化策略，并基于CFD 模拟开展对比和分析。本文结果将对大型船舶在冬季时的空调设计提供一定的参考。

1 研究对象

本研究针对某大型船舶的舱段第三层进行。为方便建模，可将整个舱段分为6 个区域（A、B、C、D、E、F），如图1 所示。本文主要以B 区为例开展模拟研究。该区上侧及右上侧为暴露侧壁，下侧及右下侧为舱室内部非空调房间（0310A），左侧为舱段空调区域。B 区包含4 个空调舱室为0302，0304，0306 和0312，分别设有3、1、1、1 个布风器。每个布风器的送风量为156 m3/h。各空调舱室均设有1 个回风口，底端距离地面0.15m。墙体材料为铝蜂窝板，热阻值约为0.026 m2·K/W，厚度为40 mm。B 区各空调舱室的初始设计参数如表1 所示。

图1 船舱区域示意图

表1 各空调舱室冬季空调设计工况

2 研究方法

2.1 数值模型

CFD 是探讨空调和气流组织中的常用方法[11-14]，亦能获得准确度较高的结果。本研究采用商业软件 ANSYS Fluent v19.2 开展数值模拟研究，求解全部控制方程。室内空气流动模拟选择基于压力的求解器。在模拟时，考虑重力的影响，将室内空气视为不可压缩气体，使用RNGk-ε模型对流场进行数值模拟，用增强型壁面函数来模拟近壁面的传热和流动。采用 Couple 算法对离散方程组进行求解。压力项采用交错压力（Pressure Staggering Option，P RESIO）离散格式，而动量、能量等方程采用二阶迎风格式进行离散。

采用 ANSYS ICEMCFD 对舱段进行几何建模和网格划分。根据图1 可建立如图2 所示的几何模型。在建模时，直接建立布风器、排风口、墙面等几何模型。整体计算域采用混合策略进行网格划分，即布风器附近区域采用非结构性网格，而其他区域则采用结构性网格以减少网格数。经过网格独立性验证之后，最终可确定舱段B 区模型的网格数量为440 万。

图2 舱段B 区模型图

2.2 边界条件

由于舱室实际工况较为复杂，模拟时可对舱段各边界条件进行适当简化。上侧及右上侧为暴露侧壁，冬季工况外壁面温度设置为-18℃，壁面传热系数为1.57 W/(m2·K)。非空调与空调舱室的冬季设计温差取值为10℃。舱室，走廊以及墙壁导热系数为0.026 m2·K/W。舱段顶板壁面设为绝热壁面。各舱室热扰包括人员和照明，可简化折合为单位面积热流率，设置为地板放热。其中，0302、0304、0306、0312 室的热流分别为29.6、36.6、36.6、36.6 W/m2。布风器出口为速度边界条件，速度为2.156 m/s，送风温度27℃。回风口设置为压力出口边界。

模拟收敛标准包括两个，一是所有变量的残差小于10-3，二是出口的流速不随迭代变化，波动在±0.1 m/s 以内。

3 结果与分析

3.1 初始空调设计的现状分析

根据 B 区舱段的冬季空调设计条件（表1），首先对该区在冬季设计工况下的室内温度场进行数值模拟。图3 展示了B 区舱段及舱室在冬季空调设计条件时的z=1.4 m 高度平面的温度分布。结果表明，舱段B 区冬季房间温度偏高，室温分布在24～30℃之间，部分区域室温超过了我国舒适性空调调节冬季室内设计标准范围18～24℃。0302 室虽然上侧和右侧均为暴露侧壁，壁面传热量很大，但由于0302 室设置了3 个布风器送风，送风量较大，室内温度约为24～26℃，稍高于设计值22℃。0306 室和0312 室位于内区，通过壁面与其他空调舱室换热很少，且又存在室内热负荷，因此这两个房间室温非常高，约在28～30℃之间，远远超过了设计值。0304 室室温约为26～27℃，稍高于设计值22℃。0310A 室为非空调房间，室温在21～23℃ 之间。

图3 按初始设计条件模拟的B 区冬季的舱室温度分布

通过上述分析可知，B 区舱段中的部分处于船舶内区的舱室（如0306、0312 房间）的室温度较高，可能造成一定的人员不舒适情况。因此，需对此区域（舱段内区）的空调送风策略进行优化设计，避免或改善内区温度过高的现象，以提高冬季运行舱室环境的舒适性。本研究主要考虑如下五种改善措施，包括①减小内区送风量。② 增大内区送风量。③内外区均以20～24℃供风。④ 内区仅供新风。⑤ 内区供冷外区供热。后文将对此五种改进措施展开数值模拟研究，探讨不同措施对舱室内区温度偏高现象的改善效果。

3.2 不同的空调策略分析

根据所提出的五种冬季空调改善策略，本文开展了10 种工况的模拟分析，具体条件如表2 所示。

表2 五种不同的送风策略下各空调舱室的送风参数

3.2.1 减小内区送风量

策略①探讨减小内区风量对内区舱室冬季空调舒适性的影响。如表2 所示，将内区0312 舱室送风量减少25%，0306 舱室送风量减少30%，外区0302 舱室各风口送风量增加17%，以27 或24℃供风。这里，将内区风量减小，外区风量加大是为了维持总风量不变。图4 展示了策略①的2 种工况下在高度1.4 m 处的温度分布。当送风温度为27℃时，空调房间室温分布在25～31℃之间，0302 舱室室内温度在25～27℃之间。0306 室和0312 室位于内区，冬季室温高于其他舱室，约在29～31℃之间，远超过了舒适性空调冬季室内设计标准（18～24℃）。0304 室室温约为28℃。当送风温度为24℃时，舱段整体温度分布特征与送风温度为27℃时类似，0306 和0312 舱室温度有所下降，在28～29℃之间，但仍超过舒适性空调冬季室内设计标准。结果表明，当减小内区风量，不论以27℃或24℃ 供风，内区冬季房间温度都仍然偏高。因此，仅减小了内区风量不能改善或消除内区舱室冬季温度过高的现象。

图4 减小内区送风量时B 区1.4m 处温度分布

3.2.2 增大内区送风量

策略②探讨增大内区风量对内区舱室冬季空调舒适性的影响。如表2 所示，内区0312 舱室、0306 舱室风量增加30%，外区0302 舱室各风口送风量减小10%、0304 各风口减小20%，且仅以27℃供风。这里，将内区风量增大，外区风量减小也是为了维持总风量不变。

图5 展示了策略②的在高度1.4 m 处的温度分布。当内区风量增大时，空调房间室温分布在25～29℃ 之间，0302 舱室室内温度在25～27℃之间；0306 室和0312 室位于内区，冬季室温高于其他舱室，约在28～ 29℃之间，仍超过了舒适性空调冬季室内设计标准（18～24℃）。0304 室室温约为27℃。因此，仅增大内区送风量，同时以27℃供风，内区舱室仍存在温度偏高的现象，对温度舒适性改善作用不明显。

图5 增大内区送风量时B 区1.4 m 处温度分布

3.2.3 内外区均以20～24℃供风

策略③探讨内外区均以20～24℃供风对内区舱室冬季空调舒适性的影响。如表2 所示，各舱室送风量按照设计条件，降低送风温度至20～24℃。

图6 展示了策略③各工况下在水平高度1.4 m 处的温度分布。当送风温度为20℃时，空调房间室温分布在20～24℃之间，0302 舱室室内温度在20～21℃之间。0306 室和0312 室位于内区，冬季室温高于其他舱室，约在23～25℃之间。304 室室温约为22.5℃。因此，所有舱室的温度均基本满足舒适性空调冬季室内设计标准（18～24℃）。当送风温度为22℃时，舱段整体温度分布与送风温度为20℃时类似，舱室平均温度上升约1℃，所有舱室的温度仍能基本满足舒适性要求。然而，当送风温度为24℃时，0306 和0312 舱室温度高于其他舱室，温度在26～27℃之间，已稍高于不满足舒适性要求。

图6 全部舱室以20～24℃供风 B 区1.4 m 处温度分布

上述结果表明：1）当送风温度为20～22℃时，内区、外区房间温度都基本上能满足舒适性空调调节冬季室内设计标准。2）当送风温度为24℃时，内区房间温度接近27℃，造成内区温度偏高，不满足舒适性要求。因此，当采用策略③进行改善内区空调环境时，应采用合适的送风温度下（20、22℃），从而改善内区舱室冬季温度过高的现象。

3.2.4 内区仅供新风

策略④探讨内区仅供新风对内区舱室冬季空调舒适性的影响。如表2 所示，内区0312、0306 房间仅供给室内人员的新风量60 m3/h，采用18℃或15℃供风，其他舱室条件不变。

图7 展示了策略④各工况下在水平高度1.4 m 处的温度分布。当内区仅供新风且送风温度为18℃时，空调房间室温分布在24℃～30℃之间，0302 舱室室内温度在24～26℃之间。0306 室和0312 室位于内区，冬季室温高于其他舱室，约在27～30℃之间。0304 室室温约为27℃。当送风温度采用15℃时，舱段空调区域温度有所下降，内区舱室（0306 和0312）的温度仍然高于26℃，不满足舒适性要求。因此，如果仅对内区供新风量，无论以18℃或15℃供风，内区房间温度都超过了舒适性空调调节冬季室内设计标准范围，不满足舒适性要求。

图7 内区仅供新风时B 区1.4 m 处温度分布

3.2.5 内区供冷外区供热

策略⑤探讨内区供冷外区供热对内区舱室冬季空调舒适性的影响。如表2 所示，内区供冷风（0312、0306 房间以17、19℃供风）、其他送风条件不变。

图8 展示了各工况下在水平高度1.4 m 处的温度分布。当内区送风温度为19℃时，空调房间室温分布在24～26℃之间，0302 舱室室内温度在24～26℃之间。0306 室和0312 室虽然位于内区，但此时室温约在24～25℃之间。0304 室室温约为26℃。此时舱段整体温度分布比较均匀，内区温度过高的问题得到改善，能够满足人体舒适性要求。当内区送风温度下降到17℃时，舱段空调区域内区温度下降约2℃，在22～ 24℃之间，外区温度变化不明显。因此，当内区供冷、外区供热，其他送风条件按照设计保持不变时，所有舱室温度分布均匀，内区舱室高温区消失，能满足舒适性空调冬季室内设计标准（18～24℃）。

图8 仅降低内区送风温度时B 区1.4 m 处温度分布

3.3 讨论

B 区舱室在初始设计及五种改进策略下，空调区域最高温度及最低温度如表3 所示。结果表明，当采用策略①，即通过减小内区送风量，以27℃或24℃供风（即工况1-1、1-2）时，B 区空调区域温度在24～31℃之间，舱室内区仍存在高温区域，仅靠减小内区风量不能改善内区高温情况。当采用策略②，即增大内区送风量（即工况2-1）时，B 区空调区域温度在24～29℃之间，舱室内区仍存在高温区域。当采用策略③，即各舱室送风量按照设计条件，降低整体送风温度至20～24℃，当送风温度为20～22℃（即工况3-1、3-2）时，B 区空调区域房间温度在20～25℃之间，基本能满足舒适性空调调节冬季室内设计标准。送风温度为24℃（即工况3-3）时，虽然空调区域整体温度相比设计工况有下降，但内区房间温度接近27℃，仍存在内区温度偏高现象。当采用策略④，即内区仅供新风，18℃或15℃送风（即工况4-1、4-2）时，B 区空调区域温度在24～29℃之间，内区房间温度超过了舒适性空调调节冬季室内设计标准范围，不满足舒适性要求。当采用策略⑤，即仅内区供冷风（即工况5-1、5-2），其他送风条件不变时，此时 B 区空调区域温度分布在23～26℃ 之间，模拟结果表明所有舱室温度分布均匀，满足空调设计要求。

表3 各工况下空调区域最高温度及最低温度

4 结论

对于本文研究的大型船舶舱段B 区，在冬季设计工况下，该舱段内区的空调舱室温度相对较高，局部近30℃，超过了我国舒适性空调冬季室内设计标准（18～24℃），因此需要对该区域的空调策略进行优化设计。以 B 区为例，当采用策略①减小内区送风量，② 增大内区送风量，④ 内区仅供新风三种手段进行空调送风时，无法消除内区高温现象并改善空调温度舒适性。而当采用策略③降低送风温度或⑤内区供冷外区供热时，则该舱段内区各空调舱室温度均能满足空调舒适性要求，但送风温度不宜过高。对于大型船舶，应根据空调区域划分内外区分别进行空调设计。建议采用本文提出策略③降低送风温度或⑤内区供冷外区供热进行空调设计。