866客位高端客滚船雨降式空调设计

2023-03-01葛冀欢朱雨林

船海工程 2023年1期

葛冀欢，朱雨林

(招商局金陵船舶(南京)有限公司，南京 210015)

866客位高端客滚船内部配备了餐厅、酒吧、儿童游乐区等公共区域，其区域空调按照COMF (C1)最高级别的空气舒适度入级符号设计，需要满足规范中温度调节能力、最大风速、新风量、竖直温度差以及相对湿度的要求，本文以866客位高端客滚船的公共区域大雨降盒子的雨降式空调为设计及优化对象，首先将进行空调热负荷计算，然后准备通过雨降区域划分、雨降盒子设计及制作、天花的封堵3个方面完成大雨降盒子的雨降式空调设计，为了验证设计的合理性，优化设计，通过CFD仿真软件对大雨降盒子对公共区域的气流组织以及雨降盒子内部风管均匀送、回风设计进行仿真与优化，最后将通过与实船测试数据的对比、分析，验证设计的合理性。

1 公共区域的空调设计

1.1 高端客滚船基本资料

为德国公司建造的866客位绿色高端客滚船，总长229.4 m、型宽31 m、型深(至主甲板)15.35 m，型深(至上甲板)9.50 m，设计吃水6.3 m，载重量10 850 t，设计航速22.4 kn，共设有12层甲板，其中9～11甲板为住舱和公共区域，公共区域包含中庭、自助餐厅、酒吧、影院、超市、休闲/雪茄吧、儿童游乐区等。

1.2 公共区域空调设计方案

根据安全返港的要求，在任意主竖区失效的情况下，垂直管弄均可正常使用[1]，因此每个主竖区的每层甲板，均采用独立空调的设计，本项目中公共区域均在10甲板1区、11甲板1区及2区，因此设计了3台空气处理机组(AHU)分别负责这3个区域。本船公共区域借鉴豪华客船阳台房空调系统的节能设计[2]，采用新风+风机盘管的设计，共设计有30台风机盘管(FCU)。

1.3 空调热负荷计算

以11甲板2区为例，其设计工况见表1。

表1 11甲板2区空调设计工况

根据DNV船级社的规范以及ISO 7547船舶空调设计国际标准，以稳定传热法将各种热量按其同时性简单叠加，以空调器的制冷符合等于叠加成的得热来处理，不再考虑其他裕度[3]，通过不同表面的传热面积、传热系数、温差计算冷热负荷；通过公共区域的面积以及换气次数计算最小风量；同时根据COMF (C1)的要求，结合每个公共区域的最大人数，计算最小新风量和显热、潜热量。作为新一代绿色高端客滚船，本船的AHU均配备了转轮式热回收器，通过该回收器达到排风能量回收的作用，可以有效降低空调负荷。综合以上数据，在考虑AHU带转轮热回收的情况下，服务于11甲2区公共区域的AHU的夏季制冷负荷为99.73 kW，冬季制热负荷为69.34 kW。该区域FCU的热负荷计算结果见表2。

表2 11甲板2区FCU热负荷计算结果

2 公共区域大雨降盒子的雨降式空调设计

2.1 雨降区域划分

雨降式设计就是将空调的送回风口均匀布置在天花顶部，然后通过天花的缝隙或者网孔来连通下面的公共区域，把天花作为一个面积非常大的送回风格栅，犹如下雨一样。首先要将服务区域划分为送风、回风、排风。送风区域会设计AHU的送风管以及FCU的送风口，回风区域主要用于FCU的回风，排风区域用于布置AHU的排风。以11甲板2区为例，划分后的区域见图1。

图1 11甲板2区的服务区域划分

2.2 大雨降盒子的设计及制作

在完成空调区域划分后，就要设计雨降盒子，雨降盒子就是在天花顶部围出一个个“静压箱”，除了天花那一面，其他几个面均需要制作保温绝缘。雨降盒子的设计有两种方法：①设计多个较小的雨降盒子，见图2，这种设计的好处是布置简单，缺点是空调的均匀度较差；②设计是采用大的雨降盒子，见图3，对于气流组织效果更好，但布置难度较大，需要克服空间狭小、风管数量多、和内装交集多等困难，需要详细设计和生产设计不断相互协调，多次更新优化[4]。

图2 较小雨降盒子设计

图3 大雨降盒子设计

为了获得最佳的空调效果，采用第二种设计，即大雨降盒子的设计，相邻的回风和排风也进行了合并。

送风的雨降盒子的设计流速1.2～1.5 m/s，流速太大会造成阻力大，也可能会超过COMF (C1)要求的最大流速，流速太小，在冬季制热工况下，靠近地面的制热效果会变差，垂直度温差会较大。回风的流速一般小于1.5 m/s，对流速下限不做要求。送风盒子和回风盒子之间需要保证至少1 000 mm的过渡区，这是避免送风直接被回排风吸走造成短路导致空调效果减弱，在条件允许的情况下过渡区应该设置的尽量大。过渡区可以用2道距离1 000 mm以上的盒子边界来实现，也可以只设置1道边界，然后采用天花封堵的方法来实现。

2.3 雨降天花的封堵

雨降天花的封堵主要考虑以下几种情况。

1)过渡区的封堵。

2)火警探头附件的封堵。按照规范要求，火警探头0.5 m半径之内不允许有空调和通风系统的风口，否则会影响传感器的精度。

3)食物及其他需要防止空调直吹的位置的封堵。

4)调整送回风流速的封堵。

封堵有两种方法：①从天花底部采用特制材料封堵，见图4；②在天花顶部采用岩棉和铝箔胶带封堵，见图5。

图4 特制材料封堵

图5 岩棉和铝箔胶带封堵

需要从成本、施工难度、可行性等多方面综合考虑，灵活运用两种封堵方式完成封堵。在设计完封堵之后，应对雨降盒子的送回风面积及流速进行准确细致的核对，此外还需要考虑本来就有的B级延伸，雨降盒子的边界尽量借用B级延伸，这样可以减少工作量，但是对于穿过雨降盒子的B级延伸，需要考虑该B级延伸将雨降盒子分成了几个小盒子，需要校核每个小盒子的面积是否够。

3 大雨降盒子对公共区域气流组织的仿真

3.1 典型公共区域的模型

选择儿童娱乐区作为典型公共区域进行仿真分析。这个区域的面积为67 m2，层高2.4 m，体积160.8 m3，AHU送排风风量为505 m3/h，FCU送回风风量为850 m3/h，总风量为1 355 m3/h。建立的模型见图6。

图6 儿童娱乐区模型

3.2 仿真结果及分析

根据表1的参数设置室外条件，该区域夏季制冷的速度云图见图7，温度云图见图8，冬季制热的速度云图见图9，温度云图见图10。

图7 夏季制冷下儿童娱乐区速度云图

图8 夏季制冷下儿童娱乐区温度云图

图9 冬季制热下儿童娱乐区速度云图

图10 冬季制热下儿童娱乐区温度云图

从图7可见，整个区域的上半部分气流由回排风雨降盒子区域流向送风雨降盒子区域，而整个区域下半部分正好相反，这种气流组织使得送风可以在整个区域形成一个大循环再回到回排风雨降盒子，相比于多个小雨降盒子的设计，可以充分组织整个区域的气流，减小公共区域的垂直及水平温差，从而保证整个区域的制冷、制热效果。从两个速度云图可以看出，整个区域的速度分布比较均匀，在两个工况下都没有超过2 m/s。

图8和图10温度云图中标出的温度为该位置竖直剖面在0.3、1.2和1.8 m的平均温度，根据COMF (C1)的检验要求，1.2 m高度的温度作为该区域的平均温度，1.8 m和0.3 m的温度差作为垂直度温度差。可以看出，在夏季制冷工况下，儿童娱乐区的平均温度约为22.65 ℃，垂直方向最大温度差1.1 ℃，在冬季制冷工况下，儿童娱乐区的平均温度约为23 ℃，垂直方向最大温度差1.3 ℃，均满足设计要求。综上所述，从仿真的结果来看，采用大雨降盒子的设计对提升公共区域气流组织有很好的作用，可以满足船级社的要求。

以上仿真在设置边界条件时，将大雨降盒子的送、回风的定义为均匀的，要达到这个效果，需要将各个送、回风口均匀布置在雨降盒子中，且需要保证每个末端的风量接近，因此需要对雨降盒子内部风管进行均匀送、回风设计。

4 大雨降盒子内部风管均匀送、回风设计

4.1 风管均匀送、回风问题分析

雨降盒子设计，若采用较小的雨降盒子，其内部的风管布置简单，可以按照完全对称的设计布置末端进出口，但若采用大雨降盒子的设计，其内部的风管走向需要考虑到和其他管子、支架、设备的协调，因此会造成每个出风口的管路阻力不一样，造成流量分配不均匀的问题。若在每个出口设置调风门，对成本及布置均带来了更大的问题，为了解决这个问题，通过仿真计算及管径优化设计，对整个风管末端进行均匀设计。

由于风管在雨降盒子内部的长度有限，根据理论计算，该段圆管的沿程阻力较小，同样的，单个弯头、Z形弯头的局部阻力均较小，可以忽略不计，为了验证这个结论，建立末端模型进行仿真计算，见图11。其中0是总管入口，出口1、2是标准出口，出口3、4是支管加长的出口，出口5、6是支管带弯管的出口，出口7、8是支管带Z形弯的出口。

图11 初步仿真计算模型

仿真的速度云图见图12，可以看出，流速最高出现在变径三通的局部，约15 m/s。入口流量为723.8 m3/h，平均流速为10 m/s。8个出口的流速都比较低，平均约3 m/s。各出口的流量见表3，流量标准差为4.55。

图12 初步仿真的速度云图

表3 初步仿真的出口流量

通过初步仿真分析验证了理论计算的结论，及雨降盒子内部的风管沿程阻力、单个弯头、Z形弯头的局部阻力均较小，对流量分配影响不大，可以忽略。

综上所述，忽略雨降盒子内部的管路长度、单个弯头，以及Z形弯，可以将实际布置中的几十个不同类型、不同参数的送、回风口分为A、B、C、D 4类，见图13。

图13 送、回风口末端类型

4.2 不同类型的风管末端均匀优化设计

和初步仿真类似，对每一种末端形式进行仿真，并计算流量标准差，通过增加变径的方法进行均匀优化设计，最终对每一种末端类型选择流量标准差最小的方案。A类型最终方案的流量标准差为3.85，B方案为18.78，C方案为13.66，D方案为18.28。

5 实船调试与测量结果

5.1 公共区域舒适度及测量方法

入级符号COMF (V-crn C-crn)表明该船满足可接受的噪音、振动和室内空气的相关要求。本船满足C-1级别最高舒适度要求，见表4，包含空气温度控制范围、最大风速、每人最小的新风量、竖直方向的空气温度差异和相对湿度的要求。

表4 COMF C1的入级符号要求

测试时，需根据室外温度，将测试区域调整到指定温度以下，并保持温度稳定，需测量1.2 m高度的温度、湿度及风速以及0.3 m和1.8 m的温度差，然后在不影响其他区域空调工作的情况下打开该测试区域的加热功能，2 h内，再次测量以上参数。

5.2 公共区域舒适度测量结果及对比分析

部分区域的舒适度测量结果见表5。全船的舒适度测试结果均满足COMF (C1)要求。

表5 部分区域的舒适度测量结果

将儿童娱乐区的测试结果和仿真结果作对比，可以发现，由于仿真计算是极端工况下的，因此在室外温度较温和的情况下，房间的最低和最高温度范围更大，但从流速和温度差来看，都比较接近，说明设计很合理，可以满足COMF (C1)要求。

5.3 风管末端风量测量结果及对比分析

采用热球式风速仪，通过在风管上打孔的方式测量某一截面的风速，为了验证仿真计算的准确性，在实船选取了不同类型的十几个末端进行测量，部分测量结果见表6。

表6 部分末端的实船测量结果

采用热球式风速仪测量风速需要选择平直的风管段，同时距离管路附件、进出口需要保持一定距离，在实船测试时，由于测量的末端位置的直管长度不能满足最佳的测量要求，因此在测量进出口风量时存在一定误差，实船测量数据和仿真计算结果的偏差可能是这个原因造成的。总体来讲，实船测试结果与仿真的结果基本接近，说明通过仿真计算的结果是比较准确的，对末端的均匀优化设计有效。