船舶配电板间空调气流组织分析

殷浪华，张译元

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

近年海上风电在国内的需求持续上涨，对风电安装平台的能力需求也在不断加大，业主对平台上工作人员和电气设备工作环境的要求也越来越高。

船舶配电板间电气设备在运行时会产生大量热量，若不能及时处理，则会导致配电板和舱室温度迅速提高。过高的温度将导致电子元器件性能恶化，使用寿命减少，进而加速绝缘材料的老化和变形，最终导致设备系统出现故障，严重时甚至会造成配电系统瘫痪[1]。考虑到海洋环境的恶劣性，为保证配电系统的正常运行，通常采用空调送风的方式以保证舱室的温度和湿度要求。传统的空调送风系统设计更加注重舱室各送风口的总送风量，若总风量满足要求，则认为该舱室的空调系统合格[2]。然而，该验收方法无法获得整个舱室内速度和温度的分布情况，不能确定空调系统的气流组织是否合理，也不能准确判断舱室空调系统能否满足设备运行环境的要求。

气流组织设计的目的是合理地组织室内空气的流动，使室内工作区空气的温度、相对湿度、速度能更好地满足舒适性要求[3]。张恺等[4]对变压器附近的温度场进行了模拟分析，通过与实测数据进行对比，验证了模拟的可靠性。张根明等[5]对配电室常用冷却降温方案进行分析，并为不同要求的配电室提供了相应通风方案。

本文以某在建风电安装平台的配电板间为例，对不同测试点的温度和气流分布情况进行分析，并结合实际应用对各气流组织形式的优缺点进行分析。

1 不同气流组织形式介绍

1.1 侧送侧回式

侧送侧回式气流组织形式较为简单，在船舶舱室方面应用较多。侧送侧回式气流组织形式通过空调本体送风，没有接风管，常用于舱室不大且空调送风口前方无遮挡物的情况。气流从空调侧面横向吹出，经衰减后先送至工作区再回流至空调本体。侧送侧回式气流组织形式的缺点较为明显，舱室容易产生高温滞留的现象。侧送侧回式气流组织形式示意见图1。

图1 侧送侧回式气流组织形式示意图

1.2 上送上回式

上送上回式气流组织形式的气流从上部风管各风口向下送出，经工作区后回流至回风管或直接回流至空调本体的回风口（见图2）。上送上回式气流组织形式对舱室层高的要求较高，若舱室净高允许，可设置吊顶，将风管暗装。其送风口常采用散流器或可调节式格栅等形式。该送风形式适合舱室进深较大或舱室遮挡物较多的场合。

图2 上送上回式气流组织形式示意图

1.3 中送上下回式

中送上下回式气流组织形式中部送风，上部和下部回风，可使舱室温度呈现分层现象（见图3）。空调送风将舱室下部隔离成空调区，上部作为非空调区，具有较显著的节能效果。该气流组织形式适合用于层高较高的舱室。

图3 中送上下回式气流组织形式示意图

1.4 下送上回式

下送上回式气流组织形式通过甲板底部送风，上部集中回风，气流先经过工作区再回流至空调本体回风口，舱室上部区域的余热不会进入工作区（见图4）。由于配电板的下进线特点，位于舱室底部的设备散热量会高于顶部，送风温度较低的气流从下往上流动，更有利于配电板设备的冷却。此外，该气流组织形式的人员舒适度性较高。

图4 下送上回式组织形式示意图

2 物理模型

本文以某在建风电安装平台的配电板间为例，对不同测试点的温度和气流分布情况进行分析。舱室尺寸为14.400 m×6.592 m×4.200 m（长×宽×高），室内发热源主要包括配电板（690 V/400 V/230 V）、灯、人员和控制柜。为确保配电板设备能长期可靠运行，舱室空调设备要做到100%冗余，即布置两台空调柜机（一用一备）[6]。配电板间主要设备的散热量如下：690 V 配电板的散热量约为10 kW；400 V 配电板的散热量约为22 kW；230 V 配电板的散热量约为1.2 kW；灯（共10 只）的散热量总计为160 kW；人员的散热量为75 W；控制柜的散热量为200 W。

经负荷计算，空调柜机制冷量为55 kW，送风量为11 000 m3/h。下面建立2 种工况进行计算和分析：1）工况1，该工况采用上送测回的气流组织形式；2）工况2，该工况采用下送测回的气流组织形式。2 种工况的送风相关参数一致，具体见表1。物理模型示意见图5。

表1 各工况送风相关参数

图5 物理模型示意图

3 现场测试结果分析

空调舱室的气流组织方式有很多种，为满足配电板间电气设备和工作区人员对温湿度的要求，气流组织应根据舱室的几何形状、舱室内部遮挡物以及设备的布置情况确定送回风口的位置和形式。合理的气流组织不仅能增强舱室的空调效果，还会减少空调系统的能耗量。对于配电板间而言，由于热空气向上运动，故房间顶部的温度会明显高于底部，取配电板顶部区域（Y=2.2 m）为测试点进行温度测试，2种工况下各测试点的温度值分别见表2和表3。

表2 Y=2.2 m 处各测试点温度值（工况1） 单位：℃

表3 Y=2.2 m 处各测试点温度值（工况2） 单位：℃

由表2 可知，对于工况1，舱室平均温度约为25.7 ℃，690 V 配电板周围的温度基本能满足要求，但400 V 和230 V 配电板周围的温度偏高，高于配电板的适宜温度（35 ℃）[7]，部分区域温度可达到40 ℃，且高温区域较多。400 V 和230 V 配电板在高温下工作，设备运行环境不佳，长期如此，会缩短配电板寿命，易出现故障。

由表3 可知，对于工况2，其配电板附近的温度相较工况1 明显降低，配电板周围温度不超过35 ℃。此外，整个舱室的温度更加均匀，舱室平均温度为23.6 ℃，相较工况1 降低了2.1 ℃，这不仅为配电板提供了更加适宜的运行环境，还会使配电板间值班的人员感到更加舒适。

由表2 和表3 可知，440 V 和230 V 配电板附近的温度较高。经现场风速测试，工况1 配电板附近的气流回流机组速度较小，为0.2～0.5 m/s。高温区域的存在说明此时配电板附近有高温滞留现象。对于工况2，气流回到空调的速度为0.6～1.1 m/s，回流速度明显高于工况1。由此可以看出，下送风可有效缓解高温滞留现象，降低配电板附近的温度，这种送风形式与地板送风[8]较为相似。

4 应用分析

本文主要对空调气流组织形式进行分析，对于某些尺寸较小的配电板间，也可采用侧送侧回式气流组织形式。但对本项目不合适，主要原因为：1）对于尺寸较大的配电板间，离空调送风口较远端的风速极小，导致舱室的降温效果极差，舱室局部高温区域范围较大；2）在舱室顶部气流回到空调时，易出现涡流现象，气流死角较明显，整个舱室的气流不稳定，气流组织不合理；3）该送风形式较易结露，故配电板短路和火灾风险较大。

上送测回的气流组织形式主要存在以下缺点：1）增加了空调风管的布置，对于配电板间层高受限的船舶来说风管布置极其困难；2）易出现高温滞留现象，不利于配电板长期稳定运行；3）部分送风口存在结露可能，短路和火灾风险较高。

下送测回的气流组织形式改善了上送测回的气流组织形式的缺点，在进一步降低整个舱室温度的同时，气流也更加合理。此外，下送测回的气流组织形式不占用配电板间的层高，风管布置于配电板间的升高地板内，较为美观。但其缺点也较为明显：1）风管布置于升高地板内，由于配电板一般是下进线，故在前期设计时需要充分考虑风管与电缆的合理布置；2）当空调风量较大时，需要降低下送风口的风速，否则舱室会有较强的“吹风感”，值班人员会感到不适[9]。针对以上不足之处，可增加配电板间的净层高，使配电板间内的空气流通更加顺畅，减少热空气的堆积，改善配电板底部区域的温度环境。

5 结论

本文以某在建风电安装平台的配电板间为例，分析了不同测试点的温度和气流分布情况，并结合实际应用对各气流组织形式的优缺点进行分析。结果表明：下送上回式不但可降低舱室温度，还能使温度分布更均匀，气流分布更合理。本文的研究结果可为船舶配电板间空调气流组织设计提供一定参考。