邮轮舱室不同布置下的热舒适性数值模拟分析

陈森杨 徐 立 方 杨 夏梦寒 刘 越

(武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063)

0 引 言

邮轮舱室不同于陆地房间，受其空间限制，舱室往往具有层高低、舱室物品摆放紧凑等特点[1].由于邮轮在航行过程中游客绝大部分时间呆在舱室内，因此要求舱室的空气品质与热湿环境要安全、健康，并使乘客感到舒适，邮轮舱室良好的热湿环境与空气品质是由空调系统来调节保障的.邮轮舱室比一般普通客船的舒适性要求高，舱室内家具与物品比较齐全，而家具摆放位置的不同会对气流组织产生一定的影响，从而影响舱室的热舒适性.

计算流体力学CFD技术因能够快速而又准确的模拟现实环境，而被众多学者应用于研究舱室室内空气组织与热舒适性.李以通[2]采用CFD方法，利用数值模拟软件对采用四种布风器送风条件下的室内气流分布进行模拟，以期望得到最佳送风布风器形式.亓海青等[3]利用CFD与商用模拟软件，对不同送风角度、温度以及送风量对室内环境的热舒适性及空气品质进行了模拟研究，为选择最佳送风口的布置来提高舱室空气品质与热舒适性提供了理论支持.张庆力等[4]以人体舒适度为目标，利用软件模拟出风口位置与热舒适性指标之间的关系，为出风口的位置选择提供了设计依据.Chen等[5]通过模拟与实验，利用流体动力学的方法，对舱室不同送风角度下的气流组织及环境进行了分析研究与评价.权崇仁等[6]通过对采用布风器进行空调送风的典型舱室进行了热舒适性的数值模拟，验证了舱室空调布置的合理性.

文中将利用数值模拟软件Airpak，采用计算流体力学技术，对邮轮舱室内家具不同摆放位置下的气流组织进行仿真模拟，并分析研究舱室内家具不同摆放方案下的温度场、速度场，以及预测平均评价指标(predicted mean vote，PMV)、预期不满意百分数指标(predicted percentage of dissatisfied，PPD)，通过对上述指标进行分析来评价不同方案下的热舒适性，通过分析为选择家具合理的摆放位置提供理论支撑.

1 评价指标与舱室描述

1.1 热舒适性评价指标

环境热舒适性评价指标有多种， Fanger提出的预测平均评价-预测不满意百分数(PMV-PPD)评价指标在工程建筑领域应用较广.PMV指标是根据人的主观对热环境的感觉基于体温调节与热平衡理论得出的，PMV可按式(1)进行计算[7].

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.028]{(M-W)-

3.05×10-3×[5 733-6.99×(M-W)-pa]-0.42×

[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M(5867-pa)-

0.0014M(34-ta)-3.96×10-8fcl×[(tcl+273)4-

(1)

表1 PMV热感觉标尺

人与人之间的衣着与心理感觉不完全一样，因此仅根据预测平均评价PMV难以全面评价舱室热舒适性.为完善热舒适性指标，Fanger在PMV的基础上提出了预测不满意百分数PPD来表示人群对热环境的不满意百分数.PPD与PMV关系式为[8]

PPD=100-95×exp(-0.033 53PMV4-

0.217 9PMV2)

(2)

依据学会ASHRAE标准和国际标准化组织ISO标准，热舒适性空调的PMV值在-0.5～0.5，PPD取值为10%，也即在调查中允许有10%的人对环境的热舒适性感到不满意.

1.2 舱室描述

本文根据邮轮实际舱室建模，舱室的简化平面图见图1a)，平面图上下左右分别对应舱室右侧、左侧、前面与后面，其三维立体图见图1b).舱室长7.55 m、宽2.95 m、净高2.15 m.舱室入户门设置在图舱室前面墙壁上，靠床头柜右侧墙壁上设有1.8 m×1.9 m落地窗.舱室设置一个矩形布风器，其大小为0.4 m×0.4 m.舱室设置两个回风口，位于卫生间顶部的回风口大小为0.15 m×0.15 m，位于左侧墙壁的回风口(平面图中序号9)大小为0.3 m×0.3 m，卫生间门上设置有0.2 m×0.2 m的格栅，回风口均为自由回流.为保证回风时不吸入地面灰尘，侧面墙壁回风口与卫生间门上格栅均距地面0.15 m.文中将以图1的布置作为方案一来对比其他方案.

图1 方案一布置图(1～13见表2)

邮轮舱室内可移动家具为单人床、床头柜、衣柜、茶几、沙发、梳妆台、电视柜，但由于床一般靠窗设置，本文将不对单人床与床头柜进行移动再布置，而基于生活经验及实际使用，沙发、茶几、电视柜一般采取对中布置.

家具对舱室的热舒适性的影响主要是家具的摆放位置以及摆放顺序对其舒适性的影响.综合考虑舱室空间以及使用习惯，文中对梳妆台与衣柜进行了再布置，方案二与方案三改变了其摆放区域，方案四、方案五与方案六在方案一、方案二与方案三的基础上改变了摆放区域内梳妆台与衣柜的摆放顺序.方案七则借助卫生间内墙与外墙的固有结构将衣柜摆在卫生间内墙与外墙构成的角落，同时对衣柜、沙发、电视柜、茶几、梳妆台进行了再布置.方案二～方案七布置的平面图见图2.

图2 方案二～七布置平面图

方案一～三的对比可以对比摆放区域对舒适性的影响，方案四～六与方案一～三的两两对比可获知在摆放区域内摆放顺序对舱室热舒适性的影响，两种对比结合可得出舱室内家具摆放对舱室热舒适性的影响.各布置方案的编号信息、尺寸与数量见表2.

表2 编号信息表

2 建模与边界条件的设置

采用Airpak3.0软件建立舱室各布置方案下的流体域数值分析模型，建立模型后对模型进行质量检查，之后利用软件自带的网格划分模块对模型进行网格划分与局部加密.通过局部优化，提高网格质量，经网格无关性验证后，选取合适数量的网格数进行求解.

舱室内气体视为不可压缩的牛顿流体且低速流动，空气流动为稳态湍流.舱室内除进气口与回风口外，均密闭良好，空气与热源间的换热为对流换热，不考虑辐射换热，相邻舱室壁温设置绝热，阳台舱室壁温设置为室外温度.根据以上假设，本文湍流模型选取Airpak中的二方程k-ε模型，该模型被广泛的应用于工程中的流体计算[9].

舱室模拟各布置方案下夏季的工况，选取邮轮的单人间作为研究对象，舱室的冷负荷来源主要为人体、照明、电视、以及阳台窗户与阳台舱壁的辐射及传热负荷，其中人体负荷为75 W，照明总负荷为68 W，电视负荷为150 W，阳台窗户与阳台舱壁的辐射及传热负荷为923 W.为达到设计温度，经计算，在送风温度为16 ℃下，送风量为650 m3/h，送风相对湿度为55%.具体设计参数见表3.各方案进行模拟时，人体模型均在沙发上，且为坐姿状态.模拟的收敛条件保持默认，即各向速度及k与ε的收敛残差为10-3，能量的收敛残差为10-6.

表3 设计参数

3 模拟结果及分析

选取距地面0.1，0.7，1.1，1.7 m四处截面，这些截面的高度分别对应人体坐姿或站立时脚踝部位、人体坐姿时胸部位置或人体平躺在床上的高度、人体坐姿时头部位置或站立时腰部位置、人体站立时头部位置[10].

3.1 摆放区域对热舒适性的影响

舱室家具对于舱室气流运动来说属于障碍物，障碍物的位置不同，会对舱室的气流组织产生影响，从而影响舱室内的热舒适性.方案一～方案三最主要的区别在于衣柜与梳妆台摆放区域的不同，方案一衣柜与梳妆台在平面图电视柜的左侧且靠近回风口，方案二衣柜与梳妆台在平面图电视柜的右侧，方案三衣柜与梳妆台则是贴靠阳台墙壁设置.三种方案衣柜与梳妆台的摆放顺序均未改变，其他家具也均未改变移动.经模拟计算，图3为方案一～方案三在典型高度截面处的平均速度、温度、PMV与PPD折线图.

图3 方案一～方案三的平均速度、温度、PMV与PPD折线图

由图3可知，三种布置方案的平均风速均小于0.065 m/s，但方案三的风速要优于另两种方案，其在1.1 m处的平均风速要比方案二小5.24%.三种布置方案在典型截面的平均温度均在22.8～23.1 ℃，达到了我国对舒适性空调夏季调节温度在22～28 ℃的设计标准[11].在PMV折线图中，可知各特征截面高度处的平均PMV值均在-0.53～-0.47，方案一与方案三除脚踝高度处，PMV值更接近与舒适性空调-0.5～0.5的PMV值，但方案三略优于方案一.PPD图则验证了以上各图的结论，从预测不满意百分数图上看，方案三在各截面高度处具有最低的预测不满意度，在1.1 m高度处不满意的人最少为10.3%.

三种方案出现舒适度的差异是因为衣柜与梳妆台摆放区域的改变影响了室内的气流组织分布.靠墙角布置的方案三由于本身气流在墙角处的变动较大，因而衣柜与梳妆台对气流的影响相对较小，反之另两种方案气流不仅在墙角处有较大的改变而且在衣柜与梳妆台处的改变较方案三大.因此，家具摆放时在不堵塞进回风口的情况下应尽量借助气流在舱室固有结构改变较大处如墙角来摆放，这有助于提高舱室内的热舒适性.

3.2 摆放顺序对热舒适性的影响

舱室中衣柜与室内天花板等高，而梳妆台只有0.7 m，因此两者的摆放顺序也会对室内的热舒适性产生影响.方案四～方案六是在方案一～方案三的基础上改变了梳妆台与衣柜的摆放顺序，从而与方案一～方案三形成两两对比.对比方案的平均速度、温度、PMV、PPD在特征高度处的数值见图4.

图4 对比方案速度、温度、PMV与PPD折线图

由图4可知，方案二与方案三在调换衣柜与梳妆台的摆放顺序后，其预测平均评价与预测不满意百分数均有一定的改善.而方案一在调换摆放顺序后，PMV与PPD值除在脚踝高度处没有改善，其余各高度处均有优化.出现上述现象是因为衣柜与天花板等高，衣柜对气流绕流的影响较大，将衣柜摆在远离出风口的位置，可留出较多距离来使受影响的气流逐渐趋于稳定.因此可知，在确定物体的摆放区域后，与室内净高等高的物体靠墙摆放时应尽量远离出风口.

为对上述结论进行验证，本文依据舱室与实际使用习惯，设计了对比方案七，该方案衣柜布置在卫生间内墙与外墙形成的角落，梳妆台布置在远离出风口的阳台角落处，沙发、电视柜与茶几相比于前述各方案反对称布置.由图4可知，方案七在0.1与0.7 m特征高度截面处的平均风速要大于方案六，但在各截面高度处的PMV与PPD值均优于方案六，其在1.1 m高度截面处的不满意度仅为9.78%.方案七热舒适性优于方案六的原因在于方案七借助于舱室固有空间，将衣柜放置于卫生间内墙与外墙的角落与将梳妆台放置在远离回风口的阳台角落，能减缓上述家具对空气的扰动，从而改善舱室的热舒适性.

4 结 论

1) 方案一～方案三之间对比可知利用舱室空间结构将家具布置在气流变化较大处如墙角区域有助于提高舱室热舒适性，在1.1 m处方案三的PMV值比方案二高出5.96%，不满意度却比方案二低5.5%.方案四～方案六与方案一～方案三之间两两对比，表明摆放家具时较高的家具应尽量摆在远离出风口的舱室结构如墙角处，而方案七的数据则验证了上述结论.

2) 通过分析比较，舱室的布置对稳态时舱室温度的影响不大，但借助舱室结构进行合理的布置，能够在一定程度上提升舱室的热舒适性.这也表明在实际设计中，即便空调系统设备已确定，仍可通过改变舱室内的家具布置来提升改善舱室内的热舒适性，尤其是对大型空间设备繁多的公共场所舱室，合理的布置尤为重要.