基于热舒适性的邮轮客房空调风口优化设计

谢旭晨,刘岩,张朝霞,李雪歌

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

大型邮轮以海上观光为主要用途,体验舒适的居住环境是乘客的基本要求。舱室空间相对低矮狭小,密闭性好,空气流通不畅,空气中容易聚集污染气体、可吸入口颗粒物等有害物质,会危害人体健康[1]。关于改善舱室空气环境,提升乘客居住舒适性的研究,有学者研究两人舱室不同的送回风口位置和送风条件对舒适性和排污能力的影响,通过对比分析得出最佳的送风方案[2];对客船高档餐厅进行空调通风设计,提出局部孔板通风方案,且证明天花板顶部回风的气流组织更优[3];建立室内对流环境中的人体热反应模型,可用于各种对流空调环境下的人体生理参数预测,为新型对流空调系统设计评估及修正提供参考[4];将辐射空调与传统空调从热舒适度角度进行了全面分析,结果表明辐射空调系统在舒适性和能源利用率方面具有优势[5];以高大舱室活动大厅为研究对象,分别对中间送风顶部回风、底部送风顶部回风两种方案进行仿真模拟,并对室内温度、速度、空气龄、PMV分布进行对比分析,得出中间送风的方案室内舒适性较好的结论[6];对地板送风、置换通风、混合通风三种传统送风方式下及工位送风的新性送风方式下邮轮阅览室内的气流组织进行模拟,根据气流组织评价指标对各种送风方式下室内气流进行评价,结果表明,工位送风的效果更好,且工位送风与置换送风联合运行效果最佳[7]。本文在前人研究基础上,考虑利用AIRPAK软件模拟舱室内气流组织,从热舒适性、吹风感、空气清新度角度对比不同风口布置方案;考虑到厕所门缝漏风影响,进一步细化通风模型,更为贴合工程实际。

1 设计参数

1.1 住舱模型建立

邮轮舱室长2.3 m,宽7 m,高2.75 m。坐标系原点取右舱壁、前部舱壁与底面交点处。舱室为两人间,上下前后均为相同类型舱室,左舱壁侧与外界相邻,右侧为走廊。厕所面积为2.34 m2,由三堵墙与卧室隔开,厕所门底部漏风门缝高0.12 m,宽0.6 m。舷窗中心位于高度1.6 m处,长1.2 m宽0.8 m。

舱室中家具包括双人床、沙发、桌椅、储物柜、灯、电视机,其中4盏吊灯每盏功率为27 W,电视机功率为108 W。舱室门、厕所门、桌腿、椅腿均被简化省略。

模型中选取夏季工况下两人静坐在沙发上看电视的场景(窗外有辐射、吊灯全部打开,此时舱内热量最大),几何模型图见图1。

图1 住舱几何模型

1.2 送风参数计算

夏季工况总显热冷负荷为[8]:

∑φ=q+qp+qr+qε

(1)

式中:∑φ为显热冷负荷;q为舱室四周围护结构热传导传入热量;qp为人体散热;qr为窗户的辐射与传热功率;qε为设备散热。由于上下前后均为相同类型舱室,右侧为走廊,均可视为不存在温差的绝热界面,故q即为左侧除舷窗外的墙壁传热量,按式(2)计算:

q=kAΔT

(2)

式中:k为左侧墙壁与外界的传热系数,取0.9 W/(m2.K);A为左侧墙壁的有效传热面积,计算后得到为5.365 m2;ΔT为墙壁内外温差,室外环境取35℃,室内依据设计规范取24℃,计算后得到ΔT为11℃。

情景内人员均为静坐状态,人体散热qp依据70 W/人计算得到为140 W;窗户的辐射与传热量qr取85 W/m2;设备散热qε依据1.1中数据计算得到为216 W。将数据带入式(1),计算可知显热冷负荷为484.812 W。

1.2.2 风口参数计算

1.2.2.1 舱室送风口参数计算

叶圣陶先生曾指出:“把整本书作主体，把单篇短章作辅佐。”阅读完整本书只是一个开端，教师和学生之间还要继续围绕这个“原点”进行发散式、辐射式阅读。这样就可以以整本书这个“原点”带动一个阅读群，实现更好的语文阅读群构建，从而有效提升学生的语文阅读素养。当然，在推进学生阅读整本书的过程中，重要的不是让学生读几本书，而是要教给学生阅读整本书的方法与技能，从而使他们阅读更多更好的作品，提升语文素养，陶冶精神情操，培养人文情怀。这样的整本书阅读及教学才会更有意义。

夏季送风温差在8～10 ℃范围内,故本文选取送风温度为14 ℃、送风相对湿度为92%。室内空气设计参数为24 ℃、相对湿度55%。依据式(3)计算得到送风量为0.039 4 m3/s。

(3)

式中:V为舱室送风量,m3;ρ为空气密度取1.22 kg/m3;hi为室内空气焓值;ho为室外空气焓值。抽、送风口形状均为0.2×0.2的正方形,计算得送风出口风速为0.984 m/s。

1.2.2.2 厕所抽风口参数计算

厕所换气频次为15次/h,厕所面积为2.34 m2,抽风口安装于天花板处,中心坐标为(0.35,0.35,2.75)。

(4)

式中:Ut为抽风口风速,m/s;n为每小时换气次数;At为厕所面积;H为厕所高度;Ao为风口面积。

计算得到厕所抽风口风速为0.67 m/s。

2 风口布置设计

送风和回风模式均采用孔板送/回风模式。根据送风/排风口位置的变化,设计两种风口布置方案,即:①顶部送风,下侧回风;②顶部送风,顶部回风。两种方案的风口位置及风速方向见表1。

表1 各方案风口参数表

各风口布置方案三维几何模型见图2。

图2 各风口布置方案三维几何模型

3 模拟结果及分析

考虑到热舒适性、吹风感、空气清新度,分析各方案温度场、空气龄、速度场、PMV、PPD。其中在X方向上选取截面X=1.8(两个人共同竖直方向截面)作为参考。

3.1 顶部送风、下侧回风

方案1采用天花板顶部送风,卫生间对面壁下侧回风的风口布置方式,其温度场、PPD场、PMV场、空气龄场和速度矢量分布分别见图3～7。

图3 方案1温度场分布

如图3所示,整个舱室内温度大部分处于23.5～25.0 ℃之间,少数的高温区域主要为左侧舱壁附近和舱室顶部的吊灯处。人体周围区域温度在23.0～24.5 ℃之间,较为适宜;人首部与腿部温差仅为0.5～1.0 ℃左右,体表附近温度分布较为均匀。低温区域为排风口右侧天花板附近,这是因为该区域距离主要热源较远。

如图4所示,在方案1的风口布置情况下室内人员可活动范围内PPD值在3.75～7.50之间。PPD较低的区域为靠近送风口处左半侧舱室,和温度场中温度24 ℃左右区域对应,人体在该区域热舒适度较高,预测不满意度较低;PPD较高的区域位于舱室右半侧,对应舱室温度场中温度较低区域(22～23 ℃),人体在此处会略有冷感,预测不满意度相对较高。但舱室整体PPD至较低,满足ISO7730中PPD小于10的要求。

图4 方案1的PPD分布

如图5所示,方案1的PMV分布大多在-0.15～-0.50之间,室内整体热舒适性高。对比图4可以发现PMV分布和PPD分布基本一致,左侧舱壁附近PMV值最接近于0,对应PPD分布中最低值区域。

图5 方案1的PMV分布

结合图6、7对比分析方案1中空气流动性。从图6可以看出,空气龄最小处为顶部送风口附近为777 s左右,并以此为中心向外空气龄逐渐增大,墙角处空气龄最大为950 s左右。参考图7分析这是因为风口处空气流速最大,墙角附近存在流动死区,空气流速几乎为0。人体附近虽然处于风口下部不远处,但人体的扰流作用影响了空气流动,故人体周围空气流速仅在0.012 5～0.025 0 m/s之间。由于本方案中舱室整体空气流速均较低,处于0～0.05 m/s的范围内,所以人体附近区域空气龄依然高于两侧其余区域。从图7中可以看出,在舱室左侧空气流动主要以顺时针环流的形式;在舱室右侧空气流动主要从两边向下流动,这是因为排风口及厕所底部漏风口均位于靠近底部区域。

图6 方案1的空气龄分布

图7 方案1的速度矢量分布

3.2 顶部送风、顶部回风

方案2采用天花板顶部靠近双人床侧送风,顶部靠近门口侧回风的风口布置方式,其温度场、PPD场、PMV场、空气龄场和速度矢量分布分别见图8～12。

图8 方案2的温度场分布

如图8所示,整个舱室内的温度大部分处于22.0～24.5 ℃之间,少数的高温区域主要为左侧舱壁附近底部和舱室顶部的吊灯处,这是由于设备散热和舱壁传热且角落处空气流动性差导致的。 温度最低处为送风口附近,处于21～22 ℃之间,并以该区域为中心向外温度逐渐上升。右半侧舱室空气温度为24.5 ℃左右,左半侧温度大部分为22.75 ℃左右。人体体表温度为25 ℃左右。

如图9所示,在方案2的风口布置情况下室内人员可活动范围内PPD值大部分在6～10之间。人体体表附近PPD值范围为6～7之间,其余区域基本在7～10的范围内。舱室左半侧PPD值普遍较高在9以上,尤其是风口附近PPD值大于10,该部分区域对应温度场中的低温区域,冷感引起了预测不满意度上升。

图9 方案2的PPD分布

如图10所示,方案2的PMV分布大多在-0.3～-0.5之间。对比发现PMV分布和PPD分布较为相似,在人体活动范围内送风口附近PMV值最低,并以该区域为中心向外PMV值逐渐上升。左半侧舱室PMV值低于右半侧舱室,这是由于距离风口较近冷感较强。还发现在右侧舱室上部存在部分区域PMV值相对较低,这是因为回风口布置于附近,冷空气向该区域流动导致的。

图10 方案2的PMV分布

结合图11、12对比分析方案2中空气流动性。从图11可以看出,送风口附近空气龄最小,为710 s左右,舱室空气龄以该区域为中心向外逐渐变大,全舱室空气龄为700～1 000 s,空气龄最大处位于右侧底部墙角。

图11 方案2的空气龄分布

图12 方案2的速度矢量分布

3.3 方案模拟结果对比分析

1)从热舒适性角度分析,方案1舱室人体活动区域温度范围为23.5～25.0 ℃,方案2中该范围为22.0～24.5 ℃,显然方案1温度范围更为舒适,方案2温度范围略低冷感会引起人体的不适,PMV和PPD分布也印证了这一点,图9中显示舱室左半部分PPD值较高,普遍在9以上甚至存在部分区域超过了10,不能满足ISO7730中PPD小于10的要求。而方案1中PPD值处于3.75～7.50之间,预测不满意度更低,热舒适性更好。进一步探究其中原因,对比两方案的速度矢量图,可以发现方案1中“天花板顶部送风,卫生间对面壁底部排风”的通风方式可以在整个舱室形成较好的环流,增强了冷空气从送风口向右半部舱室的流动;而方案1中更多冷空气停滞于左舱壁附近,导致该部分区域温度更低。

2)在吹风感方面,方案1人体表附近空气流速更低(大部分低于0.025 m/s区域),而方案2中两人中间区域流速在0.025～0.037 5 m/s之间。方案1略优于方案2;两个方案中人鼻部空气龄均为855 s左右,但方案2中左侧舱室空气龄显然更低处于777 s以下,模拟结果显示方案1平均空气龄为841 s,方案2的平均空气龄803 s,方案2的空气清新度更优。结合速度矢量分布图分析其原因,发现方案2中人员之间空气流速更高,流动低速区更小,这使得空气得以在全舱室内更好的进行循环。

4 结论

模拟上送底侧回、上送上回两种送风方案下的室内流场,对比分析两种方案的温度场、PPD场、PMV场、空气龄场和速度矢量分布。结果表明,方案1的舱室人体活动区域温度范围更接近人体舒适温度,舱室整体PPD至较低,PMV更接近0,人体表附近空气流速更低,但方案2的平均空气龄低于方案1,综合看来,方案1下舱室内热舒适性更佳。同时,创新性在前人基础上考虑到厕所底部门缝回风,更贴近实际工程。