工作舱室中均匀与非均匀气流场分析1

华呈新，李 超，钱 强

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引言

普通工作舱室通常采用机械送风、自然回风的通风方式，配合独立式柜机或风机盘管等实现舱室的均衡降温。由于送风口均匀布置，舱室内形成一种均匀气流场。然而，由于人员站位与日常工作区域与热源区域的重叠度不高，两者对环境温度需求相差较大，可在保证满足器械设备与人员工作环境所需温度的情况下减少机柜、控制台等发热源的送风与制冷量，进而达到节省能耗的效果，此时，舱室内形成一种非均匀气流场。

在办公室场所通风方面的研究有：王兆龙等[1]提出在不考虑办公室人员流动特性的情况下，将整个办公室看作一个均匀温度场的温度控制方式，往往会使空调处于高负荷运行状态。郑志敏等[2]对置换通风方式与混合通风系统进行了分析，重点对个性化送风进行了研究。端木琳等[3]和高乃平等[4]分别对不同通风方式的舒适性和空气品质进行了研究。

本文对舱室布风器位置和数量、回风格栅数量和大小等冷源配置进行优化，并进行建模仿真，对优化前后温度场和人员舒适度的变化情况进行分析，在满足设备环境使用要求和人员舒适性要求的情况下有效减少能耗。

1 舱室模型

基于某船的典型工作舱室，建立均匀气流场和非均匀气流场等2 种模型，分别见图1 和图2。两模型中器械与人员位置均保持一致，仅在布风器位置和数量、回风格栅数量和大小等冷源配置方面存在不同。2 种模型的配置对比情况见表1，舱室参数[5]见表2，送风设备与热源参数见表3。

表1 2 种模型的配置对比情况

表2 舱室参数

表3 送风设备与热源参数

图1 均匀气流场模型示意图

图2 非均匀气流场模型示意图

2 模拟结果分析

在分析模拟结果时，对于均匀气流场模型要重点关注舱室整体环境温度，对于非均匀气流场模型要重点关注器械设备周围环境温度与人员站位活动处的环境温度。选取坐在站位椅上人员的胸口高度（距离甲板约950 mm）和头部高度（距离甲板约1 290 mm）这2 个水平高度为特征高度，特征高度处舱室温度场情况见图3～图6。

图3 均匀气流场模型温度场（头部高度）

图4 非均匀气流场模型温度场（头部高度）

图5 均匀气流场模型温度场（胸口高度）

图6 非均匀气流场模型温度场（胸口高度）

均匀气流场模型的舱室平均温度介于22～26 ℃，机柜大部分位置的温度超过30 ℃，可满足使用要求。整体舱室温度（特别是人员活动处）可有效保持在24 ℃以下，回风格栅处的温度约为26 ℃。

均匀气流场模型的温度分层现象十分明显，人员活动处的温度可保持在22～24 ℃，机柜附近的环境温度明显高于均匀气流场模型，但仍能满足要求。

在考察环境温度的基础上，引入预测平均热感觉指标（Predicted Mean Vote，PMV）和预测不满意百分比（Predicted Percentage of Dissatisfied，PPD），进一步对人员活动范围内的舒适度进行考察。

PMV 可用于预测身体的热感觉，计算公式为

式中：M为代谢率；W为外功；Pa为水蒸气分压力；Ta为空气温度；Tr为平均辐射温度；Tcl为服装表面温度，计算公式见式（2）；fcl为服装覆盖表面积与裸露表面积之比，计算公式见式（3）；hc为对流热交换系数，计算公式见式（4）。

式中：C、D为参数。

式中：Icl为服装热阻。

式中：V为相对空气速度。

PPD是指预测给定环境中可能感到过热或过冷的人员在总人数的占比情况，计算公式为

式中：K为参数。

计算结果见图7～图14，图中部分曲线存在间断或跳跃的情况，间断或跳跃出现在人员站位处，其相邻数值可反映该区域的舒适性。由图7～图14可知，距离回风口处柜式空调较近的人员5 舒适度较差，体感温度较低，其余人员舒适度良好。

图7 均匀气流场模型人员站位处PMV 值

图8 非均匀气流场模型人员站位处PMV 值

图9 均匀气流场模型人员站位处PPD 值

图10 非均匀气流场模型人员站位处PPD 值

图11 均匀气流场模型人员活动处PMV 值

图12 非均匀气流场模型人员活动处PMV 值

图13 均匀气流场模型人员活动处PPD 值

图14 非均匀气流场模型人员活动处PPD 值

3 结论

送风口均匀布置的通风方式往往存在不必要的能耗。本文优化了舱室布风器位置和数量、回风格栅数量和大小等冷源配置，并进行建模仿真，分析了优化前后温度场和人员舒适度的变化情况，得到如下结论：

1）优化布置方案可在满足舱室使用环境要求和人员舒适性需求的情况下减少约30%空调送风量。

2）非均匀送风形式可节省能耗，减少管路材料消耗。