周根明，厲盼盼

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)由于其舒適性和節(jié)能性在船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中已被逐漸推廣。變風(fēng)量系統(tǒng)一般由空氣處理設(shè)備、送風(fēng)系統(tǒng)、變風(fēng)量末端裝置和自動控制元件組成。其中末端裝置是變風(fēng)量系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，通過它來調(diào)節(jié)送風(fēng)量，補償變化著的室內(nèi)負(fù)荷，維持室溫;其中變風(fēng)量末端的種類可分為:單風(fēng)道型變風(fēng)量末端、雙風(fēng)道型變風(fēng)量末端、風(fēng)機(jī)動力型末端、誘導(dǎo)型末端、壓力相關(guān)型末端［1-3］。在國內(nèi)外變風(fēng)量末端裝置已經(jīng)發(fā)展了很多年，研究主要集中在VAV BOX 的控制方式模擬研究和性質(zhì)實驗研究。而末端的舒適性模擬研究也隨著變風(fēng)量技術(shù)的廣泛應(yīng)用逐漸增多。由于人們對船用末端的重視，所以對艦船變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的末端設(shè)備的分析也顯得格外重要，因此本文對常用的2 種末端裝置應(yīng)用Fluent 軟件進(jìn)行模擬研究，得到船用艙室的溫度分布和速度分布。通過對比分析，得出在送風(fēng)角度為20°的2 種送風(fēng)都能很好滿足艙室舒適性要求的結(jié)論［4-5］。

1 艦船VAV 末端裝置

幾種可能用于艦船的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端裝置情況如表1所示［6-7］。

表1 幾種變風(fēng)量末端基本特點和使用情況Tab.1 Basic characteristics and usage of several VAV boxes

表1 所介紹的末端裝置中有2 種常用的船舶變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端，一個是帶冷熱交換器的動力型末端空調(diào)系統(tǒng);另一個是誘導(dǎo)型末端空調(diào)系統(tǒng)，如圖1所示。通過對2 種末端送風(fēng)氣流組織的模擬，研究2 種末端的不同送風(fēng)參數(shù)對艙室舒適性的影響［8-12］。

2 艙室概況

以1 個長、寬、高分別為4.1 m，2.8 m，2.1 m 的4 人船員艙室為研究對象，房間的布局如圖1所示，X 代表長度為2.8 m 的方向，Y 代表長度為4.1 m 的方向，Z 代表高度為2.1 m 的方向。模擬的是夏季空調(diào)工況，該艙室沒有玻璃窗，不考慮玻璃窗傳入熱量;艙室左艙壁和后艙壁與外界環(huán)境接觸，上和右艙室均和空調(diào)艙室相鄰，各艙室設(shè)計溫度相同，忽略艙室之間的換熱;下艙壁與為外地板，為非空調(diào)房間。通過計算，得出該船員室滲人熱為876 W，取送風(fēng)溫差為10℃，送風(fēng)量為260 m3/h。

2.1 建模和網(wǎng)格劃分

采用湍流模型對室內(nèi)氣流組織的三維不可壓縮湍流流動進(jìn)行數(shù)值模擬。假設(shè)流體為不可壓縮流符合Boussinesp 假設(shè)，采用工程實際較多采用的k-e 雙方程模型進(jìn)行求解。對艙室進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用四面體網(wǎng)格對進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、變風(fēng)量末端裝置等數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散。風(fēng)口的網(wǎng)格劃分采用較密的網(wǎng)格，艙模擬計算的整個流場內(nèi)最終網(wǎng)格數(shù)為485 884，節(jié)點數(shù)為517 798。

2.2 送風(fēng)方式

誘導(dǎo)型末端的物理模型是艙室上方頂板距東艙壁面1.0 m 處，布置1 個1 050 mm×20 mm 條形送風(fēng)口，出風(fēng)角度為20°，送風(fēng)量為260 m3/h，并布置1 個150 mm×150 mm 的回風(fēng)口，位于東艙壁面下。由人員、燈具和設(shè)備等的產(chǎn)熱量保持不變，只考慮因外界環(huán)境變化而引起的艙室負(fù)荷的變化，送風(fēng)速度為2.03 m/s，進(jìn)口空氣溫度為T=290 K。

帶冷熱交換器動力型末端在靠近舷側(cè)部位的艙室頂部布置1 個718 mm×508 mm×250 mm(長×寬×高)的帶熱交換器末端送風(fēng)器，如圖2所示。額定風(fēng)量為350 m3/h，其中集中空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量為120 m3/h，二次回風(fēng)量為230 m3/h，150 mm×150 mm回風(fēng)口，回風(fēng)量為120 m3/h;該艙室內(nèi)的二次回風(fēng)部分，末端動力通風(fēng)裝置的進(jìn)風(fēng)口即是二次回風(fēng)的回風(fēng)口，該風(fēng)口實際尺寸為508 mm×172 mm，回風(fēng)量為230 m3/h。一次風(fēng)風(fēng)速為1.07 m/s，送風(fēng)溫度為290 K;二次回風(fēng)風(fēng)速為0.65 m/s，溫度為艙室室溫［10］。

圖1 艙室XY 平面布置圖Fig.1 XY floor plan of the cabin room

圖2 帶熱交換器的末端送風(fēng)方式Fig.2 The air supply of the VAV terminal box with heat exchanger

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

1)誘導(dǎo)型末端送風(fēng)數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 YZ 面X=1.4 m 處的溫度分布云圖Fig.3 YZ plane temperature contours at X=1.4 m

圖4 YZ 面X=1.4 m 處的速度分布云圖Fig.4 YZ plane velocity contours at X=1.4 m

圖5 XY 面Z=0.7 m 處的溫度分布云圖Fig.5 XY plane temperature contours at Z=0.7 m

圖6 XY 面Z=0.7 m 處的速度分布云圖Fig.6 XY plane velocity contours at Z=0.7 m

從圖3 ～圖6 可以看出，采用誘導(dǎo)型末端的條形送風(fēng)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，射流能夠在頂板形成良好的貼附，在碰到西艙壁面后回流，使艙室處于回流區(qū)域。誘導(dǎo)風(fēng)速低，床鋪上的風(fēng)速均小于0.2 m/s，滿足人員活動區(qū)的送風(fēng)風(fēng)速微風(fēng)速設(shè)計要求，即在夏季時小于或等于0.3 m/s 的標(biāo)準(zhǔn)要求，有助于船員對空氣流動的需要。由于末端采用二次混合調(diào)節(jié)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)所送的低溫空調(diào)風(fēng)與船用艙室風(fēng)經(jīng)行混合后排出，克服了送風(fēng)下墜、射流冷風(fēng)感等問題，由圖8 可以看出艙室床鋪上最高溫度是299.6 K，船員不會有冷風(fēng)感，且溫度場分布均勻，滿足設(shè)計要求。綜上所述，誘導(dǎo)型末端適用于船用艙室，且舒適性滿足設(shè)計要求。

圖7 YZ 面X=1.4 m 處的溫度分布云圖Fig.7 YZ plane temperature contours at X=1.4 m

圖8 YZ 面X=1.4 m 處的速度分布云圖Fig.8 YZ plane velocity contours at X=1.4 m

圖9 XY 面Z=0.7 m 處的溫度分布云圖Fig.9 XY plane temperature contours at Z=0.7 m

圖10 XY 面Z=0.7 m 處的速度分布云圖Fig.9 XY plane velocity contours at Z=0.7 m

由圖7 ～圖10 可知，帶熱交換器的末端動力型送風(fēng)方案的出風(fēng)速度較小，射流能夠很好地貼附在艙室頂板上，遇到西艙壁后面回流，在床鋪上的風(fēng)速都低于0.2 m/s。由圖9 可看出，在人行走的空間內(nèi)速度低，溫度為296.4 K，船員活動會很舒適，并滿足設(shè)計要求。綜上所述，采用動力型末端送風(fēng)方案的艙室溫度分布均勻，氣流速度低，艙室的舒適性較高。

4 結(jié) 語

本文以變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)最關(guān)鍵的末端裝置為研究對象，分析了常用艦船變風(fēng)量末端裝置的應(yīng)用，通過艙室送風(fēng)方案設(shè)計和數(shù)值模擬，得出誘導(dǎo)型變風(fēng)量末端和帶熱交換器的動力型末端都能夠很好滿足艙室的舒適性要求，艙室內(nèi)的溫度分布均勻，吹風(fēng)感很低，船員感覺舒適。而且使用帶熱交換器的動力型末端，能夠節(jié)約提高送風(fēng)溫度所需的熱量。如當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷變動幅度比較大，比如當(dāng)熱負(fù)荷比較大時，即使室內(nèi)風(fēng)量已經(jīng)達(dá)到最小送風(fēng)量，室內(nèi)溫度還在下降，此時為了保證室內(nèi)的溫濕度，常采用提高送風(fēng)溫度的方法，而在帶熱交換器的動力型末端，對室內(nèi)送風(fēng)再度加熱處理，提高送風(fēng)溫度，確保艙室最小送風(fēng)量，節(jié)約了提高送風(fēng)溫度所需的熱量。所以，在船舶上使用的變風(fēng)量末端有很多，在艙室空間和經(jīng)濟(jì)條件允許下，可以通過多種方案設(shè)計比較，選擇最適合該艦船的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端。

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