基于Airpak的船舶空调舱室热环境数值模拟.pdf

节能基础科学49NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION基于Airpak的船舶空调舱室热环境数值模拟陈广旭1 臧建彬2*（1.上海电力大学能源与机械工程学院，上海 200090；2.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804）摘要：选择某船舶夏季空调舱室为研究对象，为了探究舱室中的船员是否处于热舒适良好的环境中，运用Airpak软件对船舶空调舱室进行模拟，并对船舶空调舱室中X=3 m、Y=1.2 m两个截面进行重点研究，对其中影响两位船员热舒适度的因素如室内空气温度、压力、速度、PMV-PPD以及空气龄进行重点分析。研究表明，船员所处环境热舒适性良好，符合设计要求和规范，模拟结果能够为类似的船舶空调舱室设计和改良提供参考。关键词：Airpak；船舶空调；热舒适性；数值模拟中图分类号：U667 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）10-0049-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.014Numerical simulation of thermal environment of ship air conditioning cabin based on AirpakCHEN Guang-xu ZANG Jian-binAbstract：The air-conditioned cabin of a ship in summer is taken as the research object.In order to explore whether the crew in the cabin is in a good thermal comfort environment,Airpak software is used to simulate the air-conditioned cabin of the ship,and the two sections of X=3 m and Y=1.2 m in the air-conditioned cabin of the ship are studied.The factors that affect the thermal comfort of the two crew members,such as indoor air temperature,pressure,velocity,PMV-PPD and air age,are analyzed.The study indicates that the thermal comfort of the crews environment is good and meets the design requirements and specifications.The simulation results can provide a reference for the design and improvement of similar air conditioning cabins in ships.Key words:Airpak;marine air conditioning;thermal comfort;numerical simulation引言海洋运输量占据总运输量的2/3以上。船员在船舶空调舱室中所处环境的热舒适性直接影响其工作状态与生活品质，也会间接影响船舶航行的安全。与陆地建筑相比，船舶空间狭小有限，人员密集，对空调舱室的空气流动性和人体舒适性具有更高的要求1。Fanger2-3等对4种新陈代谢率的试验结果进行曲线拟合和分析，得到预测平均投票数(PMV)指标，又针对PMV指标的局限性引入预测不满意百分比(PPD)指标评价环境的热舒适性。楼海军4等分析船舶空调舱室在不同温度、相对湿度组合下的PMV、PPD值及系统热负荷，探究舱室内温度、相对湿度对热舒适性及能耗的影响。文中利用Fluent旗下的Airpak软件对船员空调居住舱室进行数值模拟，对整个船员所处的空调居住舱室内的空气温度、压力、速度、空气龄及PMV-PPD进行计算，为今后船舶空调舱室设计或节能减排提供参考。1模型建立及其边界条件1.1物理模型文中选用某船舶船员空调居住舱室为研究对象，船员空调居住舱室长6 m(X)，高3 m(-Y)，宽6 m(Z)。在X-Y面、Z=0 m处建立1.0 m0.6 m的窗户；在Z-Y平面、X=6 m处建立2.0 m0.8 m的门体；在X-Y平面，Z=6 m处建立1.0 m0.6 m的窗户。船舶舱室三维物理模型如图1所示。此舱室处于船舶中层位置，左侧墙壁与外界直接接图1船舶舱室三维物理模型作者简介：陈广旭（1994），男，硕士在读，研究方向为载运工具环境控制与节能、椭圆管换热器、船舶空调。通信作者：臧建彬（1973），男，博士，教授，研究方向为载运工具环境控制与节能、建筑节能及新能源应用。收稿日期：2023-01-17引用本文：陈广旭，臧建彬.基于Airpak的船舶空调舱室热环境数值模拟 J.节能，2023，42（10）：49-52.节能基础科学50节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023触，其余5个墙壁为绝热壁面。舱室内住有两名船员，配备两个20 W的台灯、两台200 W的电脑以及两张床铺等，舱室各物品的数量、尺寸和功率如表1所示。室内通风采用同侧送风、上送下回的送风模式。1.2数学模型为了简化计算，对计算模型进行如下假设：舱室内空气为不可压缩流体，符合Boussinesq假设；舱室内空气稳态流动；除左侧墙壁外，其余壁面均为绝热壁面；舱室内忽略门窗漏风的影响。夏季时船员空调居住舱室内空调送风方式采用机械通风，基于上述假设，采用k-RNG湍流模型，确定控制方程5。连续性方程为：xx+yy+zz=0(1)式中：x流速在x方向的分量；y流速在y方向的分量；z流速在z方向的分量。动量方程为：xj(uiuj)=pxi+rijxj+gi+Fi(2)ij=uixj+ujxi-23uixiij(3)式中：ij黏性力张量；黏度；p静压，Pa；gii方向的体积力；Fi由热源、污染源等引起的源项；ij指示两个速度分量，当i=j时取 1，否则取0。能量守恒方程为：xi(uih)=xi(k+ki)Txi+Sh(4)式中：k导热率；ki湍流扩散引起的导热率；Sh体积热源。组分方程为：ml+uimlx=x(Dlmlxi)+Sl(5)式中：ml单位体积内组分l的质量，Dl扩散系数，由费克定律得出；Sl单位体积内组分l的生成率。2数值模拟方法2.1网格划分为了保证模拟结果的准确性，网格需要具有较高的质量。在求解方程前，需保证靠近墙壁的物体享有更高的优先级，可将屋顶、地面和四周墙壁的优先等级设置为0。船舶空调舱室内部物品摆放杂乱，为了更好地反映室内空气流动状态，须对桌子、电脑、台灯等设备进行网格加密，同时应对送风口与出风口进行网格加密。计算模型采用六面体非结构化网格，网格处理方式为Normal型，网格最大单元的X、Y、Z尺寸为该空间对应尺寸的1/60，网格数288 569个，节点数303 652个。绝大部分网格Face alignment及Quality都接近1，表明本次网格划分质量良好，保证了后续的数值求解的准确性和可信度。2.2边界条件入口边界条件：空调的送风温度为20，风速为1.5 m/s，空气相对湿度为50%，送风量为576 m3/h。出口边界条件：自由出口。壁面边界条件：左侧墙壁的传热系数为0.75 W/(m K)，两扇窗户的传热量均取50 W，门的传热量取20 W，其余5个墙壁均按绝热壁面处理。舱室外部环境温度为34。2.3模拟求解设置模拟采用有限体积法离散控制方程，一阶迎风格式；采用单精度计算。考虑重力和自然对流的影响，重力方向设置在-Y方向上，重力加速度为9.8 m/s2。3热舒适性评价指标3.1空气龄根据定义，空气龄是被送入房间的新鲜空气到达房间某处的时间，或是旧空气被新空气所代替的速度。空气龄越小，说明空气在房间内流通的速度越快，污染物被排出房间的速度也更快，房间内的空气品质越好，人体也感觉越舒适；空气龄越大，房间内空气环境质量越差，人体的不舒适度越强。空气龄能够反映室内空气质量和排污能力，作为热舒适性的一个重要的评价指标。3.2PMVPMV 指标代表绝大多数人对同一个环境的舒适感觉。PMV指标综合了人体变量和环境变量中6个影响人体热舒适的因素，是迄今为止最全面的评价热环境的指标。利用一个稳定且容易控制的人工气候室模型，提出PMV和PPD指标以评价空调的热舒适性6。该模型已经被多国以及国际组织采用，包括ISO7730、ASHRAE55、表1舱室各物品的数量、尺寸和功率名称舱室床人床头柜台灯桌子电脑窗户门送风口回风口尺寸/(mmm)6632.01.50.60.300.201.730.80.80.60.30.20.21.01.00.60.40.40.31.0000.6000.0122.000.800.050.40.40.30.2数量/个12222222111功率/W007502002000000节能基础科学51NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATIONCEN15251以及GB/T 50785。热舒适性方程为：(M-W)=fclhcl(tcl-ta)+3.9610-8fcl(tcl+273)4-(tr+273)4+3.055.733-0.007(M-W)-Pa+0.42(M-W-58.2)+0.017 3M(5.867-Pa)+0.001 4M(34-ta)(6)式中：fcl服装的面积系数；hcl对流换热系数，W/(m2 K)；tcl衣服外表面温度，；ta人体周围空气温度，；tr平均辐射温度，；Pa人体周围水蒸气分压力，kPa。PMV采用七级指标分级，如表2所示。文中假定船员在空调舱室内静立，不做功，新陈代谢率为1.0 met，夏季服装热阻为1 clo。3.3PPDPPD为预测不满意百分比。PMV通过同一环境下大多数人的感受评价热环境的舒适程度，但是人的感受存在个体差异，PMV无法完全代表所有人的感觉。引入PPD表示人群对环境不满意的百分数，并利用概率分析方法给出PMV与PPD之间的定量关系7。PPD=100-95exp0.033 53PMV4+0.21PMV2(7)4模拟结果分析船舶空调舱室是船员休息和工作的主要场所，模拟选取船员工作静坐姿态(Y=1.2 m)和船员位于舱室靠中间位置(X=3 m)这两个具有代表性的截面进行热舒适性分析。4.1船员坐姿(Y=1.2 m)的热舒适性分析Y=1.2 m处的室内热环境模拟云图如图2所示。两名船员坐姿工作区的温度为2225，为了满足船员日常工作需要，且能够减少能耗。西侧墙壁的温度约为31，与外部环境温度较为接近，因为墙壁与外部环境进行换热且离送风口最远，导致靠近西侧墙壁约0.5 m的室内温度在2628 范围内，高于室内其他区域约13。船员周围压力约13 N/m2。根据热环境的人类工效学 通过计算PMV和PPD指数与局部热舒适准则对热舒适进行分析测定与解释（GB/T 180492017）有关规定8，-1PMV1，PPD 27%。船员周围的PMV值在01之间，PPD 16%，热舒适度适中，符合规定。因送风口位置处于东侧墙壁，靠近东侧墙壁的两位船员四周的空气龄普遍在360400 s左右，空气质量较为新鲜，而靠近西侧墙壁区域空气龄在460左右，主要因为其离送风口较远，空气对流不强烈，使得空气滞留时间加长。船员四周的空气流速在0.1 m/s左右，吹风感并不会太明显。表2PMV指标分级人体舒适感觉热温暖微暖适中微凉凉爽冷PMV的数值3210-1-2-3（a）温度云图（b）压力云图（c）PPD云图（d）PMV云图（e）速度矢量云图节能基础科学52节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 20234.2船员坐姿(X=3 m)的热舒适性分析X=3 m处的室内热环境云图如图3可知。船员坐姿工作区温度较为均匀，在2227 范围内，满足空调舱室设计标准。而位于截面中间靠顶部位置因正对着送风口位置，温度在2022 范围内。两扇窗户因与外界发生热交换，局部温度升高，在33 左右，高于舱室其他区域约23。船员周围压力为1314 N/m2。正对着送风口位置的PMV值为-1，使人感到微凉，而空调舱室内的其他区域PMV值为01，船员周围的PPD 16%，热舒适性良好。正对着送风口位置的空气龄最小，靠近送风口的右侧船员周围的空气龄在380 s左右，而远离送风口的右侧船员周围的空气龄为380467 s，空气流动性和新鲜度明显小于左侧舱室。正对着送风口位置的中心位置空气流速为0.4 m/s，随着距离增大，空气流速逐渐减小，两位船员附近的空气流速在0.1 m/s 左右，吹风感不太明显。5结语建立船员所处的船舶空调舱室环境的模型，应用Airpak软件对船舶空调舱室的热环境进行数值模拟。结果表明，船员所处的环境符合船舶设计标准，船员热舒适感觉良好。利用Airpak模拟船舶空调舱室的热环境，并对其温度场、速度场、PMV、PPD等影响因素进行直观展现，能够准确地评价船舶空调舱室环境的热舒适性，对以后船舶空调舱室热舒适改善具有一定的参考意义。参考文献1 ANSI/ASHRAE Standard 552013，Thermal environmental conditions for human occupancy S .2 Fanger P O.Calculation of thermal comfort：Introduction of a basic comfort equation J.ASHRAE Transactions，1967，73（2）：1-20.3 Fanger P O.Thermal comfort：Analysis and applications in environmental engineering M .New York：Megrow Hill，1970.4 楼海军，阚安康，康利云，等.船舶舱室空调热舒适性评价指标及其微气候参数优化 J.船舶工程，2014，36（增刊1）：80-83，90.5 陶文铨.数值传热学 M.西安：西安交通大学出版社，2001.6 Chianga C M，Laib C M.A study on the comprehensive indicator of indoor environment assessment for occupants health in TaiwanJ.Building and Environment，2002，37：387-392.7 赵荣义，范纯养，薛电华，等.空气调节 M.北京.中国建筑工业出版社，1994.8 GB/T 180492017，热环境的人类工效学 通过计算PMV和PPD指数与局部热舒适准则对热舒适进行分析测定与解释 S.（a）温度云图（b）压力云图（c）PMV云图（d）PPD云图（e）速度矢量云图（f）空气龄云图图3X=3 m处的室内热环境云图（f）空气龄云图图2Y=1.2 m处的室内热环境云图