赵忠超，云 龙，秦伯进，杨兴林

（1.江苏兆胜空调有限公司，江苏泰兴 225441；2.江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212003）

0 引言

随着我国造船事业的快速发展，人们对舱室室内空气品质和人体热舒适性的要求也越来越高。同时，船舶作为交通运输中运载量比例最大的运载工具，其节能问题越来越引起人们的重视。据统计，万吨级以上船舶的空调系统耗电功率约占船舶电网总能量的20%，是船舶主要的耗能装置[1]。如何提高船舶空调系统的制冷效率，降低运行能耗，已成为船舶节能的一个重要方向。

置换通风由于具有节能、通风效率高、能改善室内空气品质等优点，在大空间建筑中已得到广泛应用[2]。然而由于理论上置换通风的性能取决于屋顶高度，因此置换通风在低矮建筑空间的应用研究较少。船舶舱室作为一种典型的低矮空间建筑，空调系统的送、回风管道的布置受到极大限制。置换通风不仅能够使舱室获得更加优良的室内空气品质、降低空调能耗，而且不用在舱室顶棚布置风管，能够有效节省建筑空间，因此有必要探索置换通风在船舶舱室这种低矮空间的适用性，为置换通风在船舶空调上的推广应用提供理论依据。

本文通过研究船舶会议室置换通风方式下空气品质以及室内环境热舒适的分布规律，为置换通风这种高效节能的通风方式在船舶舱室上的适用性提供理论参考。

1 数值及物理模型

1.1 物理模型

船舶会议室作为人员聚集区，人员密度大，产生大量的余热和污染物，理论上适合应用置换通风，因此选取某船舶会议室为研究对象。会议室模型的几何尺寸为6m×5m×2.2m（长×宽×高），简化物理模型如图1所示。舱室内人员7名，会议桌1张，照明灯6盏，为简化模型、减少生成网格的数目、节省运算时间，将人员与椅子作为整体简化为0.4m×0.3m×1.1m 的长方体，会议桌简化为3m×1.3m×0.05m 的长方体，照明灯简化为0.2m××1.2m×0.15m的柱体。送风口位于舱室下侧，底边距地面0.1m，几何尺寸为2m×0.4m，回风口位于舱室外墙上部，几何尺寸为0.6m×0.6m。

1.2 边界条件

1）入口边界条件：送风温度为22℃，相对湿度70%，送风速度0.3m/s, 总送风量为860m3/h，送风中CO2浓度为0.03%。

2）出口边界条件：回风口为格栅回风，为自由浮动边界条件。

3）固体壁面边界条件[3]：根据无限航区船舶夏季工况舱外设计计算空气温度，设舱外大气温度为35℃。所有壁面均设为第二类边界条件，考虑围护结构传热，舱室外墙受太阳照射，热流密度为20.7w/m2，舱室内墙与走廊相邻，热流密度设为5w/m2，其他舱室壁面与空调舱室相邻，按绝热处理。

4）人体、灯具模型：人体既是热源又是污染源，人体散热量为103W/人，CO2排放量为33g/(h*人），灯具散热量为34W/盏。

图1 会议室物理模型

1.3 网格划分

网格的划分关系到计算的精度和速度，考虑到这两方面的因素，此次模型计算的网格划分满足如下条件：

1）本文对船舶舱室空间离散采用六面体非结构网格划分；

2）网格单元最大x、y、z尺寸为该空间最大对应尺寸的1/20；

3）在送风口和回风口等温度梯度和速度梯度变化较大区域进行局部加密细化；

4）计算区域最大网格高度设为0.0008，相邻网格最大尺寸比设为1.5，所得模型的网格总数为184560个。

1.4 数学模型

本次模拟采用RNGk-ε三维湍流模型，RNGk-ε模型与标准k-ε相似，其最大特点在于在ε方程中引入了主流的时均应变率Sij，有效地改善了精度。同时，RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式，使RNGk-ε模型在广泛的流动中有更高的可信度和精度。为了简化问题，作如下假设[4]：

1）室内空气低速流动，可视为不可压缩的牛顿流体，且符合Boussinesq假设；

2）定常流场；

3）室内空气为辐射透明介质；

4）不考虑漏风影响，室内气密性良好。

采用RNGk-ε模型模拟，其控制方程的通用形式为[5]：

式中，div(ρυϕ)为对流项；div(Γgradϕ)为扩散项；S为源项。连续性方程，能量方程，动量方程及K、ε，浓度方程的区别在于各自的对流项、扩散项及源项的内容不同。各方程中对流项、扩散项及源项的具体内容见表 1。各变量的意义及参数的取值可参考文献5。

表1 变量及相应的系数与源项

图2 平面速度分布图

2 模拟结果与分析

2.1 室内速度场与温度场分析

为更好地展现人员活动区的速度场，限于篇幅，选取舱室典型截面人体脚踝敏感部位高度水平面和空调送风垂直面（即y=0.1m处的xz平面和x=2.5m处的 yz平面）显示速度场的分布结果，结果如图2(a)和(b)所示。

分析图2(a)中y=0.1m处截面模拟结果，可见在整个速度场内有射流、涡流和回流，冷空气在舱壁的下部以低速送入，由于新风的温度低于室内温度，相对密度较高，在重力作用下冷风进入舱室后下沉，在贴近地板表面呈近似单向流状态蔓延开来，形成一个“新风湖”。冷空气从送风口进入室内后速度不断衰减，除出口临接区风速偏大外，整个平面沿送风方向风速均匀分布，0.1m高度平面内人员逗留区平均风速在0.06m/s～0.15m/s之间，人的脚踝部位不会有冷风感。如x=2.5m处竖直截面所示，冷空气在扩散过程中，遇到热污染源，受热源表面热作用，向上浮升，形成的烟羽流沿程不断卷吸周围空气流向舱室顶部，将热量和污染物带向设置于舱室上部的排风口排出，在 1.8m左右高度，当烟羽流量等于送风量时，形成气流分层，即上部为紊流混合区，下部为清洁的单向流动区。

由于风速较低，除热源和回风口附近由于气流卷吸作用，气流稍强外，舱室大部分区域空气流动微弱，速度场均匀平稳，呈层流或低紊流状态，在人员活动区（取坐姿时）0.1m～1.1m内,气流速度都小于0.12m/s，不会对人体舒适性造成不利影响。将回风口布置于热流密度较大的舱壁外墙上部，使得远离送风口的舱壁附近热浊空气被加热后在浮升力作用下不断上升，在回风口的抽吸作用下快速排出，从而加快了舱室内空气的流通进程，使人员工作区的新风能够得到及时补充，避免了随着送风在舱室内的流动，速度在热羽流的扰动下迅速衰减，造成远离送风口近外墙区域出现空气品质恶化的现象。

图3 平面温度分布图

为更好地展现人员活动区的温度场，限于篇幅，选取典型截面人体脚踝敏感部位水平面和人员工作区竖直平面（即y=0.1m处的xz平面和z=3m处的xy平面）显示温度场的分布结果，结果如图3(a)和(b)所示。

分析图3(a)和(b)所示温度场模拟结果，由于置换通风送风速度较低，因此由热源产生的热浮升力成为主导室内气流流向的主要驱动力。水平方向上除远离人员活动区域外，温度总体分布均匀，随着送风沿地面向室内扩散，温度逐渐上升，0.1m高度处的温度大部分保持25℃～27℃之间，在距离送风口最远的人员区域，虽然受到舱室外墙传热的影响，有大量的热负荷存在，但该处热量能够通过设置在舱壁外墙上部的回风口有效排除，使得该不利区域温度能够维持在27.2℃左右，可见通过合理布置回风口，受舱壁外墙传热影响的不利区域依然可以得到适宜的温度。在实际船舶上，由于舱壁钢围护结构的蓄热能力和热容量较小，日晒舱壁附近热负荷波动往往较大，如何减小这部分负荷对人体热舒适性的影响十分重要。

在垂直方向上存在明显的温度分层现象，房间下方温度低，上方温度高，分层高度大约在 1.8m以下，下层的温度梯度较大，最大温度梯度出现在送风口附近，上层相对稳定。在离地0.1m～1.1m的高度范围内，垂直温差在1℃以内，在ISO7730标准推荐的不超过 3℃的范围内，不会因温差过大而引起人员头暖脚冷的不舒适感。

2.2 空气龄分析

空气龄是评价室内空气品质的指标之一，定义为房间内某点处空气在房间内已经滞留的时间，反映了室内空气的新鲜程度，空气龄越低意味着空气滞留在室内的时间越短，即被更新的有效性越好。它可以综合衡量房间的通风换气效果，是评价室内空气品质的重要指标。为更好地关注人员活动区空气龄，限于篇幅，选取典型截面人员坐姿呼吸带水平面和人员工作区竖直平面（即y=1.1m处的xz平面和z=3m处的xy平面）显示空气龄的分布结果，结果如图4(a)和(b)所示。

分析图4(a)和(b)的空气龄模拟结果，空气龄分布在水平方向上从出风口处沿送风方向逐渐升高，平均空气龄最大的区域位于远离送风口近舱室外墙处，这是由于水平方向上，新风自送风口进入舱室内后受到人员和桌椅的阻挡，同时吸收舱室内热量，速度不断衰减，温度逐渐升高所致。平均空气龄较大的近舱壁外墙区域最大空气龄小于300s，结合该区域的速度分布可知，受舱室外壁热负荷产生的热浮升力作用，该区域空气能够经舱壁上部的回风口及时排出，使得该区域空气滞留在室内的时间缩短。1.1m高度处整个工作区域的平均空气龄值在 244s左右，空气较新鲜，质量较好。在垂直方向上，可见平均空气龄有类似于温度的分层，舱室上部空气龄高，下部人员活动区空气龄相对较低，这与舱室内气流组织分布有密切关系。

结合图2、图3和图4的速度、温度、空气龄分布规律可知，舱室内速度、温度场气流组织直接影响空气龄分布：在远离送风口靠近右侧舱壁的区域，温度相对较高、速度较低，通风换气能力弱，空气龄数值大，大于280s；在靠近送风口处，温度较低、速度较大，空气能够得到及时的更新，空气龄较小，平均值小于180s。

图4 平面空气龄分布图

2.3 人体热舒适性分析

人体热舒适性表示人对环境满意的意识状态，丹麦工业大学的 P.O.Fanger教授在对室内热环境研究中，根据热平衡方程，建立了表征人体热反应的评价指标PMV，该指标代表了同一环境下绝大多数人的冷热感觉，其值取决于人体活动、衣服、空气温度、相对湿度、空气速度以及平均辐射温度等六个主要因素。PMV值与人体冷热感觉的关系如表2所示[6]，ISO7730对PMV指标的推荐值为PMV在-0.5～0.5之间。

图5 平面PMV分布图

表2 PMV热感觉

选取夏季文明着装坐着轻度劳动的人员测试PMV。为更好地关注人员活动区热舒适性，限于篇幅，通过典型截面人员坐姿时头部高度水平面和人员工作区竖直平面（即y=1.1m处的xz平面和z=3m处的xy平面）显示PMV的分布结果，结果如图5(a)和(b)所示。

分析图5(a)和(b)所示的模拟结果，水平方向上PMV整体分布均匀，y=0.1平面内靠近送风口处的部分区域内由于送风温度较低，速度衰减较慢，PMV较低，平均值小于-0.5，有吹冷风的感觉，但该区域远离人员活动区，不会对人员造成影响。人员工作区PMV分布除远离送风口靠近舱室外墙区域受舱壁负荷影响PMV稍高在0.5左右外，其余大部分区域PMV在-0.25～0.25之间，在相关推荐值范围内。在垂直方向上，由于送风温差较小，下部人体暴露在空气中的敏感部位足、脚踝处PMV适中，不会产生冷感，人员活动区上部区域 PMV在0.2～0.25左右，偏暖，这是由于该区域空气温度较高、速度较低所致。对比图2-b，PMV分布与温度的垂直分层相似，说明温度对PMV分布有较大影响。综合分析发现舱室内PMV的分布受空气温度和气流速度分布的影响较大。

2.4 室内空气品质分析

室内空气中CO2的含量是评价室内空气品质的一项重要指标。空气中CO2的浓度对人体有着极其重要的影响，CO2的浓度过高容易引起人体呼吸急促、肺部呼吸增加，甚至导致人体呼吸吃力、剧烈头痛、恶心，空气中CO2的浓度在400ppm～800ppm范围内时，人体感觉正常[7]。根据我国空气环境质量标准和其他较为先进国家的 IAQ标准，把1000ppm作为CO2浓度的参考标准。为更好地关注人员活动区的 CO2浓度场,限于篇幅，选取典型截面人员坐姿时呼吸带高度水平面和人员工作区竖直平面（即y=1.1m处的xz平面和z=3m处的xy平面）显示CO2浓度场的分布结果，结果如图6(a)和(b)所示。

分析图6(a)和(b)所示模拟结果，人员呼吸区高度1.1m平面CO2浓度除人员呼吸区污染源放置处较高外整体分布均匀，自送风口处沿送风方向CO2浓度逐渐增大，平面浓度最大值位于平面最右侧人员呼吸区污染源处，为610ppm。从送风口送入的新风在上升过程中受到会议桌的阻挡，使得呼吸区污染源处CO2的稀释进程较慢，但舱室内大部分区域CO2浓度较低，浓度平均值在498ppm左右，在合理范围内，不会对人体造成不利影响。距离送风口最远的左侧舱壁附近不利区域CO2浓度被控制在525ppm左右，说明根据热源的分布特征，合理布置回风口，利用热舱壁在浮力作用下形成的向上对流以及排风口的抽吸作用，能够将不利区域的污染物有效排出，使不利区域的污染物浓度维持在正常水平，获得较好的IAQ。垂直方向上，除污染源周围外，舱室内存在 CO2浓度分层，舱室上部 CO2浓度要大于舱室下部，人员呼吸区污染源高度以上，CO2浓度显著增大。

图6 平面CO2分布图

2.5 能量利用系数

能量利用系数ET即为温度效率，是评价能量利用效率的重要指标，ET越大，能量利用效果越好。ET计算式[8]：

式中，TP为排风温度，℃；T0为进风温度，℃；为室内平均温度，℃。

表3 置换通风形式下温度效率

舱室内置换通风的ET值大于1，说明出风口处的值比入风口处高，这与理论上认为置换通风的ET大于1的结论相符。

2.6 通风效率

通风效率是评价建筑物房间内通风效果好坏的重要指标之一，它取决于气流分布特点，热污染物强度及其分布特征。它是表示送风排除污染物的能力指标。良好而经济的气流组织形式应在保证工作区满足空调参数的前提下，使空调送风有效地排除工作区的污染物。Ev越大，说明通风气流去除污染物能力越强，人员活动区空气品质越好。EV计算公式为[9]：

式中，CP为排风口处污染物浓度；C0为送风中污染物浓度；为室内平均污染物浓度。

表4 置换通风形式下CO2去除效率

通风效率值小于 1，说明层高较低一定程度上降低了置换通风排除污染物的能力，但相比与其他通风方式，置换通风在船舶会议室内依旧有较高的通风效率。

3 结论

1）气流组织分布规律显示，采用置换通风方式的船舶会议室内温度场、速度场总体分布均匀，空气龄、CO2浓度较小，能量利用系数较高，有良好的热舒适性。本文经过多种工况研究发现，尽管置换通风的应用受到建筑层高的限制，但是根据热源的分布特征，合理布置送回风口的位置，置换通风依然可以得到较高的舱室空气品质。

2）分析舱室内温度场、平均空气龄、PMV分布发现，舱室外墙所传导的热量对靠近舱壁外墙的局部区域产生影响，采用置换通风方式的船舶空调系统应充分利用其热负荷产生的浮升力，合理布置回风口的位置，有效将其排除室外，避免或减弱其对人员舒适性的影响。

3）考虑到船舶航行过程中所处外界气象条件的变化性造成船舶舱室内负荷不断变化，这就要求船舶空调实现变风量送风。置换通风无论从室内负荷对送风的要求还是送风装置的风速要求，均较易实现置换通风系统的变风量运行，置换通风的变风量运行适用性和经济性较好。

目前国内对置换通风的研究主要集中在陆用建筑上，对船舶舱室采用置换通风时室内气流组织的研究较少。本文应用CFD技术研究了船舶会议室采用置换通风方式的空气品质，并分析验证了通过利用室内热负荷分布的特点，合理布置送、回风口的位置，置换通风在船舶这种低矮建筑空间中仍能提供优良的空气品质，仍具有较好的适用性。

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