2024, Vol. 46
主动式冷梁（ACB）被美国能效经济委员会（ACEEE）视为最有前途的暖通空调相关技术之一，ACB系统成为传统房间通风和制冷系统的替代方案，在过去20年里在北美和欧洲得到了越来越多的使用[1-2]。
近年来，许多学者对ACB系统的热舒适性展开了大量研究，Rhee等[3]通过实验分析了4种不同空调系统的空气扩散性能指数（ADPI），结果表明，ACB比其他传统空调系统的热舒适性更好。Azad等[2]在新加坡一栋办公室大楼内对ACB系统和传统FCU系统空调热舒适性进行了比较，实验结果表明ACB系统的热舒适性优于FCU系统。谢鹏等[4]通过仿真分析对邮轮客舱的ACB系统与FCU系统进行了舒适性分析，结果表明豪华邮轮采用ACB系统能拥有更好的舒适性。Wu等[5]研究了一次风温度和一次风量对ACB系统气流组织的影响，实验结果表明，送风与室内空气温差应控制在4.7℃以下。Rhee等[6]通过实验分析了ACB控制参数对系统热舒适性的影响，结果表明送风量、送风温度温度对提高热舒适性的影响依次降低。Li等[7]通过实验探究ACB不同送风温度与送风角度对室内热舒适性影响，结果表明，送风角度对室内PMV-PPD影响较大，一次风温度对PMV-PPD影响较小。
通过以上研究综述可以看出，ACB空调的热舒适性在陆地建筑中高于传统空调，且送风参数对室内热舒适性的影响程度不同。虽然很多学者都对ACB的热舒适性问题进行了深入研究，但其要么只研究了陆地建筑中ACB与其他空调的热舒适性对比，没有进一步研究送风参数对ACB空调的热舒适性进行优化；要么仅分析了2个送风参数，不够全面且没有突出ACB与其他空调的优越性。此外，由于ACB的舒适性还取决于特定建筑的特征和当地气候[8]，上述研究的环境均是陆地建筑，没有分析ACB在船舶上的热舒适性。
为填补上述研究的空白，本课题基于某船舶舱室，从ACB的送风温度、送风量和送风角度出发，研究三者对船舶舱室热舒适性影响规律，得到船舶ACB空调最佳送风工况，同时兼顾与传统的FCU空调进行热舒适性实验对比研究，为ACB系统在船舶领域的推广应用提供支持。
1 实验方法 1.1 主动式冷梁及系统原理如图1所示，经处理的新风（一次风）进过静压箱稳压后从喷嘴射出，由于文丘里效应，会卷吸室内热空气，室内热空气在与换热盘管换热后与一次风一起送入室内。由此可以看出，ACB的送风参数如温度、速度和角度，对其室内气流组织有影响作用。
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图 1 ACB结构原理图 Fig. 1 ACB structure schematic diagram |
本实验样舱主尺度为6 m
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图 2 ACB空调实验系统原理 Fig. 2 Principle of ACB air conditioning experimental system |
实验送风参数工况见表1。相关实验测点的平面布置如图3所示，在测点的高度方向同时等距离布置5个温湿度传感器与风速传感器。
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表 1 送风参数工况设计表 Tab.1 Air supply parameter working condition design table |
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图 3 实验测点平面布置图 Fig. 3 Plan layout of experimental measuring points |
相关实验测量设备参数见表2，本实验在室外温度为35℃，相对湿度为90%的室外环境进行。
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表 2 实验测量设备参数 Tab.2 Experimental measurement equipment parameters |
送风温度对室内热舒适性的影响结果如图4和图5可以看出，送风温度的增加，室内温度会增加，但整个房间竖直温差在2.5℃左右，人员区域（0.1～1.7 m）空气垂直温差（VATD）保持在1℃，同时发现0.1～1.7 m区域的温度随高度增加总体会呈下降趋势，这是受到安装在天花板的ACB回风面板辐射的影响[9]；PMV-PPD在工况2送风温度为20℃时达到最佳，比及基准工况0分别降低了50%和10%；ADPI提升不明显。说明送风温度的改变能提高房间的整体热舒适性，但不能让室内空气分布更均匀，同时过高或过低的送风温度会造成室内过热或过冷，热舒适性差。这是因为ACB的送风温度主要改变的是维护结构和回风面板的温度，影响房间的辐射换热，送风温度过大或过小只会让房间过热或过冷，对气流组织分布影响不大。
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图 4 不同送风温度的竖直温度分布 Fig. 4 Vertical temperature distribution at different supply air temperatures |
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图 5 不同送风温度的热舒适性指标 Fig. 5 Thermal comfort indicators at different supply air temperatures |
由图6可以看出，随着送风量的增加，人员区域VATD分别为1℃、0.8℃、0.4℃、0.6℃，工况5人员区域VATD最小，相较于基准工况0，降低了60%。图7中PMV-PPD，ADPI随送风量的增加，先降低后增加，均在工况5即送风量80 m3/h最佳，分别为0.15、0.08、0.931，相比于基准工况，PMV降低了75%，PPD降幅为77.4%，ADPI提高了9.6%。说明船舶舱室的热舒适性随着送风量的增加先增加后降低，在送风量为80 m3/h，船舶舱室的热舒适性达到最佳，这是因为，提高送风量可以同时加强辐射和对流换热，是室内热环境参数分布更加均匀[10]，但是过大的送风量会导致室内热扰动剧烈，风速过大，气流感明显，热舒适性反而会降低。
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图 6 不同送风量的竖直温度分布 Fig. 6 Vertical temperature distribution with different air supply volumes |
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图 7 不同送风量的热舒适性指标 Fig. 7 Thermal comfort indicators with different air supply volumes |
送风角度的热舒适性分析结果由图8和图9可以看出，随着送风角度从30°增加到150°时，人员区域VATD和PMV-PPD先降低后增加，ADPI先增加后降低，室内热舒适性先增加后降低，在工况9即送风角度为120°时，此时室内空气分布最均匀，人员满意度最好，热感觉最佳。相较于基准工况0，VATD和PMV-PPD绝对值分别降低了20%、55.5%、54.5%，ADPI最大提高了9.8%。这是因为送风角度决定着ACB的空气射流方向，送风角度最佳时，室内换热最充分，气流组织最好[7]。
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图 8 不同送风角度的竖直温度分布 Fig. 8 Vertical temperature distribution at different air supply angles |
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图 9 不同送风角度的热舒适性指标 Fig. 9 Thermal comfort indicators at different air supply angles |
由于国内外学者主要研究陆地建筑中ACB空调与其他空调系统的热舒适性对比研究[3,11]，极少研究在船舶领域ACB空调系统的优越性，故本实验在室外温度为35℃，湿度为90%，室内设定温度为26℃，湿度设定为55%的条件下，对ACB和FCU的热舒适性进行对比研究。
2.4.1 室内热环境由图10可知，在相同室内外条件下，ACB最终室内温度稳定在25℃左右，相对湿度能恒定在55%设计工况，PMV维持在0附近，风速保持在0.3 m/s上下，室内热环境参数均能保持在乘员的舒适性要求之内，舒适性高；而FCU的室内热环境参数温湿度、PMV、风速分别在23.5℃～27℃、45%～65%、−1～1、0.7～0.9 m/s之间剧烈波动，乘员感到忽冷忽热，空气一会干燥一会潮湿，有明显的吹风感，热舒适性不高。上述原因与两者的工作原理相关，ACB固定在天花板上，通过科恩达效应先冷却围护结构，进而与人体和周围空气进行辐射和对流换热，可以实现较好的空气分布[12]；而FCU通过送入低温高速的空气射流与室内空气进行强迫对流换热，受重力影响，射流会衰落，导致室内气流紊乱，室内热环境不稳定[13]。
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图 10 ACB与FCU室内环境参数随时间变化 Fig. 10 Changes of indoor environmental parameters of ACB and FCU over time |
由图11可知，ACB在整个房间高度上的温差是2.8℃，比FCU低了2.7℃；人员区域VATD为1℃，比FCU低了1.5℃；这是因为ACB主要通过维护结构和末端回风面板进行辐射换热，室内空气换热充分，气流分布较好，FCU主要通过低温的空气进行对流换热，受重力影响，冷空气下沉，热空气上升，换热不够充分，在竖直方向会出现明显的温度分层现象。同时说明舱室采用ACB空调能很好解决FCU空调温度分层过大，人员区域（1.1～1.7 m）VATD过大的难题，提高了舱室的舒适性。
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图 11 FCU和ACB的竖直温度分布 Fig. 11 Vertical temperature distribution of FCU and ACB at different set temperatures |
1）送风温度、送风量和送风角度分别增加时，室内热舒适性均呈现先升高后下降的趋势。送风温度、送风量和送风角度为20℃、80 m3/h、120°，室内的热舒适性均达到最佳。
2）相较于基准工况0，送风温度能降低PMV-PPD绝对值50%和10%；送风量80 m3/h的人员VATD降低了60%，PMV降低了75%，PPD降低了77.4%，ADPI提高了9.6%；送风角度为120°的人员VATD 、PMV-PPD绝对值分别降低了20%、55.5%、54.5%，ADPI提高了9.8%。
3）相较于传统的FCU空调，船舶舱室采用ACB空调的热舒适性更高，室内热环境参数随时间更加平稳，人员区域的VATD降低了1.5℃。
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