东华大学环境科学与工程学院  李茂  沈恒根

    【摘  要】针对夏季工况下舰船桅杆舱室内部分机柜附近区域存在局部高温问题，基于冬季及过渡季节工况下舰船空调系统节能优化、高稳定性的控制要求。本文采用分离式热管，对桅杆舱室局部高温进行降温控制，并作为冬季及过渡季节集桅杆专用柜机空调系统的替补设备，达到节能优化和提高空调系统运行稳定性目的，用FLUENT软件对舰船桅杆舱室的空气流动和热环境状况进行模拟。模拟结果表明：用分离式热管对舰船桅杆舱室部分机柜上方局部高温有良好的控制降温效；冬季及过渡季节仅启动热管空调系统就能保障舰船舱室内电子设备运行的环境温度要求。

    【关键词】舰船封闭式桅杆；局部高温控制；分离式热管；节能优化

Abstract:Based on local high-temperature control of naval masts of ships in summer, and energy-saving optimization and high stability of warship air conditioning system in winter and transition seasons.This article uses a separate heat pipe to cool the local high temperature of the mast compartment, and to be a replacement equipment for the special air conditioning system of the ganging masts in the winter and transitional seasons to achieve energy-saving optimization and improve the operational stability of the air-conditioning system.we can use FLUENT Software to simulate the air flow and thermal environment of ship mast houses. results show that Separate heat pipe has good control and cooling effect on local high temperature of ship mast chamber,and during winter and transition seasons, only the heat pipe air conditioning system is activated to ensure the environmental temperature of the electronic equipment in the ship's cabin.
Keywords: closed mast of ship,local high temperature control,separate heat pipe,energy-saving optimization

    舰船桅杆内的电子机柜多，电子机柜的布置与传统的数据机房机柜的布置有较大的不同。传统的数据机房电子机柜及机架多采用面对面的形式一列一列摆放[1]，能形成冷热通道，而舰船桅杆内的电子机柜布置，需考虑舰船内电子设备实际运行情况，机柜布置应分散布置，因此造成部分机柜发热量集中且不容易排除问题，引起局部高温。

    舱室环境温度过高会降低电子元器件的工作效率，在规定范围外温度每增高10℃，其工作效率大约会下降25％[2]。模拟结果显示，用空调分布式送风的方式可以有效地对舱室内整体温度进行控制[3]，但是部分机柜内设备发热功率大且布置不规范，致使机柜附近区域存在局部高温。

    针对部分高功率设备机柜上方的高温问题，基于热管具有换热能力强、温度可控制及远距离传热以及具有强大的节能效果等突出优点[4]。考虑到海水温度变化不大，且在夏季的时候远低于空气温度。根据文献[5]，夏季东海大部分海域海表面平均温度为27℃，为使舱室的电子设备在适宜温度内运行，所以用空气-海水型分离式热管对机柜上方的局部高温区域进行控制，实现这些机柜上方的局部高温区域降温，同时没有额外的能源消耗；同时在春夏过渡季节及冬季仅启动分离式热管空调系统，可以充足地提供一层舱室内的冷量，保证舱室的环境温度控制要求，实现节能的目的。

    1.1 舱室原始基本信息

    某新型舰船桅杆舱室有五层舱室，而第一层舱室内的设备最为密集，其舱室内的发热量最大，电子设备内附近区域的高温区域最为显著，所以选取第一层舱室作为研究对象，对舱室的部分机柜上方局部高温进行控制降温。

    如图1所示，一层舱室由左侧舱室（4.6 m×6.5 m×2.3 m）和右侧舱室（4.7 m×4.7 m×2.3 m）两个舱室组成，中间通过一扇常开门连通，两舱室均无窗。舱室内发热设备布置如图1所示，共计24个，舱室内的总冷负荷为16kw。

    舱室内环境温度控制要求为18℃-28℃，机柜附近区域温度不高于35℃。左侧舱室采用分布式（送风口）送风，送风口分散安装在舱室的顶部，而主机为制冷量为12kW的CLD-12HW型集桅专用空调机（带风管）。右侧舱室靠右墙设有8kW的CLD-8HW型集桅专用空调柜机，采用直接送风。空调系统详细信息见表1。

    1.2 舱室控制方案设计

    在分布式空调送风形式基础之上，增设分离式热管系统对局部高温区域进行温度控制。即在分布式空调送风基础之上，另外在高发热机柜上方配置空气-海水型分离式热管进行辅助供冷。增设空气-海水型分离式热管辅助降温的方式，既可以消除部分高发热设备的机柜附近区域的高温，维持机柜内电子设备在良好的环境中高效率的运行，也可以在冬季及过渡季节完全采用分离式热管对舱室进行降温，维持舱室的环境温度，从而达到节能的目的。空气--海水型分离式热管设计参数见表2，分离式热管布置见图2。

      有研究者[6][7]运用 CFD 数值模拟技术对舰船舱室提出热环境控制技术方案，并建立了模型进行了模拟实验研究，并通过实测数据验证了模型及模拟结果的可靠性。本文拟采用FLUENT对桅杆一层舱室内热环境控制进行模拟。

    （1）舰船桅杆内部的设备机柜简化为正长方体柱子，分别按照设备机柜的布置方式进行排列；

    （2）省略空调柜机出口到各送风口的送风管；

    （3）循环通风装置的回风口可以等效成一个通风出口；

    （4）各设备散热形式等效成除机柜底面，其余五面均匀向舱室内散热。

    最终简化后舰船桅杆舱室的物理模型如图3所示。

    舰船封闭式桅杆舱室内的流体流动和传热应遵循基本的物理定律：连续性方程、动量守恒方程及能量守恒方程三大定律。

    3.1 夏季工况下局部高温控制对比分析
    单独开启分布式空调送风、同时启动分离式热管和分布式空调系统分别为工况1、工况2，分别对工况1工况2进行数值模拟，得到模拟结果并进行分析。
在数值模拟结果分析中，由于舰船桅杆舱室分左右两个舱室，由于右侧舱室的的设备机柜排列方式比较规整，且空间比较小，选用一台大风量集桅杆专用柜机能满足其热环境控制的要求，机柜内电子设备能在最佳的环境中高效率工作和运行，而局部高温区域主要是出现在左侧舱室部分机柜上方。所以可以以舱室的左侧舱室作为分析对象，在不同工况下进行对比分析对舱室热环境的控制。
在工况1、工况2下，达到稳态时左侧舱室整体平均温度分别为27.6℃、25.5℃，其舱室内整体平均温度满足热环境控制要求，但工况2下的平均温度相比工况1低2.1℃。分析舱室内温度分布，沿高度方向截面，得到两种工况下舱室内温度随高度的变化状况，如图4所示。在工况1下，由于单独开启分布式空调送风，其送风口在上，集桅杆专用空调机的冷量通过送风口以较大的风速吹向舱室底部，得到气流组织较差。造成桅杆舱室下半部分的温度较低，呈逐渐上升的趋势，而后又以小温差波动，其高度方向上截面最大温差为1.7℃。对于工况2，相较于单独开启空调分布式送风的工况1，工况2的温度分布更加稳定和有规律性，随着高度的增加，呈逐渐下降的趋势。其原因主要是，在原来分布式送风基础上开启分离式热管时，使得舱室里面的空气流动循环加快，其获得更好的气流组织形式。

    为进一步分析分离式热管对舱室局部高温的控制效果，因机柜上方是最容易出现高温的区域，所以选取机柜上方0.1m处，即Z=1.9m高度处进行云图分析，如图5。从图5中Z=1.9m的温度云图可以知道，在工况1下，部分机柜上方存在高温。针对部分机柜上方存在局部高温，工况2采用分离式热管对桅杆舱室内的这些局部高温区域进行针对性的降温控制。从工况2的温度云图可知，对于部分机柜上方存在的局部高温，采用分离式热管能对其进行有效控制，高发热机柜上方的高温区域消失，保障了机柜内的电子设备能高效率运行。

    3.2 过渡季节工况下用热管运行分析
    由上述的模拟结果及其分析可知，分离式热管能消除部分高发热设备的机柜附近区域的高温，有效地控制了这些区域环境温度，维持机柜内电子设备在良好的环境中高效率的工作。另一方面，在冬季及其过渡季节，分离式热管冬季、春季和秋季室外较低的自然环境温度进行热交换，最大限度降低机房的空调用电量。同时，减少了机房柜机的工作时间，不仅大大延长了空调的使用寿命及维修周期，减少了空调的运行维护投入，同时也为维持机房运行环境的稳定性提供了保障。
本文只对过渡季节（即春秋季）情况下进行模拟分析，因为冬季室外环境温度低于过渡季节，若全采用热管形式对舱室供给冷量，在过渡季节满足要求，在冬季亦能满足要求。
在只开启分离式热管的情况下，对舱室内热环境进行模拟，其送风温度设定见上表2。根据模拟结果显示，舱室内的整体平均为25.8℃，满足舱室内空气控制温度为18-28℃的要求。为进一步了解舱室内温度分布，选取舱室内高度截面平均温度作为研究对象，高度方向上截面平均温度随高度的变化情况，如图6所示。从图6可以得出，在靠近舱室底部区域空气温度较高，在舱室的顶部温度最低。随着高度的上升而逐渐降低从26.8℃逐渐下降到24.9℃，其差值为平均温度1.9℃。分析其原因，主要是因为分离式热管放置在1.8m高机柜的上方，而分离式热管的送风方式为水平送风，所以分离式热管的冷量首先传递给桅杆舱室的上半部分，使得上半部分最先被冷却。此外，从图7可以发现，在Z=1.9m高度处，舱室内的平均温度有小幅度的温升，这主要是由于机柜上表面的散热使得热空气上升，造成在机柜上方的有一定小幅度温升。
为进一步了解桅杆舱室的温度分布情况，选取Z=1.9m高度的温度云图进行分析，如图7。从图7的温度云图可知道，舱室内的同一高度处的气流组织良好，温度分布均匀，舱室内的电子设备能在良好的环境下运行。
通过模拟可得出结论，在冬季及其过渡季节，仅启动分离式热管的形式对桅杆舱室供给冷量，能满足桅杆舱室热环境控制的要求，从而达到节能优化和增强桅杆舱室稳定性的效果。

    结论：

    本文提出了采用分离式热管，对桅杆舱室夏季工况下局部高温降温控制，并作为冬季及过渡季节集桅杆专用柜机空调系统的替补设备，达到节能优化和提高空调系统运行稳定性目的，建立了模型，进行模拟试验分析。结果表明：

    （1）采用分离式热管对舰船桅杆舱室部分机柜上方局部高温有良好的降温效果，且能获得更好的气流组织形式，舱室内的温度分布更加稳定和均匀。

    （2）在冬季及过渡季节时作为左侧舱室集桅杆专用柜机空调系统的替补设备，仅启动热管空调系统，能保障舰船舱室内电子设备运行的环境温度控制要求，达到节能优化和提高空调系统运行稳定性目的。

    [1] 钱晓栋,李震.数据中心空调系统节能研究[J].暖通空调,2012,42(3):91-96.
    [2] 田浩,李震,刘晓华.信息机房热管空调系统应用研究[J].建筑科学,2010(10):145-149.
    [3] 郭涛,陈红超.某舰船封闭式桅杆舱内热环境控制的模拟研究[J].建筑热能通风空调,2017(9).
    [4]苏俊林,陈岚等.分离式热管换热器传热特性研究[J].农机化研究,2006(07):167-168+171.
    [5] 曾广恩,练树民等.东、黄海海表面温度季节内变化特征的EOF分析[J].海洋科学进展,2006(02):14-23.
    [6] 陈红超,宋靠华等.新型封闭式桅杆空调系统数值仿真及实验验证[J].中国舰船研究,2015:118-124.
    [7] 蒋仕伟. 基于封闭机舱CFD分析的通风系统优化研究[D]. 上海交通大学,2013.

    备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。