船舶艙室內(nèi)熱舒適性參數(shù)的選取

王世忠，周愛民，施紅旗，卜鋒斌

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.海軍駐上海704所軍代表室，上海 000031)

0 引言

為使船員保持高效率的工作，就需要保證艦船上人員維持良好的身體狀況和飽滿的精神狀態(tài)，于是就對(duì)其工作、居住等活動(dòng)空間內(nèi)的環(huán)境條件提出較高的要求，需要保證艙室環(huán)境的熱舒適性。然而熱舒適性定義沒有任何物理量的限定，因?yàn)槿说臒崾孢m性是受到外界環(huán)境、個(gè)人的活動(dòng)狀況、生理、心理等主觀感覺的多種變量影響的復(fù)雜問題。在工程實(shí)際應(yīng)用中，人們需要對(duì)一定的熱、濕、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷該環(huán)境是否滿足人的舒適要求，然后再去根據(jù)人們的要求進(jìn)行合理控制。

但由于研究場(chǎng)合、氣候、人種群及其著裝等因素的差異會(huì)造成各種地方的人在相同的環(huán)境中熱感覺不同，因此不同人在某種環(huán)境下對(duì)熱舒適性的要求也不同，因此國(guó)際上民用建筑領(lǐng)域的熱標(biāo)準(zhǔn)在不同國(guó)家的通用性和準(zhǔn)確性受到了質(zhì)疑［1］。其中，針對(duì)不同的研究對(duì)象，選擇什么樣的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及如何合理確定該指標(biāo)所需熱環(huán)境參數(shù)取值或取值范圍，是熱舒適問題研究的核心內(nèi)容?？紤]到船舶艙室環(huán)境與一般民用建筑的差異性，直接引用民用建筑對(duì)熱環(huán)境控制參數(shù)未必滿足船員對(duì)環(huán)境控制的需求，因此開展了船舶艙室內(nèi)熱舒適性參數(shù)的選取研究。

目前比較受認(rèn)可的熱舒適性評(píng)價(jià)是以PMV熱舒適模型為基礎(chǔ)開展的相關(guān)工作，該模型在人員處于靜態(tài)活動(dòng)和著衣量較少時(shí)是最為準(zhǔn)確的，特別是在服裝熱阻范圍為0.3～1.2 clo，新陳代謝率小于1.4 met時(shí)，而隨著衣服的加厚和活動(dòng)水平的提高其預(yù)測(cè)值和實(shí)際熱感覺投票值的偏差也越來越大［2－3］。

本文先對(duì)以PMV熱舒適模型為基礎(chǔ)建立的普遍公認(rèn)的熱舒適評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析研究，為船舶艙室內(nèi)熱舒適性控制參數(shù)選擇提供依據(jù)。目前民用建筑領(lǐng)域上普遍公認(rèn)的熱舒適評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有ASHRAE55－1992［4］和 GB/T18049 － 2000［5］。

1 熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)

1.1 ASHRAE55－1992

ASHRAE55－1992將一般建筑內(nèi)人員感覺熱舒適的溫濕度范圍分為冬季舒適區(qū)和夏季舒適區(qū)，其中冬季舒適區(qū)為:當(dāng)濕球溫度為18℃時(shí)，舒適區(qū)t=20℃ ～23.5℃;當(dāng)露點(diǎn)溫度dp=2℃時(shí)，舒適區(qū)t=20.5℃ ～24.5℃。如果采用新有效溫度來表示，則冬季舒適區(qū)溫度范圍ET*=20℃ ～23.5℃，平均風(fēng)速為0.15 m/s。夏季:當(dāng)濕球溫度為20℃時(shí)，舒適區(qū)t=22.5℃ ～26℃;當(dāng)露點(diǎn)溫度dp=2℃時(shí)，舒適區(qū)t=23.5℃ ～27℃。用新有效溫度表示的夏季舒適溫度范圍ET*=22.8℃ ～26.1℃。平均風(fēng)速為0.25 m/s。

因?yàn)槿梭w的頸部和腳踝處對(duì)溫度比較敏感，較大的垂直溫差可引起人體對(duì)環(huán)境的不舒適感增加。因此，ASHRAE55－1992中規(guī)定垂直溫差t1.1－t0.1≤3℃。另外，還明確了垂直方向不對(duì)稱輻射溫差應(yīng)不超過5℃，水平方向不對(duì)稱輻射溫差不超過10℃。地板表面溫度最好控制在18℃ ～29℃。

ASHRAE55－1992標(biāo)準(zhǔn)適用于以坐著為主的輕體力活動(dòng)，新陳代謝率M≤1.2 met，所穿著服裝的熱阻夏季為0.5 clo，冬季為0.9 clo。

1.2 GB/T18049－2000

GB/T18049－2000標(biāo)準(zhǔn)的制定參照了ASHRAE55－1992，其中規(guī)定了預(yù)測(cè)處于中等熱環(huán)境中的人對(duì)熱的感覺和不舒適程度的方法，并規(guī)定了可接受的熱舒適條件，只是該標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定濕度的界限。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)適用條件具有一定的約束，適用于健康男性和女性，適用于室內(nèi)工作環(huán)境的設(shè)計(jì)或?qū)ΜF(xiàn)有室內(nèi)工作環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中人員是坐姿，從事輕體力活動(dòng) (新陳代謝率M≤1.2 met)，所穿著服裝的熱阻夏季為0.5 clo，冬季為1.0 clo。

GB/T18049－2000標(biāo)準(zhǔn)以操作溫度給出了熱舒適區(qū)域。

在冬季坐姿活動(dòng)下 (有供熱)，人員感覺熱舒適的溫度范圍及其他相關(guān)要求是 t0=20.0℃ ～24.0℃，在高于地面1.1 m與0.1 m之間 (頭與踝之間)的垂直方向空氣溫度差應(yīng)小于3℃;地表面溫度通常是在19℃ ～26℃之間，但對(duì)供熱系統(tǒng)的地面應(yīng)設(shè)計(jì)為29℃;來自窗戶或其他冷垂直表面的輻射溫度的不對(duì)稱性應(yīng)小于10℃ (相對(duì)于1個(gè)小的垂直平面，高于地面0.16 m);來自加熱的屋頂?shù)妮椛錅囟炔粚?duì)稱性應(yīng)小于5℃ (相對(duì)于1個(gè)小的水平面，高于地面0.6 m);平均風(fēng)速v≤0.15 m/s;相對(duì)濕度在30%～70%之間。就夏季 (有空調(diào))來說，坐姿活動(dòng)下的人員感覺熱舒適的溫度范圍及其他相關(guān)要求是t0=23.0℃ ～26.0℃，在高于地面1.1 m與0.1 m(頭與踝之間)的垂直方向空氣溫度差應(yīng)小于3℃;平均風(fēng)速 v≤0.25 m/s;相對(duì)濕度應(yīng)在30% ～70%之間。

上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于坐姿活動(dòng)人員，給出了相當(dāng)詳盡的環(huán)境控制要求，但是以上標(biāo)準(zhǔn)在建立沒有充分考慮氣候環(huán)境的差異和人們的適應(yīng)能力、所處的周圍環(huán)境、相關(guān)的心理因素等，另外其僅給出坐姿活動(dòng)人員的熱舒適性要求，沒有明確其他代謝率下的人員熱舒適性要求，因此對(duì)于船舶艙室的空調(diào)系統(tǒng)來說，上述標(biāo)準(zhǔn)不能直接推廣至船舶居住艙室進(jìn)行熱、濕環(huán)境評(píng)價(jià)與控制上。

同時(shí)考慮到艙室內(nèi)管路設(shè)備布置繁雜，艙室內(nèi)空間狹窄等諸多因素，空氣流速的均勻性不易實(shí)現(xiàn)，不能作為可有效控制的環(huán)境參數(shù)，因此針對(duì)船舶艙室熱環(huán)境控制的特殊性，初步確定了主要對(duì)船舶艙室內(nèi)溫濕度進(jìn)行有效控制，使艙室內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)達(dá)到舒適性水平，以滿足船員對(duì)船艙環(huán)境熱舒適性的要求。

本文沿用經(jīng)典熱舒適研究方法，針對(duì)船舶艙室進(jìn)行了熱環(huán)境實(shí)船測(cè)試及熱舒適狀況的問卷調(diào)查［6］，基于試驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)了船員熱感覺投票值與其所處的局部空間內(nèi)的微小環(huán)境溫濕度關(guān)系，據(jù)此選取了適合船舶艙室內(nèi)熱舒適性溫濕度參數(shù)指標(biāo)控制范圍。

2 人員熱感覺與微小環(huán)境溫濕度關(guān)系

試驗(yàn)測(cè)試過程中，在對(duì)艙室環(huán)境測(cè)量的同時(shí)，實(shí)時(shí)地對(duì)測(cè)量區(qū)域船員 (接受測(cè)試人員)進(jìn)行了基于身體狀態(tài)的主觀判定量表的船員問卷調(diào)查［6］，保證了問卷調(diào)查真實(shí)反映熱環(huán)境狀況，便于對(duì)比了解船員的熱感覺與實(shí)際溫濕度參數(shù)的關(guān)聯(lián)程度。熱感覺調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)采用ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中7個(gè)等級(jí)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，分別為熱、暖、稍暖、舒適、稍涼、涼、冷。

考慮到船艙內(nèi)各工作區(qū)域?qū)?yīng)了不同的勞動(dòng)強(qiáng)度，即各區(qū)域的船員對(duì)熱環(huán)境控制的要求不同，按照船員活動(dòng)量的大小將參試船員分為坐姿休息、坐姿活動(dòng)、立姿輕度活動(dòng)和立姿中度活動(dòng)等4類，這樣便將船艙內(nèi)各工作區(qū)域根據(jù)溫濕度控制的需要分為4類。

另外，根據(jù)熱感覺7級(jí)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，微暖、舒適、微涼等3種熱感覺是人體對(duì)環(huán)境的反應(yīng)和認(rèn)可，可以認(rèn)為船員投票給出的微暖、舒適、微涼這3種熱感覺是船員在該活動(dòng)狀態(tài)下對(duì)其所處的局部微小熱環(huán)境下相對(duì)滿意。

2.1 不同活動(dòng)狀態(tài)下人員相對(duì)較為滿意的熱感覺與微小環(huán)境溫濕度關(guān)系

將試驗(yàn)調(diào)查結(jié)果分類整理后，分別給出了4種活動(dòng)狀態(tài)下的船員對(duì)熱環(huán)境表示相對(duì)滿意投票值時(shí)的溫濕度分布圖 (見圖1～圖4)，圖中橫坐標(biāo)為不同活動(dòng)狀態(tài)的人員所處環(huán)境空氣溫度，縱坐標(biāo)是人員所處的環(huán)境空氣相對(duì)濕度，離散的點(diǎn)是調(diào)查問卷反饋的人員熱感覺投票值為微暖、舒適、微涼時(shí)對(duì)應(yīng)的溫濕度參數(shù)值。

對(duì)于各圖中各離散點(diǎn)出現(xiàn)相應(yīng)集中的溫度和相對(duì)濕度分布區(qū)域，可以認(rèn)為在相應(yīng)的活動(dòng)狀態(tài)下，船舶艙室內(nèi)的多數(shù)船員對(duì)其所處的溫濕度環(huán)境相對(duì)滿意。也就是說，在對(duì)船舶艙室進(jìn)行溫濕度控制時(shí)，可以選取投票點(diǎn)集中的溫濕度區(qū)域作為艙室內(nèi)溫濕度的控制指標(biāo)，當(dāng)船舶艙室內(nèi)溫濕度達(dá)到控制要求時(shí)船員對(duì)環(huán)境的不滿意度較低。

從圖1～圖4可以看出，不同活動(dòng)狀態(tài)下，船員相對(duì)較為滿意的溫濕度環(huán)境參數(shù)不同，通常是隨著活動(dòng)量的增加，對(duì)溫濕度參數(shù)控制的要求越高(這可能與船員勞動(dòng)時(shí)衣物增減不及時(shí)有關(guān))，具體見表1。

表1 在不同活動(dòng)狀態(tài)下船員相對(duì)較為滿意的溫濕度參數(shù)Tab.1 The temperature and humidity parameters the relatively satisfactory thermal sensation under multiple-activity

將不同活動(dòng)狀態(tài)下船員對(duì)熱環(huán)境相對(duì)滿意的投票值繪制在一張溫濕度分布圖 (見圖5)上，可以明顯看出:

1)船員對(duì)熱環(huán)境相對(duì)滿意的溫濕度值相對(duì)集中地處于16℃ ～27℃以及40% ～80%之間;

2)船員對(duì)熱環(huán)境相對(duì)滿意的溫濕度值具有隨著空氣溫度的升高，相對(duì)濕度逐漸下降的特點(diǎn)，也就是說當(dāng)溫度升高時(shí)，船員對(duì)空氣相對(duì)濕度的要求將變得苛刻;

3)更進(jìn)一步可以將船員對(duì)熱環(huán)境相對(duì)滿意的溫濕度值用1個(gè)橢圓曲線包攬其中 (見圖5)，通過擬合該橢圓曲線，得到如下的橢圓方程表達(dá)式:

圖5 不同活動(dòng)狀態(tài)下熱感覺相對(duì)較為滿意的溫濕度參數(shù)分布Fig.5 The temperature and humidity parameters distribution of the relatively satisfactory thermal sensation under multiple-activity

2.2 不同活動(dòng)狀態(tài)下人員相對(duì)不滿意的熱感覺與微小環(huán)境溫濕度關(guān)系

同樣，將不同活動(dòng)狀態(tài)下船員對(duì)熱環(huán)境相對(duì)不滿意 (投票值為冷、涼、暖和熱)的投票值繪制在一張溫濕度分布圖 (見圖6)上，可明顯看出:

1)人員對(duì)熱環(huán)境不滿意的溫濕度環(huán)境較為離散，溫度較低空氣相對(duì)濕度較高以及溫度較高時(shí)，人員通常表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的不滿意;

2)隨著溫度升高，相對(duì)濕度即使控制在通常人們認(rèn)為舒適的適度區(qū)域 (相對(duì)濕度40% ～60%)，也有部分船員表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的不滿意。

圖6 不同活動(dòng)狀態(tài)下人員熱感覺不滿意的投票值與微小環(huán)境溫濕度關(guān)系Fig.6 The temperature and humidity parameters distribution of the relatively dissatisfactory thermal sensation under multiple-activity

3 結(jié)語

將試驗(yàn)結(jié)果與陸上的熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比，可以看出陸上民用建筑的熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫濕度參數(shù)不能作為船舶船員比較集中的工作、生活居住區(qū)域內(nèi)環(huán)境控制指標(biāo)，通過船員在不同活動(dòng)量時(shí)對(duì)其所處的熱環(huán)境的反應(yīng)，得到結(jié)論:

1)當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，船員對(duì)空氣相對(duì)濕度的要求將變得苛刻，當(dāng)溫度達(dá)到一定值后，即使相對(duì)濕度控制較好，也有船員對(duì)環(huán)境控制表示不滿意，但總體來講，將溫濕度參數(shù)控制在如2.1節(jié)給出的橢圓方程中，大部分船員能表示滿意;

2)整體來說船員對(duì)熱環(huán)境相對(duì)滿意的溫濕度值相對(duì)集中地處于16℃ ～27℃以及40% ～80%之間，對(duì)于具備條件的船舶艙室，該參數(shù)應(yīng)當(dāng)作為其空調(diào)系統(tǒng)的控制指標(biāo)范圍，如果能夠分工作區(qū)域進(jìn)行環(huán)境控制的空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)按照不同勞動(dòng)強(qiáng)度確定該區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)控制指標(biāo);

3)隨著活動(dòng)量的增加，對(duì)溫濕度參數(shù)控制的要求越高，在船員勞動(dòng)強(qiáng)度較大的工作區(qū)域，應(yīng)當(dāng)將環(huán)境溫濕度嚴(yán)格控制，對(duì)于集中式的空調(diào)系統(tǒng)來說最好采用崗位送風(fēng)的型式。

根據(jù)實(shí)船條件下對(duì)船員熱感覺的調(diào)查，給出了相對(duì)滿意的溫濕度環(huán)境參數(shù)控制指標(biāo)范圍。這一指標(biāo)的得出完全根據(jù)實(shí)船船員穿衣著裝、活動(dòng)狀態(tài)參數(shù)以及船員整體對(duì)溫濕度環(huán)境的適應(yīng)以及其長(zhǎng)期處于該環(huán)境的心理因素等得到的，不依賴于理論公式以及模擬試驗(yàn)，排除了人為干擾，將該溫濕度參數(shù)應(yīng)用于船舶艙室空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，是比較可靠的，是能夠滿足船員的熱舒適性要求的。

［1］PETE R T.The thermal sensation difference between chinese and american people［J］.IndoorAir，1991，1(4):399 －403.

［2］HUMPHREYS M.Field studies and climate chamber experiments inthermal comfort research.Thermal Comfort:Past Present and Future［J］，Watford:Building Resteeh Establishment，1994:52－72.

［3］王海英，胡松濤.對(duì) PMV熱舒適模型適用性的分析［J］.建筑科學(xué)，2009，25(6):108 －114.

［4］ASHRAE55 －1992，Thermal environmental condition for human occupancy［S］.Atlanta:American Society ofHeating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，Inc.，1992.

［5］GB/T 18049－2000，中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定［S］.

［6］王世忠.PMV熱舒適性模型在船舶艙室熱環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(8):127－130.WANG Shi-zhong.The Research on the application of the PMV model for the evaluation of thermal environment in ship chambers［J］，Ship Science and Technology，2012，34(8):127－130.