PMV熱舒適性模型在船舶艙室熱環(huán)境評價中的應(yīng)用

王世忠

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064）

0 引言

熱舒適性是指人員對其所處環(huán)境的輻射溫度、空氣溫度、空氣濕度、空氣流速等熱環(huán)境滿意程度的意識狀態(tài)，是對所處的微小熱環(huán)境產(chǎn)生的不冷不熱、感覺舒服的主觀感受，該感受直接關(guān)系到該環(huán)境內(nèi)人員的工作效率和身體健康。由于研究場合、氣候、人種群及其著裝等因素的差異會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)境下對熱舒適性的要求也不同。隨著艦船環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展，要求工作、居住環(huán)境條件進一步改善，提高船舶艙室的熱舒適性，來保證艦船上人員保持高效率工作、良好的身體狀況和飽滿的精神狀態(tài)。

在理論分析的基礎(chǔ)上，以實船的熱舒適性試驗驗證研究為基礎(chǔ)，與熱環(huán)境人類工效學(xué)使用主觀判定量表評價熱環(huán)境的影響、中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的確定等熱環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)相對比，根據(jù)船舶的熱環(huán)境特性以及船舶船員身體、心理對熱環(huán)境的接受程度和適應(yīng)能力，通過對船舶乘員所處不同熱環(huán)境表現(xiàn)滿意程度調(diào)查［1－2］，探討PMV熱舒適性模型在船舶艙室熱環(huán)境評價中的適用性。

1 人體熱舒適理論和分析方法

1.1 滿足熱舒適的條件

從熱舒適定義中看，沒有任何物理量的限定，因為人的熱舒適是受到外界環(huán)境、個人的活動狀況、生理、心理等主觀感覺的多種變量影響的復(fù)雜問題。

為滿足人體熱舒適，人體必須處于熱平衡狀態(tài)，以便使人體對環(huán)境的散熱量等于人體的體內(nèi)產(chǎn)熱量。這僅是指人體處于穩(wěn)定狀態(tài)的條件，當(dāng)人體必須靠出汗的生理機能來維持熱平衡狀況時，人體是不舒適的，所以熱平衡不是達到舒適的充分條件，只是必要條件。

人體通過對產(chǎn)熱和散熱過程的生理性調(diào)節(jié)，使得人體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量與人體向周圍環(huán)境散失的熱量達到了一定的平衡。人們對熱環(huán)境的舒適感主要來自人體的熱平衡。但是，從人體熱舒適角度考慮，單純達到熱平衡是不夠的，還應(yīng)當(dāng)使人體與環(huán)境的各種換熱限制在人體能接受的范圍內(nèi)，人體才能達到熱舒適狀態(tài)。這種能使人體處于這種適宜比例散熱的環(huán)境便是人體感到熱舒適的充分條件。

1.2 人體熱舒適評價因素

從保證人體熱平衡以及維持人體換熱比例這2個方面考慮，熱舒適評價應(yīng)包含以下條件:

1）環(huán)境參數(shù)，即空氣溫度、平均輻射溫度、濕度以及空氣流速;

2）人體參數(shù)，即服裝、活動水平和心理因素;

3）還有其他一些能引起人體局部不舒適的環(huán)境參數(shù)，如吹風(fēng)，頭部和腳踩之間較大的溫度梯度以及輻射溫度的不對稱等。

1.3 PMV熱舒適性模型［3－4］

本計算模型是在大量實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，并結(jié)合人體的熱舒適方程，提出的表征人體熱舒適的一個較為客觀的指標(biāo)。該指標(biāo)綜合考慮了人體活動程度、衣服熱阻、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣濕度和空氣流動速度等6個因素評價人體熱舒適感的指標(biāo)，其計算公式為:

式中:

其中:M為代謝率，W/m2;W為外部做功消耗的熱量，W/m2;Icl為服裝熱阻，m2·℃/W;Pa為水蒸氣分壓，Pa;fcl為著裝時人的體表面積與裸露時人的體表面積之比;ta為空氣溫度，℃;tmrt為平均輻射溫度，℃;υar為空氣流速，m/s;tcl為服裝表面溫度，℃; hc為對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

當(dāng)人的活動狀態(tài)、著裝以及環(huán)境參數(shù)（空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速和空氣濕度）給定后，人的整體熱感覺就可以通過計算PMV指數(shù)得出。

PMV指標(biāo)采用了7級分度，分別為熱、暖、稍暖、舒適、稍涼、涼、冷。PMV指標(biāo)代表了對同一環(huán)境絕大多數(shù)人的冷熱感覺，因此可用PMV指標(biāo)預(yù)測熱環(huán)境下人體的熱反應(yīng)。

2 實船試驗

PMV模型是以歐美等發(fā)達國家的大學(xué)生為研究對象，通過實驗室研究建立的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)適用于穩(wěn)態(tài)、均勻的熱環(huán)境［5］，然而人們所處的環(huán)境大多是動態(tài)、不均勻的。另外，該指標(biāo)的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，因此上述標(biāo)準(zhǔn)不能直接推廣至船舶居住艙室進行熱、濕環(huán)境評價［6］。

為了建立準(zhǔn)確適宜的船舶艙室熱環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)，提高艙室內(nèi)熱環(huán)境狀況控制，進行了熱環(huán)境及熱舒適狀況實船測試及問卷調(diào)查。

2.1 試驗測試對象

確定受試者人數(shù)的原則是在滿足一定可靠性和統(tǒng)計性檢驗要求的前提下選取盡量少的受試者，并根據(jù)研究熱環(huán)境背景條件選取有代表性的受試人員［7］，因此本試驗的受試人員為50名船員，人員涵蓋了實船各工作區(qū)域以及各活動方式，所有試驗船員仍按照日常習(xí)慣進行休息、起居和工作，不改變正常的工作班次、工作時間以及工作部位，并保證某一工作狀態(tài)下有持續(xù)的勞動量。

2.2 試驗儀器儀表

環(huán)境指數(shù)（WBGT）測定計（風(fēng)速為0.05～50 m/s，溫度為0～100℃，相對濕度為0～100%，黑球溫度為0～100℃）。

2.3 艙室環(huán)境參數(shù)測量

對選取的環(huán)境測點，利用環(huán)境指數(shù)（WBGT）測定計測量環(huán)境參數(shù)（干球溫度、濕球溫度、黑球溫度、相對濕度、風(fēng)速），每天測量1次。利用溫濕度表和風(fēng)速儀布置每4 h測量1次所在位置的空氣參數(shù)。利用溫濕度檢測裝置每2 h記錄1次艙室部位的空氣參數(shù)。

2.4 船員狀態(tài)調(diào)查與問卷

在人體熱舒適的評價研究中，主觀投票依然是主要的定量研究方法［8］，本試驗在對艙室環(huán)境測量的同時，依據(jù)GB/T18977－2003及時對測量區(qū)域附近的船員（接受測試人員）進行了基于身體狀態(tài)的主觀判定量表的船員問卷調(diào)查［9］，以便了解船員的熱感覺以及對環(huán)境的滿意程度。問卷包括船員年齡、衣著、身體狀況、個體行為（評價代謝率）、熱感覺投票等內(nèi)容。熱感覺投票采用ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中的7個等級的衡量標(biāo)準(zhǔn)。主觀評價不僅僅反映受試個體的生理感覺，同時也反映受試個體的心理感覺，在人體比較煩躁的情況下，有些平時被忽略的影響因素也會在很大程度上影響人體的生理感覺。因此，主觀打分不僅僅考慮生理因素，同樣要考慮一些外在條件給個體帶來了主觀上的反應(yīng)。

3 試驗結(jié)果分析

本試驗結(jié)果分析根據(jù)實船測試的環(huán)境參數(shù)如溫度、空氣相對濕度、風(fēng)速等環(huán)境數(shù)據(jù)以及受試人員熱感覺調(diào)查表中船員的著裝情況，并考慮船員所在的工作或休息的環(huán)境進行了PMV指標(biāo)的計算。

將船員各種活動下的PMV計算值和船員熱感覺投票值分類整理，按照船員的活動類別將艙室內(nèi)所有船員的代謝率分為坐姿休息、坐姿活動、立姿輕度活動和立姿中度活動等進行分類統(tǒng)計，繪制出不同活動狀態(tài)下船員所處的大氣環(huán)境以及不同的穿衣著裝計算出的舒適度PMV計算值與船員感覺調(diào)查表中反饋的熱感覺投票值的對比圖（見圖1～圖4），圖中橫坐標(biāo)為不同活動狀態(tài)的船員在微小熱環(huán)境下的PMV計算值，縱坐標(biāo)是調(diào)查問卷的熱感覺投票值，細斜線表示PMV計算值與船員熱感覺投票值的等值理論線。該理論線的意義在于當(dāng)某一種活動狀態(tài)的船員在微小熱環(huán)境下的的熱感覺等級值高于PMV計算值時，即人在該活動狀態(tài)以及著裝條件下對溫度比較敏感，對比點就落在斜線的上方;否則便在斜線下方，若恰好二者相同，對比點就在斜線上。由于設(shè)計調(diào)查問卷中設(shè)計了7級熱感覺，而PMV計算值則可以計算出－3～3的連續(xù)熱感覺值，二者本身即可能存在一定的偏差，為此在圖1～圖4中采用虛線標(biāo)出誤差線。

圖1 坐姿休息下的PMV計算值和熱感覺投票值對比圖Fig．1The contrast between the calculated value under the PMV and thermal sensation vote value of sitting rest

從圖1可以看出，在坐姿休息條件下，船員的PMV計算值與理論值之間的離散度較大，并且各個對應(yīng)點基本按照斜率為5/3的直線成對稱關(guān)系，大部分對應(yīng)值落在y=5/3x和y=5/3x－5/3兩條直線間，因此可以認為在坐姿休息條件下，船員的熱感覺與環(huán)境條件的關(guān)系不甚密切，將其投票值與PMV計算值之間關(guān)系回歸成如下的方程:

圖2 坐姿活動下的PMV計算值和熱感覺投票值對比圖Fig.2The contrast between the calculated value under the PMV and thermal sensation vote value of sitting activities

圖2給出了坐姿活動條件下船員的PMV計算值和熱感覺投票值對比圖。該圖顯示在坐姿活動條件下，船員的熱感覺投票值與PMV計算值的對應(yīng)點通常在y=2.25x+1.5和y=2.25x－3兩條直線間，因此坐姿活動條件下船員熱感覺投票值與PMV-PPD評價指標(biāo)中的PMV計算值相互對應(yīng)的近似理論曲線方程如下:

圖3 輕度活動下的PMV計算值和熱感覺投票值對比圖Fig.3The contrast between the calculated value under the PMV and thermal sensation vote value of light physical activity

從圖3可以看出，在輕度活動條件下，船員的PMV計算值與理論值之間的對應(yīng)較為集中，并且絕大部分對應(yīng)值落在y=2x和y=2x－2兩條直線間，因此可以認為在輕度活動條件下，船員的熱感覺投票值與PMV計算值間的近似理論曲線為:

圖4 中度活動下的PMV計算值和熱感覺投票值對比圖Fig.3The contrast between the calculated value under the PMV and thermal sensation vote value of moderate physical activity

從圖4可以看出，在中度活動條件下，船員的PMV計算值與理論值之間的對應(yīng)同樣較為集中，并且絕大部分對應(yīng)值落在y=5x－4.5和y=5x+0.5兩條直線間，因此可以認為在中度活動條件下，船員的熱感覺投票值與PMV計算值間的近似理論曲線為:

從圖1～圖4中可以找到以下規(guī)律:

1）隨著船員活動量的增大，人體代謝率的增加，船員的熱感覺投票值與PMV計算值的關(guān)系變?yōu)槊芮校琍MV計算值和船員熱感覺投票值的對應(yīng)值趨于擬合的理論曲線;

2）隨著人體代謝率的增加，船員的熱感覺投票值與PMV計算值的關(guān)系方程的斜率明顯變大，因此可以認為在船舶艙室環(huán)境條件下，船員隨著勞動強度的增加，對熱環(huán)境的反應(yīng)較為敏感;

3）無論何種活動狀態(tài)下，擬合的方程斜率均比PMV-PPD指標(biāo)中的PMV計算值與船員熱感覺投票值的等值理論線要大，表明船舶艙室環(huán)境條件下，船員對熱環(huán)境的敏感程度要明顯高于民用建筑內(nèi)的熱舒適度要求。

4 結(jié)語

將實船試驗的計算結(jié)果與國外陸上民用建筑環(huán)境下的PMV熱舒適性指標(biāo)相對比，將PMV熱舒適性模型通過修正基本可以適用于船員比較集中的生活居住等區(qū)域內(nèi)的熱環(huán)境評價，并具有如下特點:

無論何種活動狀態(tài)下，船舶艙室內(nèi)船員對熱環(huán)境的敏感程度要明顯高于民用建筑內(nèi)的熱舒適度要求。隨著人體代謝率的增加，船員隨著勞動強度的增加，對熱環(huán)境的反應(yīng)較為敏感，PMV計算值和船員熱感覺投票值的對應(yīng)值更趨于擬合的理論曲線。對于不同的活動狀態(tài)，可以用修正后的PMV*方程去評價環(huán)境的熱舒適性。

本文根據(jù)實船環(huán)境測試以及運用熱感覺調(diào)查表調(diào)查船員對微小環(huán)境的滿意程度，得到了修正后的PMV指標(biāo)評價指標(biāo)。運用修正后PMV指標(biāo)評價周圍微小環(huán)境，排除了船員的主觀因素，能體現(xiàn)大部分船員在此環(huán)境內(nèi)作業(yè)時將要表達出來的熱感受，較為客觀的評價船員周圍的環(huán)境品質(zhì)。

可以應(yīng)用修正后的熱舒適性模型，在實船上開展相關(guān)的試驗，探索船員相對滿意的、不依賴于理論公式以及模擬試驗并排除了個人因素的溫濕度環(huán)境控制指標(biāo)。

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