船舶艙室內熱舒適性參數的選取

王世忠，周愛民，施紅旗，卜鋒斌

(1.武漢第二船舶設計研究所，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，于是就對其工作、居住等活動空間內的環境條件提出較高的要求，需要保證艙室環境的熱舒適性。然而熱舒適性定義沒有任何物理量的限定，因為人的熱舒適性是受到外界環境、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雜問題。在工程實際應用中，人們需要對一定的熱、濕、風速等環境參數進行評價，判斷該環境是否滿足人的舒適要求，然后再去根據人們的要求進行合理控制。

但由于研究場合、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境中熱感覺不同，因此不同人在某種環境下對熱舒適性的要求也不同，因此國際上民用建筑領域的熱標準在不同國家的通用性和準確性受到了質疑［1］。其中，針對不同的研究對象，選擇什么樣的評價指標以及如何合理確定該指標所需熱環境參數取值或取值范圍，是熱舒適問題研究的核心內容。考慮到船舶艙室環境與一般民用建筑的差異性，直接引用民用建筑對熱環境控制參數未必滿足船員對環境控制的需求，因此開展了船舶艙室內熱舒適性參數的選取研究。

目前比較受認可的熱舒適性評價是以PMV熱舒適模型為基礎開展的相關工作，該模型在人員處于靜態活動和著衣量較少時是最為準確的，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，而隨著衣服的加厚和活動水平的提高其預測值和實際熱感覺投票值的偏差也越來越大［2－3］。

本文先對以PMV熱舒適模型為基礎建立的普遍公認的熱舒適評價標準進行分析研究，為船舶艙室內熱舒適性控制參數選擇提供依據。目前民用建筑領域上普遍公認的熱舒適評價標準有ASHRAE55－1992［4］和 GB/T18049 － 2000［5］。

1 熱舒適性標準

1.1 ASHRAE55－1992

ASHRAE55－1992將一般建筑內人員感覺熱舒適的溫濕度范圍分為冬季舒適區和夏季舒適區，其中冬季舒適區為:當濕球溫度為18℃時，舒適區t=20℃ ～23.5℃;當露點溫度dp=2℃時，舒適區t=20.5℃ ～24.5℃。如果采用新有效溫度來表示，則冬季舒適區溫度范圍ET*=20℃ ～23.5℃，平均風速為0.15 m/s。夏季:當濕球溫度為20℃時，舒適區t=22.5℃ ～26℃;當露點溫度dp=2℃時，舒適區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℃。平均風速為0.25 m/s。

因為人體的頸部和腳踝處對溫度比較敏感，較大的垂直溫差可引起人體對環境的不舒適感增加。因此，ASHRAE55－1992中規定垂直溫差t1.1－t0.1≤3℃。另外，還明確了垂直方向不對稱輻射溫差應不超過5℃，水平方向不對稱輻射溫差不超過10℃。地板表面溫度最好控制在18℃ ～29℃。

ASHRAE55－1992標準適用于以坐著為主的輕體力活動，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標準的制定參照了ASHRAE55－1992，其中規定了預測處于中等熱環境中的人對熱的感覺和不舒適程度的方法，并規定了可接受的熱舒適條件，只是該標準并未規定濕度的界限。該標準對適用條件具有一定的約束，適用于健康男性和女性，適用于室內工作環境的設計或對現有室內工作環境進行評價，其中人員是坐姿，從事輕體力活動 (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標準以操作溫度給出了熱舒適區域。

在冬季坐姿活動下 (有供熱)，人員感覺熱舒適的溫度范圍及其他相關要求是 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小于3℃;地表面溫度通常是在19℃ ～26℃之間，但對供熱系統的地面應設計為29℃;來自窗戶或其他冷垂直表面的輻射溫度的不對稱性應小于10℃ (相對于1個小的垂直平面，高于地面0.16 m);來自加熱的屋頂的輻射溫度不對稱性應小于5℃ (相對于1個小的水平面，高于地面0.6 m);平均風速v≤0.15 m/s;相對濕度在30%～70%之間。就夏季 (有空調)來說，坐姿活動下的人員感覺熱舒適的溫度范圍及其他相關要求是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小于3℃;平均風速 v≤0.25 m/s;相對濕度應在30% ～70%之間。

上述標準對于坐姿活動人員，給出了相當詳盡的環境控制要求，但是以上標準在建立沒有充分考慮氣候環境的差異和人們的適應能力、所處的周圍環境、相關的心理因素等，另外其僅給出坐姿活動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，因此對于船舶艙室的空調系統來說，上述標準不能直接推廣至船舶居住艙室進行熱、濕環境評價與控制上。

同時考慮到艙室內管路設備布置繁雜，艙室內空間狹窄等諸多因素，空氣流速的均勻性不易實現，不能作為可有效控制的環境參數，因此針對船舶艙室熱環境控制的特殊性，初步確定了主要對船舶艙室內溫濕度進行有效控制，使艙室內的熱環境參數達到舒適性水平，以滿足船員對船艙環境熱舒適性的要求。

本文沿用經典熱舒適研究方法，針對船舶艙室進行了熱環境實船測試及熱舒適狀況的問卷調查［6］，基于試驗結果分析總結了船員熱感覺投票值與其所處的局部空間內的微小環境溫濕度關系，據此選取了適合船舶艙室內熱舒適性溫濕度參數指標控制范圍。

2 人員熱感覺與微小環境溫濕度關系

試驗測試過程中，在對艙室環境測量的同時，實時地對測量區域船員 (接受測試人員)進行了基于身體狀態的主觀判定量表的船員問卷調查［6］，保證了問卷調查真實反映熱環境狀況，便于對比了解船員的熱感覺與實際溫濕度參數的關聯程度。熱感覺調查標準采用ASHRAE標準中7個等級的衡量標準，分別為熱、暖、稍暖、舒適、稍涼、涼、冷。

考慮到船艙內各工作區域對應了不同的勞動強度，即各區域的船員對熱環境控制的要求不同，按照船員活動量的大小將參試船員分為坐姿休息、坐姿活動、立姿輕度活動和立姿中度活動等4類，這樣便將船艙內各工作區域根據溫濕度控制的需要分為4類。

另外，根據熱感覺7級的衡量標準，微暖、舒適、微涼等3種熱感覺是人體對環境的反應和認可，可以認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狀態下對其所處的局部微小熱環境下相對滿意。

2.1 不同活動狀態下人員相對較為滿意的熱感覺與微小環境溫濕度關系

將試驗調查結果分類整理后，分別給出了4種活動狀態下的船員對熱環境表示相對滿意投票值時的溫濕度分布圖 (見圖1～圖4)，圖中橫坐標為不同活動狀態的人員所處環境空氣溫度，縱坐標是人員所處的環境空氣相對濕度，離散的點是調查問卷反饋的人員熱感覺投票值為微暖、舒適、微涼時對應的溫濕度參數值。

對于各圖中各離散點出現相應集中的溫度和相對濕度分布區域，可以認為在相應的活動狀態下，船舶艙室內的多數船員對其所處的溫濕度環境相對滿意。也就是說，在對船舶艙室進行溫濕度控制時，可以選取投票點集中的溫濕度區域作為艙室內溫濕度的控制指標，當船舶艙室內溫濕度達到控制要求時船員對環境的不滿意度較低。

從圖1～圖4可以看出，不同活動狀態下，船員相對較為滿意的溫濕度環境參數不同，通常是隨著活動量的增加，對溫濕度參數控制的要求越高(這可能與船員勞動時衣物增減不及時有關)，具體見表1。

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

將不同活動狀態下船員對熱環境相對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)船員對熱環境相對滿意的溫濕度值相對集中地處于16℃ ～27℃以及40% ～80%之間;

2)船員對熱環境相對滿意的溫濕度值具有隨著空氣溫度的升高，相對濕度逐漸下降的特點，也就是說當溫度升高時，船員對空氣相對濕度的要求將變得苛刻;

3)更進一步可以將船員對熱環境相對滿意的溫濕度值用1個橢圓曲線包攬其中 (見圖5)，通過擬合該橢圓曲線，得到如下的橢圓方程表達式:

圖5 不同活動狀態下熱感覺相對較為滿意的溫濕度參數分布Fig.5 The temperature and humidity parameters distribution of the relatively satisfactory thermal sensation under multiple-activity

2.2 不同活動狀態下人員相對不滿意的熱感覺與微小環境溫濕度關系

同樣，將不同活動狀態下船員對熱環境相對不滿意 (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)人員對熱環境不滿意的溫濕度環境較為離散，溫度較低空氣相對濕度較高以及溫度較高時，人員通常表現出對環境的不滿意;

2)隨著溫度升高，相對濕度即使控制在通常人們認為舒適的適度區域 (相對濕度40% ～60%)，也有部分船員表現出對環境的不滿意。

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

3 結語

將試驗結果與陸上的熱舒適性標準相對比，可以看出陸上民用建筑的熱舒適性標準規定的溫濕度參數不能作為船舶船員比較集中的工作、生活居住區域內環境控制指標，通過船員在不同活動量時對其所處的熱環境的反應，得到結論:

1)當環境溫度升高時，船員對空氣相對濕度的要求將變得苛刻，當溫度達到一定值后，即使相對濕度控制較好，也有船員對環境控制表示不滿意，但總體來講，將溫濕度參數控制在如2.1節給出的橢圓方程中，大部分船員能表示滿意;

2)整體來說船員對熱環境相對滿意的溫濕度值相對集中地處于16℃ ～27℃以及40% ～80%之間，對于具備條件的船舶艙室，該參數應當作為其空調系統的控制指標范圍，如果能夠分工作區域進行環境控制的空調系統，應當按照不同勞動強度確定該區域的空調系統控制指標;

3)隨著活動量的增加，對溫濕度參數控制的要求越高，在船員勞動強度較大的工作區域，應當將環境溫濕度嚴格控制，對于集中式的空調系統來說最好采用崗位送風的型式。

根據實船條件下對船員熱感覺的調查，給出了相對滿意的溫濕度環境參數控制指標范圍。這一指標的得出完全根據實船船員穿衣著裝、活動狀態參數以及船員整體對溫濕度環境的適應以及其長期處于該環境的心理因素等得到的，不依賴于理論公式以及模擬試驗，排除了人為干擾，將該溫濕度參數應用于船舶艙室空調系統的設計指標，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 PMV熱舒適模型適用性的分析［J］.建筑科學，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，中等熱環境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定［S］.

［6］王世忠.PMV熱舒適性模型在船舶艙室熱環境評價中的應用研究［J］.艦船科學技術，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.