徐冉冉，劉紅敏（上海海事大學商船學院，上海201306）

基于舒適度條件下的船舶空調(diào)研究

徐冉冉，劉紅敏
（上海海事大學商船學院，上海201306）

船舶空調(diào)舒適度的研究是以船上人員為核心，在舒適的熱環(huán)境下，可以保證工作人員的工作效率和生活品質(zhì)。文章理論分析了熱舒適度的評價指標及其運算方式，并討論了影響PMV-PPD的各種因素。考慮到船舶的特殊性，重點分析了振動、搖擺和噪音對舒適度的影響和各環(huán)境參數(shù)對舒適度的影響并提出了一些減振，消噪的措施。

船舶空調(diào)；熱舒適性；振動；噪音；節(jié)能

0　引言

人們的生活和工作都離不開舒適的環(huán)境，適宜的室內(nèi)微氣候環(huán)境可以保證人們高效的工作。船舶空調(diào)的熱舒適的特點在于艙室熱環(huán)境在航行中不斷地受到內(nèi)、外干擾量等諸多因素的影響，包括航速和方向的不斷變化、由艙外滲透進入室內(nèi)的空氣參數(shù)和數(shù)量的不斷變化等。另外，和陸地居住條件不同，人們往往生活和工作在密閉的艙室中，再加上船艙內(nèi)擁擠布置著很多設備，這些因素導致了艙室內(nèi)冷、熱變化迅速；空氣難以均勻分布；噪聲和振動較大。

傳統(tǒng)的船舶空調(diào)系統(tǒng)是按設定艙內(nèi)、外氣候條件和海況設計的，但是船舶的流動性大，隨著航區(qū)、外界氣溫、海水溫度、船舶航速及太陽輻射強度等變化，其空調(diào)艙室熱負荷也隨之會不斷變化。PMV指標綜合考慮了人體熱舒適感的各不同影響因素，熱舒適指標應用于船舶空調(diào)的控制是目前發(fā)展潮流。

1　船舶熱舒適性評價指標及影響因素

1.1熱舒適性評價指標

PMV-PPD指標

最初Fanger教授從熱力學第一定律出發(fā)建立了人的熱平衡方程:

人體產(chǎn)熱-對外做工消耗-體表擴散失熱

-呼吸的顯熱和潛熱交換-呼吸的顯熱和潛熱交換

=在熱環(huán)境內(nèi)通過對流和輻射的換熱（1）

Fanger教授還提出，當同時滿足舒適所要求的皮膚平均溫度和最佳排汗率時，人體才能處于熱舒適的狀態(tài)。通過將人體熱平衡方程式與方程中每個變量表達式相結(jié)合，得出了著名的舒適方程（2）。

（2）式中，M為人體新陳（能量）代謝率，取決于活動量的大小，W/m2；A為人體表面積，m2；η為對外作功系數(shù)；W為人體所作的機械功，W/m2；Pa為人體周圍空氣的水蒸氣分壓力，Pa；fcl為穿衣人體外表面積與裸身人體表面積之比；tcl、ta和tr分別為衣服外表面溫度、人體周圍空氣溫度和環(huán)境平均輻射溫度，℃；hc為對流換熱系數(shù)，W/m2℃。

根據(jù)以上關系，推導出熱舒適的數(shù)學表達式（3）式:

fcl，tcl，hc由以下方程決定:

PMV的判別標準如下:

表1.1　PMV七點式生理感覺標尺

由于人與人存在生理等方面的差別，即使大多數(shù)人感覺舒適的熱環(huán)境，也有人感覺不滿意。因而用預期不滿意率PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied）指標來表示對熱環(huán)境的不滿意度，即對當前熱環(huán)境仍不滿意的人數(shù)在總體人群中所占的百分數(shù)。PPD和PMV之間的關系見式（7）和圖1.1。

根據(jù)ISO7730［1］:室內(nèi)環(huán)境保持舒適時，PPD＜10%，-0.5＜PMV＜0.5。

圖1.1　ISO（DIS 7730）中PMV-PPD關系圖

1.2影響PMV-PPD的因素

根據(jù)PMV-PPD指標的定義，其主要由六個因素決定:室內(nèi)溫度、相對濕度、空氣流速、平均輻射溫度、服裝熱阻、人體活動量。前四個因素是環(huán)境因素，后兩個屬于人為因素。申歡迎［2］研究了環(huán)境因素對PMV的影響，王春［3］研究了相對濕度對熱舒適的影響，夏一哉［4］等研究了空氣流速對熱舒適的影響。在人為因素方面，主要是對服裝熱阻方面的研究。李仁欣［5］建立了預測人體穿著熱感覺的模型，分析了不同服裝對熱舒適的影響。

考慮到船舶的特殊性，因其所處環(huán)境的特殊性，不可避免地受到搖擺、振動的影響。因為與陸地生活環(huán)境不同，工作人員常常生活在密閉的艙室中，機械的噪音也會對舒適度有影響。所以，同時考慮到船舶的特殊性，船舶的振動和噪音對工作人員舒適感的影響。

目前，在滿足人體熱舒適要求的前提下，我國船舶空調(diào)普遍參照GB*/Z 330-83［6］進行設計，其中相關參數(shù)見表1.2。

表1.2　我國船舶空調(diào)設計標準

2　搖擺、振動和噪音對舒適性的影響

2.1搖擺、振動對船舶空調(diào)性能和舒適性影響

2.1.1對船舶空調(diào)性能的影響

（1）搖擺對水平和豎直管內(nèi)流動和換熱及自然循環(huán)的影響

圖2.1為最大搖擺角為10°時，相同雷諾數(shù)Re下，努賽爾數(shù)平均值隨搖擺周期的變化趨勢。從圖1可以得到:當最大搖擺角和工質(zhì)的平均流量不變時，平均努賽爾數(shù)隨搖擺周期的增大而增大。

圖2.2為搖擺周期為12.5s時，相同雷諾數(shù)Re下，努賽爾數(shù)平均值隨最大搖擺角度θm的變化趨勢。從圖2中可以明顯看出:當搖擺周期和工質(zhì)的平均流量不變時，平均努賽爾數(shù)隨最大搖擺角度θm的增大而減小；

總結(jié)兩圖［7］可知:相同周期不同搖擺角時，流量波動幅度隨搖擺角的增大而變大；不同搖擺周期，相同搖擺角時，流量波動幅度隨搖擺周期的增大而變小。

圖2.1　最大搖擺角為10°時的平均努塞爾數(shù)

（2）搖擺對降膜吸收、儲液容器內(nèi)液面波動及制冰系統(tǒng)的影響

常見的搖擺振動條件下，降膜吸收器的熱、質(zhì)傳遞優(yōu)于靜態(tài)下（見圖2.3和圖2.4）。由兩圖可知:傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)都隨頻率的增大而增大；在相同的搖擺頻率下，傳熱和傳質(zhì)系數(shù)隨幅度的增大而減小。搖擺振動頻率和幅度直接影響降膜吸收性能。適當提高搖擺頻率和減小搖擺幅度均有利于降膜吸收，在海上風浪較大時，降膜吸收器的性能會有所下降。只要海上風浪不是特別大，TFE/NMP吸收式制冷系統(tǒng)完全能夠滿足漁船制冷要求［8］。

2.1.2對人體生理和心理的影響

在心理反應方面則主要表現(xiàn)為操作能力降低，如對視力、平衡能力、反應時間和協(xié)調(diào)能力的影響。在生理方面全身受到振動時，人體心血管、呼吸、消化、神經(jīng)及感知覺等系統(tǒng)都受到影響而有明顯變化。

大型工業(yè)立體倉庫保持穩(wěn)定是其安全作業(yè)的前提，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原則需考慮上輕下重、成組貨架質(zhì)量相近兩方面因素。

圖2.2　搖擺周期為12.5s時的平均努塞爾數(shù)

圖2.3　傳熱系數(shù)與頻率和幅值的變化關系

圖2.4　傳質(zhì)系數(shù)與搖擺頻率和幅值的變化關系

表2.1　各種頻段的振動對人體產(chǎn)生的影響

2.1.3振動檢測和減振的措施

船舶減振降噪涉及船舶設計、艙室結(jié)構(gòu)、設備布置、隔音材料、工藝及建造等諸多因素，專業(yè)性強，因此使船舶滿足振動防護規(guī)范是一項系統(tǒng)工程。船舶建成后，船舶結(jié)構(gòu)振動及噪聲傳遞機理的研究從簡單的典型船舶連接結(jié)構(gòu)到整船結(jié)構(gòu)振動，從單一的平面波到多種相互耦合的非平面波，范圍很廣，研究方法主要有解析法、數(shù)值法和實驗法。

1）解析法多用于簡化模型的機理研究，不適于對復雜的船舶結(jié)構(gòu)工程進行分析。

2）數(shù)值法為簡化分析和計算的“近似”法，主要包括有限元法、遷移矩陣法和統(tǒng)計能量分析法。

3）實驗法是在船舶建成后進行的，所測得的數(shù)據(jù)適于評估艙室空氣噪聲，驗證解析法或數(shù)值法的正確性。

4）隔振措施:

隔振是一種重要的振動控制方法。通?？梢詫⒏粽穹譃閮深?第一類是主動隔振，是對振源采取隔振措施，從而減弱振動源向外振動的傳播；另一類稱為消極隔振，是一種對被振動干擾的設備采用隔振措施，從而減輕振動對機械設備的影響。

2.2噪音對舒適性影響

對船舶生活區(qū)空調(diào)要求:在活動區(qū)域，氣流速度以0.15～0.20 m/s為宜，最大不超過0.35m/s；在距室內(nèi)出風口1 m處噪聲應不大于55～60dB?？照{(diào)噪聲40～50dB就可能影響睡眠，大于70dB就開始影響正常的語言交流（交流時50～65dB為宜）。此外，空調(diào)噪聲還會對人的心情、身體等造成影響。

從空調(diào)器的結(jié)構(gòu)分析可知，空調(diào)系統(tǒng)噪聲源包括空調(diào)箱的風機噪聲、送回風管路的氣流噪聲，末端風口噪聲等。

由于船舶內(nèi)的空間，尤其是層高有限，為了節(jié)省空間往往采用較高的送風速度，當流速大于10m/s時風道內(nèi)產(chǎn)生的二次氣流噪聲就不容忽視，而同樣因為艙室內(nèi)層高有限，往往選用結(jié)構(gòu)簡單的不具有良好的消聲功能的布風器。根據(jù)測試和聽覺判斷，證實有些艙室出風口的氣流再生噪聲較明顯，因此艙室內(nèi)的噪聲也就較大.

在應用管理中，定期對空調(diào)系統(tǒng)中實際消音降噪效果進行檢測，減少因裝配不良或破損漏風產(chǎn)生的噪聲；對不滿足要求的設備定期更換，尤其是使用較高風速時，要對噪聲進行控制，以保證噪聲在規(guī)定范圍內(nèi)；必要時，可以降低送風溫度，來實現(xiàn)減少送風量的目的，從而控制風管內(nèi)的流速，減少噪聲的產(chǎn)生。

3　環(huán)境參數(shù)對舒適度的影響

環(huán)境參數(shù)主要包括室內(nèi)溫度、相對濕度、平均輻射溫度、空氣流速四個參數(shù)。不同的參數(shù)組合對舒適度有不同的影響。選取最佳的參數(shù)組合不但能夠提高舒適度而且還能達到節(jié)能的作用。在熱舒適和空調(diào)能耗方面，研究主要集中在對室內(nèi)設計參數(shù)的優(yōu)化，以達到基于熱舒適的節(jié)能。

邢娜［9］通過分析不同環(huán)境參數(shù)的組合，分別計算PMV-PPD值、系統(tǒng)能耗值，得到了各環(huán)境變量對熱舒適和系統(tǒng)能耗影響程度不同。其中對熱舒適的影響因素排序為:室內(nèi)溫度＞平均輻射溫度＞空氣流速＞相對濕度，而系統(tǒng)能耗排序為相對濕度＞室內(nèi)溫度＞空氣流速。由此可得出結(jié)論:通過不同的參數(shù)取值范圍，選取適當?shù)膮?shù)組合同時達到舒適和節(jié)能的目的。弓南等［10］通過計算、分析室內(nèi)設計溫度和新風量的7種組合對熱舒適和建筑能耗的影響，提出了合理的室內(nèi)設計溫度和風量取值的方法。劉斌等［11］研究了溫度和相對濕度對人體熱舒適性的影響，分析了熱舒適性和空調(diào)負荷之間的關系，結(jié)合二者研究提出:在保證人體熱舒適的條件下，改變相對濕度，可以減少空調(diào)的能耗，實現(xiàn)節(jié)能。閆斌［12］認為在保證了高舒適度的條件下，設計溫度低一些，并適當提高相對濕度，可實現(xiàn)12%～30%不等的節(jié)能率。周亞杰［13］等人則證明了通過對室內(nèi)設計參數(shù)的優(yōu)化，可以保證舒適下的節(jié)能效果。

國外的很多研究還表明:通過先進的控制方式也可以提高熱舒適。Funakoshi［14］在列車空調(diào)控制中引入PMV指標，應用智能模糊分析，設定合適的車廂溫度，通過數(shù)據(jù)分析驗證了該控制方式具有良好的控制效果。Calvino［15］應用模糊控制方式，對室內(nèi)熱環(huán)境進行分析，Egilegor［16］運用神經(jīng)網(wǎng)絡的模糊控制研究，以及Junghui Chen［17］運用神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制研究都表明運用現(xiàn)代的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制理論可以保證滿意的舒適度。

4　結(jié)論與展望

綜上所述，關于熱舒適及基于熱舒適的節(jié)能控制研究成果相當豐富。但國內(nèi)外學者也一直強調(diào)不同環(huán)境下熱舒適存在一定的差異，對陸地建筑物熱環(huán)境的研究成果不能完全反映船舶艙室的熱環(huán)境。因而船舶空調(diào)的熱舒適和節(jié)能的研究需要考慮船舶空調(diào)的特殊性（搖擺、振動和噪音）。那么，目前現(xiàn)行的設計參數(shù)是否能滿足船上人員的熱舒適要求？究竟在何種環(huán)境參數(shù)組合下才能實現(xiàn)最佳的熱舒適感和最少的能耗？以及可以通過哪些方式實現(xiàn)高舒適度低能耗？這些問題都有待進行研究和分析。

因此，有必要對船舶空調(diào)的熱舒適和節(jié)能進行研究，對不同的設計參數(shù)組合下的熱舒適狀況進行對比，通過選取適當?shù)脑u價指標作深入的研究分析，來驗證我國現(xiàn)行的設計參數(shù)是否符合人體的熱舒適要求（尤其是針對特種船舶和豪華客船），并尋求最佳的參數(shù)組合，達到既節(jié)能又舒適的效果；進一步研究如何基于熱舒適指標選取適當?shù)目刂撇呗?，控制船舶空調(diào)系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)高舒適低能耗的效果，為創(chuàng)造舒適的艙室環(huán)境、發(fā)揮船舶節(jié)能奠定基礎。同時考慮到船舶的特殊性，船舶的振動和噪音對工作人員舒適感的影響。

致謝

本文得到上海海事大學?；穑∟o. 20130483）和上海市教委科研創(chuàng)新項目（No. 14YZ116）的支持和贊助。

ACKNOWLEDGEMENT

This study was financially supported by Technology Program of Shanghai Maritime University（No. 20130483）and by Research Project of Shanghai Municipal Education Commission（No.14YZ116）

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Research by Using Thermal Comfort to Evaluate Air Conditioning of Ship Cabin

XU Ranran，LIU Hongmin
（Shanghai Maritime University，Shanghai201306）

Marine cabin air-conditioning com fort research is the the crew as the core，in the com fortable thermal environment，can ensure that staffwork efficiency and quality of life.Theoretical analyzing the thermal comfortevaluation index and its operationmode，and discusses the factors that affect the PMV-PPD.Considering the particularity of the ship，analyzed the vibration，rocking and noise impact on com fort and various environmental parameters on the effect of com fort and puts forward some vibration，noise elim ination measure.

Marine cabin air-conditioning；Thermal com fort index；Vibration；Noise；Energy conservation

TU831 文獻標示碼:A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.007

ISSN1005-9180（2016）02-033-06

2015-9-1-24

國家自然科學基金（51406112）；上海海事大學?；穑?0130483）；上海市教委科研創(chuàng)新項目（14YZ116）

徐冉冉（1990-），女，碩士研究生，研究方向:空調(diào)熱舒適性研究。Emai:18217060651@163.com