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

王世忠

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064）

0 引言

熱舒適性是指人員對(duì)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(shí)狀態(tài)，是對(duì)所處的微小熱環(huán)境產(chǎn)生的不冷不熱、感覺(jué)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(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(jué)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。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(jìn)一步改善，提高船舶艙室的熱舒適性，來(lái)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(shí)船的熱舒適性試驗(yàn)驗(yàn)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(píng)價(jià)熱環(huán)境的影響、中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的確定等熱環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比，根據(jù)船舶的熱環(huán)境特性以及船舶船員身體、心理對(duì)熱環(huán)境的接受程度和適應(yīng)能力，通過(guò)對(duì)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(píng)價(jià)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(méi)有任何物理量的限定，因?yàn)槿说臒崾孢m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(jué)的多種變量影響的復(fù)雜問(wèn)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(duì)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(jī)能來(lái)維持熱平衡狀況時(shí)，人體是不舒適的，所以熱平衡不是達(dá)到舒適的充分條件，只是必要條件。

人體通過(guò)對(duì)產(chǎn)熱和散熱過(guò)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(dá)到了一定的平衡。人們對(duì)熱環(huán)境的舒適感主要來(lái)自人體的熱平衡。但是，從人體熱舒適角度考慮，單純達(dá)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(dá)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(píng)價(jià)因素

從保證人體熱平衡以及維持人體換熱比例這2個(gè)方面考慮，熱舒適評(píng)價(jià)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(dòng)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(duì)稱等。

1.3 PMV熱舒適性模型［3－4］

本計(jì)算模型是在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)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(gè)較為客觀的指標(biāo)。該指標(biāo)綜合考慮了人體活動(dòng)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(dòng)速度等6個(gè)因素評(píng)價(jià)人體熱舒適感的指標(biāo)，其計(jì)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(shí)人的體表面積與裸露時(shí)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(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

當(dāng)人的活動(dòng)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(jué)就可以通過(guò)計(jì)算PMV指數(shù)得出。

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

2 實(shí)船試驗(yàn)

PMV模型是以歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的大學(xué)生為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)、不均勻的。另外，該指標(biāo)的建立沒(méi)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(jìn)行熱、濕環(huán)境評(píng)價(jià)［6］。

為了建立準(zhǔn)確適宜的船舶艙室熱環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提高艙室內(nèi)熱環(huán)境狀況控制，進(jìn)行了熱環(huán)境及熱舒適狀況實(shí)船測(cè)試及問(wèn)卷調(diào)查。

2.1 試驗(yàn)測(cè)試對(duì)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(jì)性檢驗(yàn)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(yàn)的受試人員為50名船員，人員涵蓋了實(shí)船各工作區(qū)域以及各活動(dòng)方式，所有試驗(yàn)船員仍按照日常習(xí)慣進(jìn)行休息、起居和工作，不改變正常的工作班次、工作時(shí)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(dòng)量。

2.2 試驗(yàn)儀器儀表

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

2.3 艙室環(huán)境參數(shù)測(cè)量

對(duì)選取的環(huán)境測(cè)點(diǎn)，利用環(huán)境指數(shù)（WBGT）測(cè)定計(jì)測(cè)量環(huán)境參數(shù)（干球溫度、濕球溫度、黑球溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速），每天測(cè)量1次。利用溫濕度表和風(fēng)速儀布置每4 h測(cè)量1次所在位置的空氣參數(shù)。利用溫濕度檢測(cè)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(wèn)卷

在人體熱舒適的評(píng)價(jià)研究中，主觀投票依然是主要的定量研究方法［8］，本試驗(yàn)在對(duì)艙室環(huán)境測(cè)量的同時(shí)，依據(jù)GB/T18977－2003及時(shí)對(duì)測(cè)量區(qū)域附近的船員（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(wèn)卷調(diào)查［9］，以便了解船員的熱感覺(jué)以及對(duì)環(huán)境的滿意程度。問(wèn)卷包括船員年齡、衣著、身體狀況、個(gè)體行為（評(píng)價(jià)代謝率）、熱感覺(jué)投票等內(nèi)容。熱感覺(jué)投票采用ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中的7個(gè)等級(jí)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。主觀評(píng)價(jià)不僅僅反映受試個(gè)體的生理感覺(jué)，同時(shí)也反映受試個(gè)體的心理感覺(jué)，在人體比較煩躁的情況下，有些平時(shí)被忽略的影響因素也會(huì)在很大程度上影響人體的生理感覺(jué)。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(gè)體帶來(lái)了主觀上的反應(yīng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)實(shí)船測(cè)試的環(huán)境參數(shù)如溫度、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速等環(huán)境數(shù)據(jù)以及受試人員熱感覺(jué)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(jìn)行了PMV指標(biāo)的計(jì)算。

將船員各種活動(dòng)下的PMV計(jì)算值和船員熱感覺(jué)投票值分類整理，按照船員的活動(dòng)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(dòng)、立姿輕度活動(dòng)和立姿中度活動(dòng)等進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，繪制出不同活動(dòng)狀態(tài)下船員所處的大氣環(huán)境以及不同的穿衣著裝計(jì)算出的舒適度PMV計(jì)算值與船員感覺(jué)調(diào)查表中反饋的熱感覺(jué)投票值的對(duì)比圖（見(jiàn)圖1～圖4），圖中橫坐標(biāo)為不同活動(dòng)狀態(tài)的船員在微小熱環(huán)境下的PMV計(jì)算值，縱坐標(biāo)是調(diào)查問(wèn)卷的熱感覺(jué)投票值，細(xì)斜線表示PMV計(jì)算值與船員熱感覺(jué)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(dòng)狀態(tài)的船員在微小熱環(huán)境下的的熱感覺(jué)等級(jí)值高于PMV計(jì)算值時(shí)，即人在該活動(dòng)狀態(tài)以及著裝條件下對(duì)溫度比較敏感，對(duì)比點(diǎn)就落在斜線的上方;否則便在斜線下方，若恰好二者相同，對(duì)比點(diǎn)就在斜線上。由于設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷中設(shè)計(jì)了7級(jí)熱感覺(jué)，而PMV計(jì)算值則可以計(jì)算出－3～3的連續(xù)熱感覺(jué)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(jì)算值和熱感覺(jué)投票值對(duì)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(jì)算值與理論值之間的離散度較大，并且各個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)基本按照斜率為5/3的直線成對(duì)稱關(guān)系，大部分對(duì)應(yīng)值落在y=5/3x和y=5/3x－5/3兩條直線間，因此可以認(rèn)為在坐姿休息條件下，船員的熱感覺(jué)與環(huán)境條件的關(guān)系不甚密切，將其投票值與PMV計(jì)算值之間關(guān)系回歸成如下的方程:

圖2 坐姿活動(dòng)下的PMV計(jì)算值和熱感覺(jué)投票值對(duì)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(dòng)條件下船員的PMV計(jì)算值和熱感覺(jué)投票值對(duì)比圖。該圖顯示在坐姿活動(dòng)條件下，船員的熱感覺(jué)投票值與PMV計(jì)算值的對(duì)應(yīng)點(diǎn)通常在y=2.25x+1.5和y=2.25x－3兩條直線間，因此坐姿活動(dòng)條件下船員熱感覺(jué)投票值與PMV-PPD評(píng)價(jià)指標(biāo)中的PMV計(jì)算值相互對(duì)應(yīng)的近似理論曲線方程如下:

圖3 輕度活動(dòng)下的PMV計(jì)算值和熱感覺(jué)投票值對(duì)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(dòng)條件下，船員的PMV計(jì)算值與理論值之間的對(duì)應(yīng)較為集中，并且絕大部分對(duì)應(yīng)值落在y=2x和y=2x－2兩條直線間，因此可以認(rèn)為在輕度活動(dòng)條件下，船員的熱感覺(jué)投票值與PMV計(jì)算值間的近似理論曲線為:

圖4 中度活動(dòng)下的PMV計(jì)算值和熱感覺(jué)投票值對(duì)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(dòng)條件下，船員的PMV計(jì)算值與理論值之間的對(duì)應(yīng)同樣較為集中，并且絕大部分對(duì)應(yīng)值落在y=5x－4.5和y=5x+0.5兩條直線間，因此可以認(rèn)為在中度活動(dòng)條件下，船員的熱感覺(jué)投票值與PMV計(jì)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(dòng)量的增大，人體代謝率的增加，船員的熱感覺(jué)投票值與PMV計(jì)算值的關(guān)系變?yōu)槊芮?，PMV計(jì)算值和船員熱感覺(jué)投票值的對(duì)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(jué)投票值與PMV計(jì)算值的關(guān)系方程的斜率明顯變大，因此可以認(rèn)為在船舶艙室環(huán)境條件下，船員隨著勞動(dòng)強(qiáng)度的增加，對(duì)熱環(huán)境的反應(yīng)較為敏感;

3）無(wú)論何種活動(dòng)狀態(tài)下，擬合的方程斜率均比PMV-PPD指標(biāo)中的PMV計(jì)算值與船員熱感覺(jué)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(duì)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(yǔ)

將實(shí)船試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果與國(guó)外陸上民用建筑環(huán)境下的PMV熱舒適性指標(biāo)相對(duì)比，將PMV熱舒適性模型通過(guò)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(píng)價(jià)，并具有如下特點(diǎn):

無(wú)論何種活動(dòng)狀態(tài)下，船舶艙室內(nèi)船員對(duì)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(dòng)強(qiáng)度的增加，對(duì)熱環(huán)境的反應(yīng)較為敏感，PMV計(jì)算值和船員熱感覺(jué)投票值的對(duì)應(yīng)值更趨于擬合的理論曲線。對(duì)于不同的活動(dòng)狀態(tài)，可以用修正后的PMV*方程去評(píng)價(jià)環(huán)境的熱舒適性。

本文根據(jù)實(shí)船環(huán)境測(cè)試以及運(yùn)用熱感覺(jué)調(diào)查表調(diào)查船員對(duì)微小環(huán)境的滿意程度，得到了修正后的PMV指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)。運(yùn)用修正后PMV指標(biāo)評(píng)價(jià)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(shí)將要表達(dá)出來(lái)的熱感受，較為客觀的評(píng)價(jià)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(shí)船上開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)，探索船員相對(duì)滿意的、不依賴于理論公式以及模擬試驗(yàn)并排除了個(gè)人因素的溫濕度環(huán)境控制指標(biāo)。

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