船舶區(qū)域艙室復合環(huán)境綜合評價方法研究

胡瑩穎 張祥瑞 林 壯 李 平

（1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱 150001；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

引 言

近年來，人們對于船舶居住性的要求越來越高。設(shè)計人員希望實現(xiàn)船員物質(zhì)生活與精神生活的雙重保障，因此對艙室環(huán)境舒適性進行了深入研究。但這些研究多集中于單艙環(huán)境或某一環(huán)境因素對舒適性的影響，艙室環(huán)境之間的互相影響及艙室相對位置與環(huán)境的關(guān)系鮮為人知及關(guān)注。傳統(tǒng)方法是通過后期手段來使艙室環(huán)境達標，而優(yōu)秀方案則應(yīng)在設(shè)計階段就將環(huán)境因素考慮進去，將不同艙室環(huán)境之間的消極影響降至最低。前期以區(qū)域復合環(huán)境評價來選擇最優(yōu)的布置方案就是一種可行方法，此法有助于創(chuàng)造出有益于船員身體健康、提高工作效率的良好舒適艙室居住環(huán)境。

1 環(huán)境因子分析

艙室環(huán)境主要包括熱環(huán)境、空氣品質(zhì)、通風、光環(huán)境、聲環(huán)境、振動等，每種分類下面還有更為具體復雜的環(huán)境指標。這些指標不可能全面評價，否則不僅帶來繁雜的工作量，最終還不能保證評價結(jié)果的準確性。本文依據(jù)目的性、可行性、系統(tǒng)性、定性定量相結(jié)合原則，選取溫度、光照、通風、噪聲為主要研究對象，其中通風、光照特指受艙室布置位置影響的自然通風和自然光照。

船舶生活區(qū)域艙室多為空調(diào)艙室，通過空調(diào)出風保持溫度和通風量，開窗時室外空氣雖會對室內(nèi)溫度造成一定波動，但自然通風時間短暫，此波動可忽略不計；而通風一定程度上會影響噪聲，但與船舶結(jié)構(gòu)噪聲相比也可忽略不計。此外，其他因子之間并無明顯相關(guān)性，因此在研究區(qū)域艙室復合環(huán)境時可認為溫度、光照、通風、噪聲四種因子是互相獨立的。

1.1 溫 度

本文涉及的是船艙內(nèi)部生活區(qū)域各艙室間熱交換問題，可以簡化模型為：忽略室內(nèi)家居設(shè)備對艙室溫度的影響，將艙室溫度設(shè)為一穩(wěn)定值，以艙室為基本單位進行研究。一個艙室的影響范圍為上下左右艙室以及走廊對門艙室。由于空氣的傳熱系數(shù)很低，對門艙室的影響可以忽略不計。研究區(qū)域為同一平面艙室，因此默認上下艙室溫度為一定值。最終得到相鄰艙室間的溫度交互影響模型見圖1。

內(nèi)艙壁附近溫度tω1,2

式中：λ為艙壁導熱系數(shù)，W/（m·k）；δ為艙壁厚度，m；h為對流換熱系數(shù)，W/（m·k）。

圖1 相鄰艙室模型

在對房間熱環(huán)境進行評價時，主要考慮室內(nèi)空氣溫度和周圍表面平均溫度兩個因素［1］。參考文獻［2］中提到可把當量溫度td當作人體熱舒適性的指標。當量溫度用式（2）計算：

式中：tn為室內(nèi)空氣溫度，℃；tf為周圍表面平均溫度，℃。

tf用式（3）計算：

式中：Fi表示各內(nèi)表面面積，m2；ti表示艙室各內(nèi)表面溫度，℃。

1.2 光 照

光環(huán)境是艙室內(nèi)環(huán)境的重要構(gòu)成要素，對人體生理健康和精神狀態(tài)具有重要的影響。室內(nèi)光源一般可以分為自然光和人工光兩類。利用大自然的陽光永遠都應(yīng)是室內(nèi)環(huán)境的首選。自然光照的重要性可總結(jié)為以下幾點：

（1）盡管利用自然光和人工光都可以創(chuàng)造良好的光環(huán)境，但單純依靠人工光源需要耗費大量常規(guī)能源，間接造成環(huán)境污染，不利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。而利用自然光可降低建筑照明能耗。

（2）太陽光是人們?nèi)粘Ｉ钪心苷业降木C合性能最優(yōu)的光，具有亮度高、光色全和顯色性優(yōu)等一系列優(yōu)點，同時還具有強大的化學作用如：殺菌、促進人體產(chǎn)生維生素D等。［3］

（3）人類由自然界中進化演變而來，人眼作為視覺器官，最能適應(yīng)的是自然光。人工光源不具備自然光那樣連續(xù)的光譜，各種波長光的組成比例也存在缺陷，時間久了容易讓人產(chǎn)生視覺疲勞。

（4）光照不僅是可視的，更是可感的。一方面，在心理要求上，人們?nèi)菀讓δ欠N單調(diào)死板的均勻照明方式產(chǎn)生厭倦，而對富有光影躍動、層次鮮明的室內(nèi)光照感到愉悅。自然光豐富多變，不同時段和不同季節(jié)光線的變化能為艙室內(nèi)部創(chuàng)造豐富的光影層次，呈現(xiàn)鮮明的視覺功效，使室內(nèi)人員得到視覺和心理的雙重滿足；另一方面，如果艙室沒有自然光進入，船員與外界長時間隔離開來，感受不到自身時間與空間的變化，很容易產(chǎn)生心理失衡。美國學者RuyS就曾針對此問題進行過一項調(diào)查，調(diào)查對象是在全靠人工照明的無窗辦公室內(nèi)工作的女辦事員，結(jié)果顯示：139位受訪人員中有47.5%認為沒有窗戶對她們產(chǎn)生了非常惡劣的影響，這些影響有70%來自心理方面；除此之外，89%的辦事員希望有窗戶。［4］由此可見，自然光照是室內(nèi)人員與外部自然環(huán)境進行聯(lián)系的紐帶，是保證人的工作效率、身心舒適健康的重要條件之一。

船舶生活區(qū)域不僅是船員工作、學習、生活以及活動的場所，也是休閑、睡眠的地方。因此，在條件允許的情況下應(yīng)盡量把生活艙室靠近外墻布置，通過舷窗來引入自然光照，使船員達到視覺滿意舒適和心情愉悅。

1.3 通 風

通風可分為自然通風和機械通風。隨著科技的發(fā)展，船舶機械通風系統(tǒng)已能滿足不同功能艙室換氣次數(shù)要求。然而在船上生活時，自然通風與船員的生活質(zhì)量息息相關(guān)，這也是設(shè)計師在艙室布置階段不可忽略的因素。

與機械送風相比，自然風的氣流更易使人們感到風速的起伏波動，符合人體生理節(jié)律的“1/f波動”規(guī)律，可使人產(chǎn)生清新、自然和舒適感，減弱空調(diào)吹風的單調(diào)感和疲勞感［5］，并緩減 “空調(diào)病”帶來的代謝功能下降以及抵抗力減弱等癥狀。由于長期生活在封閉艙室環(huán)境中，使船員對陽光明媚、輕風拂面的大自然更是充滿向往。若艙室一側(cè)設(shè)置窗戶，在開窗通風的同時又能滿足人們心理上親近自然、回歸自然的需求，更有利于身心健康。

一般可以用換氣次數(shù)來衡量通風性能的優(yōu)劣。換氣次數(shù)的計算公式為：

式中：n為換氣次數(shù)，次/h；Q為空氣體積換氣量，m3/s；V為艙室體積，m3。

除機械通風外，艙室窗戶開啟時由于熱壓和風壓作用，會帶來額外的換氣量，且一般情況下自然通風效率要遠大于機械通風，適當開窗能快速送入新鮮空氣，稀釋室內(nèi)二氧化碳濃度并排出室內(nèi)污染物。

自然通風下的換氣量公式為：

式中：F為窗孔的面積，m2；v為空氣流過窗孔時的流速，m/s。

1.4 噪 聲

本文將噪聲艙室的影響范圍劃分為相鄰艙室和走廊對門艙室。為研究區(qū)域艙室的聲環(huán)境因子交互影響，針對相鄰艙室情況建立以下模型（見圖2）。

圖2 相鄰艙室模型

聲源室的聲壓級按以下公式［6］計算：

（1）聲源室房間常數(shù)R

式中：S為房間內(nèi)表面積總面積，m2；為內(nèi)表面平均吸聲系數(shù)。

（2）混響場聲壓級式中：

為混響場聲壓級，dB；LW為室內(nèi)噪聲源總聲功率級，dB；R為房間常數(shù)。

（3）直達場聲壓級

（4）測點總聲壓級：

接受室聲壓級按下述步驟計算：

（1）接受室房間常數(shù)Rr；

（2）聲源室通過艙壁傳入室內(nèi)的聲功率級。

TL的計算公式為：

（3）總聲壓級Lpr。

若有n個聲壓級疊加，那么總聲壓級

對于走廊對門艙室，建立簡化模型（如圖3所示）。可以把走廊對門艙室模型看作雙層隔聲墻連接的兩相鄰艙室模型，其中雙層隔聲墻結(jié)構(gòu)中的空氣層厚度（即走廊寬度）默認為1.2 m。查找雙層鋼板隔聲墻的平均隔聲量數(shù)據(jù)見表1。

圖3 對門艙室模型

表1 鋼板雙層墻的平均隔聲量

鋼板本身就具有良好的隔聲性能，由鋼板組成的雙層墻更是如此。從表1數(shù)據(jù)可見，僅1 mm左右厚鋼板加上70 mm厚空氣層組成的雙層墻隔聲量就已達到40 dB以上，由于隔聲量分別與空氣層厚度、鋼板厚度成正比，而簡化模型中的雙層墻隔聲量遠高于40 dB，因此聲源室對走廊對門艙室的影響可忽略不計。

2 綜合評價原理及步驟

模糊綜合評價是對受多種因素影響的事物作出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法。本文旨在從多個設(shè)計方案中選擇最優(yōu)設(shè)計，故應(yīng)用模糊數(shù)學進行綜合評價的具體過程為：

（1）確定評估的因素集 ：U={u1，u2，u3，u4}，其中：u1為艙室溫度；u2為光照；u3為通風；u4為噪聲。這 4個因素的權(quán)重A=（a1，a2，a3，a4）需根據(jù)不同艙室環(huán)境要求予以確定，且

（2）評判集V={v1，v2，…，vm}表示m種布置方案。

（3）建立單因素評判矩陣。因素與方案之間的關(guān)系可以通過建立隸屬函數(shù)，用模糊關(guān)系矩陣R=（rij）m×4表示。單艙的單因素評判矩陣為：

式中：x、y、z、w分別表示溫度、光照、通風以及噪聲的隸屬度。本文采用指派方法來確定相關(guān)的隸屬函數(shù)。

（a）溫度的隸屬函數(shù)

參考文獻［6，8］中環(huán)境溫度相對于舒適級別的模糊統(tǒng)計表、PPD統(tǒng)計結(jié)果以及規(guī)范中的溫濕度要求，溫度的隸屬函數(shù)選擇中間型正態(tài)分布，具體表達為：

（b）光照的隸屬函數(shù)

光照分為人工光照和自然光照。人工光照與艙室布置位置無關(guān)，可默認為一固定值，本文假設(shè)每個待評估艙室人工光源布置均達到合格水平，隸屬度為0.6。自然光照與艙室布置位置相關(guān)，且對船員身心的影響是定性分析，隸屬函數(shù)選擇0-1分布：

A={存在自然光照}。

經(jīng)過調(diào)查，人工光照和自然光照權(quán)重分別為0.6和0.4。按照上述描述，封閉艙室的光照隸屬度應(yīng)為0.6，帶窗孔艙室的隸屬度應(yīng)為1。然而裸船體階段下，默認光照沒有經(jīng)過精心布置與設(shè)計，僅滿足照明要求，因此要對原先數(shù)值進行調(diào)整，統(tǒng)一取0.6倍，最終結(jié)果為：

B={艙室?guī)в写翱讅。

（c）通風的隸屬函數(shù)

根據(jù)不同功能艙室的換氣次數(shù)指標要求，換氣次數(shù)的隸屬函數(shù)選擇偏大型梯形分布，函數(shù)表達式分別為：

不少于5次/h：

不少于15次/h：

不少于20次/h：

（d）噪聲的隸屬函數(shù)

不同國家、不同規(guī)范中的噪聲要求不同，沒有統(tǒng)一標準。本文根據(jù)不同艙室噪聲指標要求，將生活區(qū)域艙室劃分為三類，最大噪聲極限值分別取50 dB（A）、55 dB（A）和60 dB（A），噪聲隸屬函數(shù)選擇偏小型k次拋物型分布。函數(shù)表達式分別為：

最大噪聲極限值為50 dB（A）：

最大噪聲極限值為55 dB（A）：

最大噪聲極限值為60 dB（A）：

將方案中相關(guān)艙室預(yù)測的數(shù)據(jù)帶入各隸屬函數(shù)公式中，就能獲得相應(yīng)的隸屬度。

（4）單艙評估。不同功能的艙室各環(huán)境因子權(quán)重不同，用加權(quán)平均模型M（·，+）計算得到單艙的綜合評估結(jié)果。

按最大隸屬原則，若m個值中bx為最大值，即說明第x個布置方案中該艙的綜合環(huán)境最優(yōu)。由于本文研究的是一個區(qū)域的綜合環(huán)境，個別艙室環(huán)境最優(yōu)不代表整個區(qū)域環(huán)境最優(yōu)，因此，還需按照上述方法求得所有待評估艙室的評估結(jié)果。

（5）綜合評估。研究復合環(huán)境的最終服務(wù)對象是人，因此待評估艙室都是與船員生活需求較為緊密的艙室。設(shè)共有n個待評估艙室，則總評判矩陣為：

按照船員對不同艙室的生活需求強度，確定不同功能艙室在整個生活區(qū)域內(nèi)所占比重，得到權(quán)重。綜合評估為：

與單艙評估一樣，在最終評估結(jié)果中選取最大的數(shù)值，其對應(yīng)的方案就是能實現(xiàn)區(qū)域復合環(huán)境最優(yōu)的布置方案。

3 模型驗證

假設(shè)生活區(qū)域模型如圖4所示，選取三種布置方案（見圖5），方案中的相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下頁表2。

圖4 模型示意圖

圖5 艙室布置方案

（1）每個單獨艙室初始溫度為定值。艙室上下表面溫度均為27℃，通道溫度為29℃，大氣溫度為35℃。

（2）將區(qū)域外部環(huán)境帶來的噪聲值設(shè)為艙室自帶聲源，10個可布置區(qū)域的數(shù)值設(shè)定見下頁表3。

以上10種艙室類型中，風機室和空調(diào)器室均屬于聲源室。參考空調(diào)設(shè)備和風機裝置輻射聲功率級資料，計算得到風機室傳入相鄰艙室的噪聲為59.60 dB（A），空調(diào)器室傳入相鄰艙室的噪聲為65.01 dB（A）。

表2 艙室基礎(chǔ)參數(shù)

表3 自帶聲源值

（3）假設(shè)1號、7號與8號布置區(qū)外艙壁上帶有窗孔，窗孔尺寸為560 mm×400 mm，開窗時空氣以1 m/s的穩(wěn)定速度經(jīng)過窗孔。根據(jù)式（5），自然通風能為1號、8號艙室額外帶來每小時12次的換氣次數(shù)，為7號艙室額外帶來每小時14次的換氣次數(shù)?？紤]到船舶在實際航行時，窗孔不可能始終開啟，所以除衛(wèi)生間、盥洗室和淋浴房外，其他待布置艙室的自然風換氣次數(shù)取始終開啟狀態(tài)下的1/5。對于沒有窗孔的其他布置區(qū)，僅存在機械通風，并設(shè)定換氣次數(shù)對應(yīng)于規(guī)范標準中的最小值。

（4）艙壁材質(zhì)為鋼板，厚度為3 mm，鋼板的導熱系數(shù)為50 W/（m·k）。區(qū)域左側(cè)靠近船尾，右側(cè)靠近船首。

根據(jù)環(huán)境因子的物理特性和規(guī)律，分別計算3種方案下的區(qū)域環(huán)境值（參見表4）。其中光照為定性分析，沒有具體數(shù)值，不參與計算。

表4 各方案環(huán)境值

得到每個方案對應(yīng)的艙室環(huán)境值后，代入各個環(huán)境因子的隸屬函數(shù)中，便獲得相應(yīng)的隸屬度。同時用yaahp層次分析軟件計算環(huán)境因子權(quán)重如表5。

表5 艙室環(huán)境因子權(quán)重比

按綜合評價步驟對3個方案進行評價，獲得最終結(jié)果為：

按最大隸屬原則可知，2號方案最優(yōu)，3號方案較差。最佳方案中艙室位置符合實際艙室布置規(guī)律，如：會議室遠離船尾布置以減少噪聲和振動影響；設(shè)備艙室遠離居住艙、休閑艙布置；對通風量有較大要求的艙室靠近船舷布置，利用自然通風加快室內(nèi)換氣速度；工作與活動艙室靠近船舷布置，防止船員長時間在封閉環(huán)境中產(chǎn)生心理煩躁、工作效率降低等一系列不良反應(yīng)。此結(jié)果驗證了評價結(jié)果的準確性和評價方法的可靠性。

4 結(jié) 論

本文對船舶艙室環(huán)境之間的影響原則和模糊綜合評價方法進行研究，并通過模型驗證，得出以下結(jié)論：

（1）以區(qū)域復合環(huán)境為切入口進行艙室布置方案擇優(yōu)是可行的。

（2）模糊綜合評價方法具有可操作性和有效性。該方法能有效反映艙室布置方案在綜合環(huán)境方面的好壞，其評價結(jié)果能為前期方案選擇和修改提供數(shù)據(jù)參考。

后續(xù)工作中可以引入仿真軟件計算艙室環(huán)境值，彌補理論計算的局限性，并對隸屬函數(shù)的確定進行改良，以提高評價結(jié)果的可靠性；同時，優(yōu)秀的基礎(chǔ)環(huán)境理論上能減少后期內(nèi)裝環(huán)節(jié)隔熱降噪等敷料的費用支出，提高船舶經(jīng)濟性。今后擬對兩者的相關(guān)性進行深入探討。

［參考文獻］

［1］ 官燕玲，習紅軍.住宅供暖分戶控制室內(nèi)熱環(huán)境分析［J］. 暖通空調(diào)，2005（10）：127-129.

［2］ 李凱.相鄰房間傳熱工況的熱舒適性分析［J］.硅谷，2010（6）：116.

［3］ 尚喆.住宅室內(nèi)光環(huán)境人性化設(shè)計研究［D］.無錫：江南大學，2008.

［4］ 李道增.環(huán)境行為學概論［M］.北京：清華大學出版社，1999：124-125.

［5］ 朱守林，李文彬，董金寶.自然風吹風的人體熱舒適分析［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報，2004（1）：11-15.

［6］ 孫增華，王丹，于洋.船舶艙室噪聲的工程預(yù)報方法［J］.船舶工程，2014（s1）：246-251.

［7］ 閆斌，郭春信.舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化［J］.暖通空調(diào)，1999（1）：44-45.

［8］ 連之偉，馮海燕.空調(diào)房間熱環(huán)境模糊綜合評判［J］.暖通空調(diào)，2001（5）：15-18.