PMV热舒适性模型在船舶舱室热环境评价中的应用

王世忠

（武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

0 引言

热舒适性是指人员对其所处环境的辐射温度、空气温度、空气湿度、空气流速等热环境满意程度的意识状态，是对所处的微小热环境产生的不冷不热、感觉舒服的主观感受，该感受直接关系到该环境内人员的工作效率和身体健康。由于研究场合、气候、人种群及其着装等因素的差异会造成各种地方的人在相同的环境中热感觉不同，因此不同人在某种环境下对热舒适性的要求也不同。随着舰船环境控制技术的发展，要求工作、居住环境条件进一步改善，提高船舶舱室的热舒适性，来保证舰船上人员保持高效率工作、良好的身体状况和饱满的精神状态。

在理论分析的基础上，以实船的热舒适性试验验证研究为基础，与热环境人类工效学使用主观判定量表评价热环境的影响、中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的确定等热环境评价标准相对比，根据船舶的热环境特性以及船舶船员身体、心理对热环境的接受程度和适应能力，通过对船舶乘员所处不同热环境表现满意程度调查［1－2］，探讨PMV热舒适性模型在船舶舱室热环境评价中的适用性。

1 人体热舒适理论和分析方法

1.1 满足热舒适的条件

从热舒适定义中看，没有任何物理量的限定，因为人的热舒适是受到外界环境、个人的活动状况、生理、心理等主观感觉的多种变量影响的复杂问题。

为满足人体热舒适，人体必须处于热平衡状态，以便使人体对环境的散热量等于人体的体内产热量。这仅是指人体处于稳定状态的条件，当人体必须靠出汗的生理机能来维持热平衡状况时，人体是不舒适的，所以热平衡不是达到舒适的充分条件，只是必要条件。

人体通过对产热和散热过程的生理性调节，使得人体内部产生的热量与人体向周围环境散失的热量达到了一定的平衡。人们对热环境的舒适感主要来自人体的热平衡。但是，从人体热舒适角度考虑，单纯达到热平衡是不够的，还应当使人体与环境的各种换热限制在人体能接受的范围内，人体才能达到热舒适状态。这种能使人体处于这种适宜比例散热的环境便是人体感到热舒适的充分条件。

1.2 人体热舒适评价因素

从保证人体热平衡以及维持人体换热比例这2个方面考虑，热舒适评价应包含以下条件:

1）环境参数，即空气温度、平均辐射温度、湿度以及空气流速;

2）人体参数，即服装、活动水平和心理因素;

3）还有其他一些能引起人体局部不舒适的环境参数，如吹风，头部和脚踩之间较大的温度梯度以及辐射温度的不对称等。

1.3 PMV热舒适性模型［3－4］

本计算模型是在大量实验数据的统计分析的基础上，并结合人体的热舒适方程，提出的表征人体热舒适的一个较为客观的指标。该指标综合考虑了人体活动程度、衣服热阻、空气温度、平均辐射温度、空气湿度和空气流动速度等6个因素评价人体热舒适感的指标，其计算公式为:

式中:

其中:M为代谢率，W/m2;W为外部做功消耗的热量，W/m2;Icl为服装热阻，m2·℃/W;Pa为水蒸气分压，Pa;fcl为着装时人的体表面积与裸露时人的体表面积之比;ta为空气温度，℃;tmrt为平均辐射温度，℃;υar为空气流速，m/s;tcl为服装表面温度，℃; hc为对流换热系数，W/（m2·℃）。

当人的活动状态、着装以及环境参数（空气温度、平均辐射温度、空气流速和空气湿度）给定后，人的整体热感觉就可以通过计算PMV指数得出。

PMV指标采用了7级分度，分别为热、暖、稍暖、舒适、稍凉、凉、冷。PMV指标代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，因此可用PMV指标预测热环境下人体的热反应。

2 实船试验

PMV模型是以欧美等发达国家的大学生为研究对象，通过实验室研究建立的标准，这些标准适用于稳态、均匀的热环境［5］，然而人们所处的环境大多是动态、不均匀的。另外，该指标的建立没有充分考虑气候环境的差异和人们的适应能力、所处的周围环境、相关的心理因素等，因此上述标准不能直接推广至船舶居住舱室进行热、湿环境评价［6］。

为了建立准确适宜的船舶舱室热环境评价标准，提高舱室内热环境状况控制，进行了热环境及热舒适状况实船测试及问卷调查。

2.1 试验测试对象

确定受试者人数的原则是在满足一定可靠性和统计性检验要求的前提下选取尽量少的受试者，并根据研究热环境背景条件选取有代表性的受试人员［7］，因此本试验的受试人员为50名船员，人员涵盖了实船各工作区域以及各活动方式，所有试验船员仍按照日常习惯进行休息、起居和工作，不改变正常的工作班次、工作时间以及工作部位，并保证某一工作状态下有持续的劳动量。

2.2 试验仪器仪表

环境指数（WBGT）测定计（风速为0.05～50 m/s，温度为0～100℃，相对湿度为0～100%，黑球温度为0～100℃）。

2.3 舱室环境参数测量

对选取的环境测点，利用环境指数（WBGT）测定计测量环境参数（干球温度、湿球温度、黑球温度、相对湿度、风速），每天测量1次。利用温湿度表和风速仪布置每4 h测量1次所在位置的空气参数。利用温湿度检测装置每2 h记录1次舱室部位的空气参数。

2.4 船员状态调查与问卷

在人体热舒适的评价研究中，主观投票依然是主要的定量研究方法［8］，本试验在对舱室环境测量的同时，依据GB/T18977－2003及时对测量区域附近的船员（接受测试人员）进行了基于身体状态的主观判定量表的船员问卷调查［9］，以便了解船员的热感觉以及对环境的满意程度。问卷包括船员年龄、衣着、身体状况、个体行为（评价代谢率）、热感觉投票等内容。热感觉投票采用ASHRAE标准中的7个等级的衡量标准。主观评价不仅仅反映受试个体的生理感觉，同时也反映受试个体的心理感觉，在人体比较烦躁的情况下，有些平时被忽略的影响因素也会在很大程度上影响人体的生理感觉。因此，主观打分不仅仅考虑生理因素，同样要考虑一些外在条件给个体带来了主观上的反应。

3 试验结果分析

本试验结果分析根据实船测试的环境参数如温度、空气相对湿度、风速等环境数据以及受试人员热感觉调查表中船员的着装情况，并考虑船员所在的工作或休息的环境进行了PMV指标的计算。

将船员各种活动下的PMV计算值和船员热感觉投票值分类整理，按照船员的活动类别将舱室内所有船员的代谢率分为坐姿休息、坐姿活动、立姿轻度活动和立姿中度活动等进行分类统计，绘制出不同活动状态下船员所处的大气环境以及不同的穿衣着装计算出的舒适度PMV计算值与船员感觉调查表中反馈的热感觉投票值的对比图（见图1～图4），图中横坐标为不同活动状态的船员在微小热环境下的PMV计算值，纵坐标是调查问卷的热感觉投票值，细斜线表示PMV计算值与船员热感觉投票值的等值理论线。该理论线的意义在于当某一种活动状态的船员在微小热环境下的的热感觉等级值高于PMV计算值时，即人在该活动状态以及着装条件下对温度比较敏感，对比点就落在斜线的上方;否则便在斜线下方，若恰好二者相同，对比点就在斜线上。由于设计调查问卷中设计了7级热感觉，而PMV计算值则可以计算出－3～3的连续热感觉值，二者本身即可能存在一定的偏差，为此在图1～图4中采用虚线标出误差线。

图1 坐姿休息下的PMV计算值和热感觉投票值对比图Fig．1The contrast between the calculated value under the PMV and thermal sensation vote value of sitting rest

从图1可以看出，在坐姿休息条件下，船员的PMV计算值与理论值之间的离散度较大，并且各个对应点基本按照斜率为5/3的直线成对称关系，大部分对应值落在y=5/3x和y=5/3x－5/3两条直线间，因此可以认为在坐姿休息条件下，船员的热感觉与环境条件的关系不甚密切，将其投票值与PMV计算值之间关系回归成如下的方程:

图2 坐姿活动下的PMV计算值和热感觉投票值对比图Fig.2The contrast between the calculated value under the PMV and thermal sensation vote value of sitting activities

图2给出了坐姿活动条件下船员的PMV计算值和热感觉投票值对比图。该图显示在坐姿活动条件下，船员的热感觉投票值与PMV计算值的对应点通常在y=2.25x+1.5和y=2.25x－3两条直线间，因此坐姿活动条件下船员热感觉投票值与PMV-PPD评价指标中的PMV计算值相互对应的近似理论曲线方程如下:

图3 轻度活动下的PMV计算值和热感觉投票值对比图Fig.3The contrast between the calculated value under the PMV and thermal sensation vote value of light physical activity

从图3可以看出，在轻度活动条件下，船员的PMV计算值与理论值之间的对应较为集中，并且绝大部分对应值落在y=2x和y=2x－2两条直线间，因此可以认为在轻度活动条件下，船员的热感觉投票值与PMV计算值间的近似理论曲线为:

图4 中度活动下的PMV计算值和热感觉投票值对比图Fig.3The contrast between the calculated value under the PMV and thermal sensation vote value of moderate physical activity

从图4可以看出，在中度活动条件下，船员的PMV计算值与理论值之间的对应同样较为集中，并且绝大部分对应值落在y=5x－4.5和y=5x+0.5两条直线间，因此可以认为在中度活动条件下，船员的热感觉投票值与PMV计算值间的近似理论曲线为:

从图1～图4中可以找到以下规律:

1）随着船员活动量的增大，人体代谢率的增加，船员的热感觉投票值与PMV计算值的关系变为密切，PMV计算值和船员热感觉投票值的对应值趋于拟合的理论曲线;

2）随着人体代谢率的增加，船员的热感觉投票值与PMV计算值的关系方程的斜率明显变大，因此可以认为在船舶舱室环境条件下，船员随着劳动强度的增加，对热环境的反应较为敏感;

3）无论何种活动状态下，拟合的方程斜率均比PMV-PPD指标中的PMV计算值与船员热感觉投票值的等值理论线要大，表明船舶舱室环境条件下，船员对热环境的敏感程度要明显高于民用建筑内的热舒适度要求。

4 结语

将实船试验的计算结果与国外陆上民用建筑环境下的PMV热舒适性指标相对比，将PMV热舒适性模型通过修正基本可以适用于船员比较集中的生活居住等区域内的热环境评价，并具有如下特点:

无论何种活动状态下，船舶舱室内船员对热环境的敏感程度要明显高于民用建筑内的热舒适度要求。随着人体代谢率的增加，船员随着劳动强度的增加，对热环境的反应较为敏感，PMV计算值和船员热感觉投票值的对应值更趋于拟合的理论曲线。对于不同的活动状态，可以用修正后的PMV*方程去评价环境的热舒适性。

本文根据实船环境测试以及运用热感觉调查表调查船员对微小环境的满意程度，得到了修正后的PMV指标评价指标。运用修正后PMV指标评价周围微小环境，排除了船员的主观因素，能体现大部分船员在此环境内作业时将要表达出来的热感受，较为客观的评价船员周围的环境品质。

可以应用修正后的热舒适性模型，在实船上开展相关的试验，探索船员相对满意的、不依赖于理论公式以及模拟试验并排除了个人因素的温湿度环境控制指标。

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［9］GB/T 18977－2003，热环境人类工效学使用主观判定量表评价热环境的影响［S］．