基于生理参数的船舶舱室空调热舒适性研究

赵琳强，刘红敏，杜留洋

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

基于生理参数的船舶舱室空调热舒适性研究

赵琳强，刘红敏，杜留洋

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

[摘要]船舶空调舱室热舒适性是影响船员工作效率和生活品质的重要因素。文章分析了影响空调舱室热舒适性的诸多因素，讨论了PMV-PPD指标的作用及其运算方法。综述了国内外基于生理参数的人体热舒适现状，提出运用现场问卷调查与客观生理参数测量相结合的研究方法，来确定适合针对船舶特殊环境的热舒适标准。指出生理指标在评价工作效率和人体健康方面具有重要价值。

[关键词]船舶空调;热舒适性；生理参数

收稿日期：2015-4-15

资助项目：上海市教委科研创新项目(14YZ116)；上海海事大学校基金项目(20130483)

作者简介：赵琳强(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：空调热舒适性研究。Email：zhaolinqiang90@163.com

文章编号：ISSN1005-9180(2015)04-036-06

中图分类号：TU831

文献标识码:A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.007

Abstract：Thermal comfort of air-conditioned marine cabin is the important impact factor of the crew working efficiency and quality of life.Influence factors of thermal comfort of air-conditioned marine cabin are analyzed and discussed the role of PMV-PPD index and method of operation.Reviews the research status of using physiological index to evaluate human thermal comfort.Put forward the research method combined with field survey and objective physiological parameters measurement to determine the suitable standard of thermal comfort for the special environment of the ship.Points out that the physiological index has great effects on evaluating human work efficiency and long-term health.

Research by Using Physiological Parameters to Evaluate Air

Conditioning Thermal Comfort of Ship Cabin

ZHAO Linqiang，LIU Hongmin，DU Liuyang

( Shanghai Maritime University，Shanghai 201306 )

Key words:Marine cabin air-conditioning;Thermal comfort index;Physiological parameters

0引言

船舶航行于世界各海域，气象条件复杂，气候多变，为了使船员、旅客有一个舒适的生活、工作环境，利用空调技术能够在舱室内创造一个适宜的人工气候，现今船舶大都设有空调装置。船舶空调一般是为满足旅客对舱内环境舒适的需求，属于舒适性空调。而船员的身心健康和工作效率极其依赖于船舶舱室的舒适状况。

为了船员工作保持高效率，就要保证舰船上人员维持饱满的精神状态和良好的身体状况，这就要求对其工作、居住等活动空间内的环境条件提出较高的标准，要保证舱室环境的热舒适性。研究热舒适性就要从人的生理和心理出发,全面研究热舒适性在环境因素综合作用下的响应机理。然而热舒适性定义没有任何物理量限定，因为人的热舒适性是受到外界环境、个人的活动状况、生理、心理等主观感觉等多种变量影响的复杂问题。其中，针对不同的研究对象，选择什么评价指标以及如何合理确定该指标所需热环境参数取值或取值范围，对热舒适问题研究有着重要的影响。但由于研究场合、气候、人种群及其着装等因素的差异会造成各个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，因而国际上民用建筑领域的热标准在不同地区的通用性和准确性并不确定。考虑到船舶舱室环境与一般民用建筑的差异性，直接引用民用建筑对热环境控制参数更未必能满足船员对环境控制的需求。而国内外研究船舶空调系统热舒适性的文献资料很少，使得船舶空调的热舒适评价研究的意义极为重要。尤其是在大量通过舒适性问卷调查的研究分析之后，通过对生理参数的研究更是拓宽了人们对舒适性的研究视野。

1影响船舶舱室热舒适性的因素及评

价指标

1.1影响船舶舱室热舒适性的因素

船舶舱室内的空气基本参数主要是根据船员舒适感要求来确定。对人体舒适性的研究涉及到船体结构，围护结构材质，人体热调节机理的生理学和心理学等学科。研究表明，影响人体舒适性的环境参数主要有空气温度、气流速度、空气清新度、空气的相对湿度及平均辐射温度等因素。

目前，在满足人体热舒适要求的前提下，我国船舶空调普遍参照GB*/Z 330-83[1]进行设计，其中相关参数见表1.1。

表1.1我国船舶空调设计标准

参数室内温度(℃)室内外温差(℃)相对湿度(﹪)新鲜空气量(m3/h·人)风速(m/s)舱外温度(℃)舱外相对湿度(﹪)夏季24-286-1050-6030-500.2-0.33580冬季19-226-1040-5030-500.1-0.2-1850

考虑到舱室内管路设备布置繁杂，舱室内空间狭窄等诸多因素，空气流速的均匀性不易实现，不能作为可有效控制的环境参数，因此针对船舶舱室热环境控制的特殊性，初步确定了主要对船舶舱室内温湿度进行有效控制，使舱室内的热环境参数达到舒适性水平，以满足船员对船舱环境热舒适性的要求。这是现在船舶空调设计的主要两个参数。不同活动状态下，船员相对较为满意的温湿度环境参数不同，通常是随着活动量的增加，对温湿度参数控制的要求越高(这可能与船员劳动时衣物增减不及时有关)[2],具体见表1.2。

表1.2在不同活动状态下船员相对较为满意的温湿度参数

船员活动状态局部温度/℃局部相对湿度/%坐姿休息16～2740～75坐姿活动17～2645～70轻度活动17～2645～75中度活动20～2545～65

1.2热舒适评价指标

1984年国际标准化组织(ISO)提出了室内热舒适性量化方法，确定用PMV和PPD指标来描述和评价热环境。这一指标代表了对同一环境绝大多数人的舒适感觉,因而得到了大多数学者的认可。

PMV-PPD指标：该评价指标由丹麦的Fanger教授根据人体的热平衡提出的，他认为在稳态环境下，能建立以下人体热平衡方程：

人体产热-对外做功消耗-体表扩散失热-汗液蒸发失热-呼吸的显热和潜热交换=通过衣服的换热=在热环境内通过对流和辐射的换热

(1)

此外，Fanger还提出只有同时满足舒适所具有的皮肤平均温度和最佳的排汗率，人体才能处于热舒适的状态下。通过将人体热平衡方程式与方程中每个变量表达式相结合，得出了著名的舒适方程(2)。

-(tr+273)4]+fcl∂c(tcl-ta)}

(2)

(2)式中，M为人体新陈(能量)代谢率，决定于活动量大小，W/m2；A为人体表面积，m2；η为对外作功系数；W为人体所作的机械功，W/m2；Pa为人体周围空气的水蒸气分压力，Pa；fcl为穿衣人体外表面积与裸身人体表面积之比；tcl、ta和tr分别为衣服外表面温度、人体周围空气温度和环境平均辐射温度，℃；hc为对流换热系数，W/m2℃。

根据以上关系，可推导出热舒适的数学表达式如下：

PMV=(0.303e-0.036M+0.028){(M-W)-3.05×10-3×[5733-6.99(M-W)

-Pa]-0.42×[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M×(5867-Pa)-0.0014M

(34-ta)-3.96×10-8fcl×[(tcl+273)4-(tr+273)4-fclhc(tcl-ta)}

(3)

fcl，Tcl，hc 由以下方程决定:

Tcl=35.7-0.0028(M-W)-Icl{3.96×10-8fcl×[(Tcl+273)4+fclhc(Tcl-T)}

(4)

当Icl>0.078,fcl=1.05+0.645Icl当Icl≤0.078,fcl=1.00+1.290Icl

(5)

Icl—衣服热阻,m2℃/W。

(6)

就船舶而言，这6个参数的取值可以参照下列范围：M=46～116W/m2；Icl=0.04～0.70m2·℃/W；ta=18～28℃；tr=10～30℃；Var=0～2m/s；Pa=0～3600Pa

PMV的判断标准如下：

表1.3PMV七点式生理感觉标尺

热感觉热hot暖和warm稍暖和slightlywarm适中、舒适neutral稍凉快slightlycool凉快cool冷coldPMV值+3+2+10-1-2-3

图1.1　ISO(DIS 7730)中PMV-PPD关系图

同时，大多数人表示满意的热环境存在生理等方面的差别，仍有人感到不满意，因而用预期不满意率PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)指标来表示对热环境的不满意度，即对当前热环境仍不满意的人数在总体人群中所占的百分数。PPD和PMV之间的关系见式(7)和图1.1。

PPD=100-95exp[-(0.03353×PMV4+0.2179×PMV2)]

(7)

根据ISO 7730[3]：室内环境保持舒适时，PPD﹤10%，-0.5﹤PMV﹤+0.5。

2基于生理指标的人体热舒适、工作

效率和长期健康研究

人体能够感受外界的温度变化是因为在人体皮肤表层中存在温度感受器,当它们受到冷、热刺激时就会向大脑发出信号,从而产生对应的冷感觉和热感觉。近来国外的研究者把更多的生理参数引入稳态热舒适实验中,得到了一些结论。1981年，Hense 证实人体皮肤温度变化率会对大脑产生刺激信号[4]，指出人体能够感受外界温度的变化，是因为人体皮肤层中存在感受温度刺激的冷热感受器，冷感受器的分布密度要明显高于热感受器，且埋深较热感受器浅，因此人体对冷刺激更为敏感。1984年，Madsen 用计算机模拟人体的皮肤温度感受器，证实对大脑产生最强刺激的信号发生在0.5 Hz左右，这与Pedersen的实验结果是一致的[5]。

Ivanov 认为，体温调节系统主要是为了维持体温在热中性区域的动态稳定，是人体内部热波动(平均温度)的结果[6]。Bulcao等研究了人体核心温度和皮肤温度变化对人体热舒适的影响，通过恒温水床改变人体皮肤温度、静脉注射冷流体改变人体核心温度来研究两者关系，认为人体皮肤温度改变1℃引起的热舒适感觉变化与核心温度改变1℃产生的影响相同[7]。Zingano通过分析洗浴水的适宜温度，间接确定人体热舒适的中性温度，得出在马拉维热舒适区域的中性温度为24.6℃[8]。

Kazuyuki Kano sue 等人利用多功能磁共振图像研究了人们在冷暴露条件下(8℃)大脑皮层区域的活动,指出人们越觉得不舒适,大脑双侧扁桃体的血氧依赖性水平就越高[9]。Naoe Nishihara 等人指出,使用近红外光谱仪测量脑血流量可以反映人大脑的活跃程度和脑力劳动程度,脑血流量可以用来评价人们对于工作的心理需求[10]。此外,Hitomi Tsut sumi等人研究发现受试者的眼睛泪膜破裂时间(break up time)越短,受试者的工作效率越低[11]。Hansen 等人研究得出,在工作记忆力测试和连续的能力测试中,HRV指标高的人群比HRV指标较低的人群有更高的正确率和更快的反应速度[12]。

国内的相关研究虽然开始的晚，但成果却非常显著。2003年[13]，陈晓春从生理学和心理学的角度分析了热舒适产生的过程，探讨了热舒适、健康及环境之间的关系，指出稳定、舒适的环境不一定有利于健康。牛润萍[14]和刘欧子[15-16]等对热舒适和室内空气品质研究的历史和现状做了综述,并展望了该研究的发展趋势。重庆大学李百战教授热舒适课题组[17-19]自2005年以来，对室内环境与人体热舒适进行了大量研究。其中对人体热反应生理参数进行了重点研究，包括神经传导速度(MCV运动神经传导速度、SCV感觉神经传导速度)、肌电诱发电位、事件相关电位P300、血压、心率、皮肤温度、体温、出汗等。

姚晔等研究发现,随着热不舒适度和冷不舒适度的增加,心率变异性(heart rate variability,HRV)和脑电波较舒适状态下均有显著性差异,并指出HRV和脑电波可能可以用来评价人体的热舒适。我国一些研究者对脑电、心电、体感诱发电位、心率变异性等与热刺激信号之间的关系进行了研究,试图建立人体生理反应参数和人体主观感受的联系,从而建立用生理参数来评价人体舒适性的客观评价体系[20-21]。徐小林等研究了热舒适范围内出汗率、皮肤温度、运动神经传导速度(motion conduction velocity,MCV)、感觉神经传导速度(sensation conduct ion velocity,SCV)、血压、脑电图、心电图等生理指标和人体主观感受的关系[22-24]。同济医科大学研究证明，在稳态热环境中，皮肤温度变化与人体舒适感密切相关(P < 0.01)，皮肤温度对冷热刺激反应较大，在舒适情况下比脉率、体温、出汗量等生理指标更为敏感，可以认为皮肤温度是人体热舒适的生理基础[25]。纪秀玲等认为可以用皮肤温度下降率 tslope来评价人体对所处环境的热感觉[26]。

上海交通大学叶晓江等，从医学、动物生理学角度研究了不同温度(21～29℃)暴露下心率变异性(HRV)和人体热舒适的关系，指出偏冷和偏热环境下均会造成HRV指标的增加[27]。连之伟课题组将热舒适与医学生理指标相结合，提出采用心率变异性(HRV)和脑电波(EEG)等生理参数来客观评价人体的热舒适度。HRV主要用于反映交感神经和迷走神经的兴奋状况和张力变化，EEG则用于记录大脑的活动状况。当人体处于热舒适状况时，交感神经与迷走神经的兴奋程度保持平衡，体温调节活动很弱，此时，反映人心情愉悦、舒适的α波占主导地位。试验证明，这两个生理参数都可作为有潜力的客观指标来评价人体热舒适度[28]。

3讨论与分析

3.1关于用生理指标来评价人体热舒适

综上所述，这些研究成果虽然明确了相关生理参数可以体现人体的生理和心理表现，但在评价人体热舒时都没有揭示生理参数与人体热舒适性之间的定量关系,还无法通过生理参数测试判定居住者在某一热环境下的舒适程度。并且以上文献用生理指标来评价人体热舒时，人们在舒适度不同的情况下,有些生理指标是有差异的。还有尽管现在生理测试技术比较发达,但用生理测试手段替代主观问卷在操作上也更为繁杂,成本也高了很多,再加上生理测试需在实验对象的身上布置测点或探头,势必会对受试者产生一定的心理影响,从而影响其真实的舒适性。由于人体本身存在自我调节能力,当PMV从1变到-1时,人的热感觉明显变化,但生理指标的变化却并不显著,甚至会在仪表的测量误差范围之内。在“热环境-生理参数-热舒适”客观评价模型应用于某一热环境时,若根据生理参数判定居住者在此环境下是舒适的,但他表述的真实感受却是不舒适,选择哪一个作为标准是难以抉择的。但值得肯定的是,在热舒适实验中引入生理参数测试,为热舒适和热感觉的机理研究提供了新的途径。

由于热舒适研究的目标是要掌握“热环境-热感觉”的关系,因此生理参数只是一个中间变量，探索生理指标变化的目的并非在于通过生理参数来确定人的舒适性规律,而在于揭示人体对热环境的反应机理及其生理调节规律,以合理解释主观问卷统计得出的关联规律,使其更加可信。因此,热舒适研究方法还是应该以主观问卷投票为主,结合生理参数指标辅助，用投票统计确定定量关系而用生理测试作定性分析。

3.2关于应用生理指标评价工作效率和长期健康的看法

热舒适性研究主要是为了确定合适范围的环境参数来保障人的生活工作舒适和身体健康的，工作效率的高低经常是难以通过主观的表达来描述的,无法通过主观问卷得到答案。再加上由于测试的时间有限,热环境对实际工作效果的影响经常很难从短期测试中明确显现出来。例如,在实验对象从开始疲劳的一段时间里虽然工作效率还没有下降但却可以从生理参数中反映出疲劳现象的迹象。这就需要一方面考察人们的实际工作效果同时进行生理测试。通过人们的工作表现并结合生理测试来评价热环境对人们工作效率的影响才能更客观、综合地评价热环境与工作效率的关系。

至于人体是否处于一种健康状态,仅仅依靠自身主观的描述是难以准确判断的,通常需要依靠生理指标参数测试来给予准确判断。随着近几年来稳态空调的不足越来越显著,人们对动态室内环境的追求越来越强烈。现在已有很多船舶空调的设计者采用生理学实验的方法针对短期动态热环境下人体的热反应进行研究。但动态热环境与稳态热环境对人体的生理反应、调节规律的长期影响有何不同,还没有定论;长期处于动态热环境是否有利于保持人体的免疫力及热调节能力,是否有利于人体的身心健康,都需要结合生理参数的测试才能给出可信的答案,这将为今后是否应该采用动态空调控制手段来取代现有的稳态空调控制研究提供理论基础。

4结论

综上所述,生理指标参数在工作效率、人体长期健康的评价上有重要的价值,但在热舒适的评价上,若抛开主观投票来建立基于生理指标的客观评价体系,是难以得到科学准确的结论的。因此,在今后的人体热舒适、工作效率、长期健康评价研究中,可以结合生理参数测试。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,而生理指标(出汗率,HRV等)测试可作为辅助的定性分析研究方法来确定适合中国人自身特点、针对船舶特殊环境的热舒适标准。在人体工作效率的评价研究中,生理指标(如脑电波、脑血流量等反映人们精神状况的指标)测试可以作为定量研究方法的一种,与测试人员工作效率的实验并重。在人体长期健康的评价研究中,生理指标(如HSP)测试可作为主要的定量研究方法,询问受试者的健康感受一类的问卷调查可作为辅助判断的研究方法。

致谢

本文得到上海海事大学校基金(20130483)和上海市教委科研创新项目(14YZ116)的支持和赞助。

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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