船舶区域舱室复合环境综合评价方法研究

2018-05-02胡莹颖张祥瑞

船舶 2018年2期

胡莹颖张祥瑞林壮李平

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨 150001；2.中国船舶及海洋工程设计研究院上海 200011）

引言

近年来，人们对于船舶居住性的要求越来越高。设计人员希望实现船员物质生活与精神生活的双重保障，因此对舱室环境舒适性进行了深入研究。但这些研究多集中于单舱环境或某一环境因素对舒适性的影响，舱室环境之间的互相影响及舱室相对位置与环境的关系鲜为人知及关注。传统方法是通过后期手段来使舱室环境达标，而优秀方案则应在设计阶段就将环境因素考虑进去，将不同舱室环境之间的消极影响降至最低。前期以区域复合环境评价来选择最优的布置方案就是一种可行方法，此法有助于创造出有益于船员身体健康、提高工作效率的良好舒适舱室居住环境。

1 环境因子分析

舱室环境主要包括热环境、空气品质、通风、光环境、声环境、振动等，每种分类下面还有更为具体复杂的环境指标。这些指标不可能全面评价，否则不仅带来繁杂的工作量，最终还不能保证评价结果的准确性。本文依据目的性、可行性、系统性、定性定量相结合原则，选取温度、光照、通风、噪声为主要研究对象，其中通风、光照特指受舱室布置位置影响的自然通风和自然光照。

船舶生活区域舱室多为空调舱室，通过空调出风保持温度和通风量，开窗时室外空气虽会对室内温度造成一定波动，但自然通风时间短暂，此波动可忽略不计；而通风一定程度上会影响噪声，但与船舶结构噪声相比也可忽略不计。此外，其他因子之间并无明显相关性，因此在研究区域舱室复合环境时可认为温度、光照、通风、噪声四种因子是互相独立的。

1.1 温度

本文涉及的是船舱内部生活区域各舱室间热交换问题，可以简化模型为：忽略室内家居设备对舱室温度的影响，将舱室温度设为一稳定值，以舱室为基本单位进行研究。一个舱室的影响范围为上下左右舱室以及走廊对门舱室。由于空气的传热系数很低，对门舱室的影响可以忽略不计。研究区域为同一平面舱室，因此默认上下舱室温度为一定值。最终得到相邻舱室间的温度交互影响模型见图1。

内舱壁附近温度tω1,2

式中：λ为舱壁导热系数，W/（m·k）；δ为舱壁厚度，m；h为对流换热系数，W/（m·k）。

图1 相邻舱室模型

在对房间热环境进行评价时，主要考虑室内空气温度和周围表面平均温度两个因素［1］。参考文献［2］中提到可把当量温度td当作人体热舒适性的指标。当量温度用式（2）计算：

式中：tn为室内空气温度，℃；tf为周围表面平均温度，℃。

tf用式（3）计算：

式中：Fi表示各内表面面积，m2；ti表示舱室各内表面温度，℃。

1.2 光照

光环境是舱室内环境的重要构成要素，对人体生理健康和精神状态具有重要的影响。室内光源一般可以分为自然光和人工光两类。利用大自然的阳光永远都应是室内环境的首选。自然光照的重要性可总结为以下几点：

（1）尽管利用自然光和人工光都可以创造良好的光环境，但单纯依靠人工光源需要耗费大量常规能源，间接造成环境污染，不利于生态环境的可持续发展。而利用自然光可降低建筑照明能耗。

（2）太阳光是人们日常生活中能找到的综合性能最优的光，具有亮度高、光色全和显色性优等一系列优点，同时还具有强大的化学作用如：杀菌、促进人体产生维生素D等。［3］

（3）人类由自然界中进化演变而来，人眼作为视觉器官，最能适应的是自然光。人工光源不具备自然光那样连续的光谱，各种波长光的组成比例也存在缺陷，时间久了容易让人产生视觉疲劳。

（4）光照不仅是可视的，更是可感的。一方面，在心理要求上，人们容易对那种单调死板的均匀照明方式产生厌倦，而对富有光影跃动、层次鲜明的室内光照感到愉悦。自然光丰富多变，不同时段和不同季节光线的变化能为舱室内部创造丰富的光影层次，呈现鲜明的视觉功效，使室内人员得到视觉和心理的双重满足；另一方面，如果舱室没有自然光进入，船员与外界长时间隔离开来，感受不到自身时间与空间的变化，很容易产生心理失衡。美国学者RuyS就曾针对此问题进行过一项调查，调查对象是在全靠人工照明的无窗办公室内工作的女办事员，结果显示：139位受访人员中有47.5%认为没有窗户对她们产生了非常恶劣的影响，这些影响有70%来自心理方面；除此之外，89%的办事员希望有窗户。［4］由此可见，自然光照是室内人员与外部自然环境进行联系的纽带，是保证人的工作效率、身心舒适健康的重要条件之一。

船舶生活区域不仅是船员工作、学习、生活以及活动的场所，也是休闲、睡眠的地方。因此，在条件允许的情况下应尽量把生活舱室靠近外墙布置，通过舷窗来引入自然光照，使船员达到视觉满意舒适和心情愉悦。

1.3 通风

通风可分为自然通风和机械通风。随着科技的发展，船舶机械通风系统已能满足不同功能舱室换气次数要求。然而在船上生活时，自然通风与船员的生活质量息息相关，这也是设计师在舱室布置阶段不可忽略的因素。

与机械送风相比，自然风的气流更易使人们感到风速的起伏波动，符合人体生理节律的“1/f波动”规律，可使人产生清新、自然和舒适感，减弱空调吹风的单调感和疲劳感［5］，并缓减 “空调病”带来的代谢功能下降以及抵抗力减弱等症状。由于长期生活在封闭舱室环境中，使船员对阳光明媚、轻风拂面的大自然更是充满向往。若舱室一侧设置窗户，在开窗通风的同时又能满足人们心理上亲近自然、回归自然的需求，更有利于身心健康。

一般可以用换气次数来衡量通风性能的优劣。换气次数的计算公式为：

式中：n为换气次数，次/h；Q为空气体积换气量，m3/s；V为舱室体积，m3。

除机械通风外，舱室窗户开启时由于热压和风压作用，会带来额外的换气量，且一般情况下自然通风效率要远大于机械通风，适当开窗能快速送入新鲜空气，稀释室内二氧化碳浓度并排出室内污染物。

自然通风下的换气量公式为：

式中：F为窗孔的面积，m2；v为空气流过窗孔时的流速，m/s。

1.4 噪声

本文将噪声舱室的影响范围划分为相邻舱室和走廊对门舱室。为研究区域舱室的声环境因子交互影响，针对相邻舱室情况建立以下模型（见图2）。

图2 相邻舱室模型

声源室的声压级按以下公式［6］计算：

（1）声源室房间常数R

式中：S为房间内表面积总面积，m2；为内表面平均吸声系数。

（2）混响场声压级式中：

为混响场声压级，dB；LW为室内噪声源总声功率级，dB；R为房间常数。

（3）直达场声压级

（4）测点总声压级：

接受室声压级按下述步骤计算：

（1）接受室房间常数Rr；

（2）声源室通过舱壁传入室内的声功率级。

TL的计算公式为：

（3）总声压级Lpr。

若有n个声压级叠加，那么总声压级

对于走廊对门舱室，建立简化模型（如图3所示）。可以把走廊对门舱室模型看作双层隔声墙连接的两相邻舱室模型，其中双层隔声墙结构中的空气层厚度（即走廊宽度）默认为1.2 m。查找双层钢板隔声墙的平均隔声量数据见表1。

图3 对门舱室模型

表1 钢板双层墙的平均隔声量

钢板本身就具有良好的隔声性能，由钢板组成的双层墙更是如此。从表1数据可见，仅1 mm左右厚钢板加上70 mm厚空气层组成的双层墙隔声量就已达到40 dB以上，由于隔声量分别与空气层厚度、钢板厚度成正比，而简化模型中的双层墙隔声量远高于40 dB，因此声源室对走廊对门舱室的影响可忽略不计。

2 综合评价原理及步骤

模糊综合评价是对受多种因素影响的事物作出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法。本文旨在从多个设计方案中选择最优设计，故应用模糊数学进行综合评价的具体过程为：

（1）确定评估的因素集：U={u1，u2，u3，u4}，其中：u1为舱室温度；u2为光照；u3为通风；u4为噪声。这 4个因素的权重A=（a1，a2，a3，a4）需根据不同舱室环境要求予以确定，且

（2）评判集V={v1，v2，…，vm}表示m种布置方案。

（3）建立单因素评判矩阵。因素与方案之间的关系可以通过建立隶属函数，用模糊关系矩阵R=（rij）m×4表示。单舱的单因素评判矩阵为：

式中：x、y、z、w分别表示温度、光照、通风以及噪声的隶属度。本文采用指派方法来确定相关的隶属函数。

（a）温度的隶属函数

参考文献［6，8］中环境温度相对于舒适级别的模糊统计表、PPD统计结果以及规范中的温湿度要求，温度的隶属函数选择中间型正态分布，具体表达为：

（b）光照的隶属函数

光照分为人工光照和自然光照。人工光照与舱室布置位置无关，可默认为一固定值，本文假设每个待评估舱室人工光源布置均达到合格水平，隶属度为0.6。自然光照与舱室布置位置相关，且对船员身心的影响是定性分析，隶属函数选择0-1分布：

A={存在自然光照}。

经过调查，人工光照和自然光照权重分别为0.6和0.4。按照上述描述，封闭舱室的光照隶属度应为0.6，带窗孔舱室的隶属度应为1。然而裸船体阶段下，默认光照没有经过精心布置与设计，仅满足照明要求，因此要对原先数值进行调整，统一取0.6倍，最终结果为：

B={舱室带有窗孔}。

（c）通风的隶属函数

根据不同功能舱室的换气次数指标要求，换气次数的隶属函数选择偏大型梯形分布，函数表达式分别为：

不少于5次/h：

不少于15次/h：

不少于20次/h：

（d）噪声的隶属函数

不同国家、不同规范中的噪声要求不同，没有统一标准。本文根据不同舱室噪声指标要求，将生活区域舱室划分为三类，最大噪声极限值分别取50 dB（A）、55 dB（A）和60 dB（A），噪声隶属函数选择偏小型k次抛物型分布。函数表达式分别为：

最大噪声极限值为50 dB（A）：

最大噪声极限值为55 dB（A）：

最大噪声极限值为60 dB（A）：

将方案中相关舱室预测的数据带入各隶属函数公式中，就能获得相应的隶属度。

（4）单舱评估。不同功能的舱室各环境因子权重不同，用加权平均模型M（·，+）计算得到单舱的综合评估结果。

按最大隶属原则，若m个值中bx为最大值，即说明第x个布置方案中该舱的综合环境最优。由于本文研究的是一个区域的综合环境，个别舱室环境最优不代表整个区域环境最优，因此，还需按照上述方法求得所有待评估舱室的评估结果。

（5）综合评估。研究复合环境的最终服务对象是人，因此待评估舱室都是与船员生活需求较为紧密的舱室。设共有n个待评估舱室，则总评判矩阵为：

按照船员对不同舱室的生活需求强度，确定不同功能舱室在整个生活区域内所占比重，得到权重。综合评估为：

与单舱评估一样，在最终评估结果中选取最大的数值，其对应的方案就是能实现区域复合环境最优的布置方案。

3 模型验证

假设生活区域模型如图4所示，选取三种布置方案（见图5），方案中的相关参数设定如下页表2。

图4 模型示意图

图5 舱室布置方案

（1）每个单独舱室初始温度为定值。舱室上下表面温度均为27℃，通道温度为29℃，大气温度为35℃。

（2）将区域外部环境带来的噪声值设为舱室自带声源，10个可布置区域的数值设定见下页表3。

以上10种舱室类型中，风机室和空调器室均属于声源室。参考空调设备和风机装置辐射声功率级资料，计算得到风机室传入相邻舱室的噪声为59.60 dB（A），空调器室传入相邻舱室的噪声为65.01 dB（A）。

表2 舱室基础参数

表3 自带声源值

（3）假设1号、7号与8号布置区外舱壁上带有窗孔，窗孔尺寸为560 mm×400 mm，开窗时空气以1 m/s的稳定速度经过窗孔。根据式（5），自然通风能为1号、8号舱室额外带来每小时12次的换气次数，为7号舱室额外带来每小时14次的换气次数。考虑到船舶在实际航行时，窗孔不可能始终开启，所以除卫生间、盥洗室和淋浴房外，其他待布置舱室的自然风换气次数取始终开启状态下的1/5。对于没有窗孔的其他布置区，仅存在机械通风，并设定换气次数对应于规范标准中的最小值。

（4）舱壁材质为钢板，厚度为3 mm，钢板的导热系数为50 W/（m·k）。区域左侧靠近船尾，右侧靠近船首。

根据环境因子的物理特性和规律，分别计算3种方案下的区域环境值（参见表4）。其中光照为定性分析，没有具体数值，不参与计算。

表4 各方案环境值

得到每个方案对应的舱室环境值后，代入各个环境因子的隶属函数中，便获得相应的隶属度。同时用yaahp层次分析软件计算环境因子权重如表5。

表5 舱室环境因子权重比

按综合评价步骤对3个方案进行评价，获得最终结果为：

按最大隶属原则可知，2号方案最优，3号方案较差。最佳方案中舱室位置符合实际舱室布置规律，如：会议室远离船尾布置以减少噪声和振动影响；设备舱室远离居住舱、休闲舱布置；对通风量有较大要求的舱室靠近船舷布置，利用自然通风加快室内换气速度；工作与活动舱室靠近船舷布置，防止船员长时间在封闭环境中产生心理烦躁、工作效率降低等一系列不良反应。此结果验证了评价结果的准确性和评价方法的可靠性。