（制冷及低温工程专业论文）热舒适条件下的船舶空调节能研究.pdf

卜海海事人学t 学硕j ：学位论文摘 要 摘要 我国“十一五”规划关于推进工业结构优化升级中明确指出：要加强我国的 船用装备配套能力。发展船舶空调系统生产设计和运营管理是加快我国船舶建造 业，提升我国航运业竞争力的重要举措；同时加强船舶节能技术应用，是节约我 国匮乏能源，合理利用资源，利国利民的百年大计。本文的研究是建立在国家发 展所需、入民生活所向之上的关注舱室环境舒适和节能的综合性课题研究。 国内外大量的陆上研究表明，室内热环境对人的身心健康和工作效率有着重 要的影响，多变的海上气象，复杂的舱室环境，不同背景的船上人员，这些因素 是否会导致船舶舱室热舒适与陆上建筑之间的差异? 而又如何在保证热舒适的前 提下，尽可能的做到节能? 本文以热舒适和节能为最终目标，通过对空调系统设计参数的优化、气流组 织的改进和先进控制原理的应用研究为线索，选用航行于东海海域的短途豪华游 船为参照，进行了系统的研究。在热舒适理论研究方面，选用p m v 指标作为评价 指标，分析了各环境变量对p m v 指标和系统能耗的影响；结合m a t l a b 编程计算 p m v ，给出了我国船舶空调设计可选用的参数优化组合范围。现场研究方面，经 过对实船调查数据的整理，研究了人员背景对热感觉投票的影响，其中包括人员 性别、年龄、职业、着装等方面的研究和分析；经拟合得出了船舶各舱室的室内 热中性温度；分析得出由于服装热阻和新陈代谢率的选取不当，造成了p m v 计算 值相对t s v 值存在较大的偏离，经拟合二者差异得出修正方程，采用修正计算方 法可减小p m v 计算值与t s v 之间的差值：讨论了室内温度和热感觉对船员工作 效率的影响，经过拟合得出了工作效率较高的室内温度和热感觉投票范围。在舱 室环境模拟上，针对实船原有送风方式存在的不足，提出了三组改进方案，根据 a i r p a k 模拟结果对各组方案的送风效果进行了分析；模拟了下送上回方式下的舱 室温度场、气流组织和人员热舒适。在空调控制方面，提出了三种不同的船舶空 调系统可采用的热舒适指标控制方案；运用s i m u l i n k 进行仿真，对比了传统p i d 定温控制和p m v 指标神经网络控制的性能优劣。 关键词：船舶空调；热舒适；节能；参数优化；控制 - i _ j - 海向每人学t 学坝i 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i t si n d i c a t e di nt h e “e l e v e n t hf i v ey e a rp l a n ”t oo p t i m i z ea n du p g r a d et h e i n d u s t r i a is t r u c t u r ei no u rc o u n t r y , w em u s ts t r e n g t ht h em a t c h i n gc a p a b i l i t yo f m a r i n ei n d u s t r y i m p r o v i n gt h es h i p d e s i g n ，b u i l d i n ga n d o p e r a t i o n i sv e r y i m p o r t a n ta c t i o nt oe n h a n c eo u rc o m p e t i t i v e n e s si nt h ei n t e r n a t i o n a im a r k e t a n d i t sap r o j e c to fl a s t i n gi m p o r t a n c et os a v ee n e r g ya n dr e s o u r c e sb yi m p r o v e m a r i n ee n e r g ys a v i n gt e c h n o l o g yi nc h i n a b o t hf o rt h ed e v e l o p m e n ts t r a t e g yo fc o u n t r ya n dt h en e e d sf r o mp e o p l e s i i v i n g ，t h i sr e s e a r c hp a ya t t e n t i o nt ob u i l dah e a l t h ya n dc o m f o r t a b l ei n d o o r e n v i r o n m e n to ns h i pw i t hai o w e re n e r g y c o m n s u m p t i o n a l t h o u g hl a r g e n u m b e r so ff i n d i n g si nh o m ea n da b o r a ds h o w e dt h ei n f l u e n c eo fj n d o o rt h e r m a l e n v i r o n m e n to nh u m a n sh e a l t h ya n dw o r ke f f i c i e n c y , t h ec l i m a t e sv a r i a b i l i t yo n t h es e a ，t h ec a b i n sc o m p l e x i t ya n dd i f f e r e n c eo fp o p u l a t i o nw i l im a k et h e s i t u a t i o nm o r ed i f f e r e n tf r o m 廿a to ni s l a n d h o wc a nw es a v ee n e r g yu n d e ra t h e r m a ic o m f o r t a b l ec o n d i t i o n ? w i l ht h e s eq u e s t i o n s 。as h i ps a l i n go nt h ee a s to c e a nw a st a k e nf o r r e s e a r c h i n g ，t h ed e s i g np a r a m e t e rw a so p t i m i z e da n dt h ev e n t i l a t i o na n dc e n t r e i s y s y t a mw a si m p r o v e d w h i c hi e a d st oas y s t e mw i t hh i g ht h e r m a ic o m f o r ta n d i o we n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h ea b s t r a c t t h ep m vi n d e xw a ss e l e c t e dt o e v a t u a t et h et h e r m a tc o m f o r t ，t h ei n f l u e n c eo fe n v k o n m e n tp a r a m e n to nt h e r m a l s e n s a t i o nw a sd i s c u s s e d 。t h ep m vi n d e xw a sc a c u l a t e du s i n gm a t l a b a n da n o p t i m a ld e s i g np a r a m e t e rg r o u pw a sr e c o m m e n d e d w n ha ni n v e s t i g a t i o n t h e r e a s o nw h yt h et h e r m a ls e n s a t i o nv o t ei sd i f f e r e n tf r o mt h ep r e d i c t e dm e a n v o t ew a sf o u do u t ，a n dt h i sp r o b l e mc a nb er e s o l v e dw i t hac o r r e c tf a c t o rf o r c l o t h i n gi n s u l a t i o na n dm e t a b o l i c r a t i o 。t h ed e v i a t i o nb e t n e e np m va n dt s v w e r em i n i s h e d ，t h ei n f l u e n c eo fi n d o o ra i rt e m p r e t u r ea n dt h e r m a ls e s a t i o no n w o r ke f f i c i e n c yw a sd i s c u s s e da n dt h ep r e f e r a b l et e m p r e t u r ew a sc a c u l a t e d t h eo r i g i n a lv e n t i l a t i o nm e t h o dw a sa n a l y s e da n d i m p r o v e dw i t hc f ds i m u l a t i o n ， a n dar e s u l tt h a td i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nh a saw e l lp e r f o r m a n c et h a nt h e o r i g i n a lo n e t h r e ed i f f e r e n tc e n t r e ip l a nw a s p u tf o r w a r da n dt h ep e r f o r m a n c e b e t w e e nt r a d i t i o n a it e m p r e t u r eb a s e dp i dc e n t r e ia n dp m vb a s e dn e u t r a i n e t w o r k c o n t r e lw a ss i m u l a t e dw i t ht h es i m u l i n ks o f t w a r e 一 k e y w o r d s ：s h i pa i r - c o n d i t i o n i n g ，t h e r m a lc o m f o r t ，e n e r g ys a v i n g p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，c o n t r o lm e t h o d - ：海海事人学t 学硕l 学位论文土要符呼 主要符号 人体表面积，i f 有效温度， 新有效温度， 穿衣人体外表面与裸身人体外表面之比 人体与室内环境对流换热系数，w ( m 2 x 2 ) 人体与室内环境辐射换热系数，w ( m 2 ) 服装热阻，c l o 新陈代谢率，m e t 或e l m e h 蒸汽压力，p a 水蒸气分压力。p a 预期不满意率( p r e d i c t e dp e r c e n t a g eo f d i s s a t i s f i e d ) 预期平均投票( p r e d i c t e dm e a nv o t e ) 相关系数 皮肤表面积，l n z 人体身高，t i n 时间，h 衣服外表面温度， 空气温度， 湿球温度， 黑球温度计指示值， 平均辐射温度， 皮肤温度， 中性温度， 热中性温度实测值， 湿球温度， 气流速度，m s 人体所作的机械功，w m 2 相对湿度， 人体对外傲功系数， v i - - + 、) t a盯酣岛k珥k m h州吼，&。b l n k l k l，岔叩 l ：脚向事人学下学硕 学位论文 图1 ，l 表i 1 图1 2 图2 1 表2 ，l 表2 2 表2 3 图2 2 图2 3 表2 4 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 表2 5 表2 6 图2 ，l o 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 表2 7 表2 8 图2 ，1 4 表3 1 表3 2 图3 ，l 图3 2 表3 3 表3 4 图3 r 3 图3 4 表3 5 表3 6 表3 7 图3 5 图3 6 图3 - 7 主要图表 诺莫图”3 我国船舶空调设计标准3 热舒实验究过程分析简图“7 a s h r a e5 5 - 7 4 中的e t * “1 3 标准有效温度和热感觉1 4 标准有效温度公式中的标准衣着的热阻随活动量变化关系1 4 p m v 七点式生理感觉标尺1 5 i s o ( d i s7 7 3 0 ) 中p m v - p p d 关系图1 5 p m v - p p d 与6 因素关系图”1 7 环境参数取值分布点- 1 7 不同平均辐射温度下空气温度对p m v 的影响1 8 不同空气温度下平均辐射温度对p m v 的影响一 不同空气温度下相对湿度对p m v 的影响一 1 8 1 9 不同相对湿度下空气温度对p m v 的影响1 9 不问空气温度下空气流速对p m v 的影响2 0 不同相对湿度下空气温度对p m v 的影响2 0 温度与空气流速组合( 相对湿度不变) ” 温度与相对湿度组合( 空气流速不变) 一 空调系统使用时间 2 1 - 2 l 2 2 直接蒸发使用率 满足热舒适的设计参数h 能优化组合计算流程图 舱室模型 2 2 2 3 2 3 不同温、湿度下的p m v 值”2 4 不同温、湿度下的系统负荷( w ) 2 4 p m v 与温度和相对湿度的关系2 5 各组环境参数平均值2 8 调查表热感觉调查依据2 8 受试人员身份状况2 9 受试人员年龄分布2 9 我国标准推荐的热环境测试要求、方法和仪器“2 9 船舶舱室热舒适调查现场测试选用仪器一2 9 热环境参数测量仪器- 3 0 四组环境下热感觉投票分布 各组热感觉投票 r - 3 1 - 3 1 组i i 热感觉投票3 l 不同舱室的热舒适投票”3 2 乘客表着投票 受试人员环境偏爱投票 不同年龄组期望的环境变化 _ 、，i 【- 3 3 - 3 4 - 3 4 土萤幽表 表3 8 各舱室t s v p m v 与室内空气温度拟合方程 图3 8t s v p m v 与室内空气温度拟合曲线 - 3 5 - 3 6 表3 9a s h r a e5 5 - 9 2 中服装热阻与其他计算方法拟合方程3 7 图3 9不同着装与热感觉投票 图3 1 0 两种p m v 计算精确性对比 图3 1 1工作人员不同活动状态下的热感觉投票 图3 1 2 两种p m v 计算精确性对比 图3 1 3 工作效率与室内空气温度的关系 图3 1 4 工作效率与热感觉投票的关系 3 9 4 0 - - 4 1 图3 1 5m c i n t y r e 的工作效率与温度关系预测图4 2 图4 1 c f d 模拟理念4 5 图4 2 舱室模璎示意图4 7 表4 1舱室内人员及物品位置与尺寸 表4 2t 一紊流模型经验常数 图4 3 舱室壁面网格 图4 4 模犁截面网格 图4 5测点位置 图4 6 空气温度模拟值与实测值比较 图4 7 空气相对湿度模拟值与实测值比较一 4 7 4 9 5 0 - 5 l 5 1 5 l 5 2 图4 8 空气流速模拟值与实测值比较5 2 图4 9 模犁收敛性验证” 图4 1 0 表4 3 原有方案模拟结果 改进方案 - 5 4 - - 5 5 图4 1 l 改进方案模拟结果5 6 表4 4上送下同送、回风口位置 图4 1 2 下送上同模犁图 图4 1 3 下送上同温度场模拟结果5 8 图4 1 4 下送上回p m v 模拟结果 图4 1 5 图5 1 下送上回空气流速场模拟结果 热舒适控制概念 图5 2热舒适传感器元件 5 8 5 8 “6 0 图5 3双位控制原理图 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 比例控制原理图 传统空调控制系统与基于p m v 的c i 控制系统比较 船员舱室以p m v 为指标的p i d 控制 自适应神经网络学习流程图 6 l 6 1 6 2 6 4 6 5 图5 8 基丁：p m v 指标的模糊控制流程图6 6 表6 1 公式偏导项定义公式 图5 9 神经网络控制器模型。 图5 1 0 室内温度仿真结果对比 ，- - 6 9 -rr t - 7 0 7 1 图5 1 1p m v 仿真结果对比“7 2 图5 1 2 能耗仿真对比 一v i l l - - 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：竹日期：三逸生垆 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名： 导师繇猢吼掣甲 上海海事人学1 ：学硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 船舶空调系统自1 9 世纪末开始得到应用至今，已经成为船舶设备中不可缺少 的组成部分。空调系统通过对室外空气的一系列处理，确保舒适健康的舱室微气 候环境，为船上各种设备的正常运转建立保障。 船舶空调热舒适研究以船上人员为核心，在满足热舒适评价指标( t h e r m a l c o m f o r t i n d e x ) 对室内空气状态要求的前提下，通过空调系统创建良好的室内环境， 以求提高船员的工作效率，愉悦船上乘客心情，大幅降低人们海面工作和海上旅 行的劳累感。另外，船舶暖通空调的能耗在整条船的能耗中占有很大的比例，大 约是1 5 4 0 ( 因季节不同和船型的不同而产生差别) 。结合这两方面来看， 从船舶空调实际出发，进行基于热舒适的节能研究是有必要的。 鉴于当今航运业的激烈竞争，建造和运营成本逐渐成为各国船舶行业竞争的 关键：与此同时，人类对健康舒适追求不断白热化。这些都迫使船舶空调技术的 发展，不仅要在能源利用、能量节约和回收、改进空调设备性能、提高系统综合 能量利用效果等方面继续研究和开发，而且要在更广泛的范围内，研究创造利于 人体健康、工作和生活的热舒适条件。 本论文的研究就是从满足宜人的热舒适和实现高效的节能效果出发，探索船 舶空调设计、运营中的新技术，实现船舶空调经济效益和社会效益的结合。 1 2 船舶空调系统热舒适 1 2 1 船舶空调系统概述 船舶空调系统一般由四大部分组成，即冷源与热源、空气处理设备、空气输 送与分配装簧、自动控制系统。通过四个组成部分对舱室空气进行机械处理、热 湿处理、物理- 化学处理，保证所需的舱室气体成分和参数。 按空调系统特点的不同，可以将船舶空调系统按多种方法进行分类。 ( 1 ) 按空气处理设备的装簧情况来分类 r 封闭式系统：新风比为0 r 磲中式系统 直流式系统：新风比为1 0 0 一半集中式系统l 混合式系统：新风比为o 1 0 0 j l 全分散式系统( 局部机组) 第1 页 第章绪论 ( 2 ) 按冷却盘管中冷却介质的不同分类 厂直接蒸发式系统：较多用于负荷不太大、空调面积较为集中的客货轮 l 间接冷却式系统：较多用于负荷大、空调面积大而分散的客轮 ( 3 ) 按风管内空气流速高低分类 r 高速系统：主风管内风速在2 0 3 0 m s l 低速系统：主风管内风速在l o 1 2 m s i l 中速系统：风速介于上述二者之问 ( 4 ) 按处理空调舱室内负荷所采用的输送介质的不同分类 广全空气系统：负荷全由经处理的空气承担 l 一全水系统：热湿负荷靠制冷剂( 水) 作载热剂承担 i l 空气一水系统：负荷由水和空气共同承担 1 2 2 船舶空调热舒适要求 热舒适和人体机理、生理相关研究表明，适宜的室内微气候环境可以保证人 群高效的工作。减少生产事故机率；有益于身体健康。可防止呼吸道等疾病的发 生：利于使人保持良好的精神状态。因而船舶设计、生产相关规范标准都对船舶 空调提出了严格的热舒适要求。 然而，船舶空调的热舒适又相当难以维持。这是因为在航行中，舱室热环境 不断地受到内、外干扰量等诸多因素的影响，包括航速和方向的不断变化、由舱 外渗透进入室内的空气参数和数量不断变化等。另外，和陆地居住条件不同，船 舶舱室并非始终与外界大气相通，人们往往生活和工作密闭的舱室中，每个船员 占有容积仅为5 6 m 3 ；再加上船舱内拥挤布置着很多设备，这些原因导致了舱室 内冷、热变化迅速；人体产热对热环境影响较大；空气难以均匀分布；噪声和振 动较大。 船舶空调应使舱室空气参数维持在某一特定范围内，使生活在舱室的人通过 自身机体温度自动调节，就可感到舒适。人类机体生命活动产生的热量是通过人 的皮肤以辐射换热、对流换热、导热( 显热) 、汗液蒸发潜热及呼吸过程传给外界 环境的。影响舱室内人体冷热感的因素大体如下：周围空气介质的温度、相对湿 度、流动速度及四周舱壁的温度。上述参数的不同组合可使人有相同的冷热感， 相同的冷热感也可由多种参数组合所致。如果生活在舱室里的人员不感到热也不 感到冷，也没有空气流动的感觉，则舱内空气介质( 包括舱壁温度) 就被认为达 到了热舒适要求。 各种空气参数只有在一定的组合下才能确保舱室环境的热舒适，人们通过大 量热环境现场调查，经统计分析实验数据，得到了热平衡方程和热舒适方程，用 第2 页 上海海事人学f ：学硕十学位论文 以确定热舒适所需的环境条件。除此之外，还可参照一些评价人冷热感的方法来 确定热舒适时所具备的环境参数，这些方法基本上考虑到了所有对人体热舒适感 有影响的环境参数，主要有：有效和等价- 有效温度法，含有影响冷热感的数学公 式，辐射一有效温度法，综合温度法。 其中，综合温度法因其较为完善和简单适用的特点，被作为船舶空调设计和 运行时的舱室微气候计算标准。该方法主要借助诺莫图( 见图1 i ) ，根据设计要 求的综合温度和给定的妒。、国。、a t 确定舱室内空气温度f 。，便可得出该种热环 境下的人体热舒适感觉，并按要求改善室内环境参数。 图1 1 诺莫图 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g b * z 3 3 0 8 3 2 进行设计，其中相关参数见表1 1 。 参数 室内温度室内外温差榴对湿度 薪譬奄气蓝 风速船外温度 舱外相对塌度 ( ) ( )( ) ( i l l 3 ，1 1 人) ( m s )( ) ( ) 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 我国在热舒适研究上起步较晚，但颇具成果。我国学者分别从概念定义、计 算机模拟、热舒适指标的应用、热舒适和空调能耗、以热舒适为目标的控制等多 方面进行了不同程度的研究。 首先在热舒适概念上，学者们一致认为热舒适是一个相对、动态的个人对热 环境的主观感受和评价，并赞成工作效率受热环境影响的观点。2 0 0 0 年【3 】，清华大 第3 页 第章绪论 学赵荣义教授指出在人体热反应研究中存在着对热舒适和热感觉的含糊认识，并 分析了热舒适与热感觉的不同含义。2 0 0 3 年1 4 】，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、适 的环境不一定有利于健康。牛润萍p 】和刘欧子1 6 - 7 1 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。从事这类研究的还有徐小林、 罗明智等人【0 l 。 影响热舒适的因素可分为环境的和入为的两个方面，前者包含了温度、湿度、 空气流速和辐射温度等，后者则包括服装因素、生理因素( 新陈代谢率、出汗率等) 和心理因素三个主要方面。王春，夏一哉等i l “2 】研究了相对湿度和空气流速对热 舒适的影响，申欢迎【l 习的研究则侧重于环境因素对p m v 指标的影响。对于人为的 因素主要的研究集中在服装热阻的研究上。1 9 9 4 年1 1 ”，李仁欣建立了预测人体穿着 热感觉的模型，分析了不同服装对热舒适的影响。东华大学刘丽英、史晓斟1 6 】 通过数值模拟建立了着装人体热感觉模型，并进行了计算机仿真研究。 在计算机模拟上，f l u e n t 、p h o e n i c s 等c f d 软件逐渐得到广泛的应用。2 0 0 5 年，薛若军等1 1 7j 对有内热源房问内三维场、速度场及热舒适指标进行了c f d 建模 运算。刘蓓【i8 】对武汉中庭建筑的通j x l 和热舒适做了模拟研究。 对于热舒适指标，国内的研究主要侧重于对各种指标进行对比、结合我国的 气候和地域状况，进行热舒适现场研究以便拟合出适合我国人群的热舒适评价指 标和运算方法。我国人群的热舒适调查曾在北京、天津、沈阳等多个城市进行【l 叼珂。 2 0 0 0 年，王昭俊四l 对各种评价热舒适的指标做了详细的介绍。2 0 0 1 年，袁旭东 等l 冽人则讨论了相关人体热舒适的评价方法和供工程应用的热舒适图，对j 下确选 用热舒适图评价热环境提供了指导。许景峰【冽还对高温环境下，p m v 评价指标与 实际状况不符的现象进行了深入分析，指出了p m v 方程的适用范围，为科学合理 地利用p m v 指标评价环境热舒适度提供了参考。在热舒适指标计算上，越来越受 到大家关注的是模糊数学和神经网络的运用。2 0 0 2 年，高立新唧建立了p m v 指 标的神经网络预测模型，刘辉1 2 s 】则在此基础上，引入了遗传算法。 在热舒适和空调能耗方面，研究主要集中在对室内设计参数的优化，以达到 基于热舒适的节能。弓南等四】通过7 种室内设计温度和新风量组合对热舒适和建 筑能耗的影响，提出了合理的室内设计温度和风量取值得方法。刘斌等闭l 研究了 温度和相对湿度对人体热舒适性的影响，分析了热舒适性和空调负荷之间的关系， 结合二者研究提出：在保证人体热舒适的条件下，改变相对湿度可以减少空调的 能耗，实现节能。闫斌【3 l 】认为在保证高舒适度的情况下，设计温度取得低一些， 并适当提高相对湿度可实现1 2 3 0 不等的节能率。周亚杰p 2 ) 等人则证明了通 过对室内设计参数的优化，可以保证舒适下的节能效果。 以热舒适为控制目标的研究在我国已初有成果。叶国栋恻提出了用于c i ( c o m f o r ti n e d xb a s c dc o n t r 0 1 ) 控制的p m v 与s e t * 传感器的理论模型，并进行 第4 页 上海海事人学i ：学硕一f ：学位论文 了可行性分析。其他学者1 3 4 - 3 6 也通过实验研究证明了c i 控制的优越性和显著的节 能效果。对于模糊控制、神经网络在空调控制中的运用，石磊等 3 7 - 3 s 】的研究得出 运用现代控制方式，可以达到精度高、微调量小和鲁棒性强的控制。沈霞p 州则结 合列车空调，设计了运用在列车上的c i 控制器，经仿真验证：热舒适指标控制比 传统的控制有更好的热舒适感，也更节能。申欢迎、刘谨 4 0 - 4 i l 则进行了基于p m v 指标的模糊c i 控制研究，经仿真验证可保证既舒适又节能的控制。 1 3 2 国外研究现状 美国采暖制冷协会标准f 4 2 - 4 4 1 把热舒适定义为“人体对热环境表示满意的状况” ( t h e r m a lc o m f o r ti st h a tc o n d i t i o no fm i n dt h a te x p r e s s e ss a t i s f a c t i o nw i t ht h e t h e r m a le n v i r o n m e n t ) 。热舒适模型的研究基本上是围绕f a n g e r 的稳态能量平衡模 型和g a g g e 等的两段式瞬态能量平衡模型进行的。1 9 8 2 年f a n g e r 【4 5 】把人体热舒适 与人体变量相结合，提出人体在热环境中处于热平衡状态，建立了稳态能量平衡 模型，并且提出了p m v ( p r e d i c t e dm e a nv o t e ) 和p p d ( p r e d i c t e dp e r c e n td i s s a t i s f i e d ) 指标。g a g g e l 4 6 钏e1 9 7 1 和1 9 8 6 年探讨了人体与环境之间存在的热平衡关系，并 且把人体分为两个部分体核与体表( 皮肤) 进行考虑，提出和发展了两段式 瞬态能量平衡模型。大多热舒适研究学者认为热舒适只是一个动态相对的指标。 h u i z e n g a ，j o n e s 4 7 8 都认为热舒适研究应当考虑个体生理、心理差异和建筑物环境 的不同。k a n d j o v ，k u m a r , h o p p e 等【4 9 - 5 1 1 进行了动态模型研究，认为人体的热稳定 与稳态的、热力学系统的不可逆稳定类似，即使周围和个人参数都己知，热舒适 的数学模型有时还是不能精确地描述或预测工作地点的热舒适状况。 早在6 0 年代，c l a p p t 5 2 1 就注意到了气候对建筑人员工作效率的影响，并开展 了大量的独立实验，得出了二者之问的相互关系。随后，7 0 年代，g r i m m 和w a g n e r l 5 3 1 就砌砖工人进行了进步的研究，分析得出了空气温度和相对湿度与工作效率之 间的关系，但由于研究对象的单一和对空气流动的忽略，这一研究结果具有一定 的局限性。1 9 9 8 年，w y o n “l 运用p m v 指标，对不同热环境下思考问题和从事打 印人员的工作效率进行了比较， ! 导出了同样的热环境对从事不同类型劳动者的不 同影响。k o s o n e n 和1 觚j 在2 0 0 4 年以w y o n 的基本观点为依据，对该实验进一 步完善，成功得出了热环境参数和工作效率之问的关系。而s r i n a v i n 等l 删根据台 湾4 处建筑工地，3 种不同强度体力劳动工人的工作效率的数据，建立了热环境和 工作效率的关系模型，并验证了模型的精确性。 韩国的m s j a n g 5 7 1 等人分别对2 5 、1 1 3 0 、2 5 0 等5 种不同吨位的舰船不同季节 下，不同舱室人体活动量、衣服热阻先做了修正，然后根据计算得出的p m v p p d 数值，找出最佳的空气设计参数组合，同时得出结论：利用基于p m v p p d 指标的 船舶空调系统设计方法可节能6 。 国外的研究表明：通过先进的控制方式也可以提高热舒适。f u n a k o s h i s s 在列 车空调控制中引入p m v 指标，通过智能模糊分析，动态设定合适的车厢温度，通 第5 页 第一犟绪论 过数据分析验证出该种控制具有良好的控制效果。c a l v i n o f 5 9 j 应用模糊控制方式下 的室内热环境分析，e 百l c g o o l u 运用神经网络的模糊控制研究，以及j u n g h u ic h e n l 6 l 】 运用神经网络的p i d 控制研究都表明运用现代的模糊控制、神经网络控制理论可 以保证满意的舒适度。 1 9 8 2 年，k a y a 等1 6 2 j 首先提出热舒适指标控制，具体方法是通过同时控制温度、 湿度与风速，在保证室内空气状态位于a s h r a e 所推荐舒适区前提下，使得系统 的能耗最低；1 9 8 6 年，m a c a r t h u r 【6 3 1 首次将p m v 指标作为控制目标引入空调系统， 并提出直接和间接两种控制策略，研究得出：c i 与传统控制方式相比，p m v 控制 理论上可以实现5 1 4 的节能效果。s c h e a t z l e 、h e n d e r s o n 等 6 4 - 6 7 1 众多学者分 别进行了p m v 控制、恒定舒适度控制策略以及最优化控制策略研究，都得出运用 热舒适指标控制可以在得到高舒适的条件下实现低能耗。 综合国内外研究现状来看，关于热舒适及基于热舒适的节能控制研究成果相 当丰富。但国内外学者也一直强调不同环境下热舒适存在一定的差异，对陆地建 筑物热环境的研究成果不能完全反映船舶舱室的热环境。因而船舶空调的热舒适 和节能研究需要考虑船舶空调的特殊性来进行研究。 1 4 本文的研究内容及研究方法 1 4 1 本文的研究内容 本课题的研究主要是热舒适条件下的船舶空调节能研究，以国内外关于热舒 适研究的理论成果和调查实验所获结论，结合船舶空调自身的特点，力争探索出 可实现高舒适度低能耗的技术，丰富我国船舶以及空调行业的理论研究。本课题 的研究主要分为以下四个部分： 1 ) 热舒适及环境参数| 1 日j 的关系研究 热舒适研究实际是一门跨学科的研究，涉及室内微气候学、生理学、心理学 等多个学科。地理环境、气候以及人群身体状况、心理状态的不同都会导致不同 的热舒适需求。船舶舱室跟其他应用环境相比，空间狭小，气体流通少且外界参 数不断变化，应采用理论研究和现场研究相结合的方式，得出船舶环境下，各空 气参数和热舒适之间的关系。 2 ) 热舒适下的环境参数与空调能耗之间的关系 在保证适宜的舱室热环境前提下，计算空调能耗，确定能耗最低的环境参数 范围，并分析得出环境参数和能耗之间的关系，为船舶空调的技能设计提供可参 考的依据。 3 ) p m v - - p p d 指标计算过程中关于人为参数的修正 p m v - - p p d 指标己被广泛应用于对热环境的评价中，其中人为参数为服装热 阻和新陈代谢率。在船舶的不同舱室，人员所处的环境差别很大，而且同陆上居 第6 页 上海海事人学i ：学硕- f ：学何论文 室相比，船上的生活条件极不利于维持良好的心理状态，进而影响人的生理状态。 适当地对计算中选取的参数进行修正，可以保证计算出的p m v - - p p d 指标符合船 上人员的特征，真实反映舱室的热环境状况。 4 ) 热舒适指标控制研究 以热舒适指标为最终控制目标的控制策略，即在确保舱室热环境令人满意的 状况下，通过适当的空调控制方法，使空调系统的能耗将到最低。这其中包括了 传统控制与热舒适指标控制在舒适性和节能性方面的对比分析，船舶空调热舒适 指标控制中不同控制方法的运用。 1 4 2 研究方法、技术路线 本项目采用理论分析和现场研究相结合的方法进行系统的船舶空调舒适和节 能研究，以国际热舒适研究和现代空调系统智能控制理论为指导，根据目前广泛 采用的热舒适研究过程( 图1 2 ) ，结合实船考察，建立适用于船舶空调的热舒适 评价模型、热舒适指标控制策略和空调节能分析。 酉 利用a i r p a k 软件模拟 耸旦卜一 塑塾垫堕卜司热i 地0 人 测 + l 芝徽之间的关系l几r i 员 试 1 活动程度l 一 背 窄气温度 ，1 适1 调 l 根据船舶窄调，实际l _ 节约能源 景 一1 o 一 i 农服阻值l 一一一 幽 型 r 美并弄南捌。 n 改变室内热环境 图1 2 热舒适研究过程分析简图 1 ) 船舶舱室模型建立 经过实船考察，建立与实际舱室较接近的舱室热环境模型。结合相关设计规 范和标准，确定各参数。模型建立时，应当考虑船舶的航行区域，类别用途和船 上人员的个人状况。由于船上环境比陆上恶劣的多，必须对服装热阻、人体新陈 代谢率取值作适当的修正。 2 ) 夏季工况不同参数组合下人体热舒适感研究 根据f a n g e r 方程计算夏季不同舱室，不同参数组合下的温度场、p m v 场和气 流分布，分析不同参数组合和热舒适之问的关系，了解参数改变对热舒适的影响。 应用p m v - p p d 指标，评价我国船舶空调设计规范推荐的设计参数是否符合热 舒适要求，寻找舒适范围内最节能的参数组合，为高舒适、低能耗的设计提供参 照。此研究可与实际调查作对比，通过对船上人员某几种参数组合下的热舒适问 卷调查，分析模型选取是否合理，确保模拟结果正确有效。 3 ) c f d 仿真 运用a i r l m 软件，以实船为参照建立模型，对船舶空调不同送风方式下的热舒 适状况进行模拟分析，分析影响室内热舒适的送风条件，便于船舶空调设计者选 第7 页 第一章绪论 取适合不同舱室类型的送风方式。 3 ) m a t a l a b 仿真 通过m a t a l a b 软件对比不同的控制方式的控制特性和效果。主要是通过结合舱 室模型，对传统控制方式和热舒适指标的热舒适，能耗进行对比。 通过选定适当的控制方式，设定控制指标和控制流程图，运用s i m u l i n k 进行动 态建模、仿真，由p m v 、空气温度和能耗变化曲线，最终确定最佳的控制策略。 1 5 研究意义 该课题的研究是顺应船舶行业发展和人们生活所需的，具有重要的理论价值 和现实意义。主要是： 1 ) 扩展了热舒适的研究内容，使热舒适研究范围从陆上建筑空调扩展到运输 类空调：适当修正热舒适研究中p m v 计算过程中的服装热阻和新陈代谢率参数选 取，有助于规范热舒适的评价标准，便于船舶空调设计人员进行满足人员热舒适 要求的设计。 2 ) 为船舶舱室，特别是船员工作舱、乘客居住舱及其他人员活动舱室创造舒 适的热环境，改善入类在船舶上的生存条件，保证船上人员的身体健康和心情愉 悦，提高船员的工作效率，对保证船舶的安全航行有重要作用。 3 ) 将热舒适指标控制引入到船舶空调中，改进了船舶空调传统的控制方式， 使高热舒适度和低能耗在先进的智能化控制中得到实现，利于拓宽空调控制技术 的应用，并对船舶能源的合理利用产生积极的推动作用。 4 ) 热舒适的研究，将提高我国造船技术水平；节能技术的研究，有利于降低 船舶的运行成本，增强我国在船舶市场上的竞争力有重要意义。 参考文献 【l 】新材料新技术在船舶暖通系统中的应用和展望i j lh t t p ：w w w 5 i p a p e r s c o r n 【2 】g b * z3 3 0 8 3 船舶空调系统设计方法【s 1 北京：国家标准出版杜，1 9 8 3 【3 】赵荣义关于热舒适的讨论【j 】暖通空调，2 0 0 0 ，3 0 ( 3 ) ：2 5 2 6 【4 】陈晓舂，王远热舒适健