郵輪艙室空調舒適性需求分析

鄭楠楨，李正謀，楊佳樂

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

郵輪以海上觀光旅游為主要訴求，其本身就是旅游目的地，體驗奢華的居住環境和現代化的娛樂設施是乘客最主要的目的。正因如此，大型郵輪對各方面，尤其對舒適性有很高的要求。郵輪一直是造船界頂級的高附加值、高技術和高壁壘的“三高”產品，和大型液化天然氣船、航空母艦一同被譽為世界造船業皇冠上的3 大“明珠”[1]。目前，我國加快了大型郵輪研發制造發面的步伐，摘取造船技術的“最后一顆明珠”的計劃正在穩步推進。

郵輪艙室環境系統是以滿足人體舒適要求或工藝過程要求的系統，該系統包括供暖、通風、空調、冷藏、廚房等子系統，是保障各艙室微環境和設備正常運行的關鍵所在，其整體設計水平直接關系到郵輪艙室的舒適性。由于我國郵輪建設，尤其是大型郵輪的建設起步晚、經驗不足，且舒適性需求是艙室環境控制系統設計的基礎，直接決定了系統的分區、配置和布置方案，是整個系統設計的輸入，對其開展必要的分析研究，能為郵輪的設計和建造提供必要的關鍵技術支撐。

目前，國際上關于郵輪空調系統的艙室舒適性指標及設計參數是針對歐美游客的。由于人員體質、生活習慣和具體環境條件的不同，基于國內和亞洲游客的郵輪項目，其艙室內部設計指標應與國外有所區別。同時，各船級社對舒適性也提出了要求，因此通過對國內外各類空調設計相關標準的比對分析，基于國外郵輪空調設計參數、不同船東對郵輪空調具體要求等，重點對居住艙室環境舒適性開展調研分析。

針對中國游客自身特點和喜好和郵輪實際服務航線的外界條件，重點研究滿足國人舒適性要求的艙室環境需求，給出滿足我國游客舒適要求且兼顧節能的郵輪艙室環境控制要求，作為郵輪艙室舒適性空調系統方案設計研究的依據。

1 郵輪艙室環境舒適性需求調研分析

1.1 舒適性指標分類

目前，郵輪艙室重點關注的是熱環境、空氣品質、光環境和聲環境。其中，艙室空調直接控制著艙室熱環境和空氣品質，典型郵輪居住艙室環境布置見圖1[2]。

圖1 典型郵輪居住艙室環境布置

1.1.1 艙室熱環境

艙室熱環境是指人體感受的冷熱環境，它不僅收到環境的溫度和濕度影響還受到環境輻射溫度、氣流速度、人體所穿著的衣服、人的新陳代謝量以及氣候地理、民族習俗、性別年齡、體質、體型等更廣泛因素影響[3]。目前，由Fanger教授提出的熱舒適理論及熱舒適方程式，是目前公認的熱環境舒適性標準。

1.1.2 艙室空氣品質

對于空間較封閉的船舶艙室，艙室空氣品質極大地影響著乘客的舒適、健康以及船員的工作與生產。艙室內的空氣污染物會長期作用于乘客及船員，對人體的健康和舒適產生重要影響。根據世界衛生組織（WHO）對健康的定義，“健康的室內空氣”應促使室內人員無論精神和身體方面均處于最佳健康狀態，同時享有愉快的群體生活，而不單是沒生病或不感到虛弱[3]。

對于郵輪而言，大部分乘客住艙都有直接對外的門窗攝入足夠的新鮮空氣，空氣品質影響有限，典型郵輪陽臺房布置見圖2，船員住艙是集中的封閉艙室，空氣品質主要通過新風量即換氣次數來保證。

圖2 陽臺房布置

1.2 暖通行業空調舒適性設計標準

人體的熱舒適狀態是由許多因素決定的，主要包括：室內空氣溫度及其在空間的分布和隨時間的變化，室內空氣的相對濕度，人體附近的氣流速度，圍護結構內表面及其它物體表面的溫度，人體的溫度、散熱及體溫調節，衣服的保溫性能及透氣性等。

1.2.1 人體的熱平衡和舒適評價

有效溫度圖和舒適區：美國供暖、制冷、空調工程師學會（ASHRAE）在基礎篇章里給出的有效溫度圖和舒適區，如圖3所示[4]。

圖3 ASHRAE 夏、冬季舒適區

圖3中給出了靜坐著、服裝熱阻為0.5 clo和1 clo的舒適區（1 clo≈0.155 (m2℃)/W）。如：衣著為1 clo靜坐的室內人員，如果室內相對濕度50%，不發生變化，則室內溫度在20～25 ℃變化時，人體體感相當，都屬于比較舒適的范圍內。

1.2.2 舒適性空調室內溫、濕度標準

根據《采暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50019—2003）中規定，舒適性空調室內計算參數見表1。

表1 舒適性空調室內設計參數表

1.3 船舶空調設計標準

1.3.1 普通船舶空調設計標準

對于普通船舶艙室環境指標，國際船舶一般參照ISO 7547，國內一般參照《船舶起居處所空氣調節與通風設計參數和計算方法》（GB/T 13409—92）、《船舶設計實用手冊（輪機分冊）》或者《船舶空調系統設計方法》（GB/Z 330—83）。其中GB/T 13409—92即是ISO 7547國內翻譯版，其中對于艙室熱舒適設計指標主要包括室內溫、濕度，新鮮空氣量，換氣次數，其中艙內外設計計算空氣溫度和相對濕度見表2。

表2 艙室內外空氣溫濕度設參數

可見，普通船舶對于艙內熱舒適指標要求較少，同時也反映出：船舶居住舒適性一直不是設計的重點。但對于郵輪等遠洋客船，居住艙室環境熱舒適性設計直接關系到船舶整體設計水平，影響運營時乘客的體驗與直觀評價。因此，各大船級社都針對郵輪等高價值船舶提出了環境舒適性標準，作為附加船級符號，提高申請船舶艙室環境舒適性設計水準。

1.3.2 DNV-COMF 符號設計規范分析

DNV船級社的舒適性符號，是所有船級社中涉及面較多，規范較詳細的。現以DNV-COMF標志為例，具體分析其對空調通風系統提出的要求。

COMF-C符號是對艙室內的氣候環境提出的具體規范，其中V包括噪音和振動要求，噪音要求是空調通風系統設計時必須關注的，本研究不做深入分析。

將居住區分為4類艙室，見表3。各類房間溫度、濕度等要求見表4。對于艙外溫度在10～45 ℃條件下，各類艙室對應各級別溫控跨度要求可參見圖4與圖5。

圖4 A、B 類艙室溫控跨度

圖5 C、D 類艙室溫控跨度

表3 艙室分類表

表4 各類艙室舒適性指標要求表

對于任何溫度跨度，艙室計算負荷時按夏季最低溫度和冬季最高溫度計算，而平時艙室溫度控制以溫度跨度中間溫度為準，并且艙室要能在2 h內從最低溫度調節至最高溫度。對于(crn)1，每個艙室需配單獨和自動的溫度控制器（恒溫調節器）；對于(crn)2和(crn)3，每個艙室需配單獨房間溫度控制。

除了對常規的溫度和濕度提出要求外，對最大室內送風速度、最小新風量和垂直方向溫度差異度提出了要求，除了最小新風量在系統負荷計算時考慮，最大室內送風速度和垂直方向溫度差異度重點還要考慮末端設備性能和艙室內部風口具備布置。

規范中還對空調通風系統提出了要求：對于(crn)1和(crn)2，當空調系統失效后，要能在12 h內恢復房間的溫度要求，不同的故障可以延長12 h，備品備件清單需供DNV備查。醫務室和機艙集控室需要配置強制通風，保證在空調失效時，房間內溫度大于15 ℃、小于35 ℃。必須對空調系統定期進行維護，以保證空調系統長久的穩定運行。以上都需要在空調通風系統設計時統一考慮。

此外，規范還對空調通風設備提出了一定的要求，如：風管、空調箱、空氣過濾器、靜壓箱、換熱器、加熱器和布風器要能便于維護、清理和更換。空調的過濾器必須滿足一定的歐標或美標，具體見表5。

表5 舒適過濾器等級要求

1.4 郵輪空調實際設計參數

1.4.1 各主要郵輪系列居住艙室舒適性設計指標

世界上各大主要郵輪系類的船級符號和空調設計標準調研統計見表6。

表6 各系類郵輪舒適性要求

調研基本覆蓋了從中型到大型各個噸位級別的郵輪，包括皇家加勒比、嘉年華、MSC、維京等眾多郵輪公司的各個郵輪品牌，其中“海洋綠洲”號見圖6，“海洋量子”號見圖7，“諾唯真喜悅”號專門為中國市場打造，“世邦”郵輪為最頂級7星級郵輪，水晶郵輪、麗晶郵輪、銀海郵輪也都達到6星級郵輪，各有特色。然而，除了超大型郵輪，其余都未對艙室環境舒適性在船級規范上有特殊要求。

圖6 “海洋綠洲”號

圖7 “海洋量子”號

1.4.2 VISTA 設計要求

考慮郵輪船東會超出船級社舒適符號，而提出個性化的更高等舒適性要求。對嘉年華的展望系類（VISTA）系類空調設計指標展開分析研究，其空調設計參數見表7。

表7 空調設計參數

空調新風量為25 立方米/人/小時，主要處所空調換氣次數見表8。

表8 空調換氣次數

展望系列郵輪艙室環境舒適性設計指標主要包括溫濕度，新風量和換氣次數。其中新風量和換氣次數還是主要考慮空氣品質環境，關于熱環境舒適性的主要還是溫濕度，分析其艙室溫控策略圖，其控制無論季節還是以23.5 ℃為中心溫度，保證在±0.5 ℃以內，溫控策略見圖8。

圖8 溫控策略

1.4.3 船東具體要求

船東往往會根據船舶實際運行線路，提出不同的舒適性指標，國內設計的國外船舶會根據船東要求制定個性化舒適性指標，例如：新加坡船東將夏季艙內設計干球溫度須達到22 ℃，中東船東會要求艙外設計干球溫度45 ℃、相對濕度80%。

同時，對于航行于東南亞一帶航區的船舶，基本都不要求冬季采暖工況。相對的，主要航行于北極航道，或者在北海工作的海工項目，對冬季采暖工況要求很高。對于郵輪而言，由于其服務航行相對固定，艙室熱環境舒適性指標除了可以參考船級社舒適性符號規范設計，還應需根據船東和實際航行的全年氣象條件，進行針對性的調整。根據世界各大主要郵輪系類的船級舒適符號設置也不難看出，只有為滿足服務全球航行而設計的大型和超大型郵輪，才會采用高標準的舒適符號作為設計建造標準，而一般大型和中型郵輪還主要針對固定地區航行，尤其歐洲航行較多，處于高海拔地區，相對對夏季制冷要求不高，也便不采用舒適性符號，艙室環境舒適性指標一般與展望系類相當。

2 適應中國游客的環境舒適性指標

2.1 國內外游客人員基本差別

之前，熱舒適研究多數針對美歐等西方國家所開展的。如今各規范中沿用的熱舒適性標準也是根據歐美國家所做的研究總結的。對于這些標準，例如ASHRAE Standard55的使用并沒有考慮世界上不同大洲、不同種族和不同生活習慣等因素，而氣候環境、生活習慣、人種名族等的差異則會造成世界各地人們在相同熱環境中的熱感覺不同，對熱舒適性的要求也不同[5]。

由Fanger教授統計分析的PMV-PPD關系以及ASHRAE Standard55的舒適區可知：舒適區的確定原則是使80%的人滿意。Fanger教授通過統計得出：當PPD＝10%時，PMV＝±0.5；當PPD＝20%時，PMV＝±0.85。相關試驗結果見表9。

表9 PMV 試驗結果

丹麥的Fanger對128名丹麥學生進行試驗、美國的Nevins對720名美國學生進行試驗，兩者結果基本相當，也證明了歐美人在環境熱舒適性指標上的要求基本相同。

其中，中性溫度是指在理論上人體感覺最適中的環境溫度。中性溫度可分為實測中性溫度和預測中性溫度。Humphrey指出人們愿意接受的熱環境可能在中性溫度的這側或那一側：在寒冷地區的人們所期望的熱環境可能偏向于稍暖和的那一側，而生活在天氣較熱的人們的期望溫度則可能偏向于較涼爽的一側。因此，期望溫度往往并不恰好等于中性溫度。Fanger和Nevins等認為，期望溫度稍低于中性溫度，但差別很小，兩者基本吻合。女性的中性溫度和期望溫度要稍高于男性的中性溫度和期望溫度，但差別很小，這說明男女所認為滿意的熱環境基本是相同的。女性之所以喜歡較高一點的溫度，可能是因為在一定的活動量下，女性單位體表面積的能量代謝率要低于男性的能量代謝率[6]。

我國雖然熱環境舒適性研究起步較晚，但是近來，我國各地多個研究團隊都參照Fanger教授的方法，對各自地區的人員進行了舒適性體感實際試驗統計，結果見表10[5,7]。

表10 國內試驗結果

由于中國地域遼闊，從南至北的氣候不同，人們的生活習慣也不盡相同。從上述統計中不難看出：南方人或者夏季氣候炎熱地區的人，對于高溫有較好的耐受性；而對于低溫的耐受性，中國人基本相當，都較歐美標準高1 ℃，這與前文初步分析的結論相一致。23 ℃基本是人類90%不滿意率的溫度下限，22 ℃基本是人類80%不滿意率的溫度下限。對于溫度上限，中國各地區相差較大，建議按90%不滿意率溫度上限為27 ℃，80%不滿意率溫度上限為28 ℃，中心溫度為25 ℃，這樣適合中國人的舒適溫度區域較歐美人高1 ℃，舒適度的寬度范圍不變。

2.2 我國郵輪艙室舒適性具體要求分析

根據前文調研分析結果，基于國內外暖通和船舶領域對于環境熱舒適性指標的具體要求，結合國內外乘客實際體感需求和實際航行區域氣候條件，對我國郵輪艙室空氣溫度、相對濕度、氣流速度和空氣品質等提出具體要求[8]。

2.2.1 空氣溫度

空氣溫度指空氣的干球溫度，包括艙內和艙外溫度，艙外溫度是影響空調負荷計算、設備容量配置和最后實際應用效果的重要輸入參數，而艙內溫度是是影響艙室環境熱舒適性的主要因素。

艙外溫度參照《船舶設計實用手冊》，并結合南海實際氣候條件，夏季取35 ℃，冬季取0 ℃。

艙內溫度參照郵輪舒適性符號規定和暖通舒適性空調設計標準，并考慮中國乘客實際體感要求，取25 ℃為中性溫度，溫控精度取±0.5 ℃，溫控范圍為21～27 ℃（乘客住艙及高級船員間），22.5～27.0 ℃（公共區域及功能處所）。

2.2.2 相對濕度

空氣相對濕度直接影響人體皮膚表面的蒸發散熱量，進而影響人體的舒適感。相對濕度過低時，人體皮膚將因缺少水分而變得粗糙，甚至開裂，人體的免疫系統也會受到傷害，導致對疾病的抵抗力大大降低。相對濕度過高不僅影響人體的舒適感，還為室內環境中的細菌霉菌及其他微生物創造了良好的生長繁殖條件，加劇室內微生物的污染，這些微生物容易導致患上呼吸道或消化道疾病。船舶艙室內相對濕度不易過高，也不易太低。

艙外濕度參照《船舶設計實用手冊》，并結合南海實際氣候條件，夏季取80%，冬季不作考慮。

艙內濕度參照《船舶設計實用手冊》和郵輪舒適性符號，夏、冬季設計點為50%，舒適控制范圍為30～60%。

2.2.3 氣流速度

室內空氣流動速度影響人體的對流換熱和蒸發換熱，同時也促進室內空氣的更新。當室內空氣流動性較低時，室內環境中的空氣得不到有效的通風換氣，乘客在室內生活中所排出的各種微生物相對聚集在空氣中或在某些角落大量增生致使室內空氣質量進一步惡化，同時造成室內溫度不平衡。但是空氣速度太大又會對人造成吹風的不適感。

試驗表明：風速＜0.5 m/s時，人沒有太明顯的感覺。我國規范規定：舒適性空調冬季室內風速 ≯0 .2 m/s，夏季 ≯0 .3 m/s 。

氣流速度參照挪威船級社舒適性符號要求，最大氣流速度不超過0.25 m/s（乘客住艙及高級船員間），最大氣流速度不超過0.2 m/s（公共區域及功能處所）。

2.2.4 溫度梯度

由于在空調艙室內，送入與艙室溫度不同的空氣，且艙室內有熱源存在，在垂直方向通常有溫度差異，即溫度梯度，溫度梯度變化對于人員舒適性感受也非常重要，頭部和腳部的局部受涼會使人的舒適感大幅下降。

在舒適范圍內，按照ISO 7730標準，地面上1.1～0.1 m的溫差不應大于3 ℃（這實際考慮了坐著的狀態）。

美國ASHRAE55標準建議1.8～0.1 m的溫差不大于3 ℃（這實際考慮了站立狀態）。

郵輪建議參照挪威船級社舒適性符號要求，在垂直方向上溫差不大于2 ℃（不包括船上大空間區域），由于郵輪住艙高度有限，所以垂直方向高度即為艙室整體高度，不在對頂具體高度范圍。同時，對于船上中庭、劇場等擁有較高層高的大空間區域，不作溫度梯度要求。

2.2.5 空氣品質

空氣品質雖然不屬于熱舒適性要求范圍，但是空氣品質是主要通過空調通風系統來保證的。由于船舶是一個封閉的環境，艙內空氣的品質與舒適性有著本質的、密切的關聯。室內氣流分布狀況及流場的均勻性影響室內空氣的整體品質。合理的送回風方式及空氣流動形式有助于排出室內油氣、污濁物、塵埃，降低室內污濁氣體的濃度，除濕降熱，營造舒適的室內環境。除了室內氣流組織的設計外，新風量是保證空氣品質的重要設計手段；按照《公共建筑節能設計標準》設計標準，船舶船員艙室的新風量一般選擇為30～50 m3/(h·p)。ISO 7547 標 準 要 求 新 風 量 為28.80 m3/(h·p)。

參照挪威船級社舒適性符號要求，新風量要求為36 m3/(h·p)，部分特殊場所，例如醫務室和病房可適當提高新風量要求至43.2 m3/(h·p)。

3 結論

1）本文在ISO 7730 所推薦的熱舒適性PMV-PPD指標的基礎上，調研分析了國內外暖通和船舶，尤其是郵輪領域的艙室環境熱舒適性主要指標要求。結合國人和國外游客在人員體感上的不同，給出了我國郵輪艙室環境設計舒適性最佳參數包括溫濕度、氣流速度、溫度梯度和新風量。

2）船舶空調系統的熱負荷和設備配置是隨著艙內外的設計溫度和相對濕度的改變而變化的。例如艙內溫度一定時，當艙室相對濕度設計值增大時，系統負荷隨之減少，空調設備配置和容量也相應減少。在實際設計和運行時，可以結合船舶熱舒適性的要求、船東的個性化需求和郵輪航行線路，適當選取合理范圍內的溫度和濕度值，使艙室環境即滿足熱舒適性要求，有滿足環保節能要求。

3）本文著重考慮艙內環境的熱舒適性和部分空氣品質問題，事實上，郵輪艙室環境還包括布置、燈光、美學和噪聲等因素的影響。本文著重研究為郵輪空調系統設計提供輸入指標，其他艙室環境舒適影響因素，也需著重展開研究。