邮轮舱室空调舒适性需求分析

郑楠桢，李正谋，杨佳乐

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

邮轮以海上观光旅游为主要诉求，其本身就是旅游目的地，体验奢华的居住环境和现代化的娱乐设施是乘客最主要的目的。正因如此，大型邮轮对各方面，尤其对舒适性有很高的要求。邮轮一直是造船界顶级的高附加值、高技术和高壁垒的“三高”产品，和大型液化天然气船、航空母舰一同被誉为世界造船业皇冠上的3 大“明珠”[1]。目前，我国加快了大型邮轮研发制造发面的步伐，摘取造船技术的“最后一颗明珠”的计划正在稳步推进。

邮轮舱室环境系统是以满足人体舒适要求或工艺过程要求的系统，该系统包括供暖、通风、空调、冷藏、厨房等子系统，是保障各舱室微环境和设备正常运行的关键所在，其整体设计水平直接关系到邮轮舱室的舒适性。由于我国邮轮建设，尤其是大型邮轮的建设起步晚、经验不足，且舒适性需求是舱室环境控制系统设计的基础，直接决定了系统的分区、配置和布置方案，是整个系统设计的输入，对其开展必要的分析研究，能为邮轮的设计和建造提供必要的关键技术支撑。

目前，国际上关于邮轮空调系统的舱室舒适性指标及设计参数是针对欧美游客的。由于人员体质、生活习惯和具体环境条件的不同，基于国内和亚洲游客的邮轮项目，其舱室内部设计指标应与国外有所区别。同时，各船级社对舒适性也提出了要求，因此通过对国内外各类空调设计相关标准的比对分析，基于国外邮轮空调设计参数、不同船东对邮轮空调具体要求等，重点对居住舱室环境舒适性开展调研分析。

针对中国游客自身特点和喜好和邮轮实际服务航线的外界条件，重点研究满足国人舒适性要求的舱室环境需求，给出满足我国游客舒适要求且兼顾节能的邮轮舱室环境控制要求，作为邮轮舱室舒适性空调系统方案设计研究的依据。

1 邮轮舱室环境舒适性需求调研分析

1.1 舒适性指标分类

目前，邮轮舱室重点关注的是热环境、空气品质、光环境和声环境。其中，舱室空调直接控制着舱室热环境和空气品质，典型邮轮居住舱室环境布置见图1[2]。

图1 典型邮轮居住舱室环境布置

1.1.1 舱室热环境

舱室热环境是指人体感受的冷热环境，它不仅收到环境的温度和湿度影响还受到环境辐射温度、气流速度、人体所穿着的衣服、人的新陈代谢量以及气候地理、民族习俗、性别年龄、体质、体型等更广泛因素影响[3]。目前，由Fanger教授提出的热舒适理论及热舒适方程式，是目前公认的热环境舒适性标准。

1.1.2 舱室空气品质

对于空间较封闭的船舶舱室，舱室空气品质极大地影响着乘客的舒适、健康以及船员的工作与生产。舱室内的空气污染物会长期作用于乘客及船员，对人体的健康和舒适产生重要影响。根据世界卫生组织（WHO）对健康的定义，“健康的室内空气”应促使室内人员无论精神和身体方面均处于最佳健康状态，同时享有愉快的群体生活，而不单是没生病或不感到虚弱[3]。

对于邮轮而言，大部分乘客住舱都有直接对外的门窗摄入足够的新鲜空气，空气品质影响有限，典型邮轮阳台房布置见图2，船员住舱是集中的封闭舱室，空气品质主要通过新风量即换气次数来保证。

图2 阳台房布置

1.2 暖通行业空调舒适性设计标准

人体的热舒适状态是由许多因素决定的，主要包括：室内空气温度及其在空间的分布和随时间的变化，室内空气的相对湿度，人体附近的气流速度，围护结构内表面及其它物体表面的温度，人体的温度、散热及体温调节，衣服的保温性能及透气性等。

1.2.1 人体的热平衡和舒适评价

有效温度图和舒适区：美国供暖、制冷、空调工程师学会（ASHRAE）在基础篇章里给出的有效温度图和舒适区，如图3所示[4]。

图3 ASHRAE 夏、冬季舒适区

图3中给出了静坐着、服装热阻为0.5 clo和1 clo的舒适区（1 clo≈0.155 (m2℃)/W）。如：衣着为1 clo静坐的室内人员，如果室内相对湿度50%，不发生变化，则室内温度在20～25 ℃变化时，人体体感相当，都属于比较舒适的范围内。

1.2.2 舒适性空调室内温、湿度标准

根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019—2003）中规定，舒适性空调室内计算参数见表1。

表1 舒适性空调室内设计参数表

1.3 船舶空调设计标准

1.3.1 普通船舶空调设计标准

对于普通船舶舱室环境指标，国际船舶一般参照ISO 7547，国内一般参照《船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法》（GB/T 13409—92）、《船舶设计实用手册（轮机分册）》或者《船舶空调系统设计方法》（GB/Z 330—83）。其中GB/T 13409—92即是ISO 7547国内翻译版，其中对于舱室热舒适设计指标主要包括室内温、湿度，新鲜空气量，换气次数，其中舱内外设计计算空气温度和相对湿度见表2。

表2 舱室内外空气温湿度设参数

可见，普通船舶对于舱内热舒适指标要求较少，同时也反映出：船舶居住舒适性一直不是设计的重点。但对于邮轮等远洋客船，居住舱室环境热舒适性设计直接关系到船舶整体设计水平，影响运营时乘客的体验与直观评价。因此，各大船级社都针对邮轮等高价值船舶提出了环境舒适性标准，作为附加船级符号，提高申请船舶舱室环境舒适性设计水准。

1.3.2 DNV-COMF 符号设计规范分析

DNV船级社的舒适性符号，是所有船级社中涉及面较多，规范较详细的。现以DNV-COMF标志为例，具体分析其对空调通风系统提出的要求。

COMF-C符号是对舱室内的气候环境提出的具体规范，其中V包括噪音和振动要求，噪音要求是空调通风系统设计时必须关注的，本研究不做深入分析。

将居住区分为4类舱室，见表3。各类房间温度、湿度等要求见表4。对于舱外温度在10～45 ℃条件下，各类舱室对应各级别温控跨度要求可参见图4与图5。

图4 A、B 类舱室温控跨度

图5 C、D 类舱室温控跨度

表3 舱室分类表

表4 各类舱室舒适性指标要求表

对于任何温度跨度，舱室计算负荷时按夏季最低温度和冬季最高温度计算，而平时舱室温度控制以温度跨度中间温度为准，并且舱室要能在2 h内从最低温度调节至最高温度。对于(crn)1，每个舱室需配单独和自动的温度控制器（恒温调节器）；对于(crn)2和(crn)3，每个舱室需配单独房间温度控制。

除了对常规的温度和湿度提出要求外，对最大室内送风速度、最小新风量和垂直方向温度差异度提出了要求，除了最小新风量在系统负荷计算时考虑，最大室内送风速度和垂直方向温度差异度重点还要考虑末端设备性能和舱室内部风口具备布置。

规范中还对空调通风系统提出了要求：对于(crn)1和(crn)2，当空调系统失效后，要能在12 h内恢复房间的温度要求，不同的故障可以延长12 h，备品备件清单需供DNV备查。医务室和机舱集控室需要配置强制通风，保证在空调失效时，房间内温度大于15 ℃、小于35 ℃。必须对空调系统定期进行维护，以保证空调系统长久的稳定运行。以上都需要在空调通风系统设计时统一考虑。

此外，规范还对空调通风设备提出了一定的要求，如：风管、空调箱、空气过滤器、静压箱、换热器、加热器和布风器要能便于维护、清理和更换。空调的过滤器必须满足一定的欧标或美标，具体见表5。

表5 舒适过滤器等级要求

1.4 邮轮空调实际设计参数

1.4.1 各主要邮轮系列居住舱室舒适性设计指标

世界上各大主要邮轮系类的船级符号和空调设计标准调研统计见表6。

表6 各系类邮轮舒适性要求

调研基本覆盖了从中型到大型各个吨位级别的邮轮，包括皇家加勒比、嘉年华、MSC、维京等众多邮轮公司的各个邮轮品牌，其中“海洋绿洲”号见图6，“海洋量子”号见图7，“诺唯真喜悦”号专门为中国市场打造，“世邦”邮轮为最顶级7星级邮轮，水晶邮轮、丽晶邮轮、银海邮轮也都达到6星级邮轮，各有特色。然而，除了超大型邮轮，其余都未对舱室环境舒适性在船级规范上有特殊要求。

图6 “海洋绿洲”号

图7 “海洋量子”号

1.4.2 VISTA 设计要求

考虑邮轮船东会超出船级社舒适符号，而提出个性化的更高等舒适性要求。对嘉年华的展望系类（VISTA）系类空调设计指标展开分析研究，其空调设计参数见表7。

表7 空调设计参数

空调新风量为25 立方米/人/小时，主要处所空调换气次数见表8。

表8 空调换气次数

展望系列邮轮舱室环境舒适性设计指标主要包括温湿度，新风量和换气次数。其中新风量和换气次数还是主要考虑空气品质环境，关于热环境舒适性的主要还是温湿度，分析其舱室温控策略图，其控制无论季节还是以23.5 ℃为中心温度，保证在±0.5 ℃以内，温控策略见图8。

图8 温控策略

1.4.3 船东具体要求

船东往往会根据船舶实际运行线路，提出不同的舒适性指标，国内设计的国外船舶会根据船东要求制定个性化舒适性指标，例如：新加坡船东将夏季舱内设计干球温度须达到22 ℃，中东船东会要求舱外设计干球温度45 ℃、相对湿度80%。

同时，对于航行于东南亚一带航区的船舶，基本都不要求冬季采暖工况。相对的，主要航行于北极航道，或者在北海工作的海工项目，对冬季采暖工况要求很高。对于邮轮而言，由于其服务航行相对固定，舱室热环境舒适性指标除了可以参考船级社舒适性符号规范设计，还应需根据船东和实际航行的全年气象条件，进行针对性的调整。根据世界各大主要邮轮系类的船级舒适符号设置也不难看出，只有为满足服务全球航行而设计的大型和超大型邮轮，才会采用高标准的舒适符号作为设计建造标准，而一般大型和中型邮轮还主要针对固定地区航行，尤其欧洲航行较多，处于高海拔地区，相对对夏季制冷要求不高，也便不采用舒适性符号，舱室环境舒适性指标一般与展望系类相当。

2 适应中国游客的环境舒适性指标

2.1 国内外游客人员基本差别

之前，热舒适研究多数针对美欧等西方国家所开展的。如今各规范中沿用的热舒适性标准也是根据欧美国家所做的研究总结的。对于这些标准，例如ASHRAE Standard55的使用并没有考虑世界上不同大洲、不同种族和不同生活习惯等因素，而气候环境、生活习惯、人种名族等的差异则会造成世界各地人们在相同热环境中的热感觉不同，对热舒适性的要求也不同[5]。

由Fanger教授统计分析的PMV-PPD关系以及ASHRAE Standard55的舒适区可知：舒适区的确定原则是使80%的人满意。Fanger教授通过统计得出：当PPD＝10%时，PMV＝±0.5；当PPD＝20%时，PMV＝±0.85。相关试验结果见表9。

表9 PMV 试验结果

丹麦的Fanger对128名丹麦学生进行试验、美国的Nevins对720名美国学生进行试验，两者结果基本相当，也证明了欧美人在环境热舒适性指标上的要求基本相同。

其中，中性温度是指在理论上人体感觉最适中的环境温度。中性温度可分为实测中性温度和预测中性温度。Humphrey指出人们愿意接受的热环境可能在中性温度的这侧或那一侧：在寒冷地区的人们所期望的热环境可能偏向于稍暖和的那一侧，而生活在天气较热的人们的期望温度则可能偏向于较凉爽的一侧。因此，期望温度往往并不恰好等于中性温度。Fanger和Nevins等认为，期望温度稍低于中性温度，但差别很小，两者基本吻合。女性的中性温度和期望温度要稍高于男性的中性温度和期望温度，但差别很小，这说明男女所认为满意的热环境基本是相同的。女性之所以喜欢较高一点的温度，可能是因为在一定的活动量下，女性单位体表面积的能量代谢率要低于男性的能量代谢率[6]。

我国虽然热环境舒适性研究起步较晚，但是近来，我国各地多个研究团队都参照Fanger教授的方法，对各自地区的人员进行了舒适性体感实际试验统计，结果见表10[5,7]。

表10 国内试验结果

由于中国地域辽阔，从南至北的气候不同，人们的生活习惯也不尽相同。从上述统计中不难看出：南方人或者夏季气候炎热地区的人，对于高温有较好的耐受性；而对于低温的耐受性，中国人基本相当，都较欧美标准高1 ℃，这与前文初步分析的结论相一致。23 ℃基本是人类90%不满意率的温度下限，22 ℃基本是人类80%不满意率的温度下限。对于温度上限，中国各地区相差较大，建议按90%不满意率温度上限为27 ℃，80%不满意率温度上限为28 ℃，中心温度为25 ℃，这样适合中国人的舒适温度区域较欧美人高1 ℃，舒适度的宽度范围不变。

2.2 我国邮轮舱室舒适性具体要求分析

根据前文调研分析结果，基于国内外暖通和船舶领域对于环境热舒适性指标的具体要求，结合国内外乘客实际体感需求和实际航行区域气候条件，对我国邮轮舱室空气温度、相对湿度、气流速度和空气品质等提出具体要求[8]。

2.2.1 空气温度

空气温度指空气的干球温度，包括舱内和舱外温度，舱外温度是影响空调负荷计算、设备容量配置和最后实际应用效果的重要输入参数，而舱内温度是是影响舱室环境热舒适性的主要因素。

舱外温度参照《船舶设计实用手册》，并结合南海实际气候条件，夏季取35 ℃，冬季取0 ℃。

舱内温度参照邮轮舒适性符号规定和暖通舒适性空调设计标准，并考虑中国乘客实际体感要求，取25 ℃为中性温度，温控精度取±0.5 ℃，温控范围为21～27 ℃（乘客住舱及高级船员间），22.5～27.0 ℃（公共区域及功能处所）。

2.2.2 相对湿度

空气相对湿度直接影响人体皮肤表面的蒸发散热量，进而影响人体的舒适感。相对湿度过低时，人体皮肤将因缺少水分而变得粗糙，甚至开裂，人体的免疫系统也会受到伤害，导致对疾病的抵抗力大大降低。相对湿度过高不仅影响人体的舒适感，还为室内环境中的细菌霉菌及其他微生物创造了良好的生长繁殖条件，加剧室内微生物的污染，这些微生物容易导致患上呼吸道或消化道疾病。船舶舱室内相对湿度不易过高，也不易太低。

舱外湿度参照《船舶设计实用手册》，并结合南海实际气候条件，夏季取80%，冬季不作考虑。

舱内湿度参照《船舶设计实用手册》和邮轮舒适性符号，夏、冬季设计点为50%，舒适控制范围为30～60%。

2.2.3 气流速度

室内空气流动速度影响人体的对流换热和蒸发换热，同时也促进室内空气的更新。当室内空气流动性较低时，室内环境中的空气得不到有效的通风换气，乘客在室内生活中所排出的各种微生物相对聚集在空气中或在某些角落大量增生致使室内空气质量进一步恶化，同时造成室内温度不平衡。但是空气速度太大又会对人造成吹风的不适感。

试验表明：风速＜0.5 m/s时，人没有太明显的感觉。我国规范规定：舒适性空调冬季室内风速 ≯0 .2 m/s，夏季 ≯0 .3 m/s 。

气流速度参照挪威船级社舒适性符号要求，最大气流速度不超过0.25 m/s（乘客住舱及高级船员间），最大气流速度不超过0.2 m/s（公共区域及功能处所）。

2.2.4 温度梯度

由于在空调舱室内，送入与舱室温度不同的空气，且舱室内有热源存在，在垂直方向通常有温度差异，即温度梯度，温度梯度变化对于人员舒适性感受也非常重要，头部和脚部的局部受凉会使人的舒适感大幅下降。

在舒适范围内，按照ISO 7730标准，地面上1.1～0.1 m的温差不应大于3 ℃（这实际考虑了坐着的状态）。

美国ASHRAE55标准建议1.8～0.1 m的温差不大于3 ℃（这实际考虑了站立状态）。

邮轮建议参照挪威船级社舒适性符号要求，在垂直方向上温差不大于2 ℃（不包括船上大空间区域），由于邮轮住舱高度有限，所以垂直方向高度即为舱室整体高度，不在对顶具体高度范围。同时，对于船上中庭、剧场等拥有较高层高的大空间区域，不作温度梯度要求。

2.2.5 空气品质

空气品质虽然不属于热舒适性要求范围，但是空气品质是主要通过空调通风系统来保证的。由于船舶是一个封闭的环境，舱内空气的品质与舒适性有着本质的、密切的关联。室内气流分布状况及流场的均匀性影响室内空气的整体品质。合理的送回风方式及空气流动形式有助于排出室内油气、污浊物、尘埃，降低室内污浊气体的浓度，除湿降热，营造舒适的室内环境。除了室内气流组织的设计外，新风量是保证空气品质的重要设计手段；按照《公共建筑节能设计标准》设计标准，船舶船员舱室的新风量一般选择为30～50 m3/(h·p)。ISO 7547 标 准 要 求 新 风 量 为28.80 m3/(h·p)。

参照挪威船级社舒适性符号要求，新风量要求为36 m3/(h·p)，部分特殊场所，例如医务室和病房可适当提高新风量要求至43.2 m3/(h·p)。

3 结论

1）本文在ISO 7730 所推荐的热舒适性PMV-PPD指标的基础上，调研分析了国内外暖通和船舶，尤其是邮轮领域的舱室环境热舒适性主要指标要求。结合国人和国外游客在人员体感上的不同，给出了我国邮轮舱室环境设计舒适性最佳参数包括温湿度、气流速度、温度梯度和新风量。

2）船舶空调系统的热负荷和设备配置是随着舱内外的设计温度和相对湿度的改变而变化的。例如舱内温度一定时，当舱室相对湿度设计值增大时，系统负荷随之减少，空调设备配置和容量也相应减少。在实际设计和运行时，可以结合船舶热舒适性的要求、船东的个性化需求和邮轮航行线路，适当选取合理范围内的温度和湿度值，使舱室环境即满足热舒适性要求，有满足环保节能要求。

3）本文着重考虑舱内环境的热舒适性和部分空气品质问题，事实上，邮轮舱室环境还包括布置、灯光、美学和噪声等因素的影响。本文着重研究为邮轮空调系统设计提供输入指标，其他舱室环境舒适影响因素，也需着重展开研究。