乘員艙熱舒適性評(píng)價(jià)方法

王丹劉雙喜牟江峰

（1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車工程院）

汽車乘坐熱舒適問(wèn)題一直是汽車發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)車內(nèi)熱環(huán)境高效科學(xué)的熱管理，對(duì)降低汽車能源消耗具有現(xiàn)實(shí)意義?；诤线m的熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行乘員艙熱舒適性研究，為空調(diào)風(fēng)管及出風(fēng)格柵等的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。基于國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽車乘坐空間熱環(huán)境與乘員熱舒適性相關(guān)文獻(xiàn)的研究，文章總結(jié)分析了各項(xiàng)熱舒適性評(píng)價(jià)方法的研究現(xiàn)狀和不足，系統(tǒng)介紹了人體熱平衡方程、均勻熱環(huán)境熱舒適評(píng)價(jià)方法、非均勻熱環(huán)境評(píng)價(jià)方法以及局部熱感覺(jué)與整體熱感覺(jué)的關(guān)系建立。

1 人體熱平衡方程

根據(jù)美國(guó)供暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE）的定義，熱舒適性是指人們對(duì)熱環(huán)境表示滿意的意識(shí)狀態(tài)。人體感覺(jué)到熱舒適就必須要使人體保持產(chǎn)熱和散熱相平衡，人體熱平衡方程為：

式中：M——人體代謝產(chǎn)熱率，W/m2；

W——人體機(jī)械做功率，W/m2；

C，R——人體表面對(duì)流、輻射換熱熱損失，W/m2；

Esk——人體皮膚表面蒸發(fā)散熱總量，W/m2；

Cres，Eres——呼吸產(chǎn)生的對(duì)流、蒸發(fā)散熱，W/m2；

Ssk——皮膚表面熱儲(chǔ)存率，W/m2；

Sc——人體核心部分熱儲(chǔ)存率，W/m2。

由式（1）可以看出，影響人體熱舒適性的主要因素包括環(huán)境因素和人的因素。與環(huán)境相關(guān)的因素包括：空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速及空氣的相對(duì)濕度；與人相關(guān)的因素包括：人的新陳代謝率和衣服的熱阻[1]。人體在新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生熱量，人體與周圍環(huán)境的換熱主要以對(duì)流換熱、輻射換熱和蒸發(fā)換熱等方式進(jìn)行。人體散熱和體內(nèi)新陳代謝產(chǎn)熱相平衡時(shí)，人的感覺(jué)良好，體溫保持在36.5℃左右。如果上述影響人體熱舒適性的主要因素發(fā)生了變化，會(huì)使人體散熱量增大或減少。為了保持產(chǎn)熱和散熱量的平衡，人體會(huì)運(yùn)用自身的調(diào)節(jié)機(jī)能，如可以加強(qiáng)汗液分泌來(lái)增加散熱，或以皮下血管收縮，同時(shí)在血管中的血流量減少來(lái)減少散熱，繼而人體內(nèi)溫度也要發(fā)生變化。

2 均勻熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)

2.1 ASHRAE七點(diǎn)標(biāo)尺主觀評(píng)價(jià)方法

ASHRAE七點(diǎn)標(biāo)尺評(píng)價(jià)方法是一種主觀熱舒適性評(píng)價(jià)方法，該方法將人體對(duì)熱環(huán)境的熱感覺(jué)劃分為熱（+3）、暖（+2）、微暖（+1）、中性（0）、微涼（-1）、涼（-2）和冷（-3）7個(gè)等級(jí)，通過(guò)組織一定數(shù)量的評(píng)價(jià)人員對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)根據(jù)自身的熱感覺(jué)做出7個(gè)等級(jí)中的一種評(píng)價(jià)，最后得到該目標(biāo)在不同工況下的熱舒適性。主觀評(píng)價(jià)方法同時(shí)適用于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)環(huán)境，既可用于整體熱舒適性評(píng)價(jià)，也適用于人體局部熱舒適性評(píng)價(jià)，但該方法具有較大的主觀性，其評(píng)價(jià)結(jié)果很大程度上會(huì)受到評(píng)價(jià)人員自身對(duì)熱舒適是否能合理判斷的影響，且必須面對(duì)真實(shí)熱環(huán)境，因此很難應(yīng)用于汽車開(kāi)發(fā)階段的熱舒適性研究工作。

2.2 PMV-PPD評(píng)價(jià)方法

1970年丹麥學(xué)者Fanger教授以人體熱舒適方程和ASHRAE七點(diǎn)標(biāo)尺為出發(fā)點(diǎn)，并對(duì)McNall等在Kansas州立大學(xué)所進(jìn)行的主觀感覺(jué)試驗(yàn)得出的4種新陳代謝率情況下的熱感覺(jué)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬和分析，得到了PMV-PPD（預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)投票指數(shù)-預(yù)計(jì)不滿意百分比）熱舒適評(píng)價(jià)體系。該方法綜合考慮了人體活動(dòng)程度、衣服熱阻（衣著情況）、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速及空氣相對(duì)溫度6個(gè)因素。與ASHRAE溫度感覺(jué)范圍相對(duì)應(yīng)，PMV的分度，如表1所示，PMV指標(biāo)代表了對(duì)同一熱環(huán)境絕大多數(shù)人的冷熱感覺(jué)，使用從-3（冷感）～0（中間感受）～+3（熱感）共7個(gè)階段的舒適性評(píng)價(jià)。

表1 PMV熱適性指標(biāo)

即使大多數(shù)人表示滿意的熱環(huán)境，由于人與人之間生理等方面的差別，仍然會(huì)有人感到不滿意，PPD指標(biāo)代表對(duì)一特定熱環(huán)境感到不適人員的比例。由人體熱平衡原理建立的PMV和PPD的計(jì)算公式分別為：

根據(jù)式（3），建立PMV和PPD的關(guān)系，如圖1所示。ISO標(biāo)準(zhǔn)中，PMV在±0.5以內(nèi)，PPD＜10%的狀態(tài)為推薦熱舒適狀態(tài)。

人體熱舒適方程和PMV-PPD評(píng)價(jià)指標(biāo)一直是國(guó)際上人體熱舒適研究的理論基礎(chǔ)，目前已被ISO 7730作為室內(nèi)熱環(huán)境舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)廣泛使用。然而，PMV-PPD評(píng)價(jià)方法存在4點(diǎn)不足：1）由于該理論是基于接近人體舒適區(qū)域熱環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于非試驗(yàn)區(qū)域則通過(guò)公式預(yù)測(cè)，因此在遠(yuǎn)離舒適區(qū)的環(huán)境下使用該評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)得到不準(zhǔn)確的結(jié)論；2）該方法沒(méi)有考慮地區(qū)、年齡和性別差異的影響，但很多學(xué)者認(rèn)為性別和年齡的不同導(dǎo)致新陳代謝存在差異，地區(qū)氣候不同也會(huì)造成人們對(duì)熱環(huán)境的適應(yīng)性和心理期望值不同，這些因素都導(dǎo)致了該方法的局限性；3）該方法是對(duì)熱環(huán)境的一種整體評(píng)價(jià)方法，PMV指標(biāo)所使用的參數(shù)都是一些平均量，例如把人看作一個(gè)整體，取用了人體周圍溫度和壓力的平均值，M和W也進(jìn)行了平均化，這種簡(jiǎn)化適用于空間較大的均勻熱環(huán)境，對(duì)汽車乘坐空間非均勻熱環(huán)境內(nèi)普遍存在的乘員局部熱舒適問(wèn)題并不適用；4）該方法是一種穩(wěn)態(tài)熱舒適評(píng)價(jià)方法，對(duì)車內(nèi)瞬態(tài)環(huán)境，如空調(diào)制冷和加熱過(guò)程，該評(píng)價(jià)指標(biāo)不適用。

2.3 有效溫度（ET）評(píng)價(jià)指標(biāo)

有效溫度（ET）人體熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合考慮干球溫度、濕度及空氣流速對(duì)人體熱舒適的影響，它在數(shù)值上等于產(chǎn)生相同感覺(jué)的靜止飽和空氣的溫度，該指標(biāo)在建筑環(huán)境領(lǐng)域被暖通空調(diào)工程師使用了近50年，但由于該指標(biāo)在低溫時(shí)過(guò)分強(qiáng)調(diào)了濕度的影響，而在高溫時(shí)對(duì)濕度的影響強(qiáng)調(diào)不夠，造成了有效溫度指標(biāo)固有的缺陷而逐漸被新的有效溫度指標(biāo)代替。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)有效溫度（SET）評(píng)價(jià)指標(biāo)

1986年Gagge考慮了人體活動(dòng)水平和服裝熱阻的影響，提出了著名的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度（SET）指標(biāo)[2]。標(biāo)準(zhǔn)有效溫度是指某個(gè)空氣溫度等于平均輻射溫度的等溫環(huán)境中的溫度，其相對(duì)濕度為50%，空氣靜止不動(dòng)，在該環(huán)境中身著標(biāo)準(zhǔn)熱阻服裝的人若與他在實(shí)際環(huán)境和實(shí)際服裝熱阻條件下的平均皮膚溫度和皮膚濕潤(rùn)度相同時(shí)，則必有相同的熱損失，這個(gè)溫度就是標(biāo)準(zhǔn)有效溫度。不同于早期的有效溫度是直接從人體主觀評(píng)價(jià)推導(dǎo)出，SET熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)是由人體傳熱的物理過(guò)程分析而得到，但由于SET指標(biāo)中平均皮膚溫度和皮膚濕潤(rùn)度計(jì)算的復(fù)雜性，阻礙了其通用性。

上述4種熱舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都是假定人體所處的環(huán)境是一個(gè)均勻的熱環(huán)境，即空氣溫度和相對(duì)濕度等均勻一致，適用于建筑室內(nèi)熱舒適的評(píng)價(jià)。然而汽車乘員艙空間狹小，受太陽(yáng)輻射、對(duì)流換熱、人體散熱及發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳熱等因素的影響，車內(nèi)溫度梯度很大，身體不同部位所面對(duì)的環(huán)境參數(shù)有所不同，不能當(dāng)作均勻熱環(huán)境看待，至今國(guó)內(nèi)對(duì)汽車乘員艙熱舒適性缺少完整與切合實(shí)際的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)者們一直尋求一個(gè)簡(jiǎn)便且能綜合多種因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而可以簡(jiǎn)化對(duì)人體熱舒適的評(píng)價(jià)。為了解決非均勻環(huán)境中人體熱舒適性的問(wèn)題，通常采用當(dāng)量溫度（EQT）和當(dāng)量均勻溫度（EHT）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 非均勻熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)

3.1 當(dāng)量溫度（EQT）評(píng)價(jià)方法

2001年，SAE J2234—2001中定義了當(dāng)量溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)EQT。當(dāng)量溫度綜合考慮了空氣溫度、空氣流速和輻射影響，將人體分為15個(gè)節(jié)段，計(jì)算每個(gè)節(jié)段與周圍環(huán)境的熱交換，利用局部熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)代替全身熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)。EQT計(jì)算公式為[3]：

式中：Teq.i——第i節(jié)段的當(dāng)量溫度，K；

Ts.i——第i節(jié)段的表面溫度，K；

va.i——第i節(jié)段的空氣流速，m/s；

Si——第i節(jié)段的表面面積，m2；

Ta.i——第i節(jié)段的空氣溫度，K；

σ——斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）；

εi——第i節(jié)段的發(fā)射率；

fi.n——第i節(jié)段對(duì)第n個(gè)部件表面的角系數(shù)；

Tn——汽車乘員艙內(nèi)第n個(gè)部件的溫度，K；

Qsol——人體得到的太陽(yáng)輻射熱，W/m2；

hcal.i——在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下感受器標(biāo)定的第i節(jié)段的對(duì)流換熱系數(shù)；

i——人體的節(jié)段。

3.2 當(dāng)量均勻溫度（EHT）評(píng)價(jià)方法

文獻(xiàn)[4]提出當(dāng)量均勻溫度（EHT）。先設(shè)定一個(gè)理想的均勻環(huán)境，空氣溫度等于平均輻射溫度，沒(méi)有溫度梯度和空氣流動(dòng)，在衣著量和代謝強(qiáng)度相同的情況下，如果非均勻環(huán)境下身體某一部位與其在該均勻環(huán)境下的散熱量相等，就稱該均勻環(huán)境下的空氣溫度為非均勻環(huán)境的EHT。非均勻熱環(huán)境下，EHT指標(biāo)將人體劃分為15個(gè)節(jié)段，則每一節(jié)段滿足如下關(guān)系式：

式中：REHT，CEHT——理想均勻環(huán)境下的輻射、對(duì)流換熱，W/m2。

在局部環(huán)境參數(shù)以及人體各節(jié)段表面皮膚溫度均已確定的情況下，式（5）是關(guān)于EHT的代數(shù)方程，通過(guò)求解式（5）便能夠得到。

3.3 非均勻熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)

人體熱舒適度范圍，如圖2所示。圖2中的2條粗實(shí)線為夏季人體各節(jié)段的熱舒適邊界線，由于不同人之間的感覺(jué)存在差異，該范圍表示的是90%的人員感到舒適的滿意界限。不同文獻(xiàn)的人體熱舒適性范圍稍有差異。

對(duì)于非均勻熱環(huán)境來(lái)講，進(jìn)行三維流場(chǎng)的計(jì)算與人體各節(jié)段生物熱方程的求解是完成上述2種評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算的關(guān)鍵。要得到準(zhǔn)確的人體各節(jié)段皮膚溫度，需要進(jìn)行三維流場(chǎng)與人體各節(jié)段生物熱方程之間的耦合迭代，計(jì)算過(guò)程繁瑣復(fù)雜。研究表明：對(duì)于同一個(gè)物理問(wèn)題，盡管采用2種評(píng)價(jià)方法所得到的當(dāng)量溫度不同，但得到的2種評(píng)價(jià)的效果卻是一致的，從而進(jìn)一步顯示了這2種評(píng)價(jià)指標(biāo)定義的可行性與有效性。文獻(xiàn)[5]從人體生理學(xué)角度出發(fā)，對(duì)人體從體內(nèi)到體表進(jìn)行研究，同時(shí)還采用了多種熱舒適性評(píng)價(jià)方法對(duì)數(shù)值仿真計(jì)算的模型進(jìn)行對(duì)比，得出采用當(dāng)量溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)能很好地對(duì)受熱不均勻的汽車乘員艙內(nèi)人體局部熱感覺(jué)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 局部熱感覺(jué)與整體熱感覺(jué)

局部熱感覺(jué)和整體熱感覺(jué)的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

式中：TSV——整體熱感覺(jué)；

TSVi——人體第i節(jié)段的局部熱感覺(jué)；

?i——第i節(jié)段的影響權(quán)重。

兩者均對(duì)應(yīng)著ASHRAE的7點(diǎn)溫度感覺(jué)范圍，如表1所示。身體不同部位的局部熱感覺(jué)對(duì)整體熱感覺(jué)的影響權(quán)重不同?？偟膩?lái)說(shuō)，人體的頭部和軀干部分的熱感覺(jué)對(duì)整體熱感覺(jué)的影響較大，而四肢的影響較小[6]。確定局部熱感覺(jué)對(duì)整體感覺(jué)的影響權(quán)重是一個(gè)重要的研究方向。由于各個(gè)研究背景的不同，所得到的影響權(quán)重也不相同。文獻(xiàn)[7]通過(guò)大量的人體主觀熱反應(yīng)的試驗(yàn)研究，得到了人體局部各部位的熱敏感度對(duì)人體整體熱敏感度的影響權(quán)重，如表2所示。

表2 人體各部位對(duì)整體熱敏感度的影響權(quán)重

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車乘員艙乘員的熱舒適性研究大部分集中在基于近似均勻和穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的乘員艙，對(duì)于高度非均勻和瞬態(tài)乘員艙的研究還處于起步階段，沒(méi)有獲得被廣泛承認(rèn)的評(píng)價(jià)方法，主要不足包括計(jì)算復(fù)雜、參數(shù)多、考慮因素不全面、精度不高及擴(kuò)展性和通用性差等。關(guān)于乘員熱舒適評(píng)價(jià)方法還需要進(jìn)一步細(xì)致和創(chuàng)新的研究，從而建立一套在非均勻條件下能夠快速與準(zhǔn)確預(yù)測(cè)乘員舒適性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，以便確定熱環(huán)境調(diào)節(jié)和控制的方法，滿足工程應(yīng)用的需要。