基于人體熱調(diào)節(jié)模型的乘員艙熱舒適性分析*

陳吉清，鄭習(xí)嬌，蘭鳳崇，彭 睿

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東省汽車工程重點實驗室，廣州 510640）

前言

汽車在大多數(shù)情況下都是短途出行。研究表明［1］，85%的汽車行程都在18 km以內(nèi)，時間在15～30 min之間，在如此短的時間內(nèi)人體很難達到熱舒適狀態(tài)。乘員受到外界太陽輻射、車內(nèi)空氣的溫度與氣流和座椅熱傳導(dǎo)等因素的影響，人-車-環(huán)境系統(tǒng)是一個集合對流、輻射、蒸發(fā)和傳導(dǎo)等熱交換模型的復(fù)雜系統(tǒng)。同時，人體衣服熱特性、乘坐空間和人體熱調(diào)節(jié)行為等因素，也影響乘員熱舒適的穩(wěn)定性。復(fù)雜的人-車-環(huán)境系統(tǒng)和在短時間車內(nèi)不同位置乘員對于熱舒適性的需求，使汽車熱舒適性研究存在一定難度。

大多數(shù)汽車熱舒適性的研究通過計算乘員艙熱流場分布，分析車內(nèi)熱環(huán)境對乘員熱舒適的影響。其中一些研究添加了人體幾何模型，并考慮人體散熱對車內(nèi)環(huán)境的影響，將人體模型的邊界條件設(shè)置為固定熱流量或固定溫度。Zhang等人［2-3］利用Fluent軟件計算汽車在兩種行駛車速下空調(diào)制冷過程中乘員艙的瞬態(tài)溫度場分布，仿真與試驗結(jié)果比較符合，并根據(jù)這個仿真模型分析了出風(fēng)口送風(fēng)參數(shù)、外界環(huán)境溫度、車速、乘員人數(shù)和玻璃材料特性對空調(diào)熱負荷和乘員艙熱流場的影響。張文燦等人［4］采用數(shù)值模擬計算了太陽輻射下汽車在加熱階段的壁面溫度和車內(nèi)空氣溫度的動態(tài)變化過程，并得到試驗驗證。蘆克龍［5］和唐江明［6］等人在乘員艙空間中建立了人體模型，對汽車風(fēng)道和乘員艙的氣流進行數(shù)值模擬，以當(dāng)量溫度作為熱舒適性指標(biāo)，分別對空調(diào)風(fēng)道和送風(fēng)格柵進行了優(yōu)化。Kilic等人［7］分別計算在人體邊界條件為固定的熱流量和固定溫度情況下，空調(diào)制冷過程中不同出風(fēng)口溫度和速度對乘員艙瞬態(tài)熱流場變化的影響。

在上述研究中，人體表面?zhèn)鳠崽匦宰鳛楣潭ㄟ吔鐥l件處理，忽略了人體熱調(diào)節(jié)反應(yīng)和人體內(nèi)部傳熱過程，也不能計算人體皮膚溫度的變化，致使在人體固定溫度和熱流量條件下的熱舒適評價與考慮人體熱調(diào)節(jié)的舒適度評價結(jié)果相差甚遠。在建筑領(lǐng)域的熱舒適研究中，人體熱調(diào)節(jié)模型得到廣泛應(yīng)用，但在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用較少。Han等人［8］引入人體熱調(diào)節(jié)模型，考慮車內(nèi)熱環(huán)境和人體模型的耦合作用，提出VTCE（virtual thermal comfort engineering）分析流程，仿真分析了6種車內(nèi)穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下人體熱舒適熱感覺的變化。Alahmer等人［9］采用人體熱調(diào)節(jié)模型，討論了車內(nèi)溫度濕度動態(tài)變化情況下的人體不同節(jié)段皮膚溫度和熱舒適的變化情況。

乘員熱舒適與人體在環(huán)境變化下的熱調(diào)節(jié)反應(yīng)密切相關(guān)，人體熱調(diào)節(jié)機制會影響人體熱狀態(tài)，反之，人體的熱狀態(tài)也會引起熱調(diào)節(jié)反應(yīng)量的改變，在熱舒適分析建模過程中不能忽略人體熱調(diào)節(jié)的作用。而乘員艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)瞬態(tài)變化，人體在不均勻環(huán)境中的整體熱感覺會受到身體局部熱感覺的影響［10］，乘員的局部熱響應(yīng)不容忽視。因此引入人體熱調(diào)節(jié)模型，計算不同乘坐位置乘員的身體局部皮膚溫度，并分析人體熱調(diào)節(jié)參數(shù)和人體熱舒適的動態(tài)變化規(guī)律。人體熱調(diào)節(jié)模型的應(yīng)用可較全面地考慮乘員自身熱調(diào)節(jié)和所處環(huán)境的影響，使計算結(jié)果趨近真實情況，從而為汽車乘員熱舒適設(shè)計提供一種可靠的分析方法。

1 乘員艙熱環(huán)境與人體模型耦合計算

1.1 人體內(nèi)部傳熱模型

目前比較完善的人體模型是Fiala人體熱調(diào)節(jié)模型［11-12］，它可綜合考慮環(huán)境變化和人體內(nèi)部熱調(diào)節(jié)作用對人體熱反應(yīng)的影響。Fiala人體熱調(diào)節(jié)模型把人體劃分為21個不同的節(jié)段，每個節(jié)段假設(shè)為圓柱體，內(nèi)部劃分不同內(nèi)徑的組織層，圖1為人體模型節(jié)段和組織劃分。

對于人體的不同節(jié)段，其內(nèi)部組織傳熱存在熱平衡關(guān)系，用人體生物熱方程表示為

式中：k為組織之間的熱導(dǎo)率；T為組織溫度；r為半徑；ω為幾何系數(shù)，取1為柱坐標(biāo)，取2為球面坐標(biāo)（頭部）；qm為代謝產(chǎn)熱量；ρb1為血液密度；wb1為血液灌注速率；cb1為血液的比熱容；Tbl，a為動脈血液溫度；ρ為組織密度；c為組織比熱容；t為時間。

1.2 人體熱調(diào)節(jié)反應(yīng)

圖2為人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖。人體實際溫度和基準(zhǔn)溫度的差值產(chǎn)生控制信號，下丘腦體溫調(diào)節(jié)中樞進行綜合處理判斷，通過排汗、血液舒縮和顫抖生熱等改變產(chǎn)熱和散熱量，以調(diào)節(jié)體溫［13］。人體熱調(diào)節(jié)反應(yīng)寒顫量Sh（W）、出汗量Sw（g／min）、血管收縮量Cs（W／K）和血管舒張量Dl（W／K）分別表示為

式中：ΔTskm為皮膚溫度變化量；ΔThy為頭部核心溫度（下丘腦）誤差信號；為人體皮膚溫度下降速率。

圖2 人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制原理

1.3 乘員與周圍環(huán)境耦合計算

乘員與周圍環(huán)境熱平衡是一個動態(tài)平衡過程，人體凈熱流量q （W／m2）的方程為

式中：qc為對流換熱量；qR為周圍物體表面輻射；qsR為太陽輻射；qe為蒸發(fā)換熱量。其中

式中：hc，mix，hR，he分別為對流換熱系數(shù)、輻射換熱系數(shù)和蒸發(fā)散熱系數(shù)；Tsf，Tair，Tsr，m分別為皮膚表面溫度、車內(nèi)空氣溫度和汽車內(nèi)表面平均輻射溫度；αsf為表面吸收率；s為輻射密度；ψsf-sr為人體與周圍圍護結(jié)構(gòu)的角系數(shù)；psk為皮膚表面水蒸氣分壓；pair為空氣水蒸氣分壓。

2 試驗研究

2.1 試驗流程

試驗用車為一款本田飛度轎車，在我國南方地區(qū)冬季2月份進行，試驗過程中汽車始終靜止停放在地下停車場。試驗過程第1階段30 min，車門全部打開，使車內(nèi)環(huán)境與車外環(huán)境一致。第2階段20 min，測試人員坐到前排駕駛員位置，關(guān)閉車門，同時汽車暖風(fēng)系統(tǒng)開啟吹面模式，對車內(nèi)環(huán)境參數(shù)和測試人員皮膚溫度進行測量。測試人員進入車內(nèi)試驗之前在車外靜止站立10 min，以保證人體初始狀態(tài)平穩(wěn)。

測試人員為健康成年男性和女性各3名，統(tǒng)一穿著冬季長襯衫、夾克和長褲，每位測量人員進行一次測試，表1為測量人員身體特征。

表1 測量人員身體特征

車外環(huán)境采用黑球溫度計和濕度計測量，在每次試驗過程中，停車場內(nèi)環(huán)境溫度大致為12℃，濕度60%，空氣流速＜0.1 m／s。汽車暖風(fēng)出風(fēng)口速度3 m／s，出風(fēng)口溫度48℃，每次試驗時這些參數(shù)保持不變。利用熱電偶分別在車內(nèi)前后排乘員頭部區(qū)域、胸部區(qū)域和下肢區(qū)域共6個測點測量空氣溫度變化，并分別在測試人員頭部、上臂、胸部、大腿和小腿皮膚表面5個測點測量溫度。人體皮膚溫度及車內(nèi)空氣溫度測點如圖3所示，試驗儀器如圖4所示。

圖3 人體溫度與車內(nèi)空氣溫度測點

圖4 試驗器材

2.2 試驗結(jié)果

對前后排乘員頭部周圍、胸部和腿部周圍空氣測點的溫度進行監(jiān)測，結(jié)果如圖5所示。不論前排還是后排，車內(nèi)空氣溫度變化都分為兩個階段。在開始的幾分鐘，由于暖風(fēng)開啟，將大量熱負荷帶入車內(nèi)，車內(nèi)溫度上升很快，之后由于車內(nèi)溫度與暖風(fēng)出風(fēng)口處溫度差別變小，溫度上升速率減緩。

圖5 乘員艙內(nèi)空氣溫度變化

乘員艙溫度分布則呈現(xiàn)出瞬態(tài)不均勻變化的特征。在車內(nèi)垂直方向，由于車內(nèi)暖風(fēng)系統(tǒng)采用吹面模式，頭部區(qū)域的空氣溫度最高，腿部區(qū)域的空氣溫度最低。在整個試驗過程中，頭部和腿部區(qū)域測點的溫度差最高約可達到4℃。在車內(nèi)水平方向，由于前排更接近出風(fēng)口，而后排由于座椅對暖風(fēng)氣流的干擾以及氣流流動傳熱的影響，導(dǎo)致后排溫度上升速度較慢，最終達到的溫度也較低。乘員艙內(nèi)水平方向和垂直方向都有溫度差異，很容易造成不同乘坐位置乘員身體部位的熱感覺和熱舒適的差異。

3 數(shù)值模擬

采用帶有人體熱調(diào)節(jié)模型的TAITherm軟件進行數(shù)值計算。圖6為乘員的動態(tài)熱反應(yīng)數(shù)值分析流程，數(shù)值計算過程考慮了乘員艙內(nèi)環(huán)境與人體的熱交換、人體生理結(jié)構(gòu)和自身活動生熱等因素，將車內(nèi)環(huán)境與人體內(nèi)部生熱傳熱相耦合，計算得到人體的平均皮膚溫度、熱調(diào)節(jié)參數(shù)和熱舒適指標(biāo)。

圖6 乘員動態(tài)熱反應(yīng)數(shù)值分析流程

3.1 人體模型邊界條件

TAITherm中的人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型將人體劃分為21個節(jié)段，每個節(jié)段有16個組織節(jié)點。表2為不同組織層的厚度和節(jié)點分布，從內(nèi)到外的組織分布一般為中心層、骨骼層、肌肉層、脂肪層和皮膚層，不同身體節(jié)段各組織層的厚度和節(jié)點數(shù)各不相同，表中r為組織厚度，n為組織的計算節(jié)點數(shù)目，熱量在不同組織內(nèi)的節(jié)點之間進行傳遞。

表2 人體模型組織厚度和節(jié)點分布

在人體模型中可加入衣物層。人體穿著上衣兩件，長褲一件，每件仿真衣物熱阻值為0.155 m2·K／W，人體活動水平設(shè)置為70.422 W／m2。

3.2 環(huán)境邊界條件

由于測試人員進入車內(nèi)進行測試之前在車外地下停車場環(huán)境靜止站立，因此人體模型仿真首先將環(huán)境邊界條件設(shè)置為地下停車場，即溫度12℃，濕度60%，風(fēng)速0 m／s，得到乘員在加熱過程的初始狀態(tài)。環(huán)境邊界條件設(shè)置包括乘員艙內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)速。溫度為試驗測得的汽車加熱工況下乘員艙內(nèi)人體周圍空氣測點的溫度；空氣速度由流體有限元仿真得到；濕度假設(shè)與外界環(huán)境相同，設(shè)置為60%。

車內(nèi)環(huán)境參數(shù)通常在人體周圍不均勻分布，對于人體不同部位，可設(shè)置相應(yīng)的環(huán)境邊界條件。邊界條件設(shè)置完成，利用有限元分析算得人體皮膚溫度、人體熱調(diào)節(jié)參數(shù)和熱舒適值。

4 結(jié)果分析

4.1 結(jié)果驗證

乘員進入車內(nèi)后，在暖風(fēng)開啟的20 min過程中，人體的皮膚溫度仿真與試驗結(jié)果對比如表3所示。仿真與試驗相差最大的部位為頭部，溫度差為-2.61℃，相對誤差為7.42%，其余部位誤差相對較小?？烧J為在乘員動態(tài)熱反應(yīng)分析中，數(shù)值計算方法比較可靠。

表3 仿真計算與試驗測試溫度對比

4.2 乘員局部平均皮膚溫度變化

圖7為前排乘員在暖風(fēng)開啟后0，10和20 min時皮膚溫度云圖。圖8對比了前后排乘員的頭部、胸部、上臂、大腿和小腿的皮膚表面平均溫度。由圖可知，在加熱過程中，前后排乘員各部位的皮膚溫度都有不同程度的上升。

圖7 不同時刻前排乘員皮膚溫度變化圖

從圖8中還可以看出，人體各部位皮膚平均溫度有一定差別，在暖風(fēng)開啟20 min時，前排乘員頭部、胸部、上臂、大腿和小腿的皮膚溫度分別到達了34.92，35.77，34.71，35.15和34.45℃。頭部由于暴露在空氣中，且受到出風(fēng)口氣流影響較大，皮膚溫度上升很快，溫度上升了接近3℃。而腿部由于只有一層衣服的阻擋，溫度上升幅度比胸部和上臂大，大腿小腿的溫度都上升了3℃左右，而胸部和上臂溫度上升幅度小于2℃。胸部由于基礎(chǔ)代謝產(chǎn)熱較高，周圍環(huán)境空氣溫度較高，因此其皮膚溫度始終較高。

由圖8還可知，前排空氣溫度較高，因此前排乘員身體部位溫度比后排高。由于頭部沒有衣服的阻擋，對于外界環(huán)境變化更敏感，前后位置乘員的頭部溫度差異較大，在試驗結(jié)束時溫度相差約1℃。前后排乘員胸部和上臂溫度差異小，這是因為胸部有兩層衣物覆蓋，衣物熱阻值高，其自身血流的變化及代謝產(chǎn)熱對其皮膚溫度的影響較大，受到外界環(huán)境的影響相對較小。

4.3 乘員整體熱反應(yīng)與熱調(diào)節(jié)

在加熱過程中，前后排乘員頭部、胸部、上臂、大腿和小腿的皮膚溫度都處于上升狀態(tài)，因此乘員整體的皮膚溫度也不斷升高。圖9為前后排乘員的整體皮膚溫度。從圖中可以看出，在初始階段皮膚溫度上升很快，之后由于車內(nèi)空氣溫度變化速度減慢，皮膚溫度上升速度變緩。前排乘員皮膚溫度始終高于后排乘員，最終狀態(tài)時，前排乘員皮膚溫度達到35.02℃，而后排乘員則為34.52℃。

圖8 前后排乘員不同身體部位皮膚溫度

在熱環(huán)境中，皮膚血管舒張，血流量增加，人體內(nèi)部新陳代謝產(chǎn)熱通過血液帶向皮膚發(fā)散到環(huán)境中去。當(dāng)體溫上升到一定水平后，人體就會出汗，利用汗液在體表的蒸發(fā)帶走體內(nèi)多余的熱量。圖10為前后排乘員熱調(diào)節(jié)參數(shù)的變化情況。從圖10（a）可以看出，在加熱工況下，前后排乘員的寒顫量都為0，出汗量逐漸增加，前排乘員周圍環(huán)境溫度較高，因此出汗量較多，出汗的時間也比后排乘員早。而在圖10（b）中，乘員的血液舒張量也在增加，前排乘員的血液舒張量大于后排，因此前排能將更多的熱量帶到體表，皮膚溫度更高。同時還發(fā)現(xiàn)，無論是前排還是后排，出汗的時間點要比血液舒張的時間點晚，這是因為出汗需要在身體熱量達到一定程度時才會發(fā)生。

圖9 前后排乘員整體皮膚溫度

圖10 前后排乘員熱調(diào)節(jié)反應(yīng)

4.4 乘員整體熱舒適

PMV-PPD是目前應(yīng)用較為廣泛的人體整體熱舒適評價指標(biāo)，PMV指數(shù)表示人體熱感覺投票的平均值，而PPD表示熱環(huán)境中不滿意人數(shù)的百分比。圖11為前后排乘員PMV和PPD的變化情況。由圖11（a）可知，前后排的熱感覺值都處于上升狀態(tài)。在初始階段，人體感覺到冷，人體PMV為負值。車內(nèi)暖風(fēng)開啟后，乘員受到熱應(yīng)力的刺激，熱感覺急劇上升。由圖11（b）可知，在開始階段，PPD值較高，不滿意人數(shù)比例較高。隨著人體熱感覺漸漸趨于中性狀態(tài)，不滿意人數(shù)減少，但當(dāng)車內(nèi)溫度繼續(xù)上升，不滿意的人數(shù)又繼續(xù)增加。

圖11 前后排乘員PMV和PPD變化

綜合來看，在暖風(fēng)開啟后的5 min內(nèi)，前排PMV和PPD值都接近0，說明此時乘員達到了比較舒適的狀態(tài)，人群的滿意人數(shù)比例也較高。而后排乘員在10 min左右感覺最舒適。在后續(xù)階段，受到汽車暖風(fēng)氣流的持續(xù)影響，車內(nèi)溫度繼續(xù)上升，人體熱感覺值過高，不滿意人數(shù)比例也在上升。在此階段既消耗了能量，也不利于人體的熱舒適。因此合理對暖風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)節(jié)很有必要。

5 結(jié)論

通過試驗與仿真結(jié)合的方法，將車內(nèi)熱環(huán)境與人體熱調(diào)節(jié)模型相耦合，分析了瞬態(tài)變化的汽車內(nèi)環(huán)境下不同乘坐位置乘員身體的熱響應(yīng)，得到以下結(jié)論。

（1）乘員人體熱調(diào)節(jié)模型的計算方法可對瞬態(tài)汽車環(huán)境中的乘員動態(tài)熱響應(yīng)和熱舒適進行評價，計算得到的乘員頭部、胸部、上臂、大腿和小腿的皮膚溫度得到了試驗結(jié)果的驗證，最大誤差在7%以內(nèi)，滿足工程要求的計算精度。

（2）在加熱過程中，乘員艙空氣溫度在水平方向和垂直方向都存在差異，車內(nèi)熱環(huán)境瞬態(tài)不均勻變化。前后排各測點空氣溫度在前5 min階段溫度上升速度很快，溫升超過10℃，在5～20 min階段車內(nèi)溫度上升速度減慢。

（3）乘員各部位皮膚溫度變化有一定差別，腿部由于只有一層衣服的阻擋，溫度上升幅度比胸部和上臂大，大腿小腿的溫度都上升了3℃左右，而胸部和上臂溫度上升幅度小于2℃。前排乘員的皮膚溫度大于后排乘員，在制熱階段結(jié)束時，前排乘員整體皮膚溫度比后排約高0.5℃。

（4）在加熱工況下，乘員體內(nèi)熱量增加，人體的出汗率和血液舒張量增大，前排乘員出汗量和血液舒張量都大于后排乘員。

（5）在熱舒適的變化中，隨著暖風(fēng)氣流作用的增強，乘員的熱感覺PMV值不斷上升。在制熱過程的后期，處于較熱環(huán)境中的前排乘員的不滿意人數(shù)比例反而更高，此時前排空間過高的空氣溫度使前排乘員比后排乘員更不舒適。