基于駕乘人員熱感覺的車內(nèi)空調送風參數(shù)設計

趙蘭萍，鄭振鵬，，徐 鑫，楊志剛

（1. 同濟大學機械與能源工程學院，上海201804；2. 同濟大學上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室，上海201804）

車內(nèi)熱環(huán)境直接影響駕乘人員熱感覺，不舒適的熱環(huán)境會使駕駛員的駕駛專注度下降，發(fā)生交通事故的概率增加［1］。傳統(tǒng)燃油車中空調系統(tǒng)能耗約占燃油總消耗的5.0%～10.0%，而在電動汽車中，空調所消耗的能量占整車總能耗的比例則高達18.0%～53.7%［2-4］。傳統(tǒng)的汽車乘員艙空調送風參數(shù)的設計和考核往往基于乘員呼吸點位置的空氣溫度或乘員艙平均溫度［5］，無法對車內(nèi)的熱環(huán)境和能耗進行精確控制。為了發(fā)展更為有效的汽車空調控制技術，需要采用合適的車內(nèi)乘員熱舒適性評價方法。國內(nèi)車用空調領域目前較多采用經(jīng)典的平均熱感覺（PMV）評價方法［6］，由于該方法是針對穩(wěn)態(tài)均勻的熱環(huán)境而提出的，無法對車內(nèi)熱環(huán)境和乘員熱舒適狀態(tài)做出客觀評估。等效均勻溫度（EHT）評價方法［7］和Berkeley 評價模型［8］是兩個具有代表性的不均勻熱環(huán)境評價方法，歐洲車企較多采用其中的EHT 評價方法。已有學者對不同評價方法進行了對比研究，如文獻［9］采用EHT和PMV評價方法進行汽車乘員熱舒適評價，并與主觀問卷調查結果進行對比分析。Zhang 等［8］則基于Berkeley 評價模型研究了空調送風條件和太陽輻射對人體生理參數(shù)及熱舒適狀態(tài)的影響。未見有文獻同時基于不同的評價方法設計車內(nèi)空調送風參數(shù)，對比分析所對應的人體熱反應和熱舒適指標等參數(shù)之間的區(qū)別。

本文采用計算流體力學（CFD）方法結合人體熱調節(jié)模型進行人體熱舒適性的仿真分析，通過最優(yōu)拉丁超立方法建立樣本數(shù)據(jù)庫，用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡模型（radial basis functions，RBF）建立近似模型，得到了包括送風參數(shù)及太陽參數(shù)在內(nèi)的5個車內(nèi)熱環(huán)境影響因素與乘員生理參數(shù)及熱舒適性指標之間的關系。在此基礎上，基于EHT及PMV評價方法，通過序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法（NLPQL），對冷但舒適、舒適和熱但舒適3種設計需求下的車內(nèi)空調送風參數(shù)進行了設計，分析對比了所對應的人體各主要生理參數(shù)及空調負荷等參數(shù)。

1.1 CFD模型及驗證

乘員艙幾何模型由榮威350試驗用車掃描后通過三維軟件逆向建模并簡化得到，為了使后續(xù)CFD仿真得到的熱流場更加接近真實情況，盡可能地保留了乘員艙內(nèi)部的主要幾何信息，如方向盤、座椅以及中控臺等結構，同時在駕駛員位置加入人體幾何模型。計算模型如圖1 所示，其中圖1b 還同時給出了送風角度的示意圖。圖中的送風角度為空調送風的俯仰角，范圍在0°～30°之間。

圖1 乘員艙模型Fig.1 Cabin model

車內(nèi)流場計算結合2 階迎風格式［10-11］，采用Realizable k?ε湍流模型。人體與周圍熱環(huán)境的輻射換熱是其熱感覺的重要影響因素，本文采用S2S（surface?to?surface）輻射模型，該模型僅考慮面與面之間的輻射傳熱，忽略介質之間的吸收、發(fā)射和散射。另外，為便于處理由于溫差引起的空氣浮升力的影響，采用Boussinesq 假設，該假設包括以下內(nèi)容：①流體中的黏性耗散忽略不計；②除密度外其他物性為常數(shù)；③對密度僅考慮動量方程中與體積力有關的項，其余各項中的密度為常數(shù)。采用Stolwijk［12］提出的人體生理熱調節(jié)模型，該模型分為被動系統(tǒng)和主動系統(tǒng)。模型將人體分為14個節(jié)段，每個節(jié)段又分為皮膚、脂肪、肌肉和核心共4 層。Stolwijk 模型能較好地模擬非均勻熱環(huán)境下的人體皮膚熱反應［13］。模型驗證以單人駕駛員位置的車內(nèi)熱舒適實驗為基礎，邊界條件的設置如下：空調送風速度、送風溫度、車外空氣溫度、相對濕度、太陽輻射強度、太陽高度角與方位角等計算邊界條件均采用實驗測得的數(shù)據(jù)，設置送風口為質量流量入口，出口為壓力出口，內(nèi)壁面為耦合邊界條件。

采用Hypermesh 軟件生成面網(wǎng)格，再利用STAR?CCM+軟件生成邊界層網(wǎng)格及體網(wǎng)格。共生成了5 套網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為210 萬、320 萬、400萬、525 萬和600 萬。經(jīng)網(wǎng)格無關性檢驗，發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格數(shù)大于400萬后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)，各節(jié)段皮膚溫度以及人體平均皮膚溫度的仿真結果與實驗值的偏差均小于1%?？紤]計算資源，后續(xù)計算采用的體網(wǎng)格數(shù)量約為400 萬。通過3 組實驗與仿真結果的對比發(fā)現(xiàn)，人體各部位皮膚溫度、車內(nèi)壁面溫度及空氣測點溫度的CFD 仿真結果與對應的實驗測定值的偏差均在10%以內(nèi)［14］。

1.2 樣本選取方法

拉丁超立方設計的原理是在n 維空間中，將每一維坐標區(qū)間［Xkmin，Xkmax］，k∈［1，n］均勻等分為m個區(qū)間，每個小區(qū)間記為［Xki-1，Xki］，i∈［1，m］。隨機選取m 個點，保證一個因子的每個水平只被研究一次，即構成n維空間，樣本數(shù)為m的拉丁超立方設計。拉丁超立方設計相比正交設計法有著水平值分級寬松，實驗次數(shù)可以人為控制等優(yōu)點。但普通的拉丁超立方設計可能會存在實驗點分布不夠均勻的情況，隨著水平數(shù)增加，丟失設計空間一些區(qū)域的可能性增加。本文選用最優(yōu)拉丁超立方設計，使所有的實驗點盡量分布在整個設計空間，具有更好的空間填充性和均衡性。表1中給出的各設計因素的取值范圍根據(jù)上海地區(qū)夏季太陽輻射情況和車用空調常用送風參數(shù)范圍確定。利用生成的60 個樣本點進行CFD樣本庫的建立。

表1 設計因素范圍Tab.1 Range of design factors

1.3 評價方法

圖2 給出了等效均勻溫度定義的示意圖。圖2中，ta為平均環(huán)境溫度；-tr為環(huán)境的平均輻射溫度；va為來流速度；teq為等效均勻溫度；R為人體與壁面的輻射換熱量；C為人體與周圍氣體的對流換熱量。先設定一個空氣流速為零、空氣溫度等于平均輻射溫度的理想均勻環(huán)境。在衣著量和代謝強度相同的情況下，如果某非均勻環(huán)境下人體的顯熱損失與其在所設定的理想均勻環(huán)境下的顯熱損失相等，就稱該均勻環(huán)境下的空氣溫度為非均勻環(huán)境下人體的等效均勻溫度［14-15］。

圖2 等效均勻溫度（EHT）的定義Fig.2 Definition of EHT

EHT綜合了人體與環(huán)境之間的顯熱交換（對流換熱和輻射換熱），可以用來衡量非均勻環(huán)境下人體的熱舒適狀態(tài)。Tanabe 等［16］通過暖體假人證明了用EHT 評價建筑內(nèi)非均勻環(huán)境的人體熱舒適是可行的。ISO 14505-2—2006［17］中則給出了如下人體各節(jié)段EHT的標準計算公式：

式中：teq，i為節(jié)段等效均勻溫度，℃；ts，i為節(jié)段皮膚溫度，℃；Qi為節(jié)段顯熱交換量，其中包括對流換熱量及輻射換熱量，W·m-2；hcal，i為等效均勻熱環(huán)境及相同人體坐姿及服裝條件下，人體節(jié)段表面的綜合換熱系數(shù)，W?m-2?K-1，可依據(jù)文獻［18］中的關聯(lián)式計算得到，計算結果如表2所示

表2 h cal取值［18］Tab.2 Value of h cal

人體的平均等效均勻溫度EHT 可以基于整體平均皮膚溫度與整體總顯熱損失計算得到，其公式為

式中：teq，mean為人體平均等效均勻溫度，℃；ts，mean為平均皮膚溫度，℃；hcal，mean為平均表面綜合傳熱系數(shù)，W?m-2?K-1；ts，mean可根據(jù)局部皮膚溫度進行面積平均得到

式中：Ai為人體各節(jié)段的皮膚面積，m2。

Wyon結合人體主觀評價實驗得到了EHT熱舒適區(qū)，Nilsson 則根據(jù)服裝熱阻的不同做了進一步的改進。熱舒適分區(qū)如圖3所示［19］。

圖3 EHT人體熱舒適區(qū)Fig.3 Thermal comfort zone based on EHT

熱舒適性理論認為，人是環(huán)境熱刺激的被動接受者，通過人和熱環(huán)境的熱濕交換來影響人體生理參數(shù)，進而使人產(chǎn)生不同的熱感覺。PMV的數(shù)學表達式是基于Fanger 教授的人體熱平衡方程并結合Kanasa州立大學實驗所得到的人體新陳代謝率及相應的主觀熱感覺數(shù)據(jù)而提出［20］。目前PMV 指標已被納入ISO 7730標準，該指標綜合考慮了環(huán)境空氣溫度、人體運動量、環(huán)境空氣流速、太陽輻射，衣物熱阻及空氣相對濕度對人體熱舒適的影響。

PMV指標中采用的American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers（ASHARE）七點式標尺則如表3所示。

表3 PMV熱感覺標尺［21］Tab.3 PMV thermal sensation scale

本文將基于上述兩種評價方法，對冷但舒適、舒適和熱但舒適3 種需求下的空調送風參數(shù)進行設計。首先需要對兩種評價方法的標尺進行折算。Gagge 等的研究結果發(fā)現(xiàn)，實際上人體不舒適表現(xiàn)在投票高于+2或低于-2的人身上，認為+2到-2的PMV指標區(qū)間為人體熱舒適度的可接受范圍［22］。將EHT舒適分區(qū)上的中線所對應的人體整體EHT與PMV標尺中的適中（0）相對應，定義為舒適狀態(tài)；將冷但舒適的左邊界所對應的人體整體EHT 與PMV 標尺中的冷（-2）相對應，定義為冷但舒適狀態(tài)；將熱但舒適區(qū)域的右邊界所對應的人體整體EHT與PMV標尺中的暖（+2）相對應，定義為熱但舒適狀態(tài)。折算結果為：熱感覺適中對應的PMV值及EHT值分別為0和25.3 ℃；熱但舒適邊界對應的PMV 值及EHT 值分別為+2 和29.2 ℃；冷但舒適邊界對應的PMV 值及EHT 值分別為-2 和21.5 ℃。

1.4 近似模型及驗證

在CFD樣本計算結果基礎上，采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡模型（radial basis functions，RBF）方法建立設計因素與目標因素之間關系的近似模型。RBF模型具有很強的逼近復雜非線性函數(shù)的能力，考慮到車內(nèi)熱環(huán)境及人體生理調節(jié)的復雜程度，采用該模型可以對樣本點的仿真結果具有較好的擬合度。另外，RBF 模型相比于響應面模型、正交多項式模型和克里金模型等，其算法具有較好的泛化能力，同時具有學習速度快及較強的容錯能力［23］。

以表1中的設計因素為輸入，分別得到以EHT、PMV、人體對流換熱量、人體輻射換熱量、人體平均皮膚溫度、人體顯熱換熱量及人體總換熱量等不同參數(shù)為輸出的近似模型，所得到的近似模型對60個樣本點的擬合確定系數(shù)R2都在0.99～1.00 的范圍內(nèi)。為了驗證近似模型的預測精度，在樣本空間外、設計因素范圍內(nèi)重新均勻抽取6個樣本點進行仿真計算，計算結果作為近似模型的預測精度驗證依據(jù)，所選6個樣本點的具體參數(shù)如表4所示。

圖4 為近似模型預測精度的驗證結果。從圖4可以看出，除了PMV 近似模型之外，其余近似模型的預測精度誤差均值都在10%以內(nèi)。PMV 近似模型，由于其輸出值的量級較小，預測結果與仿真結果差0.3左右就會導致誤差的百分比達到100%以上，所以該模型預測精度的驗證效果不能簡單依據(jù)誤差百分比來進行評判，應參考誤差絕對值?？傮w而言，所建立的各近似模型的預測精度較好。

表4 近似模型驗證用樣本點Tab.4 Sample points for approximate model validation

圖4 近似模型驗證結果Fig.4 Validation results of approximate models

2.1 送風參數(shù)

通過所建立的EHT 及PMV 近似模型，采用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法（NLPQL）進行送風參數(shù)的設計。NLPQL 算法是將目標函數(shù)以二階泰勒級數(shù)展開，將約束條件線性化，通過解二次規(guī)劃得到下一個設計點，然后根據(jù)兩個可供選擇的優(yōu)化函數(shù)執(zhí)行一次線性搜索，該算法的特點是較為穩(wěn)定。設定太陽高度角為60°，太陽輻射強度為800 W?m-2，根據(jù)該算法，本文對不同熱舒適設計需求下的空調送風參數(shù)進行了設計。表5給出了基于PMV及EHT評價方法的送風參數(shù)設計結果。由表5 可知，隨著熱舒適設計需求由偏冷向偏熱的轉變，空調的送風角度增加。在基于PMV方法的設計結果中，送風角度的增幅較大，而EHT方法所對應的送風角度基本維持在15°左右。送風角度的不同主要是由于EHT評價方法考慮了人體各部位的不同熱敏感度，而PMV評價方法并沒有這方面的考量。對比送風溫度可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱舒適設計需求由偏冷向偏熱轉變，空調送風溫度明顯增加，且PMV對應的送風溫度的增幅更大，在偏冷或適中狀態(tài)下，PMV 對應的送風溫度低于EHT 的對應值，但在偏熱狀態(tài)下，則正好相反。在同一熱舒適設計需求下，兩種設計方法得到的送風速度的區(qū)別并不明顯，而隨著設計需求向偏熱的轉變，兩者的送風速度差異變大。綜合設計結果可以發(fā)現(xiàn)，送風溫度與送風速度對人體的熱感覺的確起到了較為關鍵的作用?；贓HT 評價方法的設計結果相較PMV評價方法而言，所設計出的空調送風狀態(tài)更偏向高風溫及高風速。

表5 送風參數(shù)設計結果Tab.5 Design results of air supply parameters

2.2 人體生理參數(shù)

依據(jù)表5 送風參數(shù)的設計結果，利用所建立的近似模型，進一步計算了不同熱舒適設計需求下，人體表面的換熱量及皮膚溫度。圖5為人體表面的換熱量對比。規(guī)定人體向外界環(huán)境散發(fā)的熱量為正，從外界環(huán)境中吸收的熱量為負。從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在熱舒適設計需求為舒適但偏熱的狀態(tài)下，EHT設計法對應的對流換熱量大于PMV 設計法所對應的值。結合表5 可知，兩個評價方法對應的空調送風速度相差較大，EHT設計方法所對應的送風速度較大。在熱舒適設計需求為舒適但偏冷的狀態(tài)下，兩種方法對應的空調送風速度相差很小，但送風溫度相差較大，導致PMV設計方法對應的對流換熱大于EHT 方法所對應的值。在熱舒適設計需求適中的情況下，EHT方法對應的對流及輻射換熱均略高于PMV方法對應的值，因而兩者的顯熱交換量基本相等。潛熱交換量方面，適中和偏冷但舒適的設計需求下，兩種方法對應值相差不大，但在偏熱但舒適的設計需求下，PMV 方法的對應值明顯大于EHT 方法的對應值，說明此時PMV方法設計出來的熱環(huán)境讓人更容易出汗。同時可以發(fā)現(xiàn)，由于太陽輻射強度及太陽高度角維持不變，3類熱舒適設計需求下的輻射換熱變化很小，所以3 類需求下顯熱交換量的不同主要是由于對流換熱的不同而導致。

圖6為基于兩種不同評價方法所設計的車內(nèi)熱環(huán)境下，人體表面總輻射換熱量與對流換熱量的比值對比。從圖6 可以看出，隨著設計需求由冷但舒適變?yōu)闊岬孢m，人體表面輻射換熱占比在不斷增加。EHT 設計方法對應的輻射換熱占比的增幅小于PMV 方法的對應值。在偏冷及適中的熱設計需求下，EHT 方法對應的輻射占比大于PMV 方法的對應值，但在偏熱的熱設計需求下，EHT 方法對應的輻射占比小于PMV方法的對應值，這是由于在該需求下，兩者對應的輻射換熱量相差不大，但PMV方法對應的對流換熱量較小導致的。圖7為基于兩種不同評價方法所設計的車內(nèi)熱環(huán)境下，人體平均皮膚溫度的對比。在熱設計需求偏冷的情況下，EHT方法對應的平均皮膚溫度更高，隨著熱設計需求向偏熱轉變，PMV方法對應的平均皮膚溫度的增幅更大，最終導致在偏熱的熱設計需求下，PMV 方法對應平均皮膚溫度比EHT 方法的對應值高1.19 ℃。

圖8為3種不同熱舒適設計需求下，兩種設計方法得到的人體各節(jié)段皮膚溫度的對比。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，在熱舒適設計需求偏冷的情況下，EHT 方法對應的各節(jié)段皮膚溫度均大于PMV方法的對應值，且身體上半部分的差異比下半部分的差異大。結合表5可以發(fā)現(xiàn)，這與EHT 設計方法的高送風溫度有關，由于兩者的送風角度均向上，因此主要區(qū)別在上半身。在偏熱的設計需求下，由于風速較小但風溫較大，PMV 方法對應的皮膚溫度均大于EHT 方法的對應值，PMV方法溫度最低的部位則由手變成了上臂，這是由30°的俯仰角導致的。同時可以發(fā)現(xiàn)，隨著設計需求的變化，PMV方法相對于EHT方法，手部溫度有著更大的變化。說明送風角度直接決定了氣流的走向，對人體周圍的流場和溫度場有較大的影響。

圖5 不同評價方法的換熱量對比Fig.5 Comparison of heat flux of different evaluation methods

圖6 輻射換熱量與對流換熱量之比Fig.6 Comparison of radiation proportion

圖7 平均皮膚溫度對比Fig.7 Comparison of t s,mean

2.3 人體局部熱舒適性

圖9 為不同熱舒適設計需求下，人體各節(jié)段的局部EHT值。結合圖3的EHT人體熱舒適分區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)，在3個不同熱舒適設計需求下，人體頭部和手部的EHT值均比其余部位小，這意味著在同一需求下這兩個部位的熱感覺偏冷。同時，可以發(fā)現(xiàn)，當熱舒適設計需求在偏冷或者適中狀態(tài)下，PMV 及EHT兩種方法對應的局部EHT值在人體下半身的節(jié)段上差別不大，但是在上半身各節(jié)段的EHT值差別較大。對于上半身節(jié)段，PMV 方法對應的EHT值偏離舒適區(qū)中線更遠。從圖9c可以看出，熱舒適設計需求偏熱時，PMV 方法對應各節(jié)段EHT 值均大于EHT方法，并且人體上半身的大部分節(jié)段處于不舒適狀態(tài)。綜合3 個不同熱舒適設計需求，可以看出，對于同一熱舒適設計需求，PMV 設計方法對應的各節(jié)段局部EHT 值偏離舒適區(qū)中線的距離更大，舒適度更差。

2.4 空調冷負荷

為簡化起見，設空調為全新風外循環(huán)狀態(tài)，空調冷負荷計算以空調出風口及車艙出風口的焓差為計算依據(jù)。圖10a 為太陽高度角為60°，太陽輻射強度為800 W?m-2環(huán)境下，基于兩種評價方法所設計出的熱舒適狀態(tài)適中時所對應的空調冷負荷?？梢钥闯?，兩種評價方法對應的空調冷負荷基本相等。在偏冷但熱舒適的設計需求下，PMV方法對應的冷負荷稍大，這主要由于PMV方法對應的空調送風溫度較小導致的。在偏熱但熱舒適的設計需求下，EHT方法對應的冷負荷稍大，此時兩種評價方法對應的送風溫度差別較小，但EHT方法對應的送風速度明顯大于PMV 方法的對應值。圖10b 為適中但熱舒適需求下空調冷負荷與太陽輻射強度的關系?？梢钥闯?，太陽輻射強度增大，空調冷負荷也以穩(wěn)定的速度隨之增加。當輻射強度在700～800 W?m-2之間時，基于兩種方法設計的熱環(huán)境的空調冷負荷基本相等，而在其他范圍內(nèi)，EHT 方法對應的空調冷負荷均小于PMV 方法的對應值。這是由于當太陽輻射大于800 W?m-2時，兩者對應的送風速度接近，但是EHT方法對應的送風溫度更高，故其空調冷負荷更小。當太陽輻射小于700 W?m-2時，此時EHT方法雖然有著更大的送風速度，但是兩者的送風速度差異較小，送風溫度的差異較大，最終導致了EHT方法對應的空調冷負荷小于PMV方法的對應值。

圖8 不同評價方法的各節(jié)段皮膚溫度對比Fig.8 Comparison of segment temperature of different evaluation methods

圖9 不同評價方法的各節(jié)段EHT對比Fig.9 Comparison of EHT of each segment of different evaluation methods

圖10 不同評價方法的空調冷負荷Fig.10 Comparison of air-conditioning cooling load of different evaluation methods

3 結論

（1）隨著熱舒適設計需求由偏冷向偏熱狀態(tài)轉變，PMV 方法主要靠同時改變空調送風溫度、送風速度和送風角度來滿足乘員熱舒適性指標要求，而EHT方法則更多依賴送風速度的改變，送風角度和送風溫度的變化均小于前者。同一熱舒適設計需求下，基于EHT 評價方法的設計方法，更偏向高風溫及高風速的空調送風狀態(tài)。

（2）依據(jù)EHT 方法設計出來的車內(nèi)熱環(huán)境，人體皮膚溫度隨熱舒適設計需求的變化較小。在偏熱但舒適的設計需求下，PMV方法設計出來的熱環(huán)境讓人更容易出汗。

（3）在同一熱舒適設計需求下，PMV 方法對應的各節(jié)段局部EHT值偏離舒適區(qū)中線的距離更大。由此可見，基于EHT 評價方法的熱環(huán)境設計較PMV評價方法更容易滿足乘員熱舒適的要求。

作者貢獻說明：

趙蘭萍：理論指導，實驗指導，文章結構搭建及調整，文字表達優(yōu)化。

鄭振鵬：近似模型建立，數(shù)值計算，文章內(nèi)容撰寫。

徐 鑫：仿真驗證實驗。

楊志剛：實驗及計算資源提供。