乘員艙熱舒適性評價方法

王丹劉雙喜牟江峰

（1.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室；2.中國汽車技術研究中心汽車工程院）

汽車乘坐熱舒適問題一直是汽車發展過程中的一個重要問題。實現車內熱環境高效科學的熱管理，對降低汽車能源消耗具有現實意義。基于合適的熱舒適性評價指標進行乘員艙熱舒適性研究，為空調風管及出風格柵等的優化設計提供理論依據。基于國內外關于汽車乘坐空間熱環境與乘員熱舒適性相關文獻的研究，文章總結分析了各項熱舒適性評價方法的研究現狀和不足，系統介紹了人體熱平衡方程、均勻熱環境熱舒適評價方法、非均勻熱環境評價方法以及局部熱感覺與整體熱感覺的關系建立。

1 人體熱平衡方程

根據美國供暖制冷空調工程師學會（ASHRAE）的定義，熱舒適性是指人們對熱環境表示滿意的意識狀態。人體感覺到熱舒適就必須要使人體保持產熱和散熱相平衡，人體熱平衡方程為：

式中：M——人體代謝產熱率，W/m2；

W——人體機械做功率，W/m2；

C，R——人體表面對流、輻射換熱熱損失，W/m2；

Esk——人體皮膚表面蒸發散熱總量，W/m2；

Cres，Eres——呼吸產生的對流、蒸發散熱，W/m2；

Ssk——皮膚表面熱儲存率，W/m2；

Sc——人體核心部分熱儲存率，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境因素和人的因素。與環境相關的因素包括：空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速及空氣的相對濕度；與人相關的因素包括：人的新陳代謝率和衣服的熱阻[1]。人體在新陳代謝過程中產生熱量，人體與周圍環境的換熱主要以對流換熱、輻射換熱和蒸發換熱等方式進行。人體散熱和體內新陳代謝產熱相平衡時，人的感覺良好，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生了變化，會使人體散熱量增大或減少。為了保持產熱和散熱量的平衡，人體會運用自身的調節機能，如可以加強汗液分泌來增加散熱，或以皮下血管收縮，同時在血管中的血流量減少來減少散熱，繼而人體內溫度也要發生變化。

2 均勻熱環境舒適性評價

2.1 ASHRAE七點標尺主觀評價方法

ASHRAE七點標尺評價方法是一種主觀熱舒適性評價方法，該方法將人體對熱環境的熱感覺劃分為熱（+3）、暖（+2）、微暖（+1）、中性（0）、微涼（-1）、涼（-2）和冷（-3）7個等級，通過組織一定數量的評價人員對評價目標根據自身的熱感覺做出7個等級中的一種評價，最后得到該目標在不同工況下的熱舒適性。主觀評價方法同時適用于穩態和瞬態環境，既可用于整體熱舒適性評價，也適用于人體局部熱舒適性評價，但該方法具有較大的主觀性，其評價結果很大程度上會受到評價人員自身對熱舒適是否能合理判斷的影響，且必須面對真實熱環境，因此很難應用于汽車開發階段的熱舒適性研究工作。

2.2 PMV-PPD評價方法

1970年丹麥學者Fanger教授以人體熱舒適方程和ASHRAE七點標尺為出發點，并對McNall等在Kansas州立大學所進行的主觀感覺試驗得出的4種新陳代謝率情況下的熱感覺數據進行曲線擬和分析，得到了PMV-PPD（預計平均熱感覺投票指數-預計不滿意百分比）熱舒適評價體系。該方法綜合考慮了人體活動程度、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溫度6個因素。與ASHRAE溫度感覺范圍相對應，PMV的分度，如表1所示，PMV指標代表了對同一熱環境絕大多數人的冷熱感覺，使用從-3（冷感）～0（中間感受）～+3（熱感）共7個階段的舒適性評價。

表1 PMV熱適性指標

即使大多數人表示滿意的熱環境，由于人與人之間生理等方面的差別，仍然會有人感到不滿意，PPD指標代表對一特定熱環境感到不適人員的比例。由人體熱平衡原理建立的PMV和PPD的計算公式分別為：

根據式（3），建立PMV和PPD的關系，如圖1所示。ISO標準中，PMV在±0.5以內，PPD＜10%的狀態為推薦熱舒適狀態。

人體熱舒適方程和PMV-PPD評價指標一直是國際上人體熱舒適研究的理論基礎，目前已被ISO 7730作為室內熱環境舒適評價指標廣泛使用。然而，PMV-PPD評價方法存在4點不足：1）由于該理論是基于接近人體舒適區域熱環境下的試驗結果，對于非試驗區域則通過公式預測，因此在遠離舒適區的環境下使用該評價指標會得到不準確的結論；2）該方法沒有考慮地區、年齡和性別差異的影響，但很多學者認為性別和年齡的不同導致新陳代謝存在差異，地區氣候不同也會造成人們對熱環境的適應性和心理期望值不同，這些因素都導致了該方法的局限性；3）該方法是對熱環境的一種整體評價方法，PMV指標所使用的參數都是一些平均量，例如把人看作一個整體，取用了人體周圍溫度和壓力的平均值，M和W也進行了平均化，這種簡化適用于空間較大的均勻熱環境，對汽車乘坐空間非均勻熱環境內普遍存在的乘員局部熱舒適問題并不適用；4）該方法是一種穩態熱舒適評價方法，對車內瞬態環境，如空調制冷和加熱過程，該評價指標不適用。

2.3 有效溫度（ET）評價指標

有效溫度（ET）人體熱舒適評價指標綜合考慮干球溫度、濕度及空氣流速對人體熱舒適的影響，它在數值上等于產生相同感覺的靜止飽和空氣的溫度，該指標在建筑環境領域被暖通空調工程師使用了近50年，但由于該指標在低溫時過分強調了濕度的影響，而在高溫時對濕度的影響強調不夠，造成了有效溫度指標固有的缺陷而逐漸被新的有效溫度指標代替。

2.4 標準有效溫度（SET）評價指標

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

上述4種熱舒適性評價標準都是假定人體所處的環境是一個均勻的熱環境，即空氣溫度和相對濕度等均勻一致，適用于建筑室內熱舒適的評價。然而汽車乘員艙空間狹小，受太陽輻射、對流換熱、人體散熱及發動機艙傳熱等因素的影響，車內溫度梯度很大，身體不同部位所面對的環境參數有所不同，不能當作均勻熱環境看待，至今國內對汽車乘員艙熱舒適性缺少完整與切合實際的評價標準。學者們一直尋求一個簡便且能綜合多種因素的評價指標，從而可以簡化對人體熱舒適的評價。為了解決非均勻環境中人體熱舒適性的問題，通常采用當量溫度（EQT）和當量均勻溫度（EHT）作為評價指標。

3 非均勻熱環境舒適性評價

3.1 當量溫度（EQT）評價方法

2001年，SAE J2234—2001中定義了當量溫度評價指標EQT。當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個節段，計算每個節段與周圍環境的熱交換，利用局部熱舒適評價指標代替全身熱舒適評價指標。EQT計算公式為[3]：

式中：Teq.i——第i節段的當量溫度，K；

Ts.i——第i節段的表面溫度，K；

va.i——第i節段的空氣流速，m/s；

Si——第i節段的表面面積，m2；

Ta.i——第i節段的空氣溫度，K；

σ——斯蒂芬-波爾茲曼常數，5.67×10-8W/（m2·K4）；

εi——第i節段的發射率；

fi.n——第i節段對第n個部件表面的角系數；

Tn——汽車乘員艙內第n個部件的溫度，K；

Qsol——人體得到的太陽輻射熱，W/m2；

hcal.i——在標準環境下感受器標定的第i節段的對流換熱系數；

i——人體的節段。

3.2 當量均勻溫度（EHT）評價方法

文獻[4]提出當量均勻溫度（EHT）。先設定一個理想的均勻環境，空氣溫度等于平均輻射溫度，沒有溫度梯度和空氣流動，在衣著量和代謝強度相同的情況下，如果非均勻環境下身體某一部位與其在該均勻環境下的散熱量相等，就稱該均勻環境下的空氣溫度為非均勻環境的EHT。非均勻熱環境下，EHT指標將人體劃分為15個節段，則每一節段滿足如下關系式：

式中：REHT，CEHT——理想均勻環境下的輻射、對流換熱，W/m2。

在局部環境參數以及人體各節段表面皮膚溫度均已確定的情況下，式（5）是關于EHT的代數方程，通過求解式（5）便能夠得到。

3.3 非均勻熱環境評價指標

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

對于非均勻熱環境來講，進行三維流場的計算與人體各節段生物熱方程的求解是完成上述2種評價指標計算的關鍵。要得到準確的人體各節段皮膚溫度，需要進行三維流場與人體各節段生物熱方程之間的耦合迭代，計算過程繁瑣復雜。研究表明：對于同一個物理問題，盡管采用2種評價方法所得到的當量溫度不同，但得到的2種評價的效果卻是一致的，從而進一步顯示了這2種評價指標定義的可行性與有效性。文獻[5]從人體生理學角度出發，對人體從體內到體表進行研究，同時還采用了多種熱舒適性評價方法對數值仿真計算的模型進行對比，得出采用當量溫度評價指標能很好地對受熱不均勻的汽車乘員艙內人體局部熱感覺進行評價。

4 局部熱感覺與整體熱感覺

局部熱感覺和整體熱感覺的數學關系為：

式中：TSV——整體熱感覺；

TSVi——人體第i節段的局部熱感覺；

?i——第i節段的影響權重。

兩者均對應著ASHRAE的7點溫度感覺范圍，如表1所示。身體不同部位的局部熱感覺對整體熱感覺的影響權重不同。總的來說，人體的頭部和軀干部分的熱感覺對整體熱感覺的影響較大，而四肢的影響較小[6]。確定局部熱感覺對整體感覺的影響權重是一個重要的研究方向。由于各個研究背景的不同，所得到的影響權重也不相同。文獻[7]通過大量的人體主觀熱反應的試驗研究，得到了人體局部各部位的熱敏感度對人體整體熱敏感度的影響權重，如表2所示。

表2 人體各部位對整體熱敏感度的影響權重

5 結論

國內外對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態狀態下的乘員艙，對于高度非均勻和瞬態乘員艙的研究還處于起步階段，沒有獲得被廣泛承認的評價方法，主要不足包括計算復雜、參數多、考慮因素不全面、精度不高及擴展性和通用性差等。關于乘員熱舒適評價方法還需要進一步細致和創新的研究，從而建立一套在非均勻條件下能夠快速與準確預測乘員舒適性的評價準則，以便確定熱環境調節和控制的方法，滿足工程應用的需要。