基于人體熱調節模型的乘員艙熱舒適性分析*

陳吉清，鄭習嬌，蘭鳳崇，彭 睿

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

前言

汽車在大多數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，時間在15～30 min之間，在如此短的時間內人體很難達到熱舒適狀態。乘員受到外界太陽輻射、車內空氣的溫度與氣流和座椅熱傳導等因素的影響，人-車-環境系統是一個集合對流、輻射、蒸發和傳導等熱交換模型的復雜系統。同時，人體衣服熱特性、乘坐空間和人體熱調節行為等因素，也影響乘員熱舒適的穩定性。復雜的人-車-環境系統和在短時間車內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，分析車內熱環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環境的影響，將人體模型的邊界條件設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制冷過程中乘員艙的瞬態溫度場分布，仿真與試驗結果比較符合，并根據這個仿真模型分析了出風口送風參數、外界環境溫度、車速、乘員人數和玻璃材料特性對空調熱負荷和乘員艙熱流場的影響。張文燦等人［4］采用數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空氣溫度的動態變化過程，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，對汽車風道和乘員艙的氣流進行數值模擬，以當量溫度作為熱舒適性指標，分別對空調風道和送風格柵進行了優化。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，空調制冷過程中不同出風口溫度和速度對乘員艙瞬態熱流場變化的影響。

在上述研究中，人體表面傳熱特性作為固定邊界條件處理，忽略了人體熱調節反應和人體內部傳熱過程，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節的舒適度評價結果相差甚遠。在建筑領域的熱舒適研究中，人體熱調節模型得到廣泛應用，但在汽車領域的應用較少。Han等人［8］引入人體熱調節模型，考慮車內熱環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種車內穩態熱環境下人體熱舒適熱感覺的變化。Alahmer等人［9］采用人體熱調節模型，討論了車內溫度濕度動態變化情況下的人體不同節段皮膚溫度和熱舒適的變化情況。

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

1 乘員艙熱環境與人體模型耦合計算

1.1 人體內部傳熱模型

目前比較完善的人體模型是Fiala人體熱調節模型［11-12］，它可綜合考慮環境變化和人體內部熱調節作用對人體熱反應的影響。Fiala人體熱調節模型把人體劃分為21個不同的節段，每個節段假設為圓柱體，內部劃分不同內徑的組織層，圖1為人體模型節段和組織劃分。

對于人體的不同節段，其內部組織傳熱存在熱平衡關系，用人體生物熱方程表示為

式中：k為組織之間的熱導率；T為組織溫度；r為半徑；ω為幾何系數，取1為柱坐標，取2為球面坐標（頭部）；qm為代謝產熱量；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 人體熱調節反應

圖2為人體熱調節系統控制框圖。人體實際溫度和基準溫度的差值產生控制信號，下丘腦體溫調節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熱和散熱量，以調節體溫［13］。人體熱調節反應寒顫量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 人體熱調節系統控制原理

1.3 乘員與周圍環境耦合計算

乘員與周圍環境熱平衡是一個動態平衡過程，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為蒸發換熱量。其中

式中：hc，mix，hR，he分別為對流換熱系數、輻射換熱系數和蒸發散熱系數；Tsf，Tair，Tsr，m分別為皮膚表面溫度、車內空氣溫度和汽車內表面平均輻射溫度；αsf為表面吸收率；s為輻射密度；ψsf-sr為人體與周圍圍護結構的角系數；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，使車內環境與車外環境一致。第2階段20 min，測試人員坐到前排駕駛員位置，關閉車門，同時汽車暖風系統開啟吹面模式，對車內環境參數和測試人員皮膚溫度進行測量。測試人員進入車內試驗之前在車外靜止站立10 min，以保證人體初始狀態平穩。

測試人員為健康成年男性和女性各3名，統一穿著冬季長襯衫、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，停車場內環境溫度大致為12℃，濕度60%，空氣流速＜0.1 m／s。汽車暖風出風口速度3 m／s，出風口溫度48℃，每次試驗時這些參數保持不變。利用熱電偶分別在車內前后排乘員頭部區域、胸部區域和下肢區域共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 人體溫度與車內空氣溫度測點

圖4 試驗器材

2.2 試驗結果

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測，結果如圖5所示。不論前排還是后排，車內空氣溫度變化都分為兩個階段。在開始的幾分鐘，由于暖風開啟，將大量熱負荷帶入車內，車內溫度上升很快，之后由于車內溫度與暖風出風口處溫度差別變小，溫度上升速率減緩。

圖5 乘員艙內空氣溫度變化

乘員艙溫度分布則呈現出瞬態不均勻變化的特征。在車內垂直方向，由于車內暖風系統采用吹面模式，頭部區域的空氣溫度最高，腿部區域的空氣溫度最低。在整個試驗過程中，頭部和腿部區域測點的溫度差最高約可達到4℃。在車內水平方向，由于前排更接近出風口，而后排由于座椅對暖風氣流的干擾以及氣流流動傳熱的影響，導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 數值模擬

采用帶有人體熱調節模型的TAITherm軟件進行數值計算。圖6為乘員的動態熱反應數值分析流程，數值計算過程考慮了乘員艙內環境與人體的熱交換、人體生理結構和自身活動生熱等因素，將車內環境與人體內部生熱傳熱相耦合，計算得到人體的平均皮膚溫度、熱調節參數和熱舒適指標。

圖6 乘員動態熱反應數值分析流程

3.1 人體模型邊界條件

TAITherm中的人體熱調節系統數學模型將人體劃分為21個節段，每個節段有16個組織節點。表2為不同組織層的厚度和節點分布，從內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，不同身體節段各組織層的厚度和節點數各不相同，表中r為組織厚度，n為組織的計算節點數目，熱量在不同組織內的節點之間進行傳遞。

表2 人體模型組織厚度和節點分布

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，人體活動水平設置為70.422 W／m2。

3.2 環境邊界條件

由于測試人員進入車內進行測試之前在車外地下停車場環境靜止站立，因此人體模型仿真首先將環境邊界條件設置為地下停車場，即溫度12℃，濕度60%，風速0 m／s，得到乘員在加熱過程的初始狀態。環境邊界條件設置包括乘員艙內溫度、濕度、風速。溫度為試驗測得的汽車加熱工況下乘員艙內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；濕度假設與外界環境相同，設置為60%。

車內環境參數通常在人體周圍不均勻分布，對于人體不同部位，可設置相應的環境邊界條件。邊界條件設置完成，利用有限元分析算得人體皮膚溫度、人體熱調節參數和熱舒適值。

4 結果分析

4.1 結果驗證

乘員進入車內后，在暖風開啟的20 min過程中，人體的皮膚溫度仿真與試驗結果對比如表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。可認為在乘員動態熱反應分析中，數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℃。胸部由于基礎代謝產熱較高，周圍環境空氣溫度較高，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熱對其皮膚溫度的影響較大，受到外界環境的影響相對較小。

4.3 乘員整體熱反應與熱調節

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，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

在熱環境中，皮膚血管舒張，血流量增加，人體內部新陳代謝產熱通過血液帶向皮膚發散到環境中去。當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帶走體內多余的熱量。圖10為前后排乘員熱調節參數的變化情況。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。同時還發現，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生。

圖9 前后排乘員整體皮膚溫度

圖10 前后排乘員熱調節反應

4.4 乘員整體熱舒適

PMV-PPD是目前應用較為廣泛的人體整體熱舒適評價指標，PMV指數表示人體熱感覺投票的平均值，而PPD表示熱環境中不滿意人數的百分比。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。在初始階段，人體感覺到冷，人體PMV為負值。車內暖風開啟后，乘員受到熱應力的刺激，熱感覺急劇上升。由圖11（b）可知，在開始階段，PPD值較高，不滿意人數比例較高。隨著人體熱感覺漸漸趨于中性狀態，不滿意人數減少，但當車內溫度繼續上升，不滿意的人數又繼續增加。

圖11 前后排乘員PMV和PPD變化

綜合來看，在暖風開啟后的5 min內，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，人群的滿意人數比例也較高。而后排乘員在10 min左右感覺最舒適。在后續階段，受到汽車暖風氣流的持續影響，車內溫度繼續上升，人體熱感覺值過高，不滿意人數比例也在上升。在此階段既消耗了能量，也不利于人體的熱舒適。因此合理對暖風系統參數進行調節很有必要。

5 結論

通過試驗與仿真結合的方法，將車內熱環境與人體熱調節模型相耦合，分析了瞬態變化的汽車內環境下不同乘坐位置乘員身體的熱響應，得到以下結論。

（1）乘員人體熱調節模型的計算方法可對瞬態汽車環境中的乘員動態熱響應和熱舒適進行評價，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果的驗證，最大誤差在7%以內，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，車內熱環境瞬態不均勻變化。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，處于較熱環境中的前排乘員的不滿意人數比例反而更高，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。