基于控制穩定性的汽車自動空調舒適性評價方法研究

黃憲波 余明明 嚴杰 袁正

摘 要：文章提出了一種基于汽車自動空調控制穩定性的乘員熱舒適性試驗方法，考察環境溫度、日照和車速等關鍵參數變化的情況下，汽車自動空調系統是否能夠持續控制乘員舒適性。首先將人體劃分為不同的熱感區域，然后通過人體局部熱感覺對乘員整體熱舒適的影響測試，確定了頭部和足部是人體熱感覺最為敏感的部位。通過大量試驗數據分別擬合頭部和足部溫度與氣流速度的配合曲線，以維持乘員持續舒適。最后設計一套汽車自動空調熱舒適性測試方法，并按照此方法對兩款車型進行測試，證明此方法的有效性。

關鍵詞：控制穩定性;整體熱舒適;局部熱感覺

中圖分類號：U463.85+1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-135-05

Research on Evaluation Method of Automobile Air Conditioning Comfort Basedon Control Stability

Huang Xianbo， Yu Mingming， Yan Jie， Yuan Zheng

（ Automotive Engineering Research Institute of Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd.，Guangdong Guangzhou 511434 ）

Abstract：?In this paper， a test method of occupant thermal comfort based on the control stability of auto air conditioning is proposed to investigate whether the auto air conditioning system can continuously control occupant comfort when the key parameters such as ambient temperature， sunshine and vehicle speed change. Firstly， the human body is divided into different heat sensing areas， and then the head and foot are the most sensitive parts of the human body through the test of the impact of local heat feeling on the overall thermal comfort of the passengers. Through a large number of test data， the matching curves of head and foot temperature and air velocity are fitted respectively to maintain the continuous comfort of passengers. Finally， a set of thermal comfort test method of auto air conditioning is designed， and two models are tested according to this method， which proves the effectiveness of this method.

Keywords：?Control stability; Overall thermal sensation; Local thermal sensation

CLC NO.： U463.85+1 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-135-05

前言

自動空調，顧名思義為通過自動方式控制空調的出風模式、內外循環、冷熱風門開度等參數的系統，系統輸入主要包括車內外環境溫度、濕度、日照強度、車速及發動機負荷或者動力電池電量（EV車型）。目前國內外大多數整車企業或者國家標準對自動空調的評價主要集中在車的性能評價層面，比如自動空調的制熱或者制冷控制性，都是考察車內溫度水平變化狀態，很少結合車內乘員的感受，這樣可能會導致雖然車內溫度達到要求，但是乘員還是無法達到比較舒適的狀態，最典型的是乘員周圍環境溫度比較適中，但是氣流速度比較小，乘員感覺較悶熱。

所有針對車輛自動空調系統測試都應該回歸到能夠為車內乘員提供舒適穩定的環境為目標，本文通過理論和試驗測試，針對對車內乘員熱舒適影響最大的頭部、手部和足部，建立環境溫度與環境風速的舒適擬合曲線，并根據車內乘員熱舒適控制穩定性要求建立一套熱舒適測試流程，最后通過兩款車型的測試驗證此熱舒適測試流程的有效性。

1 人體部位劃分方法

本文論述的人體熱舒適計算模型是基于UC Berkeley 熱舒適模型建立的，UCB熱舒適模型的特點在于：一是根據不均勻環境將熱感覺細分為局部熱感覺與整體熱感覺的對應聯系。二是建立了熱感覺與熱舒適之間的聯系。因此為了有效評估車內乘員熱舒適狀態，需要將人體劃分為局部區域，根據局部熱感覺狀態計算整體熱舒適狀態。

參考ISO14505-2《熱環境的人類工效學-車輛熱環境的評估》局部區域劃分方法，將人體劃分為16個部位^[1]，具體如圖1及表1。

2 人體熱敏感部位確定

2.1 熱感覺定義

本方法定義的人體熱感覺量表如表2，當熱感覺在-1～1分是可接受的范圍。

2.2 熱舒適定義

通過熱環境影響達到滿足的精神狀態。并被評估主觀評價。當熱舒適評分在0分以上為可接受范圍，分數越高代表乘員越舒適。

2.3 熱敏感區域識別

雖然理論上人體整體熱舒適狀態是由16個局部位置的熱感覺狀態綜合作用的結果，但是通過大量的測試數據表明，在不同環境條件下（0℃～25℃），真正影響乘員熱舒適狀態的是那些熱感覺超出-1～1分數范圍的部位，這些部位也就是對應環境條件下的敏感部位，而其他部位就是非敏感部位。只要能夠控制敏感部位的熱感覺狀態，也就能夠控制乘員整體熱舒適狀態。

較低環境溫度下（15℃以下），開啟自動空調后，車內乘員各個部位熱感覺變化趨勢如表3。可以看出，熱感覺在-1～1范圍以外的部位主要集中在頭部、足部和臀部，其中臀部由于與座椅表面直接接觸，只有通過座椅加熱才能夠得到改善，不納入熱感覺敏感部位。因此低溫條件下熱敏感部位主要為足部和頭部。其中足部主要在于長時間熱不起來導致的偏涼，頭部主要在于長時間開啟空調后從涼變熱，由于這兩個部位的熱敏感性，導致整體熱舒適始終無法達到0分以上。

從表3還可以看出，較低環境溫度下，汽車空調系統要控制車內乘員持續保持舒適，需要重點控制足部和頭部的熱感覺狀態。針對足部需要盡快達到-1分以上狀態，而頭部需要持續保持1分以下。

常溫及稍高環境溫度下（15℃以上），開啟自動空調后，車內乘員各個部位熱感覺變化趨勢如表4。可以看出，熱感覺在-1～1范圍以外的部位主要集中在頭部、足部和背部，其中背部由于與座椅表面直接接觸，只有通過座椅通風才能夠得到改善，不納入熱感覺敏感部位。因此常溫及稍高環境溫度條件下熱敏感部位同樣主要為足部和頭部。其中足部主要在于長時間溫度偏高導致足部悶熱，頭部主要在于外界環境溫度變化（日照出現或增強、環境溫度升高等）后，車內溫度控制不住，導致頭部越來越熱。由于這兩個部位的熱敏感性，導致整體熱舒適始終無法達到0分以上。

從表4還可以看出，在中高溫環境條件下或者外界環境溫度變化情況下，汽車空調系統要控制車內乘員持續保持舒適，也是需要重點控制足部和頭部的熱感覺狀態。針對足部，有鞋子的熱阻，需要控制溫度長時間在中低水平才能夠保持舒適。而頭部需要通過檢測車外及車內環境變化及時對空調風口風速和風溫進行調整，保證頭部熱感覺不高于1分。

3 環境溫度與風速的舒適擬合曲線

通過上一節得到，不同環境溫度下，人體整體熱感覺和整體熱舒適主要由足部和頭部這兩個熱敏感部位決定的。因此在進行車內空調系統策略設計過程中，需要充分考慮乘員足部和頭部位置的熱狀態。

熱舒適的評價指標PMV的定義公式如下：

PMV =[0.303exp（-0.036M）+0.0275]×TL

=[0.303exp（-0.036M）+0.0275]×{M-W-3.05[5.73-0.007（M-W）-pa]-0.0173M（5.87-p_a）

-0.0014M（34-t_a）-0.42（M-W-58）-3.96×10^-8f_tl[（t_cl+273）⁴-（^–tr +273）⁴]-f_clα_c（t_cl- t_a）}^[2] （1）

式中：

TL為人體熱負荷，人體產熱量與為了維持人體舒適所必須向外界散出的熱量之間的差值

M為人體新陳代謝產熱率，W/m²

W為人體的活動量，人體不同活動強度下對外輸出的機械效率，W/㎡

pa為空氣中的水蒸氣分壓力，kPa

ta為人體周圍的空氣溫度

^–tr為周圍環境的平均輻射溫度

由于車內所有乘員都是相對靜止的，因此新陳代謝率和人體熱負荷一定。將式1中的PMV對Pa取偏導：

人體靜態新陳代謝量在40～50W/m²，帶入到式2中，結果在0.08～0.1之間。也就是說空氣中的水蒸氣分壓力變化1kPa，對PMV的影響最多在0.1以內。另外式1中的0.0014M（34-t_a）的數值在公式中占比很小，因此認為人體的顯熱散熱量不變，則人體的熱舒適感不變。

在人體新陳代謝率不變的情況下，人體的顯熱散熱量與人體皮膚表面的溫度和風速有直接關系，在一定范圍內，相同的環境溫度，皮膚表面的氣流速度越大，則人體顯熱散熱量越大，反之亦然。因此為了維持人體熱舒適的穩定不變，必須維持人體顯熱散熱量不變，也就是控制環境溫度和皮膚表面氣流速度始終處于一定的配合關系。

車內人員的頭部一般為裸露狀態，也就是無服裝熱阻，直接與暴露在環境中。通過測試得到頭部保持相同的熱舒適狀態，不同環境溫度對應的氣流速度關系，如表5。

將表5數據進行回歸擬合，得到圖2所示的擬合曲線圖，黑色線條代表理想舒適曲線。

車內人員的足部一般為鞋子全裹狀態，但是鞋子的材料和厚度會有所不同，這里已一版冬季服裝的熱阻1.4CLO為代表。通過測試得到足部保持相同的熱舒適狀態，不同環境溫度對應的氣流速度關系，如表6。

將表6數據進行回歸擬合，得到圖3所示的擬合曲線圖。

4 自動空調熱舒適測試方法

4.1 環境條件及行駛工況設置

基于控制穩定的整車自動空調評價，主要是針對自動空調控制性進行評價，需要考慮外界環境條件（環境溫度、日照、車速等）變化時，自動空調系統是否可以持續控制車內乘員保持舒適。因此環境條件需要設置為變化狀態，同時考慮日照對車內舒適性影響。

由于中低溫度和中高溫度環境在全國范圍基本都存在，因此行駛工況使用中國工況CLTC^[3]。工況中包含城市、城郊和高速部分，可以達到驗證車速變化對車內舒適性影響的目的。

具體的測試工況如表7，工況圖如圖3。

4.2 測試流程

（1）設置環境模擬試驗倉溫度為相對較低的水平（乘員有制熱需求），使車輛浸泡一段時間。

（2）關閉車門車窗，直到車內頭部平均溫度和風口平均溫度趨于穩定（10min內變化在±1℃）。

（3）評價人員進入環境模擬試驗倉內，并在環境倉內浸泡15min左右同時進入車內，迅速關閉車門。

（4）啟動車輛、開啟空調，空調溫度設置為中間值附近，此時為試驗開始。

（5）在試驗開始后先通過調節空調系統參數使車內乘員達到比較舒適的狀態。

（6）第一個循環結束后穩速行駛一段時間，期間開啟日照，其他環境條件不變，開始第二個循環試驗。第二個循環結束后，穩速行駛一段時間，期間將環境溫度設置為常溫并穩定，其他環境條件不變，繼續第三個循環試驗，直到高溫環境的試驗工況完成。以此類推，完成所有環境條件測試。

4.3 測試項目

經過大量的調研、實車評價顯示。車內乘員熱感覺的需求主要有兩方面。一個是車內乘員熱感覺穩定性控制，一個是車內乘員全身熱感覺的一致性。

車內乘員熱感覺穩定性：考核當外界環境條件、車速變化時，車內乘員熱感覺變化是否在可接受范圍。理想狀態是乘員持續保持舒適。

車內乘員全身熱感覺一致性：考核整個評價過程中，乘員身體16個位置熱感覺是否比較接近且處于可接受狀態。

5 實際測試結果

國內自主品牌某SUV車型常溫自動空調舒適性評價結果如圖4和表8。

從圖4可以看出，此SUV車型在環境溫度、日照和車速變化過程中，主駕頭部溫度始終保持在24～27℃范圍之間，乘員一直處于較舒適狀態（≥1分）。具體熱感覺評分如表8。

從表8可以看出，當環境溫度從中低溫度變化到高溫整個過程中，乘員頭部熱感覺始終處于-0.5～0分之間，乘員頭部感覺舒適。足部熱感覺始終處于1分以內，稍暖但是沒有使乘員感覺不舒適。

另外某合資車企SUV車型常溫自動空調舒適性評價結果如圖5和表9。

從圖5可以看出，此SUV車型在環境溫度從中低溫變化到常溫時，主駕頭部溫度從27℃左右逐漸上升到30℃，主駕的從舒適狀態變化到不舒適（-1分）。通過調節設定溫度使乘員重新達到舒適（1.5分）狀態后，在環境溫度從常溫變化到高溫過程中，再次出現頭部溫度上升到30℃的情況，舒適性再次變化到不舒適（-0.5）。具體熱感覺評分如表9。

從表9可以看出，當環境溫度從中低溫度變化到常溫之

后，頭部熱感覺從1分變化到2分，偏熱。足部熱感覺從1分上升到1.5分，也是逐漸變熱。導致乘員從舒適狀態逐漸變化到不舒適。另外，頭部和足部熱感覺分數（≥1.5分）明顯高于其他部位，車內熱感覺均勻性同樣表現較差。

從上述兩款車型熱舒適性試驗結果對比來看，此試驗方法可以有效驗證出整車自動空調控制穩定性問題及熱感覺均勻性問題。同時通過此試驗方法，可有效對比不同車型車內熱舒適性控制性能的優劣。

6 結論

本文根據人體熱舒適理論及實車評價數據，提出不同環境溫度場景下，車內乘員熱感覺敏感區域為足部和頭部。并根據氣流速度和環境溫度的舒適配合關系，提出頭部和足部位置熱感覺理想狀態下的氣流速度與溫度關系曲線。并根據上述的研究結果提出一套能夠結合乘員主觀感受與客觀溫度數據的自動空調舒適性評價方法。通過設置不同環境溫度、日照和車速，考察自動空調在不同場景下的乘員舒適性控制性能。經過兩款車型實際驗證，本方法可以有效測試出不同環境條件下自動空調控制性能的問題，并準確對比不同車型常溫自動空調熱舒適性控制性能優劣。

參考文獻

[1] ISO14505熱環境的人類工效學-車輛熱環境的評估.

[2] 熱舒適條件下環境風速和溫度最佳組合的實驗研究.人類工效學， 1998年3月.

[3] GB/T36146.1-2019中國汽車行駛工況第1部分：輕型汽車.