乘員艙動態熱環境及人體局部熱感覺試驗研究

祁良奎 ，柳建華 ，張 良 ，吳清清

（1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093）

0 引言

汽車乘員艙的熱舒適性及汽車HAVC系統的節能性正受到越來越廣泛的關注，舒適效益是現階段諸多學者研究的主要目的。汽車材料隔熱性能差，汽車內空間緊湊復雜，汽車在行駛過程中易受太陽輻射與環境輻射的影響，且高速行駛增大了汽車與環境換熱，因此汽車乘員艙的熱環境具有高度不均勻性和瞬態性。

由于汽車乘員艙與建筑內熱環境的顯著差異，因此許多針對建筑內的熱舒適性研究無法直接應用到汽車上，國內外諸多學者針對汽車內熱環境特點對乘員艙內的人體熱感覺或熱舒適進行了研究。早期TANIGUCHI等［1］開發了一個多元線性回歸模型，該模型將面部皮膚的平均溫度及其變化率與車輛環境中的全身熱感相關聯，整體熱感覺投票僅與面部部分的熱感覺相關，但是該模型忽略了其他身體部位的局部熱感覺對全身熱感覺的影響，因此具有固有的局限性并且不夠全面。GUAN等［2］使用環境室來模擬16種典型的冬季和夏季條件進行人體舒適度試驗，并與汽車乘員艙高瞬態條件下的數據進行檢驗。他們后續研究建立了熱感覺模型［3］，該模型結合了生理和心理因素，環境和個人參數都被用作輸入來確定生理反應。ZHANG等［4-6］通過接觸式氣袋進行人體熱反應試驗，獲得局部皮膚溫度與局部熱感覺及整體熱感覺之間的關系，并用實際乘員艙的數據對模型進行了驗證。陳吉清等［7］建立了車內熱環境與人體熱調節模型耦合計算方法，計算乘員重要熱感應部位頭部、胸部和四肢的皮膚平均溫度動態變化情況，并分析人體熱調節反應和熱舒適性變化規律。

汽車乘員艙熱感覺試驗多是在環境室或戶外停車條件下測試的，或是采用其他送風方式模擬乘員艙內空調過程，只有極少數在行駛狀態下進行研究［8-9］以及采用實際乘員艙內人體熱感覺數據進行建模，且研究多針對人體整體熱感覺，而對乘員艙內人體的局部熱感覺關注較少。本文對乘員艙行駛和怠速狀態下的制冷工況進行研究，以得到乘員艙環境參數及人體主、客觀參數的變化規律，并對乘員艙內的人體局部熱感覺模型進行了探索。

1 試驗內容

1.1 乘員艙熱感覺試驗

本次試驗挑選了20名受試者參與試驗（10名男生，10名女生，均獲駕照），其均了解本研究的試驗目的、方法和程序，在試驗前至少在18 h內禁止飲酒和劇烈運動，為了避免服裝差異對測試結果的影響，要求乘員穿著包括短袖，短褲和涼鞋。20名受試者被分為10組，每組由一男一女組成，每組乘員分別坐在司機位置和后排乘員位置，完成單次試驗后調換位置，最終共進行20次怠速試驗和20次行駛試驗，單次試驗包括環境參數及前后排乘員主客觀數據，根據怠速、行駛及前后排位置分別取平均值進行后續分析。

人體客觀參數主要是對人體皮膚溫度的測量，人體各測點位置如圖1所示，其中，1-4點分別為頭部、胸背、背部、腹部皮膚溫度，5-7點分別為左上臂、左下臂、左手皮膚溫度，8-10分別為右上臂、右下臂、右手皮膚溫度，11-13分別為左大腿、左小腿、左腳皮膚溫度，14-16分別為右大腿、右小腿、右腳皮膚溫度。

圖1 人體皮膚溫度測點Fig.1 Human skin temperature

人體實際熱舒適評價TSV采用ASHRAE標準［11］提出的舒適調查問卷進行評估，如圖2所示，使用七點量表來評定乘員的熱感，值“+3”，“+2”，“+1”，“0”，“-1”，“-2”和“-3”分別反應“熱”，“暖”，“稍暖”，“中性”，“略微涼爽”，“涼爽”和“冷”的主觀熱感覺，本文只對頭部、上肢、軀干和下肢的局部熱感覺進行調查問卷。

圖2 熱感覺七點指標Fig.2 Thermal sensation scale

1.2 試驗裝置

測試系統主要設備配置見表1。

表1 測試系統主要設備配置Tabl.1 Main equipment of test system

1.3 試驗流程

試驗開始前，根據試驗設計中所要求的測試位置，在乘員艙內和車外布置各傳感器，為避免太陽輻射直射溫度探頭而影響測試精度，氣溫探頭需用具有低太陽輻射吸收率的膠帶進行遮擋。而參與皮膚溫度測試及主觀熱感覺評價的試驗志愿者在氣溫接近人體熱舒適區的辦公室內休息，只能靜坐閱讀或常規走動。

完成測點布置后，使乘員艙車門均保持開啟狀態，為避免太陽輻射的干擾，在擋風玻璃前布置遮陽簾，持續1 h，使得乘員艙熱環境與外界熱環境保持一致。1 h后，撤去遮陽簾，開啟所有儀器，緊閉所有車門，讓乘員艙暴曬1 h，目的是使乘員艙升溫。期間測試人員將測溫探頭布置到人體各個部位的測試位置上，被測試人員包括1名司機和1名后排乘員，暴曬試驗結束后，兩人同時進入車內（行駛工況下增加1名副駕駛位置乘員），關閉車門后立即開啟車內空調（出風口方向調至水平），路試工況則啟動車以一定的速度行駛，持續1 h。

1.4 試驗工況

本文測試的工況如表2所示。

表2 測試工況

2 數據處理

2.1 平均皮膚溫度

由于本試驗人體局部熱感覺由頭部、軀干、上肢和下肢組成，因此需要計算相應部位的平均皮膚溫度，同時模型中需要整體平均皮膚溫度。參考BUTERA［10］關于人體皮膚溫度的研究，其計算式如下：

2.2 回歸模型

本文基于動態模型和靜態模型對汽車乘員艙內降溫過程中的人體熱感覺數據進行分析，探討模型的適用性。動態模型是指描述非穩態非均勻熱環境中的人體熱感覺回歸模型，靜態模型是描述穩態非均勻熱環境中的人體熱感覺回歸模型。

動態模型主要依據ZHANG等［4-6］的局部熱感覺模型，其采用考慮局部皮膚溫度、整體平均皮膚溫度和局部皮膚溫度變化率，同時接觸式氣袋進行人體熱反應試驗，為提高模型使用的通用性，將原模型中的熱感覺9點指標調整為較為通用的熱感覺7點指標。

靜態模型主要依據孫宇明等［11］的局部熱感覺模型，其試驗采用人體局部熱（冷）實現，利用局部皮膚溫度和整體平均皮膚溫度預測局部熱感覺。由于本試驗工況下的數據均為偏熱條件下的冷刺激數據，因此只取其模型的一部分，如式（6）所示。

式（5）和（6）中，LTS為局部熱感覺，ΔT為局部皮膚溫度和局部中性溫度的差值，ΔTmean為整體平均皮膚溫度和整體中性溫度的差值，dt/dτ為局部皮膚溫度隨時間變化率。文獻［12］研究結果顯示受試者整體與局部的中性皮膚溫度與其所處試驗環境及方式無關，因此模型中的局部、整體中性溫度采用孫宇明等［11］的研究結果。其他模型系數 k1，k2，k3，w1，w2和 w3通過試驗數據回歸得出。

3 試驗結果及討論

3.1 空氣溫度對皮膚溫度的影響

怠速工況下司機位置和后排乘員位置皮膚溫度隨空氣溫度變化（其中上肢處的空氣溫度采用軀干處的空氣溫度），如圖3，4所示，從圖可見，各部位皮膚溫度均呈現先隨著空氣溫度增大而增大，當皮膚溫度到達最大值后，隨空氣溫度增大而減小的趨勢。這主要是由于當乘員由外界進入乘員艙后，雖然空調被開啟，但是此時的空氣溫度仍然較高，人體由環境吸收熱量，因此皮膚溫度在該階段會短暫上升，與空氣溫度呈負相關關系。一段時間后，空氣溫度低于人體局部皮膚溫度，人體向環境散發熱量，因此皮膚溫度在該階段會逐漸降低，與空氣溫度呈正相關關系。

圖3 司機位置皮膚溫度隨空氣溫度變化（怠速）Fig.3 Driver skin temperature vs. air temperature（idle）

圖5，6分別示出行駛工況下司機位置和后排乘員位置皮膚溫度隨空氣溫度變化。其趨勢與怠速工況相似，下肢曲線依舊保持游離狀態。但與怠速工況相比，正相關階段的皮膚溫度隨空氣溫度的變化率均高于對應的怠速工況，這主要是車輛在行駛過程中，風速與車體之間的對流換熱作用增強，乘員艙及人體向外界環境輸出的熱量更多［13］，乘員的皮膚溫度變化更快。同時值得注意的是，司機位置不同部位的皮膚溫度最大差值在怠速和行駛工況下均在3 ℃左右，而后排乘員皮膚溫度在怠速工況下最大差值約為1.5 ℃，而在行駛工況下3 ℃，說明皮膚溫度的最大差值既與空間位置有關，也與行駛狀態相關，且行駛狀態對后排乘員影響更大。

圖6 后排乘員位置皮膚溫度隨空氣溫度變化（行駛）Fig.6 Rear passenger skin temperature vs. air temperature （driving）

表3為正相關階段皮膚溫度與空氣溫度線性關系，線性歸回方程顯著性水平均小于0.01，表明皮膚溫度和空氣溫度之間極顯著相關，決定系數R2變化范圍為0.879～0.996，表面二者線性相關程度較高。行駛狀態下司機位置、后排乘員位置各部位的空氣溫度影響系數（即tk的系數）均高于怠速狀態下相應部位，表明行駛狀態會提高皮膚溫度對空氣溫度變化的敏感度，這主要是由行駛增強人體換熱引起的。值得注意的是，怠速工況的司機位置、行駛工況的司機位置和行駛工況的后排乘員位置軀干的空氣溫度影響系數均高于其他部位，而怠速工況的后排乘員位置的空氣溫度影響系數遠低于其他部位，表明在前三種條件下軀干皮膚溫度的敏感度較高，怠速工況下乘員艙司機座位的阻礙作用會嚴重降低冷空氣對后排乘員軀干的冷卻作用，從而降低后排乘員軀干皮膚溫度敏感度，而行駛工況有利于增強冷空氣對后排乘員軀干的冷卻作用，提高后排乘員軀干皮膚溫度敏感度，減少前后排乘員的皮膚溫度差異。

表3 皮膚溫度與空氣溫度線性關系Tab.3 Linear relationship between skin temperature and air temperature

3.2 皮膚溫度對局部熱感覺的影響

圖7～10分別示出了司機和后排乘員在怠速、行駛工況下局部熱感覺隨皮膚溫度變化，由圖可知，由于司機的軀干部位受空調冷空氣直接冷卻，其皮膚溫度在怠速和行駛工況下變化范圍均較大，且最小皮膚溫度遠低于其他部位，而后排乘員軀干部位在怠速工況下難以得到有效冷卻，其皮膚溫度變化范圍遠小于其他部位，而由前文分析可知，行駛工況有利于后排乘員周圍環境的冷卻，因此行駛工況下軀干部位的變化范圍與司機逐漸接近。

圖7 司機局部熱感覺隨皮膚溫度變化（怠速）Fig.7 Local thermal sensation of driver vs. skin temperature（idling）

圖8 后排乘員局部熱感覺隨皮膚溫度變化（怠速）Fig.8 Local thermal sensation of rear passenger vs. skin temperature（idling）

圖9 司機局部熱感覺隨皮膚溫度變化（行駛）Fig.9 Local thermal sensation of driver vs. skin temperature（driving）

圖10 后排乘員局部熱感覺隨皮膚溫度變化（行駛）Fig.10 Local thermal sensation of rear passenger vs. skin temperature（driving）

同時由圖可知，2種工況下前后乘員各部位的局部熱感覺與皮膚溫度均具有良好的線性相關性，具體關系見表4。從圖可知，線性回歸方程顯著性水平均小于0.01，表明局部熱感覺和皮膚溫度之間極顯著相關，決定系數R2變化范圍為0.830～0.981，表明二者線性相關程度較高。司機在行駛工況下各部位熱感覺敏感度最大差值要小于怠速工況，而后排乘員在行駛工況下各部位熱感覺敏感度最大差值要大于怠速工況，這表明行駛有利于減小司機的各部位熱感覺敏感度差異而增大后排乘員的各部位熱感覺敏感度差異。怠速工況下，司機的頭部、上肢和下肢的局部熱感覺敏感度均高于后排乘員，而司機的軀干局部熱感覺敏感度低后排乘員。行駛工況下，司機位置的各部位局部熱感覺敏感度與后排乘員對應位置的熱感覺敏感度較為接近，其差異遠小于怠速工況，這表明行駛有利于減小前后排乘員對應部位的熱感覺敏感度差異，因此行駛工況下司機與后排乘員的局部熱感覺差異主要由空氣溫度差異及換熱差異造成，而與部位的熱敏感度關系較小。

表4 局部熱感覺與皮膚溫度線性關系Tab.4 Linear relationship between local thermal sensation and skin temperature

ZHOU等［13-14］的研究也表明人體局部熱感覺和局部皮膚溫度具有強烈的相關性，因此他們建議可用局部皮膚溫度表征人體局部熱感覺。但本文研究顯示，雖然人體局部熱感覺和局部皮膚溫度具有良好的線性關系，但是線性相關系數不僅與前后位置，還與乘員艙行駛狀態有關，同時本文的線性相關系數與他們的研究并不完全相同，主要是本文的空調工況與他們的試驗不相同，由此可知線性相關系數還與空調工況有關。因此單純以皮膚溫度表征人體局部熱感覺雖然簡便，但是存在一定局限，因此該問題需要進一步探索。

3.3 模型適用性分析

由于單純采用皮膚溫度表征局部熱感覺存在一定缺陷，因此從熱感覺的原理上構建局部熱感覺模型顯得更加重要。動態回歸模型與靜態回歸模型的回歸參數見如表5，6，回歸模型的數據來自本試驗的怠速工況及行駛工況的前后排乘員，僅將數據依據身體部位劃分而不再考慮位置及行駛狀態。

表5 動態模型回歸參數Tab.5 Regression parameters of dynamic model

動態模型通過局部皮膚溫度、整體平均皮膚溫度和局部皮膚溫度變化率進行建模，由表5可知，動態模型中頭部、上肢和下肢回歸關系式與實測數據點的吻合程度并不高，頭部、下肢的決定系數均在0.5左右，而上肢低至0.309，軀干的吻合程度非常高，決定系數可達0.924。與動態模型相比，靜態模型只通過局部皮膚溫度和整體平均皮膚溫度進行建模，由表6可知，靜態模型中人體各部位回歸關系式與實測數據點的吻合程度均非常高，決定系數范圍為0.849～0.922。由兩模型對比分析可知，在本試驗條件下靜態模型比動態模型更適用，主要原因是本試驗各種工況下空調均是自動模式，因此空調系統為到達設定溫度在啟動初期風速較高、溫度較低，該階段人體周圍熱環境是動態非均勻環境，此時的人體局部熱感覺根據原理應當更適合動態回歸模型，但是空調的自動模式導致該階段的持續時間較短，因此該階段的試驗數據較少。動態非均勻環境在較短時間內結束后，熱環境處于靜態非均勻狀態，因此該階段的人體局部熱感覺根據原理更適合靜態回歸模型，同時該階段的持續時間較長，因此在數據整體中占主導，因此數據整體更適用于靜態回歸模型。值得注意的是，軀干部位在靜態和動態模型中均取得良好的回歸效果，這主要是由于空調出風口水平布置，軀干受冷空氣的影響最強烈，因此其在動態非均勻熱環境階段的數據對數據整體的影響較大，因此其在動態模型中也回歸的較好。綜上所述，當汽車乘員艙內的空調系統采用自動模式時，考慮實際情況，靜態模型比動態模型更適用于人體局部熱感覺的模型構建。

表6 靜態模型回歸參數Tab.6 Regression parameters of static model

4 結論

（1）乘員艙氣溫、相對濕度分布受空間位置及行駛狀態影響，但艙內風速變化受行駛狀態影響較小。

（2）局部熱感覺呈現短暫迅速升高，然后緩慢下降并最終保持穩定的趨勢，不同部位的局部熱感覺存在差異，差異受空間位置及行駛狀態影響。

（3）人體進入溫度較高的乘員艙并開啟空調系統后，各部位皮膚溫度與空氣溫度呈現先負相關后正相關的關系，不同部位皮膚溫度對空氣溫度的敏感性受前后位置和行駛狀態的影響。

（4）前后排乘員不同部位的局部熱感覺在怠速和行駛狀態下的局部熱感覺和局部皮膚溫度均呈現良好的線性關系，但是不同工況下不同部位的線性相關系數存在較大差異，因此單純采用局部皮膚溫度表征局部熱感覺存在缺陷。

（5）乘員艙內空調系統采用自動模式時靜態模型比動態模型更適用于人體局部熱感覺的模型構建。