強風暴雪環境下汽車座艙非均勻環境熱舒適性實驗研究

林虹霞，武金模*，宋輿涵,3，劉小勇，周 帆，紀孝博

（1.清華大學 合肥公共安全研究院，災害環境人員安全安徽省重點實驗室，合肥 230601，中國；2.上海踏石貿易有限公司，上海 200020，中國；3.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，合肥 230022，中國）

暴雪是中國重大災害天氣之一[1-3]，持續降雪引起的車輛滯留會導致公路堵塞，造成大面積交通癱瘓和人民財產損失。突發情況下，車艙內環境由空調系統維持，座艙內空氣品質和熱環境也成為衡量汽車乘坐舒適性的重要指標[4-6]。因此，低溫環境下車輛空調制熱性能對于交通安全有重要意義。

車內熱環境舒適性評價與乘員的熱感覺息息相關[7]。汽車行駛的路況和外界環境條件差異較大，而個體的熱環境舒適性對應的溫度范圍有限。身體局部的皮膚溫度除溫度外，個體舒適性還受到濕度、風速、熱輻射（陽光、空調）的影響，不對稱環境中的舒適度難以量化[8-9]。對于穩態、均勻的熱環境最常見的熱感覺和熱舒適性模型是表征人體熱反應的評價指標（predicted mean vote，PMV）和預測不滿意百分率（predicted percentage dissatisfied，PPD）模型[10-11]。這2種模型基于均勻的穩態環境下測試的數據，通過生理模型預測整個身體的熱感覺從而間接預測全身舒適度，熱感覺和舒適度有良好的相關性[12]。局部舒適度可以通過等效均值溫度（equivalent homogenous temperature，EHT）進行預測[15]。EHT 范圍僅適用于新陳代謝和服裝水平的特定組合且精度較低。王瑞等[28]基于暖體假人測試了某制冷工況下車內假人局部和全身的等效空間溫度，在相同運行工況下，通過被試者主觀體驗驗證假人局部和整體的熱感覺。吳清清等[8]依據熱空間模型、人體熱生理模型和人體熱心理模型的分類標準，對非對稱熱環境下人體熱舒適度研究進行評價。

現有的熱感覺和熱舒適性預測模型僅適用于穩態、均勻的熱環境，但對于瞬態和非均勻空間環境的預測存在局限性。在不均勻和瞬態環境中，個體局部身體部位的熱感覺和舒適度權重占比更大[13]，熱感覺和舒適度之間的關系較為復雜[14]。空調假人是用于非均勻空間汽車熱舒適性評價的重要工具，適用于動態環境中熱濕傳遞的變化，可應用于理論模擬熱傳導、熱對流和熱輻射問題的研究；一般所采用的Berkeley熱舒適模型耦合熱生理及熱心理模型，在PMV、PPD模型的理論研究基礎上，優化溫度、濕度、風速、平均輻射溫度、太陽光負荷及人體活動程度等相關因素，可以精準預測非均勻、瞬態條件下的熱舒適程度。

本文描述基于空調假人在座艙非均勻瞬態環境條件下的熱感覺并評價其熱舒適性。通過空調假人采集熱環境數據，結合Berkeley 模型對非均勻、瞬態條件下的座艙內乘員局部和整體熱舒適性進行評價。研究結果為消除座艙內不舒適的局部熱環境，優化乘坐舒適性，合理設計空調管道及出風口位置，提高整體舒適性提供理論支撐。

1 試驗

1.1 試驗裝置

整個試驗裝置包括定多災耦合實驗平臺（大型環境風洞）、新能源汽車及供熱通風與空氣調節（heating,ventilation and conditioning,HVAC）空調假人。

該多災種耦合作用實驗平臺具備規模尺寸大、可災種模擬數量多的特點，試驗段可對3 000 m3的超大空間精準控溫，模擬實現高低溫、濕熱、強風、暴雨、暴雪、冰凍、日照等單災及多災耦合環境，具體風洞實驗參數見圖1 中所示。

圖1 多災耦合大型環境風洞實驗平臺

實驗車輛樣品為一款純電SUV 車。汽車座艙具有空間不規則、出風氣流大小差異、冷熱氣流分布不均和環境溫度不均勻等特點。汽車座艙內環境劃分12 個出風分區，分別為左面風口、中左風口、中右風口、右面風口、主駕頭、二排左頭、二排右頭、主駕腳、二排左腳、二排右腳、主駕腳風口及副駕腳風口，每個分區對應獨立的空調或通風系統風道，在出風位置分別布置溫度傳感器，實現座艙內非均勻溫度環境的測試和客觀評價。

HVAC 空調假人由上海踏石貿易有限公司提供,該假人關節可調，方便移動以模擬人體身姿，可分析非穩態、非對稱、不均勻環境條件下熱感和舒適性。假人系統分為硬件部分（熱能人體模型）和軟件部分，其中硬件部分為假人身上傳感器配置（見圖2），包括46 組溫度&風速傳感器（組合）、46 組熱輻射傳感器（含輻射熱和太陽光）以及4 組濕度傳感器，在全身的配置情況見表1[10-15]；軟件部分采用Manikin PC 來控制生理舒適性并與Berkeley 模型結合，輸出空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度、太陽光負荷、相對濕度、整體/局部PMV或PPD 參數、整體/局部EHT、整體熱感及整體熱舒適度，能夠預測非均勻、瞬態條件下的熱舒適程度。

圖2 HVAC 空調假人測試系統

表1 空調假人各部位傳感器配置情況

HVAC 空調假人評價依據Berkeley 評價模型將熱環境的熱感覺和舒適性評價劃分各為9 個等級：2 種感覺都以0 值作為中性適中感覺分界，上（好）下（不好）又各分為4 個等級，具體見表2 中所示[10-15]。

表2 熱感覺和舒適性評分

1.2 實驗方法

測試系統利用大型氣候災害環境風洞（多災耦合實驗平臺）搭建穩態測試環境，通過吹風模擬行駛狀態中新能源汽車的相對運動，構建低溫、降雪及其耦合環境，設定環境溫度（-7±2）℃，降雪強度60 mm/h，通過吹風模擬實現車速40 km/h，具體實驗條件及過程如下所述。

試驗凍車階段：環境溫度（-7±2）℃、風速40 km/s，車輛斷電，門全開，假人放置副駕駛位，凍車階段保持40 min；

行駛階段1，即低溫+強風階段：凍車階段后，環境溫度（-7±2）℃，風速40 km/s下，車輛啟動并開啟空調，設定為吹面吹腳模式、最大制熱、4 擋風速，并運行40 min；

行駛階段2，即低溫+強風+暴雪階段：行駛階段1 后，外加降雪條件，降雪強度為60 mm/h，其他條件不變，運行20 min。

通過以上3 階段100 min 的實驗過程，觀察座艙內熱環境分布特征，并通過多災耦合實驗平臺主控軟件實時采集風速和溫度數據并作為測試溫度平行樣。

為了測試汽車座艙內的熱環境分布，對座艙內環境進行出風分區并分別在12 個獨立區域布置溫度傳感器測量空氣溫度。測試時，車輛行駛狀態下除空調外其他用電器關閉，空調設定吹面吹腳模式，開啟最大制熱，4 檔風速，在大型氣候災害環境風洞的穩態環境中，測試并分析汽車座艙空間非均勻熱環境分布特征。

為了準確評價座艙內乘員熱舒適性，利用空調假人測試相同工況下副駕駛的乘坐熱舒適性。測試時，空調假人置于副駕駛座位，待車內熱環境穩定后開始測試，利用46 組溫度和風速傳感器（組合）、46 組熱輻射傳感器（含輻射熱和太陽光）以及4 組濕度傳感器采集數據，綜合空間上溫度分布不均勻和時間上溫度瞬間變化，結合舒適度模型和生理模型精準評價非均勻和瞬態熱環境內乘員熱舒適性。

2 實驗結果分析

2.1 汽車座艙內熱環境分布特征

2.1.1 汽車座艙內2 個實驗階段的溫度分布特征

汽車空調系統是實現乘員熱舒適性的重要手段。圖3 呈現了HVAC 空調假人所在的2 個實驗階段汽車座艙熱環境中12 個獨立區域的溫度分布及變化。

圖3 實驗全工況下座艙內12 個分區熱環境分布特征

分析行駛階段1 和行駛階段2 的數據，對比2 種工況下溫度分布可知: 氣流從風道入口進入分流吹入座艙，入口溫度越高，出風口送風溫度越高，但經過風道與座艙內空氣進行熱交換會產生一定的熱量損失。實驗開始20 min，隨著空調出風口送風溫度的提高，座艙內溫度場整體溫度快速升高；前排頭部溫度高于腳部溫度，二排頭部和腳部溫度相近，頭部溫度高于腳部不符合人機工程要求。20～40 min，前排頭部和腳部溫度相近，可能是出風溫度趨于穩定，腳部位置空間較小，空氣不易流動，致使熱量聚集[16]；中左邊出風口和二排左頭出風口溫度升溫趨勢緩慢，可能是左邊出風口送風流量偏低。后20 min，出風口溫度整體提升；可能原因為降雪產生的相變（水霧由液態轉變為固態）釋放大量熱量，環境溫度升高，空氣經過風道與座艙進行熱交換產生的熱損失較小，制熱效果明顯。

依據GB/T 12782-2007《汽車采暖性能要求和試驗方法》 標準要求，汽車空調系統制熱性能指標規定，溫度場垂直分布頭部應比腳部低2～5 ℃[17-18]。在低溫環境下開展空調采暖性能研究，空調采用最大制熱模式且制熱量一定，初始階段車內外溫差小，散熱量小，車內溫升快，屬于瞬態傳熱過程；經過一段時間升溫，車內外溫差逐漸變大，散熱量逐漸增加，傳熱過程趨于穩定，溫度增加變緩；增加降雪后，降雪產生的相變（水霧由液態轉變為固態）釋放大量熱量，環境溫度升高，出風口溫度出現短暫波動，隨后趨于穩定。

2.1.2 低溫+強風工況下汽車座艙內溫度分布特征

圖4 是低溫+強風工況下座艙內12 個分區熱環境分布曲線。分析行駛階段1 時的數據可知（見圖4），汽車座艙內溫度分布為右面風口＞主駕腳風口＞中右風口＞中左風口＞左面風口＞副駕腳風口＞主駕腳＞主駕頭＞二排右頭＞二排左頭＞二排左腳＞二排右腳。按方向分，座艙內右側溫度高于左側，前排溫度高于后側，副駕頭部（中右風口）溫度明顯高于副駕腳部，座艙內氣流分布不均勻。說明較大的送風速度和送風溫度對溫度場影響較明顯[19]。應提高局部出風口送風流量，單位時間內送入座艙的熱量增加，座艙內空氣流速增加，空氣對流散熱能力增強，但無風背風區域的低溫效應也會更加明顯[16]。

圖4 低溫+強風工況下座艙內12 個分區熱環境分布特征

2.1.3 低溫+強風+暴雪工況下汽車座艙內溫度分布特征

圖5 是低溫+強風+暴雪工況下座艙內12 個分區溫度分布曲線。分析行駛階段2 的數據可知，溫度分布為右面風口=中右風口＞主駕腳風口＞中左面風口＞左面風口＞副駕腳風口=主駕腳=二排右頭＞主駕頭=二排左頭＞二排左腳＞二排右腳，假人熱舒適系數0.1 保持不變。按方向分，座艙內右側溫度高于左側，前排溫度高于后側，頭部溫度高于腳部，座艙內氣流分布不均勻，說明較大的送風速度和送風溫度對溫度場影響較明顯，風速小的腳部低溫效應更加明顯[20]。應加大左側和腳部空調出風口速度，在二排位置增加出風口，使得座艙內風量分配及氣流循環更合理[21,16]。

圖5 低溫+強風+暴雪工況下座艙內12 個分區熱環境分布特征

通過對行駛階段1 和行駛過程2 全過程數據分析發現，車輛的空調風道結構及出風口送風比例不合理。前排中有出風口和二排右腳出風口溫度相差20 ℃，可能后排風道受長度及走向影響，且前后排出風口送風比例不合理，導致局部出風口流量過大、溫度過高或過低[16]。建議調整出風口位置分布，優化風道結構并對出風口流量進行重新分配，使得座艙內循環氣流合理，改善空調采暖熱舒適性。

2.2 座艙內空調熱舒適性評價

HVAC 假人通過溫度傳感器來感知環境的溫暖和寒冷，即熱感覺。整體熱感覺評價有2 種，取決于身體的所有部分是否在同一方向（溫暖或涼爽）具有有效的感覺，或者取決于局部身體部位是否和其余部位具有相反的熱感覺[15]。2 種情況下，個體不同部位在溫暖/涼爽感覺方面占有不同的權重，并且強烈的局部熱感覺主導整體熱感覺。如果所有身體部位的感覺都接近中性，則整體的熱感覺接近身體所有部位熱感覺的平均值[22-23]。整體舒適度評價也有2 種[22-23]。在穩定的環境條件下，當2 個身體部位非常不舒服時，無論其他身體部位有多舒適，整體舒適度都會接近兩者中最不舒服的程度。當環境條件是瞬態或者環境可控制時，整體舒適度要優于2 個最不舒服的身體部位，表明非均勻和瞬態環境可能比均勻中性環境產生更好的舒適度[12,14]。

2.2.1 低溫+強風工況下空調熱舒適性評價

在行駛階段1 后，HVAC 空調假人整體熱感覺及整體舒適度變化如圖6 所示，圖中冷暖色調可直觀展示溫度高低，由冷色調轉向暖色調，代表溫度由低到高轉變；熱舒適性分值隨顏色加深而增大。可以看出，空調假人身體的46 個局部位置的冷/熱敏感性不同，對應每個局部位置的熱感覺和熱舒適性差異較大。以左右來分，假人身體右側（表3，臉部、胸部、腹部手臂、手、大腿、小腿、腳部）溫度要高于左側，而座艙內溫度分布為右面風口＞中右風口＞中左面風口＞左面風口，和空調出風口溫度分布一致。以上下來分，假人頭部、上臂和胸部溫度最高（θmax=25.2 ℃,θmin=21.6℃），腹部、背部、大腿后側溫度一致（θmax=18.7 ℃,θmin=18.3 ℃），小臂和腳部溫度次之（θmax=18.7 ℃,θmin=14.6 ℃），手部、大腿和小腿溫度一致（θmax=16.2℃,θmin=13.4 ℃），小腿后側最低（θmax=12.6 ℃,θmin=10.1 ℃）。假人頭部和腿部最大溫差可達15.1 ℃，局部熱舒適性差異較大。可能原因為，空調模式為吹面吹腳模式，且胸部、上臂和面部空間較大，有較強吹風感導致空氣循環較好，故溫度較高[24]。假人背部、腹部和大腿后側與座椅相連，空氣流速過小接近無風，降低局部對流散熱能力，容易產生悶熱感。小腿后側與腳部出風口方向相反，接近無風，空氣循環能力弱，氣流分布和風速不均衡，主觀感受小腿后側溫度低[25-26]。

表3 低溫+強風工況下HVAC 熱感覺和熱舒適性數據

圖6 低溫+強風工況下HVAC 空調假人溫度及舒適度變化

座艙內空調吹面吹腳最大制熱、4 擋風速運行40 min 后，假人整體等效均勻溫度為18.3 ℃，身體局部位置（胸部、腹部、背部、左/右上臂、左/右前臂、左/右大腿、左/右小腿）舒適性評分都為正（0～3.5），但腳部位置熱舒適性評分為-0.9，手部輕微不舒適（舒適性評分-0.1），局部舒適性差異較大，整體舒適性系數為0.1，表明寒冷環境手部和腳部會較大影響整體舒適度[22-23,27]。

2.2.2 低溫+強風+暴雪工況下空調熱舒適性評價

圖7 為實驗階段2 低溫+強風+暴雪工況下HVAC 空調假人溫度及舒適度變化情況。圖中冷暖色調可直觀展示溫度高低，由冷色調轉向暖色調，代表溫度由低到高轉變。熱舒適性分值隨顏色加深而增大。從圖7 可見，假人身體左右兩側對稱部位溫度基本一致（見表6，頭部、胸部、背部、左/右大臂、左/右小臂、左/右大腿、左/右小腿前側、左/右腳、左/右手），腹部和小腿后側左右兩側溫度稍有差異，而座艙內溫度分布為右面風口=中右風口＞中左面風口＞左面風口，和空調出風口溫度分布一致。以上下來分，假人頭部溫度最高（θmax=34.4 ℃,θmin=32.1 ℃），上臂和胸部次之（θmax=31.3 ℃,θmin=27.9 ℃），背部和大腿后側溫度一致（θmax=θmin=28.8 ℃），小臂和小腿前側溫度趨于平穩（θmax=27.7 ℃,θmin=26.1 ℃），腳部溫度明顯升高（θmax=31.2 ℃,θmin=28.2 ℃），手部溫度較低（θmax=25.9 ℃,θmin=25.3 ℃），大腿前側和小腿后側最低（θmax=25.3 ℃,θmin=23.6 ℃）。假人頭部和腿部最大溫差為10.8 ℃，且局部熱舒適性差異較大。這是因為：吹面吹腳模式下，胸部、上臂和面部空間較大，有較強吹風感導致空氣循環較好，故溫度較高；假人背部、腹部和大腿后側與座椅相連，空氣流速過小接近無風，降低局部對流散熱能力，容易產生悶熱感；小腿后側與腳部出風口方向相反，接近無風，空氣循環能力弱，氣流分布和風速不均衡，主觀感受小腿后側溫度低，此時，手部和大腿前側溫度相同（25.7 ℃），大腿前側舒適性評分為1.6～1.8，而手部不舒適（左手-0.9，右手-1.9），手部和大腿前側舒適性完全相反；手部位置熱感覺與溫暖的全身熱狀態明顯分離，表明局部熱感覺不僅受局部皮膚區域溫度的影響，還受整體熱狀態的影響。對于相同皮膚溫度的身體部位，當全寒冷時局部感覺要暖和的多，當全身暖和時局部感覺要冷的多[12,14]。

圖7 低溫+強風+暴雪工況下HVAC 空調假人溫度及舒適度變化

表4 低溫+強風+暴雪工況下HVAC 熱感覺和熱舒適性數據

座艙內空調吹面吹腳最大制熱、4 擋風速運行60 min 后，假人整體等效均勻溫度為18.3 ℃，身體局部位置（胸部、腹部、背部、左/右大臂、左/右小臂、左/右大腿、左/右小腿、左/右腳）舒適性評分都為正（0～2.3），只有手部舒適性評分為負（左手-0.9，右手-1.9），局部舒適性差異較大，整體熱舒適性系數仍為0.1，和低溫情況下整體舒適性一致，進一步證實寒冷環境手部位位置保暖會更大影響整體舒適度。

對比低溫及低溫耦合降雪2 種工況下身體各部位溫度（見圖8-圖10）可知，腳部溫度由15.2 ℃上升至29.7℃，熱舒適性評分從-0.9 增加值至1.8，腳部舒適型從輕微不舒適改善至舒適，且左右腳溫度從差異較大調整至接近，表明空調運行60 min 后，腳部位置空氣循環較好，熱對流交換充分，舒適性明顯提高。在初始40 min 階段，由于假人整體感覺較冷，環境變暖，局部（胸部、小腿）溫暖感越來越舒適，手部舒適度適中（左手0.6，右手-0.1），整體舒適性評分適中（0.1）；相反，在后20 min 隨著局部（胸部、小腿）舒適度提高，手部感覺由適中降低為不舒適（左手-0.9，右手-1.9），整體舒適性評分不變（0.1），表明寒冷環境手部位位置保暖會更較大影響整體舒適度。當座艙內環境溫度升高時，雖然手部和腳部溫度在升溫期間也發生了明顯變暖，但遠小于胸部、頭部、腿部變暖程度。由此可知，手部溫度變化率最低，局部舒適性改善程度最小，對整體熱感覺有很大影響[22-23]。

圖8 2 種工況下HVAC 空調假人局部位置溫度變化

圖9 2 種工況下HVAC 空調假人局部熱感覺變化

圖10 2 種工況下HVAC 空調假人局部舒適性變化

整體溫度升高而手部溫度偏低，可能原因為空調模式為吹面吹腳模式，手部位置不在迎風面位置，送風量低導致空氣流速過小，局部對流交換差引起空氣中溫度冷熱交換不均，手部熱交換過小且局部無風感，對手部位置舒適性造成較大影響[28]。假人頭部和腿部最大溫差從15.1℃降低至10.8 ℃，局部溫差仍較大，建議吹面吹腳模式下，可提高腳部出風口風速，增加腿部/頂部送風口，優化出風口位置結構設計[16,25]。

3 結論

利用環境風洞模擬真實低溫及低溫耦合風雪環境，搭載 HVAC 空調假人開展低溫下車輛座艙熱環境研究，評價非均勻、瞬態熱環境中的乘員舒適性，分析對比實驗結果得出如下結論：

1）低溫環境吹面吹腳模式，空調最大制熱工況下運行60 min，HVAC 假人身體局部位置（胸部、腹部、背部、左/右大臂、左/右小臂、左/右大腿、左/右小腿、左/右腳）舒適性評分都為正而手部位置表現為不舒適（舒適性評分-1.9），整體舒適性評分為0.1，表明寒冷環境手部位位置保暖會較大影響整體舒適度。

2）座艙內空調吹面吹腳最大制熱、4 擋風速運行60 min 后，假人頭部（θmax=34.4 ℃）和腿部（θmin=23.6℃）最大溫差為10.8 ℃，且局部熱舒適性差異較大。建議吹面吹腳模式下，可提高腳部出風口風速，增加腿部/頂部送風口，采取混合送風的方式，短時間內快速輸送熱空氣使座艙內環境達到理想溫度。

3）汽車座艙內熱環境是不對稱的瞬態條件，通過優化空調出風設計改善座艙熱環境分布，提高空調舒適度的自調節和維持能力，消除最不舒適的局部位置對提高駕乘人員整體舒適性有重要意義。