汽車座艙內局部送風對熱舒適的影響研究

【摘 要】為進一步提升汽車座艙的熱舒適性水平，文章借助環境模擬試驗艙與座艙熱舒適性測評假人，對不同參數的局部送風對乘員局部熱舒適性的影響展開了深入研究。結果顯示：在夏季高溫環境下，隨著空調的運行，熱感覺呈現出迅速下降后逐漸趨于穩定的趨勢;當座艙內環境溫度保持恒定的情況下，熱感覺會隨著風速的增大而逐漸降低，且存在一個最佳值，可使熱感覺維持在熱中性狀態，而風速過大則會使熱感覺趨向于冷;在改變相同風速時，其對熱感覺的影響會隨著風速的增加而減小;在保持風速不變的情形下，改變座艙溫度值，熱感覺與溫度變化呈正相關的線性關系。該研究結果能夠為優化汽車座艙內局部送風的控制策略提供指引，進而提高座艙熱舒適性。

【關鍵詞】汽車座艙;熱舒適性;局部送風;座艙熱舒適性測評假人

中圖分類號：U463.851 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0024-03

Study on the Influence of Local Ventilation on Thermal Comfort in Vehicle Cabin

【Abstract】In order to further improve the thermal comfort level of the vehicle cabin，this paper conducts indepth research on the influence of different parameters of local ventilation on the thermal comfort of occupants using environmental simulation test chamber and cabin thermal comfort evaluation mannequin. The results show that as the air conditioning runs in the summer high temperature environment，the thermal sensation shows a trend of rapidly decreasing and then gradually stabilizing;when the cabin environment temperature remains constant，the thermal sensation will gradually decrease with the increase of wind speed，and there is an optimal value that can keep the thermal sensation at the neutral thermal state，while the wind speed is too large，it will make the thermal sensation tend to cold;when the wind speed is the same，its influence on the thermal sensation will decrease as the wind speed increases;when the wind speed remains unchanged，the change of cabin temperature value is linearly related to the thermal sensation with a positive correlation. The research results can provide guidance for optimizing the control strategy of local ventilation in the vehicle cabin and improving the thermal comfort of the cabin.

【Key words】vehicle cabin;thermal comfort;local ventilation;cabin thermal comfort evaluation mannequin

智能座艙作為汽車智能化的重要組成部分，在近幾年獲得了廣泛的關注和推動[1-2]。乘員艙空調熱舒適性作為關鍵要素之一，已經成為研究人員和用戶的關注焦點。

針對乘員艙的熱舒適性研究始于對流場的分析。Komoriya[3]利用煙流的試驗方式，對氣流進行了可視化分析。孫學軍等[4]建立了乘員艙內部的二維流場并進行穩態數值分析。張登春等[5]利用Fluent對車內空氣流動速度和溫度分布規律進行了三維湍流流場的分析。向立平等[6]利用CFD仿真研究并分析了汽車乘員艙速度場和溫度場與人體熱舒適性之間存在的關系。劉海龍[7]針對不同送風參數對乘員艙內熱舒適性及節能性的結果進行分析，并對送風參數的組合進行優化。曹凡[8]通過建立數學模型，實現了優化送風參數，提高了房車內部熱舒適性。

近幾年，國內外學者對熱舒適的影響因素研究有所發展。王勇等[9]以PMV和PPD為評價指標對乘員艙的熱舒適性進行了定量分析，并分析了送風方式及溫度對熱舒適性的影響。蘇楚奇等[10]以AEQT（整體熱感覺舒適性偏差）為指標評估空調系統需提供的制冷量。通過改變空調系統的風速和溫度，探究了乘員艙內的熱舒適性和能耗占比。王國華等[11]基于Berkeley熱舒適評價，通過搭建數學模型對高溫環境下SUV車型進行送風參數優化以提高乘員熱舒適性并降低空調系統熱負荷;Khatoon等[12]通過三維數值模擬對乘員艙熱舒適進行了分析，預測了座艙內的溫度和空氣流速，并與Fanger模型進行了對比。

本文通過實車試驗的方式，獲取初始的乘員艙環境參數在空調降溫期間的變化情況，并通過改變座艙溫度以及風速，探究不同的送風參數組合對熱舒適的影響。

1 試驗

1.1 試驗裝置

整個試驗裝置包括環境模擬試驗艙、汽車以及座艙熱舒適性測評假人。該環境艙可維持穩定溫度范圍為-15～45℃，誤差不超過±2℃;濕度覆蓋10%～90%RH范圍，偏差不超過±10%RH;光譜類型為全光譜，輻射強度覆蓋500～1000W/m2，輻射強度偏差不超過±50W/m2，基準面輻射均勻性不超過10%。試驗車輛為某品牌成品車，汽車空調可設定自動模式，可定向送風。

座艙熱舒適性測評假人如圖1所示。該假人系統分為硬件部分和軟件部分。此假人以中國男性50百分位尺寸特征進行開發，其關節部位可靈活調節，可模擬人體駕乘姿態。假人本體配置傳感器包括50組溫度&風速傳感器、50組輻射傳感器（長、短波）以及6組濕度傳感器。在軟件部分，通過將座艙物理參數代入熱生理以及熱舒適模型計算給出熱舒適結果，可輸出空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度、太陽輻射、相對濕度、PMV或PPD參數、整體/局部EHT、整體/局部熱感覺及熱舒適，能夠預測非均勻、瞬態條件下的熱舒適程度。

1.2 試驗方法

測試系統利用環境模擬艙搭建穩態測試環境，設定環境溫度（35±2）℃，具體試驗條件及過程如下所述。

1）進艙階段：試驗樣車固定在汽車環模試驗室內，環境溫濕度快速調節至（35±2）℃和（50±5）%RH。

2）吹車階段：開啟車門、車窗、天窗和前后艙蓋等;汽車空調空氣循環開關置于外循環位置，開啟空調吹風，風量調節開關置于中間位置（向高擋位取整），溫度置于最低且此過程中壓縮機始終處于關閉狀態，吹風時間30min。

3）曬車階段：關閉車門、車窗、天窗和前后艙蓋等，關閉所有空調設置，開啟全光譜陽光模擬系統，光照強度為（850±50）W/m2，曬車時間60min。

4）降溫階段：進入車內并快速關閉全部車門、車窗，啟動車輛，空調設置AUTO 24℃，試驗時間持續60min。

2 試驗結果分析

2.1 原數據分析

在夏季工況下，汽車空調的吹風模式默認為吹頭模式，而在對空調控制策略上，往往以空調的出風溫度以及風速為控制目標。因此，本文著重對60min的降溫時間段內座艙乘員頭部位置的溫度、風速以及熱感覺數據進行分析。

座艙內頭部溫度、風速及熱感覺對比如圖2所示。從圖2中可以看出，在經歷過35℃環境下30min的浸車以及光照強度為850W/m2的60min的曬車之后，座艙內溫度可達57℃左右。在空調開啟后的前10min，頭部溫度從57℃降至31℃，風速在此期間先增加至0.7m/s，而后降至0.4m/s，但由于溫度仍處于較高的數值，熱感覺值為+3（熱）的狀態。在17min時，熱感覺進入+2（暖）的區間，此時座艙內頭部溫度28℃，風速0.35m/s左右。在33min左右時，風速出現小幅度的上升（藍色區域），約0.1m/s，溫度較為穩定約24℃，而此時熱感覺則出現了較為明顯的下降趨勢，約0.3，表明在溫度達到一定值時，即使出現較小的風速波動，也會對熱感覺產生明顯影響。最終經過60min的降溫，座艙頭部溫度為24℃，風速為0.3m/s，熱感覺約為+1（稍暖），未達到熱中性（0）狀態。

2.2 風速對比

從上文分析可以看出，風速對熱感覺可能存在較大的影響，因此，接下來在原有試驗數據的基礎上，僅改變風速的大小，觀察分析局部熱感覺的變化趨勢。為了更加容易觀察風速變化對熱感覺的影響規律，將風速值設置為常量進行分析。不同風速下頭部熱感覺對比如圖3所示。

從圖3中可以看出，在前期降溫階段，由于座艙內的空氣溫度仍處于較高的值，即使不斷增加風速，熱感覺值也仍在+4（非常熱）附近，并沒有明顯下降的趨勢。隨著空調的運行，座艙溫度逐漸降低，此時隨著風速值的增加，熱感覺值呈下降的趨勢，且風速越大，熱感覺下降值越大，呈正相關的關系。在相同的時間段內，后期因風速不同造成的熱感覺差值要大于前期階段，即溫度越低，風速的變化對熱感覺的影響越大。同時還發現，改變相同的風速變化量（Δv=0.4m/s），熱感覺值的變化為非均勻變化，隨著風速的增加，熱感覺的變化值ΔTSV呈逐漸減小的趨勢，說明在汽車座艙內溫度一定的情況下，僅改變風速對熱感覺的影響存在最大值。

2.3 溫度對比

在同一風速下，不同溫度下頭部熱感覺對比如圖4所示。從圖4中可以看出，在空調開啟的降溫初期的前5min，由于座艙內空氣仍處于高溫狀態，小幅度的溫度增減對熱感覺的影響可以忽略不計，熱感覺值一直處在最大值+4非常熱的狀態。隨著空調的運行，座艙內溫度逐漸降低，熱感覺值呈快速下降的趨勢，而后達到穩定狀態。通過對比不同溫度下，熱感覺的變化值發現，熱感覺的變化值與溫度的變化值呈固定的線性關系，增加或減小一定溫度值，熱感覺也同樣增加或減小一定值。

在本次試驗中，空調設置溫度為AUTO 24℃，在空調開啟60min后，座艙狀態達到一定程度的穩定狀態時，熱感覺仍未達到熱中性，而是處于+1（稍暖）的狀態。這也說明對于本次試驗車輛而言，將空調溫度設定值調整至20℃時，頭部位置在車輛到達穩定狀態時，才會處于熱中性狀態。

3 結論

1）在夏季工況下，隨著空調的開啟，頭部熱感覺值呈先快速下降后逐漸穩定的趨勢。

2）在座艙環境溫度不變的情況下，隨著風速的增加，熱感覺值呈下降趨勢;在改變相同的風速變化量情況下，熱感覺變化值隨風速的增加而減小;在固定的某一座艙溫度下，存在最佳風速使得熱感覺達到中性狀態。

3）在座艙環境風速不變的情況下，熱感覺與溫度變化呈正相關的關系，且與溫度的變化值呈線性關系。

參考文獻：

[1] 宗長富，代昌華，張東. 智能汽車的人機共駕技術研究現狀和發展趨勢[J]. 中國公路學報，2021，34（6）：214-237.

[2] 郁淑聰，孟健，郝斌. 基于駕駛員的智能座艙人機工效測評研究[J]. 汽車工程，2022，44（1）：36-43.

[3] Komoriya T.Analysis of vehicle passenger compartment ventilation using experimental and numerical model[J]. SAE transactions，1989，8（1）：336-348.

[4] 孫學軍，蘇志軍，丁國良，等. 轎車空調車室空氣流場數值模擬[J]. 上海交通大學學報，1996（2）：4.

[5] 張登春，陳煥新，舒信偉，等. 空調車內三維紊流流動與傳熱的模擬研究[J]. 鐵道學報，2002（6）：39-43.

[6] 向立平，王漢青. 空調客車內氣流分布的人體熱舒適性研究[J]. 中南大學學報（自然科學版），2009，40（5）：1194-1198.

[7] 劉海龍. 車輛乘員艙舒適性分析與熱環境優化[D]. 長春：吉林大學，2017.

[8] 曹凡. 基于CFD的房車內流場分析與熱舒適性研究[D]. 淄博：山東理工大學，2019.

[9] 王勇，陳振雷，石凡，等. 駕駛室熱舒適性仿真與優化[J]. 力學與實踐，2021，43（3）：353-359.

[10] 蘇楚奇，江玥，汪怡平，等. 駕駛艙熱舒適性與空調經濟性分析研究[J]. 機械設計與制造，2022（1）：228-232，236.

[11] 王國華，桑國輝，張英朝，等. 汽車乘員艙熱舒適性影響因素多參數優化分析[J]. 汽車工程，2023，45（11）：2023-2033，2057.

[12] Khatoon S，Kim M H. Thermal comfort in the passenger compartment using a 3-D numerical analysis and comparison with fanger's comfort models[J]. Energies，2020， 13（3）：1-15.