冬季夜間乘員艙內(nèi)熱環(huán)境及人體熱舒適性研究

楊志剛， 徐 鑫， 趙蘭萍， 林趙敏

(1.同濟(jì)大學(xué) 上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；3.北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京 102211)

滿足人員熱舒適性要求是汽車乘員艙內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計的基本目標(biāo).由于汽車乘員艙內(nèi)熱環(huán)境受外界氣候影響較大且內(nèi)部空間狹小使得乘員熱舒適性的實(shí)現(xiàn)難度較大.對電動汽車來講，為滿足人員熱舒適而消耗的空調(diào)能耗會使續(xù)航里程下降18.0%～53.7%[1-2].傳統(tǒng)的基于溫度控制的乘員艙內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計方法已無法應(yīng)對電動汽車發(fā)展的需求，乘員艙內(nèi)熱環(huán)境控制已成為電動汽車行業(yè)面臨的一個全新挑戰(zhàn).

國內(nèi)外的學(xué)者對乘員艙內(nèi)熱環(huán)境及人體熱舒適性進(jìn)行了一些試驗(yàn)與仿真計算研究.文獻(xiàn)[4-5]建立了半尺度汽車模型，通過試驗(yàn)與仿真的方法對比了乘員艙內(nèi)的流場和溫度場，并用室內(nèi)氣候貢獻(xiàn)率(contribution ratio of indoor climate，CRI)方法分析了各邊界對整體溫度場的貢獻(xiàn)；張文燦[6]通過全年車內(nèi)熱環(huán)境的測試，分析了氣候參數(shù)對車內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度以及溫、濕度分布的影響規(guī)律；朱冰[7]通過28種不同太陽輻射的工況分析了太陽輻射對乘員艙內(nèi)熱環(huán)境的影響；宋亞軍等[8]采用人體局部當(dāng)量溫度作為熱舒適性評價指標(biāo)，分析了太陽輻射對乘員艙內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適性的影響并提出了窗戶玻璃的改進(jìn)方案；Currle等[9]將乘員艙的熱-流場數(shù)值計算結(jié)果與乘客的熱生理學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，計算出乘員的熱舒適性，并且對不同的艙內(nèi)幾何參數(shù)進(jìn)行了比較；薛鐵龍[10]使用預(yù)測平均投票數(shù)及不滿意者的百分?jǐn)?shù)(predicted mean vote-predicted percentage dissatisfied，PMV-PPD)熱舒適性指標(biāo)對車室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行評價，分析了不同送風(fēng)溫度和空氣流速對乘員熱舒適狀態(tài)的影響；Han等[11]基于Stolwijk的人體模型開發(fā)了預(yù)測乘員熱舒適性的虛擬熱舒適軟件；謝方[12]通過真人乘員艙內(nèi)試驗(yàn)的手段，研究了車內(nèi)人體熱舒適性評價模型，對比分析了當(dāng)量均勻溫度(equivalent homogeneous temperature，EHT)和PMV-PPD熱舒適性評價指標(biāo)與主觀熱舒適性問卷結(jié)果的差距.上述相關(guān)文獻(xiàn)往往注重最后的乘員熱舒適性指標(biāo)，缺乏對中間環(huán)節(jié)和重要數(shù)據(jù)的剖析.由于乘員艙內(nèi)人體熱舒適性影響因素眾多，中間相關(guān)信息的剖析有助于車內(nèi)熱舒適性形成機(jī)理的進(jìn)一步揭示.

本文采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對冬季夜間乘員艙內(nèi)熱環(huán)境不均勻性及人體熱舒適狀態(tài)進(jìn)行研究，對空車不均勻熱環(huán)境特性、不同送風(fēng)模式下的乘員熱舒適性以及熱舒適的影響因素展開分析.

1 模型及驗(yàn)證

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)車長寬高分別為4.52 m、1.78 m、1.49 m.試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)試車場旁進(jìn)行，試驗(yàn)時間為2018年1月11日，室外環(huán)境溫度及相對濕度分別為0 ℃～5 ℃和30%.試驗(yàn)包括空調(diào)吹面模式與吹腳模式2種工況，空調(diào)設(shè)置為最高溫度與最高風(fēng)速，參與測試人員3名.主要測量參數(shù)包括：壁面溫度、乘員身體各節(jié)段對應(yīng)的空氣溫度和人體各節(jié)段的皮膚表面溫度.壁面及空氣溫度測點(diǎn)布置如圖1a所示，其中測點(diǎn)1～3為車內(nèi)壁面溫度，分別對應(yīng)儀表板、擋風(fēng)玻璃、車頂中部溫度；測點(diǎn)4～9分別對應(yīng)前排頭部、前排胸部、前排腳部、后排頭部、后排胸部和后排腳部附近的空氣溫度.圖1b為人體皮膚表面測點(diǎn)位置分布圖，共14個測點(diǎn)，分別為頭部、軀干、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左腳、右腳.試驗(yàn)中同時記錄空調(diào)送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度、車內(nèi)相對濕度以及車外環(huán)境溫濕度.考慮到冬季太陽輻射較弱，計算中不考慮太陽輻射因素，試驗(yàn)車輛白天停放在不受太陽照射的陰影處，避免日間太陽輻射對乘員艙內(nèi)熱環(huán)境造成影響.試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集在夜間進(jìn)行，為保證試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從試驗(yàn)人員進(jìn)入乘員艙內(nèi)后每5 s記錄一次數(shù)據(jù)，待測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變后認(rèn)為一次試驗(yàn)結(jié)束.

a 車內(nèi)1. 儀表板 2. 擋風(fēng)玻璃 3. 車頂中部 4. 前排頭部空氣 5. 前排胸部空氣 6. 前排腳部空氣 7. 后排頭部空氣 8. 后排胸部空氣 9. 后排腳部空氣

b 人體皮膚表面10. 頭部 11. 軀干 12. 左上臂 13. 右上臂 14. 左下臂 15. 右下臂 16. 左手 17. 右手 18. 左大腿 19. 右大腿 20. 左小腿 21. 右小腿 22. 左腳 23. 右腳

1.2 數(shù)值模擬方法

1.2.1物理模型和網(wǎng)格劃分

通過對實(shí)車的三維掃描、逆向建模獲得乘員艙幾何模型，利用CATIA進(jìn)行幾何簡化與修改后，導(dǎo)入Hypermesh生成面網(wǎng)格，再將假人模型添加至乘員艙模型中.在STAR-CCM+中劃分體網(wǎng)格，網(wǎng)格類型選用四面體網(wǎng)格加邊界層網(wǎng)格，乘員艙體網(wǎng)格總數(shù)為922萬，劃分體網(wǎng)格后的乘員艙模型如圖2所示.

圖2 乘員艙體網(wǎng)格模型

1.2.2數(shù)值模型及數(shù)據(jù)處理方法

(1) 車內(nèi)氣體流動屬于受限低速流動，采用Boussinesq模型，湍流模型選用Realizablek-ε湍流模型.輻射模型采用S2S輻射模型，并且不考慮太陽輻射.

(2) 汽車乘員艙內(nèi)部空間狹小，在外界環(huán)境的影響下容易使其熱-流場不均勻，直接影響駕乘人員熱舒適.

(1)

式中：SdX為乘員艙內(nèi)環(huán)境不均勻度；Xi為截面i的平均溫度或平均速度；Xa為所有截面的平均溫度或平均速度；m為截面數(shù)量.

(3) 人體熱調(diào)節(jié)模型選用Stolwijk[13]提出的人類生理溫度調(diào)節(jié)模型，該模型將人體分為頭、軀干、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左腳、右腳共14個節(jié)段，每個節(jié)段分為核心層、肌肉層、脂肪層及皮膚層.

(4) 人體熱舒適性評價模型采用伯克利的熱舒適性評價模型[14]，式(2)為局部熱感覺回歸公式.

(2)

式中：Sl為局部熱感覺；Tsl為局部皮膚表面溫度，℃；Tsls為設(shè)定的局部皮膚表面溫度，℃；Tsa為平均皮膚溫度，℃；Tsas為設(shè)定的平均溫度，℃；Tc為核心溫度，℃；C1、K1、C2i、C3i為常數(shù)回歸系數(shù)；t為時間，s.式(3)為局部熱舒適指標(biāo)CL的回歸公式.

(Sl+C3|So|+C8)n+C6+C7|So|

(3)

式中：|So|為整體熱感覺指標(biāo)；C6、C7、C3、C8、n為常數(shù)回歸系數(shù)，且整體熱感覺正負(fù)不同時，C3和C7的數(shù)值不同.式(4)為整體熱感覺指標(biāo)的回歸公式.

(4)

式中：Wi為各部位的影響權(quán)重.

Berkeley的整體熱舒適與局部熱不舒適相關(guān)，而不是局部熱舒適.整體熱舒適受身體最不舒適部位的影響較大.規(guī)則一是整體熱舒適為2個最小局部熱舒適的平均值；規(guī)則二是當(dāng)?shù)诙崾孢m值大于-2.5且試驗(yàn)者可以控制熱環(huán)境或者熱環(huán)境是瞬態(tài)時，整體熱舒適為2個最小局部熱舒適與最大熱舒適的平均值.

1.2.3邊界條件和其他設(shè)置

吹面模式4個出風(fēng)口按照試驗(yàn)實(shí)測設(shè)置，速度入口均為7 m·s-1，溫度分別為35.8 ℃、40.6 ℃、41.1 ℃、38.9 ℃.吹腳模式2個出風(fēng)口速度為7 m·s-1，溫度為38 ℃.環(huán)境溫度為1.8 ℃，空氣相對濕度為30%.人體模型根據(jù)試驗(yàn)人員設(shè)置為身高1.75 m，衣服熱阻為0.11 m2·K·W-1,新陳代謝率為1.24 Met.

1.3 模型驗(yàn)證

圖3為試驗(yàn)與數(shù)值計算的對比結(jié)果，可以看出空氣溫度最大誤差在前排腳部，具體數(shù)值為1.4 ℃；皮膚表面溫度最大誤差在左上臂，數(shù)值為0.9 ℃.其他位置的測量與計算結(jié)果誤差較小.可以看出，試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果二者基本吻合.

a 空氣溫度

b 皮膚表面溫度

2 結(jié)果與分析

2.1 空車不均勻熱環(huán)境特性

對吹面模式及吹腳模式下的空車內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行模擬.取以下截面來分析乘員艙內(nèi)熱環(huán)境的不均勻性，X方向共3個截面，分別為前、后排乘客胸前位置截面：X=2.200、X=3.000；Y方向共4個截面，分別為4個送風(fēng)口中心截面：Y=-0.620、Y=-0.100、Y=0.100、Y=0.620；Z方向共3個截面，分別為腳部、胸部及頭部高度截面：Z=0.336、Z=0.690、Z=1.000.各截面平均溫度及平均速度見表1.從表中可以看出吹面模式下X、Y、Z方向上均呈現(xiàn)出一定的溫度梯度.由于空調(diào)送風(fēng)速度較大，后排空氣溫度高于前排空氣溫度1.3 ℃；副駕駛員側(cè)的送風(fēng)溫度高于駕駛員側(cè)，使得副駕駛員側(cè)的空氣溫度高于駕駛員側(cè)；而因?yàn)闊峥諝饷芏刃。喜拷孛婵諝馄骄鶞囟缺认虏靠諝鉁囟雀?.5 ℃.相比吹面模式，吹腳模式X、Y、Z各向溫差均較小，后排空氣溫度高于前排0.6 ℃；Y方向上溫差在0.2 ℃至0.3 ℃；高度方向上最大溫差為0.4 ℃，溫度分布相對均勻.速度不均勻度方面，吹面模式下X方向由于較大的送風(fēng)速度，使得后排氣流速度大于前排；而Y方向上由于受到座位的阻擋，Y=-0.620截面平均速度最??；高度方向上，頭部高度截面大于腳部高度截面大于胸部高度截面；吹腳模式下X方向由于氣流受限，后排的空氣速度小于前排；Y方向上與吹面模式相同，Y=-0.620截面平均速度最??；高度方向上由于送風(fēng)方式的改變，使得胸部高度截面的空氣流動速度大于腳部高度截面處、大于頭部高度截面處.吹面模式乘員艙內(nèi)熱環(huán)境溫度不均勻度為1.65%，速度不均勻度為21.22%；吹腳模式乘員艙內(nèi)熱環(huán)境溫度不均勻度為0.75%，速度不均勻度為31.84%.乘員艙內(nèi)熱環(huán)境呈現(xiàn)出前后、左右、高度上的不均勻性，且速度不均勻性大于溫度不均勻性.

表1空車各截面平均溫度、速度

Tab.1Averagetemperatureandspeedofeachsectioninemptycar

模式位置平均溫度/℃平均速度/(m·s-1)吹面X=2.20031.40.60X=3.00032.70.83Y=-0.62030.80.75Y=-0.10031.90.99Y=0.10032.30.74Y=0.62032.21.00Z=0.33631.60.59Z=0.69031.90.53Z=1.00032.10.89吹腳X=2.20030.30.22X=3.00030.90.16Y=-0.62031.00.28Y=-0.10030.70.34Y=0.10031.00.31Y=0.62030.80.35Z=0.33630.40.17Z=0.69030.80.39Z=1.00030.70.16

2.2 不同送風(fēng)模式下的車內(nèi)熱舒適性分析

在吹面模式下，人體皮膚表面溫度范圍為34.7 ℃至36.6 ℃，副駕駛員側(cè)的溫度高于駕駛員這一側(cè)，這是由于實(shí)際情況下副駕駛一側(cè)的送風(fēng)溫度要高于駕駛員側(cè)而造成.后排乘客的皮膚溫度明顯高于前排，這與空車情況下乘員艙內(nèi)的空氣溫度分布相對應(yīng).在吹腳模式下，由于進(jìn)入乘員艙內(nèi)的熱量減少，人體皮膚表面溫度降為29.5 ℃至34.9 ℃.2個送風(fēng)口風(fēng)量及溫度一致，所以駕駛員側(cè)和副駕駛員側(cè)并沒有出現(xiàn)吹面模式的熱感覺與熱舒適性不對稱情況.前排乘客靠近中控的腳部以及小腿因?yàn)檎龑ο鲁鲲L(fēng)口的原因，溫度要高于另一側(cè).從表2可以看出，吹面模式駕駛員、副駕、左乘、右乘的整體熱感覺為1.21、1.30、1.25、1.28；整體熱舒適為-1.09、-1.02、-1.55、-1.50.

表22種吹風(fēng)模式下各乘員整體熱感覺指標(biāo)與整體熱舒適指標(biāo)

Tab.2Overallthermalsensationandoverallthermalcomfortofeachoccupantunderthetwoblowingmodes

模式位置整體熱感覺指標(biāo)整體熱舒適指標(biāo)吹面駕駛員1.21-1.09副駕駛1.30-1.02左乘客1.25-1.55右乘客1.28-1.50吹腳駕駛員0.14-1.00副駕駛0.16-1.06左乘客0.19-0.67右乘客0.24-0.79

吹腳模式駕駛員、副駕、左乘、右乘的整體熱感覺為0.14、0.16、0.19、0.24；整體熱舒適為-1.00、-1.06、-0.67、-0.79.對比2種送風(fēng)模式下的人體皮膚表面溫度及整體熱感覺與整體熱舒適，吹腳模式能夠滿足冬季乘員艙內(nèi)熱負(fù)荷要求且熱舒適性要優(yōu)于吹面模式，吹面模式乘員的整體熱感覺值均大于吹腳模式，這是因?yàn)榇得婺Ｊ降乃惋L(fēng)溫度與總送風(fēng)量均要大于吹腳模式.

表3列出了2種送風(fēng)模式下各節(jié)段的皮膚表面溫度的計算結(jié)果，可以看出吹面模式下各節(jié)段皮膚表面溫度均高于吹腳模式.吹面模式下溫度最高的部位為右邊乘員左手，溫度為36.6 ℃；溫度最低的部位為駕駛員軀干，溫度為34.7 ℃.吹腳模式下溫度最高的部位為右邊乘員左大腿，溫度為34.9 ℃；溫度最低的部位為駕駛員右手，溫度為29.5 ℃.2種模式下溫度相差最大的為駕駛員的右手，溫差為6.3 ℃.

表3 各節(jié)段皮膚表面溫度

2.3 乘員熱舒適性影響因素分析

為了進(jìn)一步說明送風(fēng)溫度及送風(fēng)熱環(huán)境均勻性對乘員熱舒適性的影響，對實(shí)際送風(fēng)工況(吹面)、基于相同送風(fēng)焓值的等溫送風(fēng)工況以及基于駕駛員前方等效來流的均勻熱環(huán)境工況進(jìn)行了對比分析.其中，為模擬基于駕駛員前方等效來流的均勻熱環(huán)境工況，建立了如圖4所示的基于駕駛員前方等效來流均勻熱環(huán)境，計算域?yàn)殚L寬高分別為5.0 m、2.8 m、2.4 m的長方體，人到計算域出口的距離為到入口距離的2倍.均勻熱環(huán)境的熱邊界條件熱阻、對流換熱系數(shù)等按照試驗(yàn)工況下的面積平均設(shè)置，入口送風(fēng)溫度、速度按照等效面的平均溫度、速度設(shè)置(等效面為試驗(yàn)工況下駕駛員胸前截面，X=2.200截面).

計算結(jié)果表明，在實(shí)際送風(fēng)工況下，人體皮膚表面溫度范圍為33.2 ℃至35.5 ℃，其整體熱感覺為0.73，整體熱舒適為-0.19；而在基于相同送風(fēng)焓值的等溫送風(fēng)工況下，人體表面溫度范圍為34.5 ℃至36.0 ℃，整體熱感覺為1.03，整體熱舒適為-0.73.出現(xiàn)該情況的原因是試驗(yàn)工況下駕駛員側(cè)兩出風(fēng)口的送風(fēng)溫度為35.8 ℃和40.6 ℃，低于副駕駛側(cè)兩出風(fēng)口的送風(fēng)溫度41.1 ℃和38.9 ℃.而在基于相同送風(fēng)焓值的等溫送風(fēng)工況，其送風(fēng)溫度為39.1 ℃，對于駕駛員位置來說等同于送風(fēng)溫度升高，所以其皮膚表面溫度升高，整體熱感覺也增大.以上對比結(jié)果說明送風(fēng)溫度對乘員熱舒適性的影響是顯著的.而在均勻熱環(huán)境下，人體皮膚表面溫度范圍為34.0 ℃至35.8 ℃，其整體熱感覺為0.95，整體熱舒適為-0.49.相比相同送風(fēng)焓值的等溫送風(fēng)工況，人體表面溫度范圍減小，整體熱感覺也降低了0.08，整體熱舒適增大了0.24.說明對于乘員艙這類不均勻熱環(huán)境，人員熱舒適的實(shí)現(xiàn)難度較理想均勻熱環(huán)境高.

圖4 等效來流均勻熱環(huán)境

3 結(jié)論

(1) 在較高溫的送風(fēng)射流及自然對流共同作用下，冬季乘員艙內(nèi)熱環(huán)境呈現(xiàn)出前后、左右、高度上的不均勻性.吹面模式下乘員艙內(nèi)熱環(huán)境溫度不均勻度為1.65%，速度不均勻度為21.22%；吹腳模式下乘員艙內(nèi)熱環(huán)境溫度不均勻度為0.75%，速度不均勻度為31.84%，可以看出速度不均勻性明顯大于溫度不均勻性.

(2) 與吹面模式相比較，吹腳模式下乘員能獲得更好的熱舒適，吹面模式乘員的整體熱感覺值均大于吹腳模式，這是因?yàn)榇得婺Ｊ降乃惋L(fēng)溫度與風(fēng)量均大于吹腳模式.

(3) 通過對實(shí)際送風(fēng)工況、基于相同送風(fēng)焓值的等溫送風(fēng)工況以及基于駕駛員前方等效來流的均勻熱環(huán)境工況的對比分析，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)溫度對人員熱舒適性的影響顯著，在不均勻熱環(huán)境下人體更易處于不舒適的狀態(tài).