乘用車艙內(nèi)環(huán)境綜合評價方法

常賀 王丹 許楠

（1.吉林大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司汽車工程研究院；3.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室）

隨著汽車與人們的生活越來越密切，乘員在狹小封閉的乘員艙環(huán)境中的時間也越來越久，因此對車內(nèi)空間環(huán)境質(zhì)量的評價是十分必要的。車內(nèi)環(huán)境一方面需要靠汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控，會產(chǎn)生能量的消耗，一方面與乘員的健康安全息息相關(guān)。文章總結(jié)研究了國內(nèi)外汽車乘員艙環(huán)境相關(guān)文獻并結(jié)合我國車內(nèi)空氣質(zhì)量法規(guī)的要求，提出乘員艙環(huán)境評價要從車內(nèi)環(huán)境、車內(nèi)空氣質(zhì)量、乘員舒適性3 個層級綜合評價的思路，旨在探索車輛乘員艙環(huán)境評價方法，不斷滿足消費者對汽車高品質(zhì)環(huán)境的需求。

1 乘員艙內(nèi)安全性評價

乘員艙內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量是否安全，是評價乘員艙內(nèi)安全性的最基本指標，同時也對人們的健康尤為重要[1]。因為乘員艙是一個相對獨立的密閉空間，夏天的暴曬會使車內(nèi)材料（儀表臺、座椅、內(nèi)飾覆蓋材料等）以更快的速度散發(fā)出有機化合物（VOC）。當(dāng)車內(nèi)VOC 的質(zhì)量濃度達到一定范圍時，乘員會出現(xiàn)咳嗽、嘔吐、頭痛等癥狀，長時間在這種環(huán)境里對人體造成傷害較大，會引起慢性呼吸道疾病，甚至誘發(fā)癌癥，表1 示出不同氣味評價等級的VOC對人體的危害。

表1 不同評價等級的VOC對人體的危害

因此我國以及國內(nèi)各大汽車生產(chǎn)企業(yè)頒布和制定了相關(guān)車內(nèi)空氣質(zhì)量的法規(guī)和要求，越來越重視乘員艙內(nèi)部空氣質(zhì)量的控制，通過嚴格的試驗測量車內(nèi)VOC 的質(zhì)量濃度是否達到安全水平[2]。表2 示出乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價要求。

表2 乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價要求 mg/m3

2 乘員艙環(huán)境影響因素評價

對車內(nèi)環(huán)境的基本要求是在任何氣候和行駛條件下，都可以改善駕駛員的工作環(huán)境及提高乘員的舒適性，所以要控制好乘員艙內(nèi)環(huán)境影響因素的指標是一項重要的工作。主要指標分別是空氣溫度、空氣流速、空氣濕度和空氣清潔度。

2.1 空氣溫度

乘員艙內(nèi)部的溫度體驗受到人體生理、心理因素以及環(huán)境溫度的共同影響，隨著汽車所處地域、空間和季節(jié)時間的變化而改變。當(dāng)夏季溫度較高時，乘員艙內(nèi)部溫度會不斷升高，當(dāng)其超出乘客耐受限值后，乘員就會明顯感到身體不適[3]。在冬季車內(nèi)溫度較低，乘員體感溫度冰冷，需要快速提高車內(nèi)環(huán)境溫度。因此有必要對乘員艙內(nèi)部的溫度進行主動調(diào)節(jié)，從而達到適宜的溫度范圍。相關(guān)研究結(jié)果表明，人體感到舒適的溫度在夏季為22～28 ℃，在冬季為16～18 ℃。由于人體的生理構(gòu)造差異，不同部位的溫度敏感度不同，所以同樣是提高車內(nèi)溫度，人體面部所需求的溫度就比足部略低。冬季車內(nèi)的溫度分布應(yīng)使大腿和腳迅速暖和起來，即形成人們所習(xí)慣的“頭涼腳熱”的溫度分布。同樣，夏季車內(nèi)溫度降低時，頭部的溫度也應(yīng)比腳部低一些，即要求“頭涼足暖”，溫差大約為2 ℃。

2.2 空氣流速

乘員艙內(nèi)部的空氣流速同樣影響乘員的舒適性體驗。特別是在高溫環(huán)境，增大空氣的流速會促進人體表面汗液的蒸發(fā)，可以增強人體表面的對流散熱效果，因此人在流動的空氣中比在靜止的空氣中要舒服，就是空氣的流動可以帶走人體熱量的緣故，但流速過大則引起吹風(fēng)感，造成人體皮膚溫度狀況失調(diào)，產(chǎn)生不舒適的壓迫感覺。通常乘員艙內(nèi)部空氣流速不宜過大，應(yīng)控制在0.075～0.2 m/s，并且以低速流動為佳。

2.3 相對濕度

相對濕度主要影響人體皮膚與空氣之間的熱交換，適宜的濕度環(huán)境會使乘員覺得心情舒暢。相反，當(dāng)相對濕度增大時人體皮膚表面上壓力與空氣壓力之差減少，導(dǎo)致人體的蒸發(fā)散熱量減少，造成皮膚潤濕度增大。乘員艙中最舒適的相對濕度推薦控制范圍是在夏季為50%～60%，冬季則是40%～50%。此外，乘員艙內(nèi)部的相對濕度也影響到汽車駕駛的安全性。當(dāng)車內(nèi)濕度過高時，空氣中的水汽會凝結(jié)在風(fēng)擋玻璃上，使駕駛員的駕駛視野模糊，造成交通事故。因此對乘員艙內(nèi)部環(huán)境中相對濕度影響因素的控制也十分重要。

2.4 空氣清潔度

乘員艙內(nèi)通風(fēng)調(diào)節(jié)過程中通常采用內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)2 種模式進行換氣，達到最佳溫控效果，同時降低汽車運行能耗。由于車內(nèi)空間小，在內(nèi)循環(huán)模式下，汽車尾氣中的有害氣體（如CO，CO2）容易進入車內(nèi)，導(dǎo)致車內(nèi)空氣混濁，空氣質(zhì)量降低，嚴重時會影響乘員的身體健康。例如：一般轎車的內(nèi)部空間為3～4.5 m3，1 個成年人在4 m3的封閉空間內(nèi)呼吸，50 min 左右就能使CO2的體積分數(shù)達到1%。氧氣含量下降會讓人感到疲勞焦慮，嚴重時會出現(xiàn)呼吸困難、頭暈的癥狀，影響駕駛安全。車內(nèi)環(huán)境中空氣質(zhì)量高不僅可以為乘員提供呼吸所需要的氧氣，而且可以稀釋車內(nèi)污染物或氣味，提高車內(nèi)環(huán)境的健康和安全性，因此對汽車乘員艙中空氣清潔度的控制十分必要[4]。乘員艙內(nèi)換氣量的參考范圍在20%～30%，CO2和CO 的體積分數(shù)應(yīng)分別小于0.03%和0.01%。

3 乘員艙內(nèi)舒適性評價

舒適性是指人們對所處熱環(huán)境所做的主觀滿意度評價，它受到人體生理、心理因素以及周圍環(huán)境的影響和制約，影響因素異常復(fù)雜。良好的車內(nèi)熱舒適性能可以提升人們的乘坐體驗以及對汽車的整體滿意度。但舒適性不能直接測量，只能通過問卷測評的方式要求受試者按某種標度來描述其熱感覺。國內(nèi)外對車內(nèi)乘員舒適性的評價方法有很多，主要可以分成主觀評價法和客觀評價法2 類。

主觀舒適性評價方法是通過組織一定的典型群體，對評價目標車內(nèi)環(huán)境進行一系列的熱舒適性評分，最后得到乘員對車輛舒適性的總體評分結(jié)果。該方法所得到的車內(nèi)環(huán)境評價結(jié)論相對來說比較真實可靠。具有代表性的評價方法有2 個，分別是美國供暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會（ASHRAE）提出的7 點標尺評價準則和當(dāng)量溫度評價法[5]。

3.1 ASHARE的7點標尺評價準則

ASHARE的7點標尺評價準則是通過組織一定數(shù)量的評價人員對評價目標進行一系列的熱舒適性評價，最后得到該目標在不同工況下的熱舒適性。通過一系列受試者的測試試驗，并將大量測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)處理，對一定工況下的熱舒適進行評價，如表3所示[6]。該方法所得到的評價結(jié)論相對來說比較真實可靠，但不能應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)階段，必須在具備物理樣機的情況下才能應(yīng)用。

表3 ASHRAE的7點標尺評價準則

3.2 當(dāng)量溫度評價方法

當(dāng)量溫度評價方法中要求測試是在氣流均勻的條件下的一個封閉空間里進行，相對濕度為50%，而且空氣溫度等于輻射溫度，測試時使用暖體假人設(shè)備測量。按要求位置擺放暖體假人，如果非均勻環(huán)境下暖體假人身體某一部位與其在該均勻環(huán)境下的散熱量相等，就稱該均勻環(huán)境下的空氣溫度為非均勻環(huán)境的當(dāng)量均勻溫度。利用局部熱舒適評價指標代替全身熱舒適評價指標，將人體分為15 個節(jié)段，計算每個節(jié)段與周圍環(huán)境的熱交換，利用人體各部分不同的舒適溫度范圍進行評價。

計算出各節(jié)段的當(dāng)量溫度后，在當(dāng)量溫度舒適范圍圖中描點，觀察計算值是否在舒適性區(qū)間中。各節(jié)段標準當(dāng)量溫度舒適性范圍分別定義了人體局部當(dāng)量溫度的舒適性上限、下限和理想值。

4 乘員艙環(huán)境SCC評價模型

綜上，對車內(nèi)環(huán)境評價發(fā)展提出設(shè)想，即乘員艙環(huán)境SCC 評價模型。該模型主要圍繞車內(nèi)環(huán)境的安全性（Security）、控制性（Control）、舒適性（Comfortable）3 個層級進行評價，如圖1所示。

圖1 乘員艙環(huán)境SCC 評價模型

從圖1 可以看出，車內(nèi)環(huán)境安全是最基本的要求，安全的車內(nèi)環(huán)境就是要首先保證車內(nèi)乘員的健康；該模型的第2 個層級就是車內(nèi)環(huán)境的控制，此部分需要控制的參數(shù)包括空氣溫度、空氣濕度、空氣流速和空氣清潔度；金字塔模型的第3 個層級就是車內(nèi)乘員舒適性體驗，此部分需要合理控制車內(nèi)環(huán)境，改善人體熱舒適性。表4 示出乘員艙環(huán)境SCC 評價內(nèi)容。

表4 乘員艙環(huán)境SCC 評價內(nèi)容

5 結(jié)論

汽車作為必不可少的交通工具一直與人們的日常活動密不可分，特別是乘員在汽車使用過程中所處的密閉空間的環(huán)境質(zhì)量尤為重要。良好的乘車環(huán)境不僅可以降低汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的運行功耗，延長汽車的行駛里程，而且可以改善駕駛員的注意力，提高行駛過程中的安全性。因此研究并評價車輛乘員艙內(nèi)部環(huán)境的相關(guān)問題已經(jīng)成為汽車開發(fā)領(lǐng)域的一個熱點。