空調(diào)假人溫度修正試驗(yàn)研究

張藝倫，牟連嵩，伊虎城

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

隨著人們對(duì)汽車駕乘舒適性的要求越來(lái)越高，汽車乘員艙的熱舒適性已成為汽車空調(diào)開(kāi)發(fā)中的重要考慮因素之一。在汽車空調(diào)開(kāi)發(fā)流程中，對(duì)于乘員艙的熱舒適性評(píng)價(jià)研究主要采用主觀評(píng)價(jià)方法，由于評(píng)價(jià)人員個(gè)體的差異，很難得到客觀真實(shí)的結(jié)果。因此，基于空調(diào)假人的PMV 指數(shù)開(kāi)展乘員艙的熱舒適性客觀評(píng)價(jià)逐漸成為主要手段。由于空調(diào)假人無(wú)法模擬人體新陳代謝過(guò)程產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致空調(diào)假人不能完全模擬真人在車內(nèi)的實(shí)際溫度狀態(tài)，帶來(lái)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)的差異。真人人體表面溫度是人體與周圍熱環(huán)境達(dá)到熱平衡的狀態(tài)，而空調(diào)假人缺少人體所擁有的溫度調(diào)節(jié)過(guò)程，導(dǎo)致采集到的空調(diào)假人表面溫度與真人衣服表面的溫度存在一定偏差。目前對(duì)于人體與環(huán)境熱交換的研究主要通過(guò)CFD 方法進(jìn)行，2010 年，倪冬香用人體熱調(diào)節(jié)模型與熱環(huán)境的相互作用進(jìn)行CFD 計(jì)算來(lái)模擬汽車乘員艙熱舒適性。對(duì)于該課題的試驗(yàn)研究目前進(jìn)行得很少。文中通過(guò)設(shè)計(jì)修正試驗(yàn)，建立了空調(diào)假人體表溫度與真人衣服表面溫度之間的關(guān)聯(lián)模型。通過(guò)該關(guān)聯(lián)模型，在利用空調(diào)假人模擬真人進(jìn)行乘員艙舒適性試驗(yàn)時(shí)，可對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使其更接近真人的溫度狀態(tài)，為客觀評(píng)價(jià)乘員艙的熱舒適性提供了依據(jù)。

1 空調(diào)假人溫度修正試驗(yàn)

1.1 空調(diào)假人

空調(diào)假人為能夠采集環(huán)境數(shù)據(jù)的人型假人系統(tǒng)，一般裝備有溫度、濕度、風(fēng)速、熱輻射四類傳感器，并廣泛用于汽車、飛機(jī)、建筑等各類環(huán)境的空調(diào)試驗(yàn)中。本試驗(yàn)中用到的空調(diào)假人為沈陽(yáng)新科精密儀器設(shè)備有限公司的SJR 型空假人，材質(zhì)為玻璃鋼，身高為170 cm，四種傳感器分布在假人表面，如圖1 所示。在汽車空調(diào)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，空調(diào)假人一般用來(lái)采集車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，用于熱舒適性的評(píng)價(jià)。本試驗(yàn)采用的空調(diào)假人的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 空調(diào)假人

表1 空調(diào)假人參數(shù)

1.2 修正試驗(yàn)

由于人體散熱對(duì)車廂內(nèi)的濕度、風(fēng)速、熱輻射等影響很小，因此本修正試驗(yàn)中僅對(duì)溫度進(jìn)行修正。文中將空調(diào)假人溫度直接修正為真人衣服表面溫度，原因是相比人體皮膚表面溫度，人體衣服表面溫度在舒適性評(píng)價(jià)的研究中應(yīng)用更廣泛。針對(duì)汽車空調(diào)降溫試驗(yàn)的工況范圍，模擬夏季人坐在車內(nèi)時(shí)的狀態(tài)，可用于空調(diào)降溫工況乘員艙內(nèi)熱環(huán)境舒適性的研究。

為了得出人體衣服表面溫度與空調(diào)假人溫度的修正關(guān)系，采用試驗(yàn)方法，得到在相同熱環(huán)境下，空調(diào)假人表面與真人衣服表面的溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)二者進(jìn)行擬合得到修正關(guān)系。進(jìn)行試驗(yàn)的試驗(yàn)室相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 環(huán)境模擬試驗(yàn)室參數(shù)

相比車內(nèi)環(huán)境，或者其他試驗(yàn)環(huán)境，整車環(huán)境模擬試驗(yàn)室中溫、濕度均勻性好，并且可以精確控制。車內(nèi)環(huán)境雖然更接近真實(shí)環(huán)境，但是由于車內(nèi)溫度環(huán)境均勻度非常差，無(wú)法保證真人與假人處于相同的溫度環(huán)境條件下，不利于得到真人假人的溫度修正關(guān)系，因此本試驗(yàn)選擇在整車環(huán)境試驗(yàn)室中進(jìn)行。

選取4 名試驗(yàn)人員，統(tǒng)一穿著夏季工服與工裝鞋，熱阻約為0.08 m2·K/W。試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員與空調(diào)假人一起置于環(huán)境模擬試驗(yàn)室內(nèi)，保證試驗(yàn)人員與空調(diào)假人都處于相同的夏季汽車乘員艙環(huán)境中。試驗(yàn)室濕度設(shè)定為30%，接近夏季車內(nèi)濕度環(huán)境。利用試驗(yàn)室循環(huán)風(fēng)機(jī)模擬乘員艙內(nèi)風(fēng)速，約為1 m/s，與乘員艙內(nèi)風(fēng)速接近。試驗(yàn)室內(nèi)溫度從45 ℃緩慢降低至20 ℃，同時(shí)采集真人衣服表面溫度與空調(diào)假人表面溫度。

由于人體不同部位的新陳代謝與人體活動(dòng)強(qiáng)度不同，并且汽車乘員艙不同位置的熱環(huán)境差異較大，所以人體不同部位的修正關(guān)系也會(huì)有所不同。因此，需要將人體分為若干部分，針對(duì)每一部分采集溫度數(shù)據(jù)，并分別進(jìn)行擬合。本試驗(yàn)中，人體被劃分為額頭、下巴、左胸、右胸、左大臂、右大臂、左小臂、右小臂、腹部、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左腳、右腳等15 個(gè)部分。溫度傳感器分布如圖2 所示。

對(duì)于空調(diào)假人，采集相同位置的溫度數(shù)據(jù)作為對(duì)比。試驗(yàn)采用K 型熱電偶作為溫度傳感器，將熱電偶的感應(yīng)端用布基膠帶粘貼在衣服表面，測(cè)量衣服表面溫度。對(duì)于無(wú)衣服覆蓋的面部等部分則將熱電偶直接貼在皮膚表面，此情況認(rèn)為面部衣服熱阻為0。4名試驗(yàn)人員選擇了健康的青年男性。試驗(yàn)時(shí)所有試驗(yàn)人員穿著統(tǒng)一的帶有傳感器的工服，與空調(diào)假人并排坐于環(huán)境模擬試驗(yàn)室中部，面向試驗(yàn)室蒸發(fā)器，可保證風(fēng)速條件與溫度均勻性達(dá)到預(yù)期要求。試驗(yàn)情況如圖3 所示。試驗(yàn)過(guò)程中，所有試驗(yàn)人員需保持靜坐，以保持人體新陳代謝活動(dòng)的穩(wěn)定，不受溫度以外其他因素的影響。

圖2 溫度傳感器分布位置

圖3 修正試驗(yàn)

2 空調(diào)假人與真人衣服表面溫度的修正關(guān)系

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)測(cè)得在同一時(shí)刻空調(diào)假人溫度和真人衣服表面溫度，便可將同一時(shí)刻的空調(diào)假人溫度與真人衣服表面溫度一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。選取4 名試驗(yàn)人員衣服表面各位置的平均溫度作為真人衣服表面不同位置的最終溫度。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在假人溫度從18 ℃上升至44 ℃的過(guò)程中，人體溫度從約20 ℃上升至約42 ℃（不同部位變化范圍不同）。人體不同位置溫度與空調(diào)假人的溫度差別見(jiàn)表3。

表3 選取了假人溫度20、30、36、40 ℃四個(gè)溫度點(diǎn)與真人溫度進(jìn)行對(duì)比。由于人體正常體溫約為36 ℃，因此在20 ℃時(shí)，人體溫度普遍高于假人溫度。隨著環(huán)境溫度的上升，真人假人的溫差不斷縮小，并在36 ℃左右接近。隨后假人的溫度高于真人溫度，溫差不斷擴(kuò)大，并且沒(méi)有衣服遮蓋的額頭和下巴部分的溫差明顯大于其余有衣服遮蓋的部分。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，假人采集的溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際真人的數(shù)據(jù)有很大差距，當(dāng)假人溫度與人體正常體溫差距越大時(shí)，真人假人的溫度差距越大。尤其對(duì)于頭部這種皮膚裸露的部分，在常溫20 ℃時(shí)產(chǎn)生了將近10 ℃的溫差，其余有衣服遮蓋的部分也有約3 ℃左右的溫差。因此，對(duì)空調(diào)假人溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正非常必要。

表3 真人假人試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.2 修正公式

以空調(diào)假人溫度作為橫坐標(biāo)（x 軸），以真人衣服表面溫度作為縱坐標(biāo)（y 軸），擬合出人體不同位置真人衣服表面溫度相對(duì)于空調(diào)假人溫度的函數(shù)關(guān)系式：y=f(x)。采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合度均達(dá)到0.98 以上。其中額頭與下巴為裸露皮膚，其余測(cè)點(diǎn)有衣服覆蓋。額頭、下巴、腹部的溫度修正關(guān)系如圖4 所示。

圖4 空調(diào)假人與真人衣服表面溫度修正關(guān)系

從圖4a 中可以看出，擬合曲線在40 ℃左右時(shí)產(chǎn)生了拐點(diǎn)。表明超過(guò)40 ℃后，隨著溫度的上升，額頭表面的溫度不再上升，甚至有了微小下降。這是由于高溫環(huán)境下人體通過(guò)出汗進(jìn)行降溫，導(dǎo)致了皮膚溫度的下降，并且額頭為人體出汗較為嚴(yán)重的部位，因此有明顯的溫度下降。下巴部分出汗很少，環(huán)境溫度與人體溫度正相關(guān)，變化規(guī)律接近線性變化。

腹部和其他有衣服包裹的人體表面，空調(diào)假人與真人衣服表面溫度的修正關(guān)系與下巴的變化規(guī)律相似，擬合曲線接近線性變化。本試驗(yàn)中，人體15 個(gè)不同位置的擬合公式見(jiàn)表4。由于人體不同身體部位器官新陳代謝的發(fā)熱量不同，并不是左右對(duì)稱的狀態(tài)，并且考慮到試驗(yàn)中的微小測(cè)量誤差，因此得到的不同位置的擬合方程不盡相同。在對(duì)稱位置，如左大臂右大臂的實(shí)際方程計(jì)算結(jié)果相差無(wú)幾。

表4 人體15 個(gè)不同位置的擬合方程

3 修正公式的應(yīng)用與驗(yàn)證

3.1 熱舒適性計(jì)算

得到空調(diào)假人與真人衣服表面溫度的修正關(guān)系后，在利用空調(diào)假人模擬真人進(jìn)行熱環(huán)境舒適性評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)，空調(diào)假人所采集的溫度數(shù)據(jù)可以更好地模擬真人在某一熱環(huán)境的狀態(tài)。PMV 指數(shù)為目前最廣泛使用的熱環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)方法。PMV（Predicted Mean Vote）指數(shù)為Fanger 教授提出的人體舒適性評(píng)價(jià)體系。其結(jié)果范圍是-3～3：-3 為冷、-2 為涼、-1 為微涼、0 為舒適狀態(tài)、1 為微暖、2 為暖、3 為熱。PMV指數(shù)在-0.5～0.5 區(qū)間范圍內(nèi)為人體的舒適狀態(tài)。根據(jù)PMV 指數(shù)的計(jì)算公式（詳見(jiàn)ISO 7730—2005 標(biāo)準(zhǔn)），它的計(jì)算過(guò)程包含了若干影響人體舒適性的變量，分別為人體代謝率、人體所做機(jī)械功、空氣溫度、服裝表面溫度、環(huán)境平均輻射溫度、服裝系數(shù)、水蒸氣分壓力、對(duì)流換熱系數(shù)。在ISO 7730—2005 標(biāo)準(zhǔn)中，也引入了PMV 指數(shù)作為評(píng)價(jià)建筑熱環(huán)境舒適性的指標(biāo)。

3.2 修正公式的用途

從PMV 計(jì)算公式中可以看出，衣服表面溫度直接參與了PMV 的計(jì)算。如果能夠直接得到該參數(shù)，則可以使PMV 的計(jì)算更加簡(jiǎn)單，并且準(zhǔn)確。由于空調(diào)假人無(wú)法模擬人體發(fā)熱量，因此無(wú)法測(cè)量衣服表面溫度，并且無(wú)法模擬人體發(fā)熱對(duì)于環(huán)境溫度的影響。通過(guò)文中的修正公式，則可以通過(guò)空調(diào)假人直接得到準(zhǔn)確的衣服表面溫度。雖然衣服表面溫度可以通過(guò)計(jì)算得到，但是ISO 標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法需要根據(jù)人體代謝、人體所做機(jī)械功、服裝熱阻、衣著系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)、平均輻射溫度、環(huán)境溫度這7 個(gè)參數(shù)通過(guò)迭代計(jì)算得出。這些參數(shù)部分可以通過(guò)測(cè)量得到，但是人體代謝、人體所做機(jī)械功、服裝熱阻無(wú)法獲得準(zhǔn)確值，只能選擇經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算會(huì)使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差，并且衣服表面溫度的計(jì)算方法含有迭代過(guò)程，在實(shí)際的工程開(kāi)發(fā)應(yīng)用中存在一定的不便捷性。汽車空調(diào)試驗(yàn)一般持續(xù)數(shù)個(gè)小時(shí)，數(shù)據(jù)量巨大，若對(duì)每一時(shí)刻的舒適性都進(jìn)行迭代計(jì)算，會(huì)消耗大量時(shí)間。修正公式的應(yīng)用可以大大提高計(jì)算效率。

3.3 修正公式的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證修正公式的準(zhǔn)確性，選擇整車空調(diào)降溫試驗(yàn)這個(gè)實(shí)際應(yīng)用的工況進(jìn)行驗(yàn)證。將真人和假人同時(shí)置于車內(nèi)相同環(huán)境的位置，真人一名坐在駕駛員位置，空調(diào)假人置于副駕駛位置，以測(cè)量真人衣服的表面溫度作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照，對(duì)比修正公式計(jì)算得到的衣服表面溫度和傳統(tǒng)計(jì)算方法ISO 標(biāo)準(zhǔn)中公式計(jì)算得到的衣服表面溫度?？紤]到過(guò)多的傳感器會(huì)影響駕駛員駕駛汽車，因此只采集了下巴、右胸、腹部、右大腿四個(gè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，來(lái)驗(yàn)證表4 中相同位置的修正公式。試驗(yàn)進(jìn)行至10 min 時(shí)，不同部位的溫度見(jiàn)表5。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)的溫度

對(duì)比表5 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，修正計(jì)算產(chǎn)生的誤差在1%～3%左右，但是ISO 公式計(jì)算的誤差最多則會(huì)超過(guò)6%。對(duì)于同樣位置的溫度，通過(guò)修正公式計(jì)算得到的值更加接近真人測(cè)得的真實(shí)值。由此可以認(rèn)為，修正公式相比傳統(tǒng)方法ISO 公式計(jì)算的結(jié)果誤差更小。

直接利用真人參與試驗(yàn)，采集真人的溫度數(shù)據(jù)盡管比空調(diào)假人更加準(zhǔn)確，但是大多空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境惡劣，極端環(huán)境不利于人體健康。由于不同人體的發(fā)熱量不同，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)的重復(fù)性很差，因此利用空調(diào)假人代替真人進(jìn)行模擬試驗(yàn)是熱舒適性研究的最佳研究方法。

4 結(jié)論

文中通過(guò)試驗(yàn)的方法，得出了一種空調(diào)假人溫度與真人衣服表面溫度的修正公式。修正公式可以減少甚至避免由于空調(diào)假人不存在新陳代謝而導(dǎo)致的與真人體表溫度的差異。在利用空調(diào)假人進(jìn)行汽車乘員艙熱舒適性評(píng)價(jià)時(shí)，通過(guò)修正公式，可以將空調(diào)假人測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)修正為真人衣服表面的溫度，并進(jìn)行PMV 指數(shù)計(jì)算。該計(jì)算方法將修正后的真人衣服表面溫度帶入PMV 指數(shù)計(jì)算公式可減少有關(guān)人體新陳代謝經(jīng)驗(yàn)值的應(yīng)用帶來(lái)的誤差，并且避免了繁瑣的迭代計(jì)算，提高熱舒適性的計(jì)算精確度及計(jì)算效率。

由于人體對(duì)于不同環(huán)境條件的反應(yīng)有很大區(qū)別，針對(duì)夏季空調(diào)降溫過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，并得出了溫度擬合的修正公式，因此本文的修正公式對(duì)于夏季環(huán)境的空調(diào)降溫過(guò)程有更好的適用性。對(duì)于冬季采暖或者其他環(huán)境下的溫度修正，可以按照該試驗(yàn)方法進(jìn)行相應(yīng)的修正試驗(yàn)，得出適用于不同環(huán)境下更加準(zhǔn)確的修正關(guān)系。