降溫方式對乘用車艙體內(nèi)熱舒適性影響的研究

赫連雅馨，張修霖，劉吉營，楊開敏

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101）

0 引言

隨著汽車保有量的增加，特別是私家車數(shù)量的快速增加［1－2］，人們對于汽車的使用越來越多，在汽車內(nèi)度過的時間總量也顯著增加，因而對車輛舒適性的要求也隨之提高。乘坐舒適性指的是人們在乘車過程中感受到的外界環(huán)境對自身生理和心理的影響，涉及到汽車行駛的穩(wěn)定性、光、聲音及艙體內(nèi)溫度和濕度等方面，尤其是熱環(huán)境（溫度和濕度）對駕駛員和乘客的身心狀態(tài)影響更為明顯。當(dāng)長時間駕駛或者乘坐時，艙體內(nèi)合適的溫度、濕度和良好的氣流運動能夠使人們身心愉悅、不易疲勞，從而提高了工作效率和駕駛的安全性［3－4］。

目前，很多發(fā)達(dá)國家的車企已經(jīng)意識到上述問題，并相繼投入大量的科研資源開展工作，探索在保證燃油經(jīng)濟(jì)性良好的情況下，極大地優(yōu)化艙體內(nèi)的熱舒適性。同時，針對影響人體在艙體環(huán)境中舒適性的因素及作用機(jī)理開展了大量的工作，對提高和改善艙體內(nèi)人體舒適性評價以及制定更合理的評價標(biāo)準(zhǔn)有著重要的指導(dǎo)作用［5］。Hagino等［6］從影響人體舒適性的外界因素—風(fēng)速出發(fā)，通過分析非穩(wěn)態(tài)條件下轎車內(nèi)的溫度和風(fēng)速分布特性，給出了一種新的用于評價風(fēng)速對舒適性影響的方法。呂鴻斌等［7］采用數(shù)值模擬的方法分析了夏季酷熱條件下，空調(diào)系統(tǒng)不同的送風(fēng)溫度和風(fēng)量對車內(nèi)熱舒適性的影響。張文燦等［8］和Kataoka等［9］提出了用于描述汽車乘員艙內(nèi)氣流和溫度分布的新方法，能夠幫助實現(xiàn)快速預(yù)測和評價駕乘人員舒適度的目標(biāo)。Han等［10］展開實車測試，將汽車在太陽下暴曬一段時間，測量得到乘員艙內(nèi)的溫度場，然后打開空調(diào)設(shè)備，觀察乘員艙溫度場的變化過程和趨勢以及相應(yīng)的人體舒適性的變化。靳艷梅等［11］先求解分析了乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境，并依次為邊界條件計算得到了人體表面的溫、濕度分布情況，最終使用參數(shù)當(dāng)量溫度評價了隨著熱環(huán)境變化而產(chǎn)生的舒適性感覺變化。申福林等［12］采用數(shù)值模擬的方法對汽車車體的非穩(wěn)態(tài)傳熱特性進(jìn)行了研究，并分析了汽車內(nèi)部環(huán)境的熱舒適性特征。盡管國內(nèi)外很多專家學(xué)者確定了一些熱舒適性指標(biāo)，但還缺乏對車輛經(jīng)過暴曬升溫后駕乘人員如何得到最大的舒適度的對比研究。

汽車在經(jīng)過長時間的暴曬升溫之后，駕駛員進(jìn)入艙內(nèi)啟動汽車并行駛過程中，為了避免或減輕熱沖擊帶來的影響，采取何種措施進(jìn)行有效的降溫以提高艙內(nèi)熱舒適性成為研究的重點。目前，汽車降溫的研究較多，但是大部分沒有考慮烤車階段結(jié)束后車內(nèi)溫、濕度分布對后續(xù)降溫的影響。文章選取某家庭轎車作為實驗研究用車，以乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境為研究對象，采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究夏季條件下的車內(nèi)熱流場，分析開車時不同降溫方式產(chǎn)生的效果，并通過熱舒適指標(biāo)分析了駕乘人員所得到的最大舒適度。

1 實驗方案與熱舒適性指標(biāo)分析

1.1 實驗條件

當(dāng)汽車靜止放置時，乘員艙內(nèi)的熱負(fù)荷主要來自于太陽對車身的輻射傳熱、透過玻璃直接投射到乘員艙內(nèi)的透射輻射得熱、乘員散熱以及配套設(shè)備的散熱等。由于對乘員艙熱環(huán)境影響程度最大的是太陽輻射，因此，在研究中著重研究太陽輻射對乘員艙溫度的影響。乘員艙熱環(huán)境如圖1所示。

圖1 乘員艙傳熱示意圖

實驗測試在自然條件下進(jìn)行，實驗用車為5座小型汽車，乘員艙在陽光下進(jìn)行暴曬，汽車駕駛室外設(shè)置一個溫、濕度測量點。每間隔1 h對汽車表面各部位的表面溫度進(jìn)行測量。實驗時間為2019年8月8日和9日的9∶00—16∶00，有效測試時長總計達(dá)420 min。

為了評價乘員艙典型位置的空氣溫度分布情況，在乘員艙內(nèi)前后座椅頭部、腳部位置和車內(nèi)典型零部件表面共設(shè)置8個溫度測點，分別為駕駛員前后座椅、儀度表盤、遮陽板（車內(nèi)測點位置非外加遮陽擋）等位置，如圖2所示。

圖2 乘員艙測點布置示意圖

1.2 實驗儀器

實驗儀器主要包括溫濕度自記儀TPJ－20（精度：溫度±0.4℃、濕度±3%RH）、紅外線測溫儀PT120（精度：±1℃）、輻射表TBD－1J（精度：＜5%）等儀器。太陽輻射的變化會影響車體表面溫度，使用紅外線測溫儀每隔1 h測得車體表面溫度。使用輻射表用來測量室外太陽輻射強(qiáng)度，溫濕度自記儀測量乘員艙內(nèi)各處的溫度、濕度；每隔10 min進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.3 實驗步驟

1.3.1 開窗降溫實驗步驟

開窗降溫實驗分為烤車和開窗通風(fēng)降溫兩個階段，時間為2019年8月8日9∶00—14∶30。具體實驗步驟如下：

（1）將車置于空曠地帶，南北放置，車頭朝向南方，將艙內(nèi)溫濕度自記儀設(shè)定為每隔10 min進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；

（2）車體靜止（發(fā)動機(jī)停止）在太陽輻射下暴曬—烤車，時間為9∶00—14∶10；

（3）每隔1 h對車體表面溫度進(jìn)行測量并記錄，測量部位包括東門、東窗、西門、西窗、車前蓋、車前窗、車后蓋、車后窗、地面及其遮陽處；

（4）從14∶10—14∶30開車進(jìn)行開窗通風(fēng)降溫，行駛過程中使用紅外線測溫儀對艙內(nèi)主要表面上的溫度進(jìn)行測量，使用溫濕度自記儀測量艙內(nèi)空氣狀態(tài)，記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3.2 空調(diào)降溫實驗步驟

空調(diào)降溫實驗分為暴曬和空調(diào)降溫兩個階段，時間為2019年8月9日9∶00—14∶00。具體步驟如下：

（1）實驗用車以空車狀態(tài)在戶外進(jìn)行暴曬，汽車的門窗緊閉，汽車空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)；

（2）暴曬270 min后，啟動發(fā)動機(jī)，打開空調(diào)啟動系統(tǒng)，空調(diào)出風(fēng)溫度26℃，風(fēng)量為12 L／s，持續(xù)時間20 min；

（3）行駛過程中，使用紅外線測溫儀測量艙內(nèi)主要表面的溫度，使用溫濕度自記儀測量艙內(nèi)空氣狀態(tài)，記錄數(shù)據(jù)，制冷時間持續(xù)10 min。

1.4 熱舒適性指標(biāo)分析

人體熱舒適評價一直是熱舒適研究的重要內(nèi)容，對人體熱舒適狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確細(xì)致的評價是深入研究熱舒適的重要基礎(chǔ)。綜合分析現(xiàn)有熱環(huán)境評價指標(biāo)，采用聯(lián)系局部、整體熱舒適性的方法，建立乘員艙熱舒適評價體系。借鑒面積加權(quán)法［13］，針對上、中、下3個區(qū)域，利用熱舒適性指標(biāo)預(yù)期平均投票PMV（Predicted Mean Vote）分析人體局部、整體熱感覺的關(guān)系。利用較少的環(huán)境參數(shù)，預(yù)測整體環(huán)境參數(shù)。

根據(jù)PMV算法的原理，文章嘗試從局部熱感覺與整體熱感覺的占比關(guān)系中，尋求權(quán)重系數(shù)。乘員艙模型及人員分區(qū)，如圖3所示。將人體各部位分成上、中、下3個區(qū)域，分別計算各區(qū)域的PMV值，再按分區(qū)熱感覺指數(shù)進(jìn)行加權(quán)，得到整體熱感覺的平均PMV。修正的加權(quán)PMV計算式由式（1）表示為

圖3 乘員艙模型及人員分區(qū)示意圖

2 不同降溫方式對艙內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適性的影響分析

2.1 開窗降溫對艙內(nèi)熱環(huán)境的影響

實驗汽車開窗行駛階段，乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境仍然受到太陽輻射和人體散熱的影響。開窗降溫實驗艙內(nèi)外溫、濕度變化曲線如圖4所示，車艙內(nèi)外空氣溫度變化如圖4（a）和（b）所示。汽車啟動后，開窗降溫階段艙內(nèi)的平均溫度仍要高于室外溫度，初始時刻兩者溫差為9℃，實驗結(jié)束時溫差為4℃。艙內(nèi)各測點溫度變化如圖4（c）所示，艙內(nèi)各點測得平均降溫約為5℃。儀度表盤位置一直維持較高溫度，由實驗前的56℃下降到49℃，其次為前左位置；溫度最低的位置為前腳位置，前后腳的溫降為2～3℃。艙內(nèi)環(huán)境溫度如圖4（d）所示，開窗通風(fēng)引起并增強(qiáng)了艙內(nèi)的空氣流動，從而增大了艙內(nèi)的對流換熱量，車艙本體和艙內(nèi)環(huán)境的溫度均降低。其中，儀度表盤處的溫降最大，這是由于在行駛過程中，儀度表盤不再受到太陽直接輻射，又有空氣流動形成的自然對流換熱對其進(jìn)行降溫，因此相比較其他位置降溫更大。前后腳位置的自然對流相對較弱，因此溫降程度相對較小。

圖4 開窗降溫實驗艙內(nèi)外溫、濕度變化曲線圖

2.2 空調(diào)降溫對艙內(nèi)熱環(huán)境的影響

空調(diào)降溫實驗過程中艙內(nèi)外溫、濕度變化曲線如圖5所示。室外空氣溫、濕度的變化如圖5（a）所示，乘員艙內(nèi)環(huán)境平均溫度如圖5（b）所示。在自然暴曬270min之后，艙內(nèi)的空氣平均溫度達(dá)46℃，而各零部件表面的平均溫度可達(dá)到49℃。各空氣溫度測點和零部件表面溫度分別如圖5（c）和（d）所示，由于遮陽板部位與前座座椅受到太陽光直射，最高溫度分別達(dá)到53、50℃，高于儀表盤的溫度；而后排座椅處于無法得到太陽直射的后方，所以溫度始終低于其他位置的零部件?？照{(diào)冷氣開啟后，乘員艙內(nèi)部空氣開始流動，車內(nèi)的熱量排出車外，艙內(nèi)的溫度開始降低。零部件與乘員艙內(nèi)環(huán)境的溫度都出現(xiàn)了大幅度的降低，零部件平均溫度降低了11℃，艙內(nèi)的空氣平均溫度降低了13℃，零部件溫度降低相較于艙內(nèi)環(huán)境變化較小且始終高于艙內(nèi)環(huán)境溫度。在降溫過程中，遮陽板下溫度始終高于儀表盤、前座椅和后座椅的溫度，且降溫幅度最大，約為14℃，前座椅與儀表盤降溫分別為11和8℃，后座座椅降溫最少為5℃。從降溫過程中溫度變化可以發(fā)現(xiàn)，降溫主要發(fā)生在制冷的前20 min。

綜合各位置溫度變化情況可知，乘員艙內(nèi)環(huán)境的變化主要集中在前、后座頭部位置，這是因為空調(diào)冷風(fēng)采用的是直吹送風(fēng)的方式，能夠直接作用于頭部位置，使得前后頭部均降低了約14℃。但是，前后腳位置降溫不是很明顯，這是由于前排儀表板處的空調(diào)冷風(fēng)由前吹向后，冷風(fēng)在水平方向下擴(kuò)散，在垂直方向下擴(kuò)散較弱，前后腳受其影響較弱。在乘員艙中，用紅外線測溫儀測量的溫度變化曲線如圖5（e）所示。制冷初級階段，乘員艙內(nèi)的空氣溫度發(fā)生大幅度變化，這與溫濕度自記儀上的數(shù)據(jù)相一致，接下來溫度的變化曲線趨于平緩，溫度降低程度較小，趨于穩(wěn)定，但在局部區(qū)域溫度還會存在一定的波動。

圖5 空調(diào)降溫實驗艙內(nèi)外溫、濕度變化曲線圖

2.3 開窗與空調(diào)降溫方式對艙內(nèi)熱舒適性評價對比分析

開窗通風(fēng)時，乘員艙的熱舒適性評價采用實驗所得數(shù)據(jù)，評價過程中將區(qū)域分為駕駛艙和后座區(qū)。經(jīng)計算，駕駛艙上、中、下的局部PMV值分別為1.09、1.12、0.86，加權(quán)PMV為1.06，熱感覺為偏熱；不適人員指數(shù)PPD（Percentage of Persons Dissatisfied）為28.75，即28.75%的乘客對此熱環(huán)境不滿意。后座上、中、下區(qū)的局部PMV值分別為1.41、1.55、1.28，加權(quán)PMV為1.46，熱感覺為偏熱；PPD＝48.9，即接近一半乘客對此熱環(huán)境不滿意。從兩個加權(quán)PMV值可知，駕駛艙熱舒適性比后座區(qū)相對好一些。

汽車行駛過程中，開空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻降溫，評價其熱舒適性，與開窗通風(fēng)過程評價相同，將艙內(nèi)區(qū)域分為駕駛艙和后座區(qū)。經(jīng)計算，駕駛艙上、中、下的局部PMV值分別為0.526、0.438、1.15，加權(quán)PMV為0.62，熱感覺為適中；PPD＝13.1，即13.1%的乘客對此熱環(huán)境不滿意。后座上、中、下區(qū)的局部PMV值分別為1.1、1.08、1.12，加權(quán)PMV為1.09，熱感覺為偏熱；PPD＝33.9，即1／3的乘客對此熱環(huán)境不滿意。駕駛艙的熱舒適性比后座區(qū)的相對更好，該結(jié)論與開窗通風(fēng)過程相似。

3 乘員艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值模擬

利用紅外線測溫儀、輻射表和風(fēng)速儀等儀器實地測量了乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)，得到的數(shù)據(jù)較為貼近事實，但是其實驗周期較長、效率較低。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計算流體動力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件數(shù)值模擬乘員艙內(nèi)氣流組織變得可行和便捷［13－17］。在對家庭轎車乘員艙內(nèi)熱環(huán)境展開數(shù)值模擬時，需要求解的描述流體傳熱傳質(zhì)物理過程的控制方程有質(zhì)量守恒方程，動量守恒方程和能量守恒方程［3，18－19］。

文章使用CFD軟件Pheonics對家庭轎車乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了模擬空間內(nèi)的速度場、溫度場以及濕度等全物理場參數(shù)，分析評價了乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化了相關(guān)問題。

3.1 幾何模型及簡化

文章主要關(guān)注的是乘員艙內(nèi)溫度場和速度場。實際的乘員艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在建模過程中不對整個實車模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，只考慮乘員艙內(nèi)部面，不考慮發(fā)動機(jī)和行李艙等部分，且乘員艙內(nèi)方向盤、安全帶等部件對車內(nèi)流場影響較小，建模時也不考慮這部分裝置。由于是短時間的冷卻模擬，在其過程中不考慮太陽輻射以及車體材料對車內(nèi)溫度的影響。因此，將汽車乘員艙簡化為一個長方體狀，座椅的外形也比較規(guī)則，乘員艙模型俯視圖如圖6所示。在模型正前方開設(shè)有兩個進(jìn)風(fēng)口，根據(jù)實驗用車空調(diào)風(fēng)口的大小，將送風(fēng)口的大小設(shè)置為100 mm×100 mm，且雙側(cè)布置。

圖6 乘員艙模型俯視圖

3.2 邊界條件的設(shè)置

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，對乘員艙模型設(shè)定邊界條件。車內(nèi)自由流體溫度同實驗數(shù)據(jù)，采用車體內(nèi)平均空氣溫度，設(shè)置為46℃，車頂設(shè)置為傳熱第三類邊界條件，并考慮太陽輻射的影響；湍流模型選擇RNG的k－ε模型，計算采用最終網(wǎng)格數(shù)為1 000。車內(nèi)人體設(shè)置分為駕駛員與乘員，乘員艙內(nèi)人體設(shè)置人體成端坐狀態(tài)，人體參數(shù)設(shè)置為0.4 m×0.5 m×0.85 m，人體基本溫度設(shè)置為37℃。座椅參數(shù)設(shè)置為礦物纖維板（137 Mineral fibre slab），座椅溫度根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)置為44.68℃。艙內(nèi)設(shè)置兩個進(jìn)風(fēng)口，根據(jù)實際實驗將風(fēng)口風(fēng)量設(shè)置為12 L／s，出風(fēng)溫度設(shè)置為26℃。

3.3 模擬結(jié)果分析

乘員艙內(nèi)溫度和速度分布如圖7所示。由圖7（a）和（b）可知，冷風(fēng)吹入乘員艙內(nèi)，與艙內(nèi)高溫的汽車部件和空氣發(fā)生對流換熱，艙內(nèi)各位置溫度最終達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)艙內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，艙內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口輻射的上下40 cm范圍內(nèi)以及后座人體腿部位置受到的影響較大。尤其在空調(diào)出風(fēng)口水平位置以下、靠近出風(fēng)口局部區(qū)域的溫度最低，受空調(diào)出風(fēng)影響最為明顯。由圖7（c）和（d）可知，該區(qū)域風(fēng)速也最大。而前后靠背之前溫度和前后排乘客頭部位置溫度均為37℃，座椅部位的溫度接近40℃，溫度偏高。主要原因有：（1）受氣流組織的影響，座椅背部為下風(fēng)側(cè)，冷風(fēng)對該區(qū)域的影響較?。唬?）人體散熱會影響周圍的溫度分布，使座椅溫度升高。由模擬結(jié)果可知，艙內(nèi)熱環(huán)境溫度基本穩(wěn)定在33～35℃，而對應(yīng)的實驗測得乘員艙內(nèi)溫度基本穩(wěn)定在32～34℃，兩者略有差距。但是考慮到數(shù)值模擬過程有所簡化，因此，兩者之間存在偏差是合理，并且誤差也在合理范圍之內(nèi)。

通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析可知，行駛過程中通過開窗的方式降溫時，零部件平均溫降約為10℃，艙內(nèi)環(huán)境平均溫降約為8℃；降溫過程的前20min內(nèi)，艙內(nèi)溫度變化較為明顯；開窗通風(fēng)對后艙溫度變化影響較大，后腳和后座座椅處溫度變化較為明顯?？照{(diào)系統(tǒng)開啟時，零部件平均溫降約為11℃，艙內(nèi)環(huán)境平均溫降約為13℃；空調(diào)直吹對前后座頭部影響較大，溫度在水平方向上變化比較明顯；與開窗通風(fēng)工況相似，開空調(diào)降溫也是在前20 min內(nèi)，溫度變化曲線斜率較高，降溫較為明顯。在對空調(diào)制冷工況進(jìn)行模擬時，邊界條件與實驗工況相對應(yīng)，但同時也進(jìn)行了一定的簡化和處理，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合較好。因此，通過數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，在行車過程中，使用空調(diào)進(jìn)行降溫比開窗降溫效果更加明顯，且制冷的前20 min溫降效率最高。

圖7 乘員艙內(nèi)溫度和速度分布圖

4 結(jié)論

為了找到減輕長時間停車后艙內(nèi)熱環(huán)境變化帶給乘客熱沖擊的方法，選取開窗降溫與空調(diào)制冷兩種降溫方式進(jìn)行實車測試和數(shù)值模擬研究，分析了不同冷卻方式對艙內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適性的影響，得到的主要結(jié)論如下：

（1）開窗降溫時，主要零部件平均溫降約為10℃，艙內(nèi)環(huán)境平均溫降約為8℃，降溫過程前20 min艙內(nèi)溫度變化較為明顯。相對而言，后腳、后座座椅處溫度下降較大。

（2）空調(diào)系統(tǒng)開啟時，零部件平均溫降約為11℃，艙內(nèi)環(huán)境平均溫降約為13℃，降溫整體效果好于開窗降溫。

（3）空調(diào)制冷工況的模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，進(jìn)一步證明空調(diào)進(jìn)行降溫比開窗降溫效果更加明顯。