夏季降溫過程中車內(nèi)熱環(huán)境及熱舒適評價

鄒佳慶 鄒鉞* 周健

1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2 上汽技術(shù)中心

0 引言

隨著人們在車輛上花費的時間增加，乘員的熱舒適性變得更加重要，舒適的車輛環(huán)境有助于減少壓力和提供更安全的駕駛體驗。

對于建筑物內(nèi)的熱舒適性，已經(jīng)產(chǎn)生了兩種使用廣泛的指標[1-2]，而對車內(nèi)熱舒適的研究，Nillson 等人提出了等效溫度teq 的概念[3]，最終被收錄到國際標準中[4]。Shek 等人通過主觀評價的方法對車內(nèi)熱舒適進行評價[5-6]，Rugh 等人使用暖體假人來模擬真實的人體進行熱舒適評價[7-8]，Huang 等人利用CFD 模擬進行預(yù)測乘客熱感覺[9-10]。

由于影響車內(nèi)熱舒適的因素眾多，而在開發(fā)的過程中關(guān)注的重點是空調(diào)系統(tǒng)的能力，并沒有考慮其他因素的影響。因此，筆者在降溫性能實驗中除了對空調(diào)性能進行考察外，還提出了三種熱舒適評價指標對乘客的熱舒適進行全面的考察。

1 實驗方法

通過實時測量車內(nèi)的溫度、風(fēng)速、濕度、輻射溫度，并加上衣服熱阻和活動強度能夠計算出熱舒適評價指標。本研究選取了PMV，等效溫度teq，標準等校溫度SET*這三種常用的熱舒適評價指標對車內(nèi)熱舒適進行分析，并將這三種指標與主觀評價比較。最后根據(jù)車內(nèi)高風(fēng)速的環(huán)境特點對車內(nèi)乘客進行了吹風(fēng)感分析。

該實驗的測試車輛為上汽某款SUV，測試車輛如圖1 所示。本實驗的實驗場地是在上汽技術(shù)中心的熱能風(fēng)洞實驗室進行，該實驗室是通過空氣循環(huán)風(fēng)道、冷熱控制、陽光模擬、底盤測功機等子系統(tǒng)的配合，可以模擬全天候日升日落工況來達到測試所需要的氣候與道路條件。熱舒適儀器測量位置如圖2 所示，根據(jù)ISO 7730[11]的熱舒適測量標準，并且結(jié)合車內(nèi)熱環(huán)境的特點，選擇頭部呼吸點作為熱舒適測量點的位置，對前后排的熱環(huán)境參數(shù)進行了采集。對于測量熱舒適環(huán)境參數(shù)的儀器的具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示，都滿足了國際標準ISO7726[12]中的最高要求，測量儀器設(shè)定的采集頻率式是每1 s 采集10 次數(shù)據(jù)。

圖1 在氣候室進行測試的車輛

圖2 車內(nèi)使用的測量儀器

表1 測量儀器技術(shù)參數(shù)

為減少個體差異對試驗結(jié)果的影響，本實驗選擇4 名成年男性參加測試，他們都是來自東華大學(xué)的學(xué)生，其基本信息如表2 所示。所有測試者都身穿典型的夏季辦公服裝，短袖襯衫以及長褲，根據(jù)ASHRAE[13]的規(guī)范可得，其服裝熱阻為0.57 clo。在測試期間，測試者一直處于靜坐狀態(tài)，因此其新陳代謝率可由ASHRAE 的規(guī)范查到為1 met。測試者被要求在每次實驗開始時用漢語填寫問卷，之后每3 min 完成一次問題，答案由記錄員記錄。調(diào)查問卷的尺度詳見表3，熱感覺使用的評價尺度是ISO7730 中的七點熱感覺，熱舒適水平可以采用6 個測量尺度?？潭鹊男问绞沁B續(xù)形式的刻度，評價的數(shù)值可以精確到小數(shù)點后一位。

表2 測試者的基本信息

表3 主觀調(diào)查問卷

快速降溫性能實驗是在2018 年的9 月進行，實驗工況如表4 所示，該工況模擬夏季炎熱的室外環(huán)境。汽車被固定在轉(zhuǎn)轂上之后，關(guān)閉車門打開陽光模擬裝置開始升溫過程，觀察頭部空氣溫度。當(dāng)空氣溫度達到67 ℃時，測試者進入車內(nèi)，發(fā)動車輛后開啟空調(diào)，設(shè)定好空調(diào)模式，開始進行降溫實驗。當(dāng)實驗開始后，開始主觀問卷調(diào)查，實驗一共持續(xù)2 h，車速為50 km/h，80 km/h，110 km/h，怠速各0.5 h。

表4 快速降溫性能實驗工況

2 實驗結(jié)果分析

2.1 車內(nèi)熱環(huán)境分析

車內(nèi)空氣溫度變化如圖3 所示，當(dāng)陽光模擬器打開時，車內(nèi)空氣溫度迅速上升，由于前排相比于后排玻璃面積較大，因此前排空氣溫度比后排上升得更快?？照{(diào)開啟前三十分鐘內(nèi)一直處于快速降溫的過程，尤其是前十分鐘下降速率很快。當(dāng)車速提高到80 km/h 時，車內(nèi)空氣溫度雖然在一定范圍內(nèi)波動，但基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明制冷量與車內(nèi)熱負荷達到了平衡狀態(tài)，車內(nèi)空氣溫度一直處于較舒適的范圍內(nèi)。但是前后排的空氣溫度依然存在4 ℃左右的差距，說明車內(nèi)的溫度場較不均勻。當(dāng)車速提高到110 km/h時，壓縮機轉(zhuǎn)速增大導(dǎo)致制冷量有所增大，因此車內(nèi)空氣溫度會有2 ℃左右的下降。車當(dāng)處于怠速階段時，由于壓縮機轉(zhuǎn)速降低導(dǎo)致空調(diào)制冷量下降，因此車內(nèi)空氣溫度會處于上升狀態(tài)。

圖3 車內(nèi)空氣溫度變化

車內(nèi)的相對濕度變化趨勢如圖4 所示，升溫階段車內(nèi)相對濕度逐漸下降，降溫階段開始逐漸上升，之后相對濕度穩(wěn)定在25%左右。當(dāng)車速提高時，車內(nèi)的相對濕度會出現(xiàn)小幅上升，穩(wěn)定在30%左右。當(dāng)處于怠速階段時，車內(nèi)的濕度會上升到35%左右?？傮w來說車內(nèi)空氣相對濕度的變化趨勢相對較穩(wěn)定，一直維持在25%～35%之間，人們可以接受的濕度范圍為30%～70%，因此車內(nèi)的濕度大部分時間處于可接受范圍內(nèi)，滿足要求。

圖4 車內(nèi)相對濕度變化

車內(nèi)黑球溫度的變化如圖5 所示，車內(nèi)的黑球溫度變化趨勢與空氣溫度基本相同，在80 km/h 后黑球溫度基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，在1000 W/m2的太陽輻射強度下，車內(nèi)的前排黑球溫度穩(wěn)定在25 ℃左右，后排黑球溫度穩(wěn)定在27 ℃左右，說明空調(diào)的降溫效果能夠達到要求。

圖5 車內(nèi)黑球溫度變化

車內(nèi)的風(fēng)速變化如圖6 所示，由于風(fēng)機擋位一直處于最大風(fēng)量，因此車內(nèi)的風(fēng)速應(yīng)該處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，前排頭部風(fēng)速一直維持在1.2 m/s 左右，風(fēng)速較高，乘客會有一定的吹風(fēng)感。后排頭部風(fēng)速為0.4 m/s 左右，處于較舒適的范圍。

圖6 降溫過程車內(nèi)風(fēng)速變化

2.2 熱舒適性分析

2.2.1 熱舒適指標評價

乘客熱感覺和熱舒適的變化趨勢如圖7 所示，當(dāng)處于初始狀態(tài)時，由于車內(nèi)空氣溫度很高，車內(nèi)熱環(huán)境處于極其惡劣的狀態(tài)，因此乘客一進入車內(nèi)時必定會感覺極其不舒適，從圖中可以看出前10 min 乘客的熱感覺一直為+3，乘客的熱舒適一直為-3。由于實驗前30 min 車內(nèi)空氣溫度快速降低，因此人的熱感覺也會快速下降，車內(nèi)乘客大約用了18 min 達到不冷不熱的狀態(tài)。當(dāng)30 min 后車內(nèi)環(huán)境狀態(tài)達到穩(wěn)定，前排乘客的熱舒適大約在40 min 時達到0，開始由不舒適的狀態(tài)向舒適狀態(tài)轉(zhuǎn)變。之后隨著車速的提高，空調(diào)制冷量會增大，因此乘客的熱感覺會下降，由中性的狀態(tài)向稍涼快轉(zhuǎn)變，而且穩(wěn)定狀態(tài)的熱感覺也一直維持在-1左右，此時乘客的熱舒適狀態(tài)一直為+1，說明對于乘客更喜歡較涼快的熱環(huán)境，高車速的制冷量完全符合前排乘客的要求。當(dāng)車輛處于怠速狀態(tài)時，車內(nèi)環(huán)境變熱，乘客的熱感覺也會處于上升狀態(tài)，乘客的舒適感也會下降。

圖7 乘客熱感覺與熱舒適變化

三種評價指標的預(yù)測值與前排乘客主觀評價值的關(guān)系如圖8 所示，可以看出三種指標的變化趨勢與主觀評價基本一致，而且主觀評價基本上高于三種評價指標的預(yù)測值，其中等效溫度的預(yù)測值與主觀評價值最接近，差值在0.5 以內(nèi)，而其它指標的差值在1 以上，說明評價指標低估了乘客的熱感覺。各評價指標到達中性所用的時間如表8 所示，對于前排乘客熱感覺到達中性的時間為36 min，同樣teq 的預(yù)測熱感覺到達中性的時間與主觀評價結(jié)果最為接近，只相差3 min，而其余指標的預(yù)測時間與主觀評價值相差很多，因此等效溫度teq 可以作為降溫過程中熱舒適的評價指標。

圖8 前排熱感覺與三種預(yù)測指標對比

表5 各評價指標到達熱中性的時間對比

從圖9 可以看出頭部風(fēng)速湍流度的變化趨勢，前排的湍流度一直維持在20%左右，后排湍流度一直維持在40%左右，前后排的湍流度都小于60%，處于可接受的范圍。從圖10 可以看出車內(nèi)頭部的吹風(fēng)感變化趨勢，后排吹風(fēng)感一致處于，是乘客可接受的范圍內(nèi)，不會引起較大的不滿意度。但是前排的吹風(fēng)感在怠速開始之前一直維持在60%左右，怠速開始之后下降到40%，但依然比后排吹風(fēng)感高出很多，主要原因是前排風(fēng)速過高，會帶來較強的吹風(fēng)感引起乘客的不舒適。但是前排乘客的熱舒適投票一直處于較舒適的狀態(tài)，主要原因是前排受到的太陽輻射較多，因此在車內(nèi)熱環(huán)境下高風(fēng)速降溫帶來的快感更讓人感到舒適，而吹風(fēng)感帶來的不滿意并不會讓乘客感到不舒適。

圖9 頭部風(fēng)速湍流度變化

圖10 頭部吹風(fēng)感變化

4 結(jié)論與展望

通過對降溫性能實驗中車內(nèi)熱環(huán)境進行測試和分析，能夠得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)車內(nèi)空調(diào)開啟前十分鐘車內(nèi)的空氣溫度和黑球溫度都處于急劇下降的趨勢，當(dāng)半個小時過后逐漸趨于穩(wěn)定，說明空調(diào)制冷量與車內(nèi)熱負荷逐漸達到平衡狀態(tài)。

2）由于車內(nèi)環(huán)境狹小，而且座椅等內(nèi)飾會影響車內(nèi)的流場和溫度場均勻分布，導(dǎo)致降溫過程中前后排的空氣溫度會有4 ℃左右的偏差，前后排的風(fēng)速也有0.8 m/s 左右的差距。

3）通過對乘客進行主觀評價發(fā)現(xiàn)，乘客大約用了18 min 達到中性的熱感覺，但是用了40 min 達到舒適的狀態(tài)，對于車內(nèi)乘客經(jīng)歷了從熱到冷的過程會產(chǎn)生一種愉悅使乘客在偏冷的環(huán)境中也會感到舒適，即使風(fēng)速偏高帶來的吹風(fēng)感也不會讓乘客感到不適。

4）對于PMV，標準等效溫度SET*，等效溫度teq這三種評價指標與車內(nèi)乘客主觀熱感覺的投票值進行比較發(fā)現(xiàn)，等效溫度的預(yù)測值與主觀評價值最接近，差值在0.5 以內(nèi)，而其它指標的差值在1 以上，并且對于乘客的熱感覺達到中性的時間也最接近，因此等效溫度可以作為降溫過程中評價熱感覺的指標。