太陽輻射下前擋風玻璃特性對車內熱舒適的影響

孔舒婷 張曉彤 陳健 廖春暉*

重慶大學土木工程學院

0 引言

太陽輻射嚴重影響著汽車內部的熱環(huán)境，降低太陽輻射對車內熱環(huán)境的影響對提高乘員熱舒適性和降低汽車能耗有著重要作用。在夏季炎熱高溫的環(huán)境下，汽車作為一種特殊的封閉圍護結構，不斷地接受太陽輻射后，車內溫度會迅速升高，給車內人員帶來極大的熱不舒適感。雖然在行車過程中通過車內空調系統的制冷可以使車內保持在一個較舒適的溫度環(huán)境，但是汽車在靜置狀態(tài)下接受太陽暴曬后的車內高溫不僅會給乘員帶來強烈的熱沖擊，過高的車內溫度還容易帶來內部物品的老化、車內物品自燃、爆炸等危害[1]。此外，良好的車內熱環(huán)境不僅能夠提高乘員的熱舒適性，也有利于提高駕駛的安全性，而且還能減少汽車能耗[2]，因此，改良汽車內部的熱環(huán)境十分必要。

目前，對汽車內部熱環(huán)境及熱舒適性的研究，在研究方法上主要是現場實測和仿真模擬，研究內容主要集中在車內溫度場與流場，乘員動態(tài)熱響應上[3-5]。本文采用實測的方法，通過改變三輛轎車前擋風玻璃的隔熱率，研究太陽輻射下汽車前擋風玻璃特性變化對車內熱舒適的影響，為汽車玻璃選型及貼膜提供參考。

1 實驗測試基本情況

1.1 實驗條件

1.1.1 實驗對象

本實驗選取三輛相同型號的未貼膜的汽車，該車型的乘坐空間大小和內部構造與家用汽車相近，具有一定的代表性。實驗用車車身為白色，車內座椅為米白色。

實驗用膜為兩塊隔熱率不同的前擋膜，隔熱率是指太陽能被玻璃，玻璃膜復合層反射的部分和被吸收的向外部輻射的部分的太陽能之和占總太陽能的百分比。通過市場調研，最終選擇了隔熱率分別為30%和70%的前擋膜。

1.1.2 實驗環(huán)境與時間

實驗地點選取為重慶市沙坪壩區(qū)昆侖駕校內的一片空地，周圍無遮擋物遮擋，避免了遮擋物遮擋太陽輻射對實驗結果造成影響。通過前期對室外氣候的觀察并考慮各種因素的影響，將實驗時間選為13:05-14:35，此時的室外氣候條件能夠很好地滿足實驗測試的要求。重慶位于北緯30°左右，夏季重慶地區(qū)大氣透明度等級為6，根據《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》GB50736-2012[6]，在13:00-15:00 時，夏季北緯30°太陽總輻射照度最大的方向為正南方向。故實驗中3 輛汽車前擋風玻璃均朝正南方向停放，且汽車間相互無遮擋，如圖1 所示。

圖1 實驗環(huán)境

1.2 實驗儀器

實驗主要儀器：TRM-GPS3 手持網絡氣象站、HOBO/UX100-011 溫濕度記錄儀、四通道熱電偶溫度記錄儀，所采用的儀器及相關參數見表1。

表1 各儀器參數表

1.3 實驗方案

1.3.1 實驗方案設計

為了研究汽車前擋風玻璃特性變化對車內熱舒適的影響，本實驗共設計了三個工況：工況①-前擋風玻璃不貼膜。工況②-前擋風玻璃貼有隔熱率為30%的膜。工況③-前擋風玻璃貼有隔熱率為70%的膜。

實驗分為兩個連續(xù)的階段：升溫階段和降溫階段，模擬大部分城市夏季用車的真實情況。

升溫階段：該階段從13:05 開始，14:05 結束，共60分鐘，測試太陽輻射下汽車內部熱環(huán)境的變化過程。該階段汽車門窗以及車內空調都處于關閉狀態(tài)，汽車僅受自然環(huán)境下的熱負荷。

降溫階段：該階段從14:05 始，14:35 結束，共30分鐘，測試處于熱舒適狀態(tài)的乘員進入該汽車乘坐空間，啟動空調系統后，車內熱環(huán)境參數及乘員熱響應的變化。

1.3.2 實驗測試參數

實驗測試參數包括環(huán)境氣溫，前擋風玻璃內外壁面溫度，車內空氣溫度，座椅溫度，空調出風口溫度及風速，乘員皮膚溫度及主觀熱感覺評價。

①環(huán)境氣溫

實驗中，將HOBO 溫濕度記錄儀懸掛在試驗場地旁的陰涼區(qū)域，以避免太陽直射輻射對測量結果的影響，每隔2s 記錄一次空氣溫度。

②前擋風玻璃內外壁面溫度

前擋風玻璃內外壁面溫度由四通道熱電偶溫度儀自動記錄，每隔2 s 記錄一次。實驗中，在內外壁面上分別選取兩個測點，用其溫度的平均值來代表整個內外壁面的平均溫度，具體的測點選取由預實驗結果確定。為了減小太陽直射輻射對測試結果的影響，用錫箔紙將熱電偶探頭固定在玻璃壁面上。

③車內空氣溫度

為了反映車內空氣溫度對乘員的影響，將空氣溫度的測點布置在乘員乘坐時的胸部前方，如圖2 所示，每隔2 s 記錄一次。

圖2 空氣溫度測點布置

④座椅溫度

由于汽車結構的對稱性，座椅溫度僅測試駕駛座及駕駛座后方的座位。實驗時，將測點布置在坐墊中部及靠背中部，如圖3 所示，并用其溫度的平均值來代表整個座椅的溫度，每隔2 s 記錄一次。在降溫階段，乘員已坐進車內，因此，座椅溫度僅在升溫階段測試，降溫階段不進行座椅溫度的測試。

圖3 座椅測點布置

⑤乘員皮膚溫度

乘員皮膚溫度的測定從降溫階段開始，這時，處于熱舒適狀態(tài)的6 名乘員分別進入3 輛汽車中，每輛車2 名乘員，其中1 名乘員坐在駕駛座，另外1 名乘員坐在駕駛座后方的座位上，啟動汽車內部空調，開始制冷。乘員皮膚溫度由四通道熱電偶溫度記錄儀記錄，測點包括頭部，上肢和下肢。由于人體的對稱性，僅對人體右半部分的皮膚溫度進行測量，每隔2 s 記錄一次。

⑥主觀熱感覺評價

由于汽車乘坐空間熱環(huán)境的不均勻性，采用ASHRAE 七點熱感覺標度來評價乘員的局部和全身的熱感覺。實驗中，通過問卷的形式來評價乘員頭部、軀干、上肢、下肢的局部熱感覺和全身熱感覺，每隔1 min 評價一次。為了減少其他因素對實驗結果的影響，提高實驗的成功率，實驗選取了6 名身體健康、體型相近、對同一熱環(huán)境的熱感覺相差不大的男乘員進行實驗。6 名男乘員均來自暖通專業(yè)，均對ASHRAE七點熱感覺標度有過深入的學習。實驗時，6 名乘員均身著長褲和短袖襯衫，服裝熱阻約為0.57clo，進入乘車空間前，在接近人體熱舒適的房間中休息，這時，乘員只能靜坐或進行極輕度勞動，不能進行劇烈運動，以保證實驗結果的可靠性。

⑦空調出風口溫度及風速

實驗前，用手持網絡氣象站對汽車空調出風口風速進行測量，并把三輛車的空調出風口溫度及風速都調至25 ℃，4.3 m/s（三擋），減小其他因素對實驗結果的影響。

1.3.3 實驗步驟

①將3 輛實驗用車停至陰涼處，將準備好的2 張不同的隔熱率膜分別貼在其中2 輛車的前擋風玻璃上。實驗中，為了減小側擋風玻璃對實驗結果的影響，用錫箔紙將側擋風玻璃遮住，防止太陽輻射通過側擋風玻璃進入車內。按1.3.2 節(jié)中相關要求將3 輛車的空調出風口溫度及風速調至一致。

②按照相關操作說明，對各儀器進行校正。校正完成后，按1.3.2 節(jié)中的相關要求布置測點和儀器。

③打開3 輛車的車門，對車內進行通風，使3 輛車在實驗開始前保持相同的熱環(huán)境狀態(tài)。

④13:05 時，將3 輛車按1.1.2 節(jié)中的相關要求停到指定位置，關閉所有車窗，車門及空調，開始升溫階段的測試。60 分鐘后，6 名處于熱舒適狀態(tài)的乘員進入車內，打開空調系統，按照1.3.2 節(jié)中的相關要求，進行降溫階段的測試。

⑤實驗結束，關閉空調，整理儀器。

2 實驗結果及分析

2.1 預實驗

為了提高實驗的成功率，并找出前擋風玻璃上代替平均壁面溫度的測點，在正式實驗前，首先進行了預實驗。預實驗的實驗步驟與1.3.3 節(jié)一致，其中，壁面溫度測點的布置如圖4 所示。

圖4 前擋風玻璃測點布置

根據預實驗結果，在正式試驗中，將外壁面的測點布置在圖4 中的1 和5 位置，內壁面的測點布置在圖4 中的1 和2 位置。

2.2 車內熱環(huán)境特點分析

2.2.1 玻璃壁面溫度

對比不同工況下的前擋風玻璃壁面溫度的變化情況，如圖5 所示，可以發(fā)現，在升溫階段，隨著隔熱率的上升，內外壁面溫度反而上升。在升溫階段結束時，工況③下的前擋風內外壁面溫度最高，其中內壁面達到了61 ℃，外壁面達到了56 ℃。這主要是由于實驗用隔熱膜是通過在膜中添加紅外線吸收劑或金屬材質，提高吸收紅外線和反射紅外線的能力來達到隔熱的效果的。隔熱率越高，膜能夠吸收的熱量就越多，溫度就越高，傳給內外壁面的熱量也就越多。

圖5 前擋風玻璃壁面溫度對比

在降溫階段，不同工況下的前擋風玻璃內外壁面溫度降至同一水平時的平均時間為工況③＜工況①＜工況②。當內外壁面溫度均降至45 ℃時，工況①、②、③所需的降溫平均時間分別為22.5 min、24 min、15 min。因此，工況③下的前擋風玻璃壁面溫度下降得最快，而工況②下降得最慢，其原因主要是隔熱膜中添加的某些紅外線吸收劑或金屬材質，使得膜的導熱系數升高，且30%的隔熱膜吸熱能力較小，當吸熱達到飽和時，不僅不能起到隔熱的效果，多余的熱量還會溢出，導致溫度降低速率下降。

在降溫階段結束時，三個工況下的前擋風內外壁面平均的溫度都相差不大，因此，汽車貼膜只能在一定程度上提高玻璃壁面的降溫速率，且不能選擇隔熱率過低的膜，否則會因吸熱能力過低反而減小降溫的速率。

2.2.2 座椅溫度

圖6 是汽車在太陽輻射下升溫時內部座椅的溫度變化情況，由于汽車車身及前排座椅對太陽輻射的遮擋作用，在三種工況下，前排座椅的平均溫度均高于后排座椅，且最大溫差可達5 ℃左右。對比三種工況下的座椅溫度，無論是前排座椅還是后排座椅，座椅溫度在整個升溫階段內都是工況①＞工況②＞工況③，說明提高前擋風玻璃的隔熱率，可以降低車內的座椅溫度。在升溫階段結束時，工況③下的前排座椅溫度比工況①下的低1.5 ℃左右，后排座椅溫度低3 ℃左右。

圖6 座椅溫度對比

2.2.3 空氣溫度

圖7 是三種工況下汽車前后艙氣溫的變化情況。在升溫階段，無論是前艙還是后艙，空氣溫度都是工況①＞工況②＞工況③，但工況①下的空氣溫度與工況②下的相差非常小，小于1 ℃，說明30%的隔熱膜隔熱效果較差，70%的隔熱膜對降低車內氣溫有一定的作用。在升溫階段結束時，70%的隔熱膜可使前艙氣溫下降約5 ℃，后艙氣溫下降約8 ℃。因此，提高前擋風玻璃的隔熱率，可以降低升溫階段的車內空氣溫度，減小乘員進入車內時受到的熱沖擊強度。

圖7 汽車前后艙溫度對比

在降溫階段，無論是前艙還是后艙，空氣溫度都是工況②＞工況③＞工況①，降溫階段結束時，工況②和工況③下的空氣溫度相差不大，約為1 ℃，但工況①下的車內氣溫卻比其他兩個工況低10 ℃左右，且其降溫速率在整個降溫階段中都過快，推測其原因可能是乘員進入乘坐空間后，由于熱沖擊較大，熱不舒適感較強，擅自調大了空調的風速。因此，在降溫階段，通過貼膜來改善車內的熱環(huán)境作用比較小，遠不及空調帶來的影響，但在降低空調能耗上有一定的作用。

2.3 人體熱舒適分析

2.3.1 皮膚溫度

圖8 是不同工況下各乘員的皮膚溫度變化曲線。由于前排乘員距離空調出風口更近，受空調低溫氣流的影響比后排乘員大，在皮膚溫度趨于穩(wěn)定時，無論是上肢、下肢還是頭部，后排乘員的皮膚溫度都要高于前排乘員，最大溫差可達5 ℃，出現在工況③下前后排乘員的頭部。隨著前擋風玻璃隔熱率的增大，前后排乘員相同部位的溫差減小，說明貼膜可以改善汽車內部溫度場的均勻性。

對比不同工況下乘員的皮膚溫度，可以看到，無論是上肢、下肢還是頭部，乘員局部皮膚溫度都是工況②＞工況①＞工況③。工況②與工況③相比，對于前排乘員，其上肢溫度要高6.5 ℃左右，頭部溫度要高15 ℃左右，下肢溫度要高6 ℃左右。因此，提高汽車前擋風玻璃的隔熱率，可以一定程度上降低乘員的皮膚溫度。分析發(fā)現，工況②下的乘員皮膚溫度要比工況①時更高，這與2.2.3 中空氣溫度的變化是一致的，很可能是乘員手動調大了空調出風速度導致的。

2.3.2 主觀熱感覺

首先分析同一個乘員局部熱感覺與整體熱感覺的關系，在本實驗中，以工況①下的前排乘員和后排乘員為代表進行分析，如圖9 所示。對于前排乘員，軀干的熱感覺與整體的熱感覺最接近，對于后排乘員，頭部的熱感覺與整體的熱感覺最接近。因此改善前排乘員軀干的熱感覺和后排乘員頭部的熱感覺，可以較大程度上改善乘員的整體熱感覺。

圖9 工況①下前后排乘員局部熱感覺對比

圖10 是不同工況下乘員整體熱感覺的對比，分析可知，各乘員達到熱中性狀態(tài)的時間為：工況③下的前排乘員=工況①下的前排乘員＜工況①下的后排乘員＜工況③下的后排乘員，而工況②下車內的乘員直到降溫階段結束時，都還未達到熱中性?？梢钥吹?，由于工況①的降溫階段乘員手動調大了空調風速，工況①車內前后排乘員達到熱中性狀態(tài)的平均時間為11.5 min，要稍短于工況③的13.5 min，說明提高前擋風玻璃的隔熱率雖然對改善車內的熱舒適有一定的作用，但其作用遠低于空調制冷的作用。

圖10 不同工況下乘員整體熱感覺對比

3 結論

1）汽車前擋風玻璃貼膜，反而會使升溫階段前擋風玻璃壁面溫度升高，但可以在一定程度上加快降溫的速率。降溫過程中，當壁面溫度趨于穩(wěn)定時，不同隔熱率的膜最終使壁面達到的溫度基本上相同。

2）提高前擋風玻璃的隔熱率，可以減小乘員進入車內時受到的熱沖擊強度，縮短達到熱舒適狀態(tài)的時間，提高熱舒適性。但其對熱舒適的改善程度與空調運行狀態(tài)的改變相比太小，不過可以在一定程度上降低空調的能耗，起到節(jié)能的效果。

3）對于升溫階段，提高前擋風玻璃的隔熱率可以較好的改善車內的熱環(huán)境。但對于降溫階段，由于空調制冷的影響，前擋風玻璃隔熱率的提高對車內熱環(huán)境和乘員熱舒適的改善作用較小。