乘員艙動(dòng)態(tài)熱環(huán)境及人體局部熱感覺試驗(yàn)研究

祁良奎 ，柳建華 ，張 良 ，吳清清

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

0 引言

汽車乘員艙的熱舒適性及汽車HAVC系統(tǒng)的節(jié)能性正受到越來越廣泛的關(guān)注，舒適效益是現(xiàn)階段諸多學(xué)者研究的主要目的。汽車材料隔熱性能差，汽車內(nèi)空間緊湊復(fù)雜，汽車在行駛過程中易受太陽輻射與環(huán)境輻射的影響，且高速行駛增大了汽車與環(huán)境換熱，因此汽車乘員艙的熱環(huán)境具有高度不均勻性和瞬態(tài)性。

由于汽車乘員艙與建筑內(nèi)熱環(huán)境的顯著差異，因此許多針對建筑內(nèi)的熱舒適性研究無法直接應(yīng)用到汽車上，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對汽車內(nèi)熱環(huán)境特點(diǎn)對乘員艙內(nèi)的人體熱感覺或熱舒適進(jìn)行了研究。早期TANIGUCHI等［1］開發(fā)了一個(gè)多元線性回歸模型，該模型將面部皮膚的平均溫度及其變化率與車輛環(huán)境中的全身熱感相關(guān)聯(lián)，整體熱感覺投票僅與面部部分的熱感覺相關(guān)，但是該模型忽略了其他身體部位的局部熱感覺對全身熱感覺的影響，因此具有固有的局限性并且不夠全面。GUAN等［2］使用環(huán)境室來模擬16種典型的冬季和夏季條件進(jìn)行人體舒適度試驗(yàn)，并與汽車乘員艙高瞬態(tài)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。他們后續(xù)研究建立了熱感覺模型［3］，該模型結(jié)合了生理和心理因素，環(huán)境和個(gè)人參數(shù)都被用作輸入來確定生理反應(yīng)。ZHANG等［4-6］通過接觸式氣袋進(jìn)行人體熱反應(yīng)試驗(yàn)，獲得局部皮膚溫度與局部熱感覺及整體熱感覺之間的關(guān)系，并用實(shí)際乘員艙的數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。陳吉清等［7］建立了車內(nèi)熱環(huán)境與人體熱調(diào)節(jié)模型耦合計(jì)算方法，計(jì)算乘員重要熱感應(yīng)部位頭部、胸部和四肢的皮膚平均溫度動(dòng)態(tài)變化情況，并分析人體熱調(diào)節(jié)反應(yīng)和熱舒適性變化規(guī)律。

汽車乘員艙熱感覺試驗(yàn)多是在環(huán)境室或戶外停車條件下測試的，或是采用其他送風(fēng)方式模擬乘員艙內(nèi)空調(diào)過程，只有極少數(shù)在行駛狀態(tài)下進(jìn)行研究［8-9］以及采用實(shí)際乘員艙內(nèi)人體熱感覺數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，且研究多針對人體整體熱感覺，而對乘員艙內(nèi)人體的局部熱感覺關(guān)注較少。本文對乘員艙行駛和怠速狀態(tài)下的制冷工況進(jìn)行研究，以得到乘員艙環(huán)境參數(shù)及人體主、客觀參數(shù)的變化規(guī)律，并對乘員艙內(nèi)的人體局部熱感覺模型進(jìn)行了探索。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 乘員艙熱感覺試驗(yàn)

本次試驗(yàn)挑選了20名受試者參與試驗(yàn)（10名男生，10名女生，均獲駕照），其均了解本研究的試驗(yàn)?zāi)康?、方法和程序，在試?yàn)前至少在18 h內(nèi)禁止飲酒和劇烈運(yùn)動(dòng)，為了避免服裝差異對測試結(jié)果的影響，要求乘員穿著包括短袖，短褲和涼鞋。20名受試者被分為10組，每組由一男一女組成，每組乘員分別坐在司機(jī)位置和后排乘員位置，完成單次試驗(yàn)后調(diào)換位置，最終共進(jìn)行20次怠速試驗(yàn)和20次行駛試驗(yàn)，單次試驗(yàn)包括環(huán)境參數(shù)及前后排乘員主客觀數(shù)據(jù)，根據(jù)怠速、行駛及前后排位置分別取平均值進(jìn)行后續(xù)分析。

人體客觀參數(shù)主要是對人體皮膚溫度的測量，人體各測點(diǎn)位置如圖1所示，其中，1-4點(diǎn)分別為頭部、胸背、背部、腹部皮膚溫度，5-7點(diǎn)分別為左上臂、左下臂、左手皮膚溫度，8-10分別為右上臂、右下臂、右手皮膚溫度，11-13分別為左大腿、左小腿、左腳皮膚溫度，14-16分別為右大腿、右小腿、右腳皮膚溫度。

圖1 人體皮膚溫度測點(diǎn)Fig.1 Human skin temperature

人體實(shí)際熱舒適評(píng)價(jià)TSV采用ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)［11］提出的舒適調(diào)查問卷進(jìn)行評(píng)估，如圖2所示，使用七點(diǎn)量表來評(píng)定乘員的熱感，值“+3”，“+2”，“+1”，“0”，“-1”，“-2”和“-3”分別反應(yīng)“熱”，“暖”，“稍暖”，“中性”，“略微涼爽”，“涼爽”和“冷”的主觀熱感覺，本文只對頭部、上肢、軀干和下肢的局部熱感覺進(jìn)行調(diào)查問卷。

圖2 熱感覺七點(diǎn)指標(biāo)Fig.2 Thermal sensation scale

1.2 試驗(yàn)裝置

測試系統(tǒng)主要設(shè)備配置見表1。

表1 測試系統(tǒng)主要設(shè)備配置Tabl.1 Main equipment of test system

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)開始前，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中所要求的測試位置，在乘員艙內(nèi)和車外布置各傳感器，為避免太陽輻射直射溫度探頭而影響測試精度，氣溫探頭需用具有低太陽輻射吸收率的膠帶進(jìn)行遮擋。而參與皮膚溫度測試及主觀熱感覺評(píng)價(jià)的試驗(yàn)志愿者在氣溫接近人體熱舒適區(qū)的辦公室內(nèi)休息，只能靜坐閱讀或常規(guī)走動(dòng)。

完成測點(diǎn)布置后，使乘員艙車門均保持開啟狀態(tài)，為避免太陽輻射的干擾，在擋風(fēng)玻璃前布置遮陽簾，持續(xù)1 h，使得乘員艙熱環(huán)境與外界熱環(huán)境保持一致。1 h后，撤去遮陽簾，開啟所有儀器，緊閉所有車門，讓乘員艙暴曬1 h，目的是使乘員艙升溫。期間測試人員將測溫探頭布置到人體各個(gè)部位的測試位置上，被測試人員包括1名司機(jī)和1名后排乘員，暴曬試驗(yàn)結(jié)束后，兩人同時(shí)進(jìn)入車內(nèi)（行駛工況下增加1名副駕駛位置乘員），關(guān)閉車門后立即開啟車內(nèi)空調(diào)（出風(fēng)口方向調(diào)至水平），路試工況則啟動(dòng)車以一定的速度行駛，持續(xù)1 h。

1.4 試驗(yàn)工況

本文測試的工況如表2所示。

表2 測試工況

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 平均皮膚溫度

由于本試驗(yàn)人體局部熱感覺由頭部、軀干、上肢和下肢組成，因此需要計(jì)算相應(yīng)部位的平均皮膚溫度，同時(shí)模型中需要整體平均皮膚溫度。參考BUTERA［10］關(guān)于人體皮膚溫度的研究，其計(jì)算式如下：

2.2 回歸模型

本文基于動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型對汽車乘員艙內(nèi)降溫過程中的人體熱感覺數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討模型的適用性。動(dòng)態(tài)模型是指描述非穩(wěn)態(tài)非均勻熱環(huán)境中的人體熱感覺回歸模型，靜態(tài)模型是描述穩(wěn)態(tài)非均勻熱環(huán)境中的人體熱感覺回歸模型。

動(dòng)態(tài)模型主要依據(jù)ZHANG等［4-6］的局部熱感覺模型，其采用考慮局部皮膚溫度、整體平均皮膚溫度和局部皮膚溫度變化率，同時(shí)接觸式氣袋進(jìn)行人體熱反應(yīng)試驗(yàn)，為提高模型使用的通用性，將原模型中的熱感覺9點(diǎn)指標(biāo)調(diào)整為較為通用的熱感覺7點(diǎn)指標(biāo)。

靜態(tài)模型主要依據(jù)孫宇明等［11］的局部熱感覺模型，其試驗(yàn)采用人體局部熱（冷）實(shí)現(xiàn)，利用局部皮膚溫度和整體平均皮膚溫度預(yù)測局部熱感覺。由于本試驗(yàn)工況下的數(shù)據(jù)均為偏熱條件下的冷刺激數(shù)據(jù)，因此只取其模型的一部分，如式（6）所示。

式（5）和（6）中，LTS為局部熱感覺，ΔT為局部皮膚溫度和局部中性溫度的差值，ΔTmean為整體平均皮膚溫度和整體中性溫度的差值，dt/dτ為局部皮膚溫度隨時(shí)間變化率。文獻(xiàn)［12］研究結(jié)果顯示受試者整體與局部的中性皮膚溫度與其所處試驗(yàn)環(huán)境及方式無關(guān)，因此模型中的局部、整體中性溫度采用孫宇明等［11］的研究結(jié)果。其他模型系數(shù) k1，k2，k3，w1，w2和 w3通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得出。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 空氣溫度對皮膚溫度的影響

怠速工況下司機(jī)位置和后排乘員位置皮膚溫度隨空氣溫度變化（其中上肢處的空氣溫度采用軀干處的空氣溫度），如圖3，4所示，從圖可見，各部位皮膚溫度均呈現(xiàn)先隨著空氣溫度增大而增大，當(dāng)皮膚溫度到達(dá)最大值后，隨空氣溫度增大而減小的趨勢。這主要是由于當(dāng)乘員由外界進(jìn)入乘員艙后，雖然空調(diào)被開啟，但是此時(shí)的空氣溫度仍然較高，人體由環(huán)境吸收熱量，因此皮膚溫度在該階段會(huì)短暫上升，與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。一段時(shí)間后，空氣溫度低于人體局部皮膚溫度，人體向環(huán)境散發(fā)熱量，因此皮膚溫度在該階段會(huì)逐漸降低，與空氣溫度呈正相關(guān)關(guān)系。

圖3 司機(jī)位置皮膚溫度隨空氣溫度變化（怠速）Fig.3 Driver skin temperature vs. air temperature（idle）

圖5，6分別示出行駛工況下司機(jī)位置和后排乘員位置皮膚溫度隨空氣溫度變化。其趨勢與怠速工況相似，下肢曲線依舊保持游離狀態(tài)。但與怠速工況相比，正相關(guān)階段的皮膚溫度隨空氣溫度的變化率均高于對應(yīng)的怠速工況，這主要是車輛在行駛過程中，風(fēng)速與車體之間的對流換熱作用增強(qiáng)，乘員艙及人體向外界環(huán)境輸出的熱量更多［13］，乘員的皮膚溫度變化更快。同時(shí)值得注意的是，司機(jī)位置不同部位的皮膚溫度最大差值在怠速和行駛工況下均在3 ℃左右，而后排乘員皮膚溫度在怠速工況下最大差值約為1.5 ℃，而在行駛工況下3 ℃，說明皮膚溫度的最大差值既與空間位置有關(guān)，也與行駛狀態(tài)相關(guān)，且行駛狀態(tài)對后排乘員影響更大。

圖6 后排乘員位置皮膚溫度隨空氣溫度變化（行駛）Fig.6 Rear passenger skin temperature vs. air temperature （driving）

表3為正相關(guān)階段皮膚溫度與空氣溫度線性關(guān)系，線性歸回方程顯著性水平均小于0.01，表明皮膚溫度和空氣溫度之間極顯著相關(guān)，決定系數(shù)R2變化范圍為0.879～0.996，表面二者線性相關(guān)程度較高。行駛狀態(tài)下司機(jī)位置、后排乘員位置各部位的空氣溫度影響系數(shù)（即tk的系數(shù)）均高于怠速狀態(tài)下相應(yīng)部位，表明行駛狀態(tài)會(huì)提高皮膚溫度對空氣溫度變化的敏感度，這主要是由行駛增強(qiáng)人體換熱引起的。值得注意的是，怠速工況的司機(jī)位置、行駛工況的司機(jī)位置和行駛工況的后排乘員位置軀干的空氣溫度影響系數(shù)均高于其他部位，而怠速工況的后排乘員位置的空氣溫度影響系數(shù)遠(yuǎn)低于其他部位，表明在前三種條件下軀干皮膚溫度的敏感度較高，怠速工況下乘員艙司機(jī)座位的阻礙作用會(huì)嚴(yán)重降低冷空氣對后排乘員軀干的冷卻作用，從而降低后排乘員軀干皮膚溫度敏感度，而行駛工況有利于增強(qiáng)冷空氣對后排乘員軀干的冷卻作用，提高后排乘員軀干皮膚溫度敏感度，減少前后排乘員的皮膚溫度差異。

表3 皮膚溫度與空氣溫度線性關(guān)系Tab.3 Linear relationship between skin temperature and air temperature

3.2 皮膚溫度對局部熱感覺的影響

圖7～10分別示出了司機(jī)和后排乘員在怠速、行駛工況下局部熱感覺隨皮膚溫度變化，由圖可知，由于司機(jī)的軀干部位受空調(diào)冷空氣直接冷卻，其皮膚溫度在怠速和行駛工況下變化范圍均較大，且最小皮膚溫度遠(yuǎn)低于其他部位，而后排乘員軀干部位在怠速工況下難以得到有效冷卻，其皮膚溫度變化范圍遠(yuǎn)小于其他部位，而由前文分析可知，行駛工況有利于后排乘員周圍環(huán)境的冷卻，因此行駛工況下軀干部位的變化范圍與司機(jī)逐漸接近。

圖7 司機(jī)局部熱感覺隨皮膚溫度變化（怠速）Fig.7 Local thermal sensation of driver vs. skin temperature（idling）

圖8 后排乘員局部熱感覺隨皮膚溫度變化（怠速）Fig.8 Local thermal sensation of rear passenger vs. skin temperature（idling）

圖9 司機(jī)局部熱感覺隨皮膚溫度變化（行駛）Fig.9 Local thermal sensation of driver vs. skin temperature（driving）

圖10 后排乘員局部熱感覺隨皮膚溫度變化（行駛）Fig.10 Local thermal sensation of rear passenger vs. skin temperature（driving）

同時(shí)由圖可知，2種工況下前后乘員各部位的局部熱感覺與皮膚溫度均具有良好的線性相關(guān)性，具體關(guān)系見表4。從圖可知，線性回歸方程顯著性水平均小于0.01，表明局部熱感覺和皮膚溫度之間極顯著相關(guān)，決定系數(shù)R2變化范圍為0.830～0.981，表明二者線性相關(guān)程度較高。司機(jī)在行駛工況下各部位熱感覺敏感度最大差值要小于怠速工況，而后排乘員在行駛工況下各部位熱感覺敏感度最大差值要大于怠速工況，這表明行駛有利于減小司機(jī)的各部位熱感覺敏感度差異而增大后排乘員的各部位熱感覺敏感度差異。怠速工況下，司機(jī)的頭部、上肢和下肢的局部熱感覺敏感度均高于后排乘員，而司機(jī)的軀干局部熱感覺敏感度低后排乘員。行駛工況下，司機(jī)位置的各部位局部熱感覺敏感度與后排乘員對應(yīng)位置的熱感覺敏感度較為接近，其差異遠(yuǎn)小于怠速工況，這表明行駛有利于減小前后排乘員對應(yīng)部位的熱感覺敏感度差異，因此行駛工況下司機(jī)與后排乘員的局部熱感覺差異主要由空氣溫度差異及換熱差異造成，而與部位的熱敏感度關(guān)系較小。

表4 局部熱感覺與皮膚溫度線性關(guān)系Tab.4 Linear relationship between local thermal sensation and skin temperature

ZHOU等［13-14］的研究也表明人體局部熱感覺和局部皮膚溫度具有強(qiáng)烈的相關(guān)性，因此他們建議可用局部皮膚溫度表征人體局部熱感覺。但本文研究顯示，雖然人體局部熱感覺和局部皮膚溫度具有良好的線性關(guān)系，但是線性相關(guān)系數(shù)不僅與前后位置，還與乘員艙行駛狀態(tài)有關(guān)，同時(shí)本文的線性相關(guān)系數(shù)與他們的研究并不完全相同，主要是本文的空調(diào)工況與他們的試驗(yàn)不相同，由此可知線性相關(guān)系數(shù)還與空調(diào)工況有關(guān)。因此單純以皮膚溫度表征人體局部熱感覺雖然簡便，但是存在一定局限，因此該問題需要進(jìn)一步探索。

3.3 模型適用性分析

由于單純采用皮膚溫度表征局部熱感覺存在一定缺陷，因此從熱感覺的原理上構(gòu)建局部熱感覺模型顯得更加重要。動(dòng)態(tài)回歸模型與靜態(tài)回歸模型的回歸參數(shù)見如表5，6，回歸模型的數(shù)據(jù)來自本試驗(yàn)的怠速工況及行駛工況的前后排乘員，僅將數(shù)據(jù)依據(jù)身體部位劃分而不再考慮位置及行駛狀態(tài)。

表5 動(dòng)態(tài)模型回歸參數(shù)Tab.5 Regression parameters of dynamic model

動(dòng)態(tài)模型通過局部皮膚溫度、整體平均皮膚溫度和局部皮膚溫度變化率進(jìn)行建模，由表5可知，動(dòng)態(tài)模型中頭部、上肢和下肢回歸關(guān)系式與實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)的吻合程度并不高，頭部、下肢的決定系數(shù)均在0.5左右，而上肢低至0.309，軀干的吻合程度非常高，決定系數(shù)可達(dá)0.924。與動(dòng)態(tài)模型相比，靜態(tài)模型只通過局部皮膚溫度和整體平均皮膚溫度進(jìn)行建模，由表6可知，靜態(tài)模型中人體各部位回歸關(guān)系式與實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)的吻合程度均非常高，決定系數(shù)范圍為0.849～0.922。由兩模型對比分析可知，在本試驗(yàn)條件下靜態(tài)模型比動(dòng)態(tài)模型更適用，主要原因是本試驗(yàn)各種工況下空調(diào)均是自動(dòng)模式，因此空調(diào)系統(tǒng)為到達(dá)設(shè)定溫度在啟動(dòng)初期風(fēng)速較高、溫度較低，該階段人體周圍熱環(huán)境是動(dòng)態(tài)非均勻環(huán)境，此時(shí)的人體局部熱感覺根據(jù)原理應(yīng)當(dāng)更適合動(dòng)態(tài)回歸模型，但是空調(diào)的自動(dòng)模式導(dǎo)致該階段的持續(xù)時(shí)間較短，因此該階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少。動(dòng)態(tài)非均勻環(huán)境在較短時(shí)間內(nèi)結(jié)束后，熱環(huán)境處于靜態(tài)非均勻狀態(tài)，因此該階段的人體局部熱感覺根據(jù)原理更適合靜態(tài)回歸模型，同時(shí)該階段的持續(xù)時(shí)間較長，因此在數(shù)據(jù)整體中占主導(dǎo)，因此數(shù)據(jù)整體更適用于靜態(tài)回歸模型。值得注意的是，軀干部位在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型中均取得良好的回歸效果，這主要是由于空調(diào)出風(fēng)口水平布置，軀干受冷空氣的影響最強(qiáng)烈，因此其在動(dòng)態(tài)非均勻熱環(huán)境階段的數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)整體的影響較大，因此其在動(dòng)態(tài)模型中也回歸的較好。綜上所述，當(dāng)汽車乘員艙內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)采用自動(dòng)模式時(shí)，考慮實(shí)際情況，靜態(tài)模型比動(dòng)態(tài)模型更適用于人體局部熱感覺的模型構(gòu)建。

表6 靜態(tài)模型回歸參數(shù)Tab.6 Regression parameters of static model

4 結(jié)論

（1）乘員艙氣溫、相對濕度分布受空間位置及行駛狀態(tài)影響，但艙內(nèi)風(fēng)速變化受行駛狀態(tài)影響較小。

（2）局部熱感覺呈現(xiàn)短暫迅速升高，然后緩慢下降并最終保持穩(wěn)定的趨勢，不同部位的局部熱感覺存在差異，差異受空間位置及行駛狀態(tài)影響。

（3）人體進(jìn)入溫度較高的乘員艙并開啟空調(diào)系統(tǒng)后，各部位皮膚溫度與空氣溫度呈現(xiàn)先負(fù)相關(guān)后正相關(guān)的關(guān)系，不同部位皮膚溫度對空氣溫度的敏感性受前后位置和行駛狀態(tài)的影響。

（4）前后排乘員不同部位的局部熱感覺在怠速和行駛狀態(tài)下的局部熱感覺和局部皮膚溫度均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，但是不同工況下不同部位的線性相關(guān)系數(shù)存在較大差異，因此單純采用局部皮膚溫度表征局部熱感覺存在缺陷。

（5）乘員艙內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)采用自動(dòng)模式時(shí)靜態(tài)模型比動(dòng)態(tài)模型更適用于人體局部熱感覺的模型構(gòu)建。