汽車座艙內(nèi)局部送風(fēng)對(duì)熱舒適的影響研究

【摘 要】為進(jìn)一步提升汽車座艙的熱舒適性水平，文章借助環(huán)境模擬試驗(yàn)艙與座艙熱舒適性測(cè)評(píng)假人，對(duì)不同參數(shù)的局部送風(fēng)對(duì)乘員局部熱舒適性的影響展開(kāi)了深入研究。結(jié)果顯示：在夏季高溫環(huán)境下，隨著空調(diào)的運(yùn)行，熱感覺(jué)呈現(xiàn)出迅速下降后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì);當(dāng)座艙內(nèi)環(huán)境溫度保持恒定的情況下，熱感覺(jué)會(huì)隨著風(fēng)速的增大而逐漸降低，且存在一個(gè)最佳值，可使熱感覺(jué)維持在熱中性狀態(tài)，而風(fēng)速過(guò)大則會(huì)使熱感覺(jué)趨向于冷;在改變相同風(fēng)速時(shí)，其對(duì)熱感覺(jué)的影響會(huì)隨著風(fēng)速的增加而減小;在保持風(fēng)速不變的情形下，改變座艙溫度值，熱感覺(jué)與溫度變化呈正相關(guān)的線性關(guān)系。該研究結(jié)果能夠?yàn)閮?yōu)化汽車座艙內(nèi)局部送風(fēng)的控制策略提供指引，進(jìn)而提高座艙熱舒適性。

【關(guān)鍵詞】汽車座艙;熱舒適性;局部送風(fēng);座艙熱舒適性測(cè)評(píng)假人

中圖分類號(hào)：U463.851 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）11-0024-03

Study on the Influence of Local Ventilation on Thermal Comfort in Vehicle Cabin

【Abstract】In order to further improve the thermal comfort level of the vehicle cabin，this paper conducts indepth research on the influence of different parameters of local ventilation on the thermal comfort of occupants using environmental simulation test chamber and cabin thermal comfort evaluation mannequin. The results show that as the air conditioning runs in the summer high temperature environment，the thermal sensation shows a trend of rapidly decreasing and then gradually stabilizing;when the cabin environment temperature remains constant，the thermal sensation will gradually decrease with the increase of wind speed，and there is an optimal value that can keep the thermal sensation at the neutral thermal state，while the wind speed is too large，it will make the thermal sensation tend to cold;when the wind speed is the same，its influence on the thermal sensation will decrease as the wind speed increases;when the wind speed remains unchanged，the change of cabin temperature value is linearly related to the thermal sensation with a positive correlation. The research results can provide guidance for optimizing the control strategy of local ventilation in the vehicle cabin and improving the thermal comfort of the cabin.

【Key words】vehicle cabin;thermal comfort;local ventilation;cabin thermal comfort evaluation mannequin

智能座艙作為汽車智能化的重要組成部分，在近幾年獲得了廣泛的關(guān)注和推動(dòng)[1-2]。乘員艙空調(diào)熱舒適性作為關(guān)鍵要素之一，已經(jīng)成為研究人員和用戶的關(guān)注焦點(diǎn)。

針對(duì)乘員艙的熱舒適性研究始于對(duì)流場(chǎng)的分析。Komoriya[3]利用煙流的試驗(yàn)方式，對(duì)氣流進(jìn)行了可視化分析。孫學(xué)軍等[4]建立了乘員艙內(nèi)部的二維流場(chǎng)并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析。張登春等[5]利用Fluent對(duì)車內(nèi)空氣流動(dòng)速度和溫度分布規(guī)律進(jìn)行了三維湍流流場(chǎng)的分析。向立平等[6]利用CFD仿真研究并分析了汽車乘員艙速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)與人體熱舒適性之間存在的關(guān)系。劉海龍[7]針對(duì)不同送風(fēng)參數(shù)對(duì)乘員艙內(nèi)熱舒適性及節(jié)能性的結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)送風(fēng)參數(shù)的組合進(jìn)行優(yōu)化。曹凡[8]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化送風(fēng)參數(shù)，提高了房車內(nèi)部熱舒適性。

近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱舒適的影響因素研究有所發(fā)展。王勇等[9]以PMV和PPD為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)乘員艙的熱舒適性進(jìn)行了定量分析，并分析了送風(fēng)方式及溫度對(duì)熱舒適性的影響。蘇楚奇等[10]以AEQT（整體熱感覺(jué)舒適性偏差）為指標(biāo)評(píng)估空調(diào)系統(tǒng)需提供的制冷量。通過(guò)改變空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)速和溫度，探究了乘員艙內(nèi)的熱舒適性和能耗占比。王國(guó)華等[11]基于Berkeley熱舒適評(píng)價(jià)，通過(guò)搭建數(shù)學(xué)模型對(duì)高溫環(huán)境下SUV車型進(jìn)行送風(fēng)參數(shù)優(yōu)化以提高乘員熱舒適性并降低空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷;Khatoon等[12]通過(guò)三維數(shù)值模擬對(duì)乘員艙熱舒適進(jìn)行了分析，預(yù)測(cè)了座艙內(nèi)的溫度和空氣流速，并與Fanger模型進(jìn)行了對(duì)比。

本文通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)的方式，獲取初始的乘員艙環(huán)境參數(shù)在空調(diào)降溫期間的變化情況，并通過(guò)改變座艙溫度以及風(fēng)速，探究不同的送風(fēng)參數(shù)組合對(duì)熱舒適的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

整個(gè)試驗(yàn)裝置包括環(huán)境模擬試驗(yàn)艙、汽車以及座艙熱舒適性測(cè)評(píng)假人。該環(huán)境艙可維持穩(wěn)定溫度范圍為-15～45℃，誤差不超過(guò)±2℃;濕度覆蓋10%～90%RH范圍，偏差不超過(guò)±10%RH;光譜類型為全光譜，輻射強(qiáng)度覆蓋500～1000W/m2，輻射強(qiáng)度偏差不超過(guò)±50W/m2，基準(zhǔn)面輻射均勻性不超過(guò)10%。試驗(yàn)車輛為某品牌成品車，汽車空調(diào)可設(shè)定自動(dòng)模式，可定向送風(fēng)。

座艙熱舒適性測(cè)評(píng)假人如圖1所示。該假人系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。此假人以中國(guó)男性50百分位尺寸特征進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其關(guān)節(jié)部位可靈活調(diào)節(jié)，可模擬人體駕乘姿態(tài)。假人本體配置傳感器包括50組溫度&風(fēng)速傳感器、50組輻射傳感器（長(zhǎng)、短波）以及6組濕度傳感器。在軟件部分，通過(guò)將座艙物理參數(shù)代入熱生理以及熱舒適模型計(jì)算給出熱舒適結(jié)果，可輸出空氣溫度、空氣流速、平均輻射溫度、太陽(yáng)輻射、相對(duì)濕度、PMV或PPD參數(shù)、整體/局部EHT、整體/局部熱感覺(jué)及熱舒適，能夠預(yù)測(cè)非均勻、瞬態(tài)條件下的熱舒適程度。

1.2 試驗(yàn)方法

測(cè)試系統(tǒng)利用環(huán)境模擬艙搭建穩(wěn)態(tài)測(cè)試環(huán)境，設(shè)定環(huán)境溫度（35±2）℃，具體試驗(yàn)條件及過(guò)程如下所述。

1）進(jìn)艙階段：試驗(yàn)樣車固定在汽車環(huán)模試驗(yàn)室內(nèi)，環(huán)境溫濕度快速調(diào)節(jié)至（35±2）℃和（50±5）%RH。

2）吹車階段：開(kāi)啟車門(mén)、車窗、天窗和前后艙蓋等;汽車空調(diào)空氣循環(huán)開(kāi)關(guān)置于外循環(huán)位置，開(kāi)啟空調(diào)吹風(fēng)，風(fēng)量調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)置于中間位置（向高擋位取整），溫度置于最低且此過(guò)程中壓縮機(jī)始終處于關(guān)閉狀態(tài)，吹風(fēng)時(shí)間30min。

3）曬車階段：關(guān)閉車門(mén)、車窗、天窗和前后艙蓋等，關(guān)閉所有空調(diào)設(shè)置，開(kāi)啟全光譜陽(yáng)光模擬系統(tǒng)，光照強(qiáng)度為（850±50）W/m2，曬車時(shí)間60min。

4）降溫階段：進(jìn)入車內(nèi)并快速關(guān)閉全部車門(mén)、車窗，啟動(dòng)車輛，空調(diào)設(shè)置AUTO 24℃，試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)60min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 原數(shù)據(jù)分析

在夏季工況下，汽車空調(diào)的吹風(fēng)模式默認(rèn)為吹頭模式，而在對(duì)空調(diào)控制策略上，往往以空調(diào)的出風(fēng)溫度以及風(fēng)速為控制目標(biāo)。因此，本文著重對(duì)60min的降溫時(shí)間段內(nèi)座艙乘員頭部位置的溫度、風(fēng)速以及熱感覺(jué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

座艙內(nèi)頭部溫度、風(fēng)速及熱感覺(jué)對(duì)比如圖2所示。從圖2中可以看出，在經(jīng)歷過(guò)35℃環(huán)境下30min的浸車以及光照強(qiáng)度為850W/m2的60min的曬車之后，座艙內(nèi)溫度可達(dá)57℃左右。在空調(diào)開(kāi)啟后的前10min，頭部溫度從57℃降至31℃，風(fēng)速在此期間先增加至0.7m/s，而后降至0.4m/s，但由于溫度仍處于較高的數(shù)值，熱感覺(jué)值為+3（熱）的狀態(tài)。在17min時(shí)，熱感覺(jué)進(jìn)入+2（暖）的區(qū)間，此時(shí)座艙內(nèi)頭部溫度28℃，風(fēng)速0.35m/s左右。在33min左右時(shí)，風(fēng)速出現(xiàn)小幅度的上升（藍(lán)色區(qū)域），約0.1m/s，溫度較為穩(wěn)定約24℃，而此時(shí)熱感覺(jué)則出現(xiàn)了較為明顯的下降趨勢(shì)，約0.3，表明在溫度達(dá)到一定值時(shí)，即使出現(xiàn)較小的風(fēng)速波動(dòng)，也會(huì)對(duì)熱感覺(jué)產(chǎn)生明顯影響。最終經(jīng)過(guò)60min的降溫，座艙頭部溫度為24℃，風(fēng)速為0.3m/s，熱感覺(jué)約為+1（稍暖），未達(dá)到熱中性（0）狀態(tài)。

2.2 風(fēng)速對(duì)比

從上文分析可以看出，風(fēng)速對(duì)熱感覺(jué)可能存在較大的影響，因此，接下來(lái)在原有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，僅改變風(fēng)速的大小，觀察分析局部熱感覺(jué)的變化趨勢(shì)。為了更加容易觀察風(fēng)速變化對(duì)熱感覺(jué)的影響規(guī)律，將風(fēng)速值設(shè)置為常量進(jìn)行分析。不同風(fēng)速下頭部熱感覺(jué)對(duì)比如圖3所示。

從圖3中可以看出，在前期降溫階段，由于座艙內(nèi)的空氣溫度仍處于較高的值，即使不斷增加風(fēng)速，熱感覺(jué)值也仍在+4（非常熱）附近，并沒(méi)有明顯下降的趨勢(shì)。隨著空調(diào)的運(yùn)行，座艙溫度逐漸降低，此時(shí)隨著風(fēng)速值的增加，熱感覺(jué)值呈下降的趨勢(shì)，且風(fēng)速越大，熱感覺(jué)下降值越大，呈正相關(guān)的關(guān)系。在相同的時(shí)間段內(nèi)，后期因風(fēng)速不同造成的熱感覺(jué)差值要大于前期階段，即溫度越低，風(fēng)速的變化對(duì)熱感覺(jué)的影響越大。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，改變相同的風(fēng)速變化量（Δv=0.4m/s），熱感覺(jué)值的變化為非均勻變化，隨著風(fēng)速的增加，熱感覺(jué)的變化值ΔTSV呈逐漸減小的趨勢(shì)，說(shuō)明在汽車座艙內(nèi)溫度一定的情況下，僅改變風(fēng)速對(duì)熱感覺(jué)的影響存在最大值。

2.3 溫度對(duì)比

在同一風(fēng)速下，不同溫度下頭部熱感覺(jué)對(duì)比如圖4所示。從圖4中可以看出，在空調(diào)開(kāi)啟的降溫初期的前5min，由于座艙內(nèi)空氣仍處于高溫狀態(tài)，小幅度的溫度增減對(duì)熱感覺(jué)的影響可以忽略不計(jì)，熱感覺(jué)值一直處在最大值+4非常熱的狀態(tài)。隨著空調(diào)的運(yùn)行，座艙內(nèi)溫度逐漸降低，熱感覺(jué)值呈快速下降的趨勢(shì)，而后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比不同溫度下，熱感覺(jué)的變化值發(fā)現(xiàn)，熱感覺(jué)的變化值與溫度的變化值呈固定的線性關(guān)系，增加或減小一定溫度值，熱感覺(jué)也同樣增加或減小一定值。

在本次試驗(yàn)中，空調(diào)設(shè)置溫度為AUTO 24℃，在空調(diào)開(kāi)啟60min后，座艙狀態(tài)達(dá)到一定程度的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，熱感覺(jué)仍未達(dá)到熱中性，而是處于+1（稍暖）的狀態(tài)。這也說(shuō)明對(duì)于本次試驗(yàn)車輛而言，將空調(diào)溫度設(shè)定值調(diào)整至20℃時(shí)，頭部位置在車輛到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，才會(huì)處于熱中性狀態(tài)。

3 結(jié)論

1）在夏季工況下，隨著空調(diào)的開(kāi)啟，頭部熱感覺(jué)值呈先快速下降后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。

2）在座艙環(huán)境溫度不變的情況下，隨著風(fēng)速的增加，熱感覺(jué)值呈下降趨勢(shì);在改變相同的風(fēng)速變化量情況下，熱感覺(jué)變化值隨風(fēng)速的增加而減小;在固定的某一座艙溫度下，存在最佳風(fēng)速使得熱感覺(jué)達(dá)到中性狀態(tài)。

3）在座艙環(huán)境風(fēng)速不變的情況下，熱感覺(jué)與溫度變化呈正相關(guān)的關(guān)系，且與溫度的變化值呈線性關(guān)系。

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