摘要

舒適的熱環(huán)境可以緩解疲勞，減少煩躁，提高駕駛安全性。然而，由于各種幾何因素和環(huán)境因素以及人的差異，汽車內(nèi)部熱舒適性的評估是一個相當大的挑戰(zhàn)。本研究在夏季和冬季條件下進行了一系列現(xiàn)場實驗，測量了車廂內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)和實驗人員的皮膚溫度，并進行了主觀熱感覺和舒適度問卷調(diào)查。實驗結(jié)果表明，頭部和軀干是所有人體部位中與整體熱感覺/舒適度最相關的部位。對于總體熱感覺，涉及頭部/軀干的回歸R2值為0.691/0.721，而對應于總體熱舒適度的回歸R2值為0.802/0.773。頭部和軀干的熱感覺回歸斜率分別為0.893/0.846和0.938/0.946。同時還發(fā)現(xiàn)，當人體處于熱艙熱環(huán)境中時，由于人體各部位的綜合作用，使乘客的整體熱感覺大于各部位的個體熱感覺，且最不舒適部位對整體熱舒適性的影響遠大于舒適部位。

引言和綜述

隨著汽車的普及，人們的駕駛時間逐漸增加。然而，伴隨的問題是車輛乘客艙的內(nèi)部空間狹窄且相對封閉。如果駕駛員和乘客長期處于不舒適的乘客艙中，他們會感到疲勞、煩躁、注意力不集中等。容易發(fā)生交通事故。工程師們對汽車舒適性的要求也在逐步提高。而熱舒適性是汽車舒適性的一個重要方面，它與空調(diào)能耗密切相關。熱舒適性受六個參數(shù)的影響，這些參數(shù)可以分為環(huán)境和個人因素。環(huán)境因素是空氣溫度和速度、環(huán)境的平均輻射溫度和乘客艙中的濕度。個人因素是人類活動強度和衣服的熱阻。此外，有研究表明，熱心理對熱舒適性也有一定的影響。

汽車乘員艙內(nèi)的熱環(huán)境是一種特殊的非均勻熱環(huán)境。但由于車內(nèi)熱環(huán)境的復雜性，非均勻熱環(huán)境下人體熱舒適的基礎研究多在建筑環(huán)境中進行。建筑內(nèi)熱環(huán)境的不均勻性主要是由送風不均勻和太陽輻射的影響引起的。Zhang等人研究了太陽輻射下的熱舒適預測模型，提出了CPMV模型來修正PMV模型。結(jié)果表明，預測誤差大大減小。Wang等人通過局部供應氣流實驗建立模型來預測非均勻熱環(huán)境中的總體熱舒適性。研究表明，當熱不均勻性超過一定水平時，總體不滿意率高于預期不滿意率。此外，在各種條件下研究了建筑環(huán)境中的人體局部和整體熱感覺。結(jié)果表明，頭部、胸部、背部和手部的熱感覺比整體熱感覺更溫暖。局部地區(qū)的平均熱感覺投票分布較密集。此外，手臂、大腿和小腿的熱感覺比整體熱感覺更冷，這表明熱感覺投票更分散。胸部和背部的熱感覺與整體熱感覺有很強的線性相關。

根據(jù)實驗地點的不同，實驗分為室內(nèi)實驗和田間實驗。用氣候箱進行實驗的優(yōu)點是實驗環(huán)境可控，穩(wěn)態(tài)熱舒適實驗中外部環(huán)境可以保持不變。但現(xiàn)場實驗中環(huán)境不時發(fā)生變化，可能會影響車輛客室內(nèi)的熱環(huán)境，從而改變實驗人員的熱舒適性。Burch等人[8]通過實驗測量了惡劣冬季條件（?20°C）下乘客艙內(nèi)的熱環(huán)境。采用兩種輔助電加熱方式，提高了座艙熱舒適性。此外，還研究了傳導、對流和輻射引起的熱損失對熱感覺的影響。然而，在他們的研究中沒有考慮身體部位的熱量損失和皮膚溫度。Hajime等人還在氣候室中對裝有加熱座椅的車輛乘員艙內(nèi)人體熱舒適性進行了一系列實驗研究。谷口等人在風洞中研究了送風對車內(nèi)乘客面部皮膚溫度的影響，并建立了基于皮膚溫度的熱感覺評價公式。Zhang等人通過環(huán)境艙實驗研究了局部熱感覺和舒適性與整體熱感覺和舒適性的關系。結(jié)果表明，在非均勻熱環(huán)境中，人體可獲得比中性或均勻熱環(huán)境更高的熱舒適性，這表明了局部熱感覺和熱舒適性在非均勻熱環(huán)境中的重要性。Alahmer等人通過環(huán)境艙實驗，研究了不同相對濕度條件下乘員艙內(nèi)的熱感覺和人體熱舒適性。Hepokoski等人研究了座椅對人體熱舒適性的影響，并通過耦合熱舒適模型分析了瞬態(tài)環(huán)境下的熱舒適性。研究表明，控制相對濕度可以使乘客更快地達到熱舒適。

環(huán)境艙實驗與現(xiàn)場實驗結(jié)果表明，汽車客室熱環(huán)境與人體熱舒適性存在顯著差異。因此，研究人員對外部環(huán)境中的停車和駕駛條件進行了實驗。Guan等人研究了車輛瞬態(tài)工況下人體熱舒適性通過實驗。建立了人體熱感覺的動態(tài)模型。在他們的數(shù)學模型中，將生理和心理因素結(jié)合起來，以環(huán)境和個人參數(shù)作為輸入來確定生理反應。Kaynakli和Kilic提出了人體與車內(nèi)環(huán)境的熱相互作用模型，將人體分為16個部分?？紤]了顯熱和潛熱的損失以及皮膚溫度和水分的變化。并計算了熱舒適指數(shù)。然后，通過真實的車試驗的方法，研究了進氣設置（循環(huán)和新風）對熱舒適性空氣品質(zhì)滿意度和座艙冷卻過程中能量利用的影響。建立了汽車艙內(nèi)CO2濃度與能量利用的數(shù)學模型，并通過實驗數(shù)據(jù)進行了驗證。Zhang等人設計并進行了一系列實驗，研究了加熱過程中客艙的非均勻狀態(tài)和乘員熱響應。Mao等人在冬季和夏季對電動汽車進行了滿載的試驗研究。實驗條件包括室外停車和駕駛條件。并對研究問題進行了瞬態(tài)數(shù)值模擬分析。Zhou等人通過比較室內(nèi)停車和室外停車和駕駛，測量了夏季條件下駕駛員的皮膚溫度和熱感覺投票。

本研究通過真實的車實驗，在夏季和冬季典型停車條件下，測量了車輛客室內(nèi)人體的熱環(huán)境參數(shù)和皮膚表面溫度，并對人體熱感覺和熱舒適性進行了主觀評價。分析了皮膚溫度與人體熱感覺和舒適度的關系。比較了局部熱舒適指標與整體熱舒適指標的差異。

研究方法

1.實驗程序

在上海市（31° 23′N，121°15′E）進行了汽車客室熱環(huán)境和人體熱舒適性試驗。試驗是在4521mm × 1788mm × 1492mm的香檳色榮威350轎車上進行的。實驗車的內(nèi)部尺寸為2760mm × 1420mm × 1195mm。在夏季（7月）和冬季（1月）實驗條件下停車時，對車輛乘客艙進行測量。人們使用汽車空調(diào)的習慣是，在開車之初，就可以利用最大的送風速度盡快獲得熱舒適性。隨著送風時間的增加，熱舒適性改善后送風速度會有所降低。實驗車輛分別具有四個鼓風機速度和四個溫度。因此，實驗采用了從最大送風速度到最小送風速度的送風策略。實驗過程均在恒定送風換熱量和變送風速度下進行。所有試驗均采用內(nèi)部再循環(huán)模式。

在實驗準備階段，實驗車輛充滿氣體。然后，熱電偶被布置用于內(nèi)表面和空氣的測量點。測量皮膚表面溫度的熱電偶的一端與數(shù)據(jù)記錄器連接。另一端在靠近各局部身體部位對應位置的地方用膠帶固定在座上，以粘貼在人體皮膚表面。實驗前要求受試者在舒適均勻的建筑環(huán)境中達到熱平衡。實驗車輛停放在不受太陽輻射影響的室內(nèi)區(qū)域。實驗人員進入艙后，打開空調(diào)。然后設置人體皮膚表面的熱電偶。隨后，駕駛員將車輛開到了實驗區(qū)。當乘員艙內(nèi)熱流場穩(wěn)定時，計算機與數(shù)據(jù)記錄儀連接，觀察乘員艙內(nèi)表面和空氣溫度變化。當變化范圍變小后，實驗開始。實驗車的送風溫度和速度分別為四檔。在這些實驗中，研究了不同送風速度下客艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)熱流場和人體熱舒適性。實驗的每個檔位持續(xù)30分鐘，數(shù)據(jù)記錄器每10秒收集數(shù)據(jù)。實驗場景圖如圖1所示。

圖1 實驗場景圖

2.采集的儀器和參數(shù)

實驗中使用了兩種類型的熱電偶。通過TT-K-24-SLEOmega K熱電偶測量艙室內(nèi)表面和空氣的溫度。由于TT-K-24-SLE熱電偶導線的剛性，測量人體皮膚溫度時難以布置熱電偶。此外，固定在皮膚表面時，容易脫落，引起人體不適。因此，TT-K-36-SLE用于人體皮膚表面溫度測量。溫度數(shù)據(jù)由Keysight 34972A數(shù)據(jù)記錄儀收集。利用Fluke 925型手持式葉輪風速儀測量了車輛客室內(nèi)的風速。使用CMP 21總太陽輻射傳感器（由荷蘭Kipp&Zonen公司生產(chǎn)）測量太陽輻射的強度。所有儀器的詳細信息和不確定度見表1。

表1 用于測量的儀器的規(guī)格

人體在車輛乘客艙內(nèi)的熱舒適性受車廂內(nèi)熱環(huán)境的影響。有必要測量車輛乘客艙的內(nèi)表面和空氣溫度。如圖所示。在圖2（a）中，熱電偶#1-#3測量內(nèi)表面溫度，熱電偶#4-#11測量內(nèi)部空氣溫度。溫度#1是儀表板溫度，#2是擋風玻璃溫度，#3是車頂溫度。溫度#4、#5、#6和#7分別是駕駛員頭部周圍的內(nèi)部空氣溫度、副駕駛員（副駕駛員占據(jù)右前座）和乘客（車輛后部）周圍的內(nèi)部空氣溫度。溫度#8、#9、#10和#11是駕駛員、副駕駛員和乘客腳周圍的空氣溫度。為了研究人體在車廂內(nèi)的熱舒適性，采用14個熱電偶對實驗對象不同部位的皮膚溫度進行了測量，如圖2（b）所示。熱電偶的測點通過膠帶固定在各主體部件的中間。問卷中使用的主觀熱感覺和熱舒適度評定量表如圖3所示。

圖2 實驗中熱電偶的測量位置：a）艙室內(nèi)壁和空氣溫度，b）實驗人員的皮膚溫度。

圖3 熱感覺和熱舒適度量表：a）用于熱感覺b）用于熱舒適。

3.實驗人員

共有32名受試者參加了實驗，其中男性26名，女性6名。男性平均身高173.2cm，平均體重66.5kg。女性平均身高164.7cm，體重50kg。為保證實驗的準確性和可控性，實驗人員全部為上海汽車風洞中心的研究生。在實驗前，告知實驗的目的和程序。在夏季實驗條件下，所有實驗人員均需穿著淺色短袖T恤、短褲和拖鞋。冬季實驗需要帽衫和牛仔褲。

結(jié)果與討論

1.環(huán)境溫度與供氣條件

表2示出了所有夏季和冬季實驗的環(huán)境溫度和空氣供應條件。試驗1至16為夏季試驗，其中環(huán)境溫度約為35℃；測試17至32是冬季實驗，其中環(huán)境溫度約為10°C。實驗過程均在恒定送風換熱量和變送風速度下進行。夏季試驗中平均送風溫度隨送風速度的降低而降低，冬季試驗中平均送風溫度升高。表2中的空氣是指來自4個通風口的空氣供應。

表2 環(huán)境溫度和送風條件

2.內(nèi)表面和空氣溫度

圖4示出了車輛乘客艙中的三個典型內(nèi)表面的溫度：儀表板擋風玻璃和車頂在夏季實驗中，儀表板是三個內(nèi)部表面中最熱的，其次是擋風玻璃和車頂。在冬季實驗中，車頂溫度最高，其次是儀表板和擋風玻璃。由于夏季太陽輻射的影響，即使開著空調(diào)，測試8中儀表板的溫度為61.9 ℃，擋風玻璃為55.8 ℃，這是因為太陽輻射通過擋風玻璃作用在儀表板上。而且玻璃的吸收性較低，使儀表板比擋風玻璃更熱。室內(nèi)屋頂不受太陽輻射的直接影響，在空調(diào)的作用下其溫度最低，為39.5 ℃，但冬季太陽輻射強度較弱，其對內(nèi)表面的影響小于空調(diào)的影響。屋頂是這三個表面中受空調(diào)影響最大的表面，在冬季實驗中其溫度最高。測試24中屋頂?shù)臏囟葹?5.5°C，高于所有夏季實驗中的溫度。而儀表板溫度為38.2 ℃擋風玻璃在三個內(nèi)表面中最低，為29.6 ℃。

圖4 內(nèi)表面溫度

圖5示出了車輛乘客艙內(nèi)的內(nèi)部空氣溫度，包括駕駛員、副駕駛員、左乘客和右乘客的頭部和腳部周圍的空氣溫度。即使在穩(wěn)態(tài)實驗條件下，乘客艙中的空氣溫度在垂直和水平方向上也是高度不均勻的。在垂直空氣溫差方面，夏季實驗條件下頭部周圍的空氣溫度低于腳部周圍的空氣溫度，冬季實驗條件下則相反。這是因為所有實驗均采用了面吹方式，且空調(diào)對頭部周圍空氣溫度的影響大于腳部。試驗6的客室平均垂直溫差是夏季試驗中最大的。副駕駛位置是四個位置中頭部和腳部空氣溫差最大的位置，其垂直溫差為5.6 ℃其次，右側(cè)乘客的溫差為2.9°C。駕駛員和左側(cè)乘客的垂直空氣溫差分別為1.3和1.6°C。在冬季試驗中，試驗28的客室平均垂直溫差最大。右側(cè)乘客位置是四個位置中頭部和腳部空氣溫差最大的位置，為24.4 ℃駕駛員、副駕駛員和左側(cè)乘客的垂直溫差分別為15.2、17.4和20.7°C。冬季實驗艙內(nèi)垂直溫差大于夏季實驗艙內(nèi)垂直溫差的原因是冬季實驗艙內(nèi)送風與環(huán)境溫差遠大于夏季實驗艙內(nèi)送風與環(huán)境溫差。而在水平方向上的空氣溫差主要受不均勻送風和熱邊界條件的影響。試驗11的客室平均水平空氣溫差是夏季試驗中最大的。駕駛員和副駕駛員頭部周圍的空氣溫度相差4.8℃并且左副駕駛和右副駕駛的溫度差為2.7 ℃腳部位置的水平空氣溫差小于頭部位置周圍的水平空氣溫差。前排和后排的水平空氣溫差分別為0.6和1.6 ℃。在冬季試驗條件下，試驗31的平均水平空氣溫差最大。后排乘客腳附近的空氣溫差為12.2 ℃發(fā)現(xiàn)客室空氣溫度的垂直溫差大于水平溫差。對所有實驗條件下所有位置的空氣溫度差值進行平均分析。夏季和冬季實驗的平均垂直空氣溫差分別為1.8°C和8.7°C。平均水平溫差分別為1.5°C和2.6°C。

圖5 室內(nèi)空氣溫度。a）駕駛員位置，B）副駕駛員位置，c）左乘客位置和d）右乘客位置。

3.熱感覺和熱舒適與皮膚溫度的關系

為了分析熱感覺、熱舒適性和皮膚溫度之間的關系，對汽車客室熱環(huán)境和人體熱舒適性的實驗數(shù)據(jù)進行了整理和分析。

人體各局部和全身的熱感覺和熱舒適與皮膚溫度呈線性擬合關系。研究發(fā)現(xiàn)，在所有實驗條件下，熱感覺與皮膚溫度呈正相關，而熱舒適性則相反。實驗結(jié)果還表明，即使在相同的皮膚溫度下，不同的實驗人員的熱感覺和熱舒適性也有很大差異。結(jié)果表明，所有的R2都很小，線性擬合不能很好地描述人體熱感覺和熱舒適性隨皮膚溫度的變化規(guī)律。

圖6 皮膚溫度與熱感覺的關系。a）用于頭部，B）用于軀干，c）用于大腿和d）用于全身

圖6分析了全身和幾個部位的熱感覺與皮膚溫度的關系。表3示出了熱感覺相對于皮膚溫度的回歸斜率和R2。局部熱感覺隨局部皮膚溫度變化的回歸斜率小于全身熱感覺隨全身皮膚溫度變化的回歸斜率。因此，總皮膚溫度（OST）是面積加權(quán)值，即：

其中TL是局部皮膚溫度，AL是人的身體元素上的對應局部表面積，并且A是人皮膚的表面積。

表3 熱感覺與皮膚溫度的回歸斜率和R2

通過對夏季和冬季實驗條件的比較，發(fā)現(xiàn)冬季實驗中人體各部位和全身的熱感覺均高于夏季實驗。此外，即使在相同的皮膚溫度下，人們在冬季實驗條件下也比在夏季感覺更熱。造成這種現(xiàn)象的一個原因是冬季實驗下的客室空氣溫度高于夏季實驗。另一個原因是冬季試驗時服裝規(guī)范的熱阻大于夏季試驗時的熱阻。較高的環(huán)境溫度和較大的熱阻導致在冬季實驗中比在夏季實驗中更高的熱感覺。軀干熱感覺隨局部皮膚溫度變化的回歸斜率最接近全身。其他身體部位的回歸斜率為0.4至0.6，這意味著除了軀干以外的所有身體部位增加1 °C，圖5室內(nèi)空氣溫度。a）駕駛員位置，B）副駕駛員位置，c）左乘客位置和d）右乘客位置。局部熱感覺增加0.4-0.6。在所有人體局部熱感覺隨皮膚溫度變化的斜率中，大腿的斜率最小，這是因為在不同的實驗條件下，大腿的溫度變化較大。此外，下臂的R2大于整個身體，但其他身體部位小于整個身體。這意味著這些區(qū)域中的熱感覺比整體熱感覺更擴散，并且因人而異。

圖7 皮膚溫度與熱舒適性的關系。a）用于頭部，B）用于軀干，c）用于大腿和d）用于全身

圖7分析了人體熱舒適與全身及局部皮膚溫度的關系。表4示出了熱舒適性相對于皮膚溫度的回歸斜率和R2。軀干是所有身體部位中最接近全身的，而其他身體部位的回歸斜率的絕對值低于全身，為0.4 ~ 0.7。研究發(fā)現(xiàn)，熱舒適與熱感覺不具有相同的規(guī)律，具有更多的不確定性。結(jié)果表明，當駕駛員和乘客處于熱的汽車乘員室內(nèi)時，除軀干外的所有身體部位的皮膚表面溫度每升高1 °C，局部熱舒適性降低0.4 ~ 0.7。在相關系數(shù)方面，熱舒適與皮膚溫度的R2小于熱感覺。結(jié)果表明，人體熱舒適性的差異大于熱感覺的差異。這樣，通過測量皮膚表面溫度可以粗略地估計身體各部分的熱感覺和熱舒適性。從這一部分來看，軀干是身體的與整體熱感覺和熱舒適性最相關的身體部分。

表4 熱舒適性與皮膚溫度的回歸斜率和R2

4.局部和整體熱感覺與熱舒適性的關系

為了分析人體各部位及全身的熱感覺與熱舒適的關系，將人體各部位的局部熱感覺與整體熱感覺進行線性擬合。并且熱舒適性也類似地擬合。圖8示出了頭部和軀干的擬合曲線，并且局部熱感覺和熱舒適相對于整體熱感覺和熱舒適的R2示于表5中。發(fā)現(xiàn)頭部和軀干與全身相關性相對較強。人體其他部位的熱感覺與熱舒適的相關系數(shù)均小于0.5。此外，肢體熱舒適的相關系數(shù)小于相同身體部位熱感覺的相關系數(shù)。這表明這些人體部位的局部熱舒適與整體熱舒適的相關性大于這些人體部位的熱感覺與整體熱感覺的相關性。

圖8 局部和整體熱感覺與熱舒適的關系。a）頭部熱感覺，B）頭部熱舒適，c）軀干熱感覺和d）軀干熱舒適。

表5 局部熱感覺和熱舒適相對于整體熱感覺和熱舒適R2

之后，根據(jù)實驗條件對實驗數(shù)據(jù)進行分類和平均。圖9解釋了乘客艙中的人的平均局部和總體熱感覺與熱舒適性之間的關系。將身體部位分為上半身和下半身進行分析。在所有實驗條件下，人體處于熱狀態(tài)，即熱感覺投票大于零。從圖9中可以看出，身體各部位的平均局部熱感覺隨著整體熱感覺的增加而增加，熱舒適性也是如此。在熱感覺方面，只有頭部熱感覺的變化大于全身，增加了4.38。原因是頭部受空調(diào)影響，在較冷的實驗條件下，熱感覺低于全身。軀干熱感覺與全身熱感覺相似，增加3.88。其中大腿的熱感覺變化最小，增加了2.91，其他部位的熱感覺增加幅度小于全身。熱感覺在上身部位比在下身部位增加更多。當整體熱感覺達到4時，頭部和軀干的熱感覺最接近整體熱感覺。在熱舒適性方面，只有頭部和軀干的熱舒適性變化大于全身，其他身體部位的熱舒適性變化均小于全身。此外，還發(fā)現(xiàn)頭部、軀干和全身的熱舒適變化大于熱感覺變化，而其他局部身體部位則相反。通過對這部分的研究發(fā)現(xiàn)，頭部和軀干是與整體熱感覺和熱舒適性最相關的身體部位。

圖9 平均局部和整體熱感覺與熱舒適的關系。a）上半身的熱感覺，b）下半身的熱感覺，c）上半身的熱舒適性和d）下半身的熱舒適性

5.局部與整體熱感覺及舒適性的比較

人體各部位與全身的熱感覺和熱舒適差值如圖10所示。差值是每個身體部分的值減去整個身體的值。在本研究的客室熱環(huán)境和人體熱舒適性實驗中，所有人體均處于熱狀態(tài)。對不同實驗條件下人體熱感覺和熱舒適性的平均分析表明，只有大腿的熱感覺略大于全身的熱感覺，說明大腿比全身暖和。其他局部熱感覺均小于整體熱感覺，說明在客室熱環(huán)境中，人體各部位的綜合作用使整體熱感覺大于各部位的個體作用。在熱舒適性方面，人體各局部的熱舒適性均高于整體的熱舒適性，這也說明局部的熱不適會使整體的熱舒適性處于較差的狀態(tài)。人體的熱舒適性受最不舒適的身體部位的影響要比受舒適的身體部位的影響大得多。

圖10 身體部位與全身的差值：a）熱感覺和b）熱舒適性。

結(jié)論

本研究針對實際空調(diào)工況下的乘客室內(nèi)熱感覺和熱舒適性進行了冬夏兩季的實驗研究。測量并分析了地面溫度、空氣溫度、人體皮膚溫度、熱感覺和熱舒適性評分。得出以下結(jié)論：

3. 人體各部位的綜合效應使乘客的整體熱感覺大于各單獨部位的局部熱感覺，整體熱舒適性主要受最不舒適部位的影響。

文獻來源：Xu, X., Zhao, L., andYang, Z., “Field Experimental Investigation on Human Thermal Comfort in VehicleCabin,” SAE Technical Paper 2022-01-0195, 2022, doi:10.4271/2022-01-0195.