摘    要   

本文提出了一種預(yù)測中型客車客艙內(nèi)熱舒適性的方法，目的是修改暖通空調(diào)(HV AC)管道設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，以提高乘員的熱舒適性。為此，從基線CAD模型中提取巴士腔體，包括具有各種座位位置的全坐式人體模型。計(jì)算模型中考慮了太陽能負(fù)荷，根據(jù)BSR/ASHRAE 55-1992R標(biāo)準(zhǔn)考慮乘客熱負(fù)荷。CFD模擬預(yù)測了基線模型下客艙內(nèi)的空氣溫度和速度分布。實(shí)驗(yàn)測量已按照APTA-BT-RP-003-07標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定的指南進(jìn)行。根據(jù)EVS EN ISO7730標(biāo)準(zhǔn)對CFD和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行分析，并根據(jù)PMV和PPD等熱舒適參數(shù)計(jì)算乘員舒適度。這些參數(shù)基于7點(diǎn)熱感覺量表，該量表定義了客車客艙內(nèi)乘員的熱舒適。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

01  前    言 

中型客車在美國，英國，烏克蘭很受歡迎，現(xiàn)在在印度巴士市場也是如此。它的設(shè)計(jì)、建造目的是為了運(yùn)輸載客量在23至34人之間，加上司機(jī)和乘務(wù)員。由于全球氣候變化不穩(wěn)定，夏季炎熱變長，冬季變短，因此，客車上的客戶都希望使用高壓空調(diào)?？蛻暨€需要一個(gè)有前途的高壓空調(diào)機(jī)組，它不僅能在波動(dòng)的環(huán)境溫度下有效地保持熱舒適，而且有助于達(dá)到BSR/ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55-1992 r的a級舒適性?？蛙嚫邏嚎照{(diào)的設(shè)計(jì)是為了在高速公路和城市交通等波動(dòng)的駕駛條件下保持熱舒適?？蛙嚫邏嚎照{(diào)風(fēng)道設(shè)計(jì)用于輸送空調(diào)空氣，對空氣進(jìn)行分流，使客艙內(nèi)的空氣溫度分布均勻。本文提出了一種基于CFD的中型客車客艙熱舒適性預(yù)測方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)測結(jié)果。由于全球氣候變化不穩(wěn)定，在汽車、航空、建筑環(huán)境等主要領(lǐng)域出現(xiàn)了熱舒適問題，客戶對空調(diào)的需求正在增加。由于包裝空間有限和來自玻璃的太陽輻射，熱舒適問題被觀察到。在設(shè)計(jì)客艙時(shí)需要考慮這種熱負(fù)荷。由于客艙內(nèi)部變化較大，客艙內(nèi)無法保持均勻的熱舒適。這也取決于坐在機(jī)艙內(nèi)的乘客的生理狀況。這使得很難滿足每個(gè)乘客在客艙空間的個(gè)人舒適度。每個(gè)地方和每個(gè)人所需的舒適艙內(nèi)環(huán)境條件都不相同。本研究預(yù)測了不同熱負(fù)荷下機(jī)艙的熱舒適性，如圖1所示。

這種熱負(fù)荷與客艙熱舒適性相互作用，導(dǎo)致客艙溫度升高?？蛙嚳团撌墙^緣的，可以在長時(shí)間行駛時(shí)保持低溫。為了利用CFD和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)測中巴車客艙內(nèi)的熱舒適性，客車車身面板采用了熱冷保溫，地板采用了聚氯乙烯片隔熱，玻璃上涂有紫外線保護(hù)膜，防止這些側(cè)艙熱負(fù)荷?？团撜w舒適度是根據(jù)來自不同乘客的熱負(fù)荷和考慮客艙燈熱負(fù)荷來確定的。

圖1  采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)的中型客車客艙的典型熱負(fù)荷

02  仿真模型

研究表明，不同類型公交車的熱舒適性隨乘客座位配置的不同而不同。在本案例中，熱舒適性研究了一輛右駕駛的中型客車，包括司機(jī)和服務(wù)員，可容納25名乘客。圖2顯示了一輛中型客車典型的25名乘客座位配置。

圖2  25座中型客車的座位配置

在目前的分析中，如圖3所示的典型人體工程學(xué)假人被轉(zhuǎn)換成如圖4所示的座位乘客模型。

據(jù)推測，人體模型的手與胸部和腹部相連。根據(jù)ASHRAE 55-1992R，座位乘客的代謝率為60W。在此基礎(chǔ)上計(jì)算了人體總表面的熱流密度，約為36.75 W/m^2。

圖3  APTA標(biāo)準(zhǔn)舒適模型人體部位的研究

在人體模型的清理過程中，相交的表面被刪除。假設(shè)由于座椅材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，人體模型到座椅沒有直接的熱損失。人體的溫度分布取決于人體周圍的速度分布。

圖4  在中型客車上，人體模型的清理和座位位置

03  結(jié)果分析  

預(yù)測CFD結(jié)果討論

圖5所示，進(jìn)入客艙的最大太陽熱通量為25.14 W/m^2。太陽熱通量最大的位置在玻璃窗處。圖6所示，最大太陽熱通量入射在公交車的左側(cè)。這是由于上述日期、時(shí)間和地點(diǎn)的太陽方向。以上太陽熱通量等高線有助于確定不同地點(diǎn)的太陽輻照量。

圖5  外部部件的太陽熱通量輪廓

圖6  內(nèi)部部件的太陽熱通量輪廓

圖7展示了母線外表面的溫度曲線。外表面觀測到的最高溫度為36℃，與環(huán)境溫度相當(dāng)，在高壓交流機(jī)組流入邊界附近觀測到的最低溫度為18℃。圖8展示了風(fēng)管和人體模型表面的靜態(tài)溫度?？梢杂^察到，風(fēng)管處于最低溫度，因?yàn)樗姓{(diào)節(jié)空氣，等于18°C的進(jìn)口空氣溫度。由于較高的入射太陽輻射，在巴士左側(cè)的人體模型座位上觀察到最高溫度。

在窗側(cè)的乘客座位上觀察到高溫，這是由于擴(kuò)散器在管道表面的法向上開得很大。人體模型的最高溫度為36°C，最低溫度為23°C。

圖7  外表面的靜態(tài)溫度輪廓

圖8  車內(nèi)側(cè)風(fēng)道和乘客的靜態(tài)溫度

圖9展示了公交車左右兩側(cè)的速度矢量。觀察到，來自左側(cè)風(fēng)道的氣流不會影響到靠近窗戶的乘客。因此，為了使靠近窗戶的乘客得到均勻的冷卻，必須修改風(fēng)管的設(shè)計(jì)。圖10展示了整個(gè)客艙內(nèi)以速度著色的路線。人體模型是通過靜態(tài)溫度著色的。由于駕駛員艙內(nèi)擴(kuò)散器角度不合適，導(dǎo)致氣流再循環(huán)。此外，觀察到客艙后部具有較低的速度。這是由于管道中的壓降。這也導(dǎo)致坐在巴士后排的乘客冷卻不當(dāng)。

圖9  ISO平面上的RH和LH V速度粒子跟蹤器

圖10  擴(kuò)散器空氣路徑線以速度著色

實(shí)驗(yàn)設(shè)置細(xì)節(jié)

      根據(jù)APTA標(biāo)準(zhǔn)測量環(huán)境溫度和濕度的典型位置如圖11所示。

圖11  實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)環(huán)境溫度測量

      下表1顯示了上述指定地點(diǎn)的空氣溫度和空氣濕度的測量值。

表1  環(huán)境空氣溫度測量

實(shí)驗(yàn)測量表明，車身周圍的平均環(huán)境溫度為36.13℃。開啟發(fā)動(dòng)機(jī)和高壓交流系統(tǒng)后，艙內(nèi)溫度穩(wěn)定需要15-20分鐘。

圖12  實(shí)驗(yàn)測試時(shí)太陽方向

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的熱舒適性系數(shù)

 圖13展示了基于實(shí)驗(yàn)測量的PMV?？梢杂^察到，頭部位置的PMV值要低得多，因?yàn)闆]有衣服覆蓋頭部。圖14展示了基于所有乘客位置的PMV的PPD值?？梢杂^察到，頭部位置的PPD值較高的原因與沒有衣服的寒冷相同。圖15顯示了不同位置的相對濕度測量值。這也是評估人體舒適度的參數(shù)之一。

圖13   基于實(shí)驗(yàn)測量的PMV

圖14   基于實(shí)驗(yàn)測量的PPD

圖15   實(shí)驗(yàn)測量相對濕度(%)

基于CFD的熱舒適性計(jì)算

圖16展示了根據(jù)APTA標(biāo)準(zhǔn)的典型空氣溫度測量位置。這些位置的空氣溫度和空氣速度是從CFD解決方案中提取的。圖17展示了使用CFD繪制的所有乘客位置的空氣溫度條形圖。我們觀察到，由于太陽輻射通過窗戶和擋風(fēng)玻璃進(jìn)入，頭部位置的溫度較高。柱狀圖還顯示，由于沒有陽光直射，腹部和小腿等部位的溫度較低。

圖16   空氣溫度測量的典型位置

圖17   基于CFD結(jié)果的空氣溫度

基于CFD的熱舒適系數(shù)

 圖18展示了基于預(yù)測空氣溫度和速度使用CFD計(jì)算的PMV，還觀察到頭部位置的PMV比實(shí)驗(yàn)中其他位置的PMV要低。圖19展示了使用基于CFD的PMV計(jì)算PPD的條形圖。可以觀察到，與實(shí)驗(yàn)情況類似，人體模型在不同位置的PPD值較高，因?yàn)檫@些位置沒有衣物隔熱。

圖18 基于CFD結(jié)果的PMV

圖19 基于CFD結(jié)果的PPD

 04  結(jié)論  

本文觀察到客艙內(nèi)玻璃的入射太陽輻射較大，導(dǎo)致客艙溫度升高。由于向駕駛室方向的風(fēng)管截面突然發(fā)生變化，以及擴(kuò)散器方向不正確，導(dǎo)致駕駛室內(nèi)的風(fēng)量減少，導(dǎo)致溫度升高。本文強(qiáng)調(diào)了需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)期望的乘員熱舒適。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，駕駛員和乘客艙內(nèi)的風(fēng)管布局、設(shè)計(jì)和擴(kuò)散器位置可以進(jìn)行優(yōu)化。