摘要

目前純電動汽車?yán)m(xù)航里程受環(huán)境影響程度較大。本文以SUV車型為研究對象，利用計算流體力學(xué)軟件搭建了乘員艙的數(shù)學(xué)模型，耦合了人體熱生理模型，將 Berkely熱舒適性評價模型用于乘員艙內(nèi)人體熱舒適性的評測。針對高溫工況分別就送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度和送風(fēng)濕度對乘員艙內(nèi)部熱環(huán)境、空調(diào)的總負(fù)荷以及人體熱舒適性的影響程度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在送風(fēng)風(fēng)速由低到高改變的過程中，乘員的整體熱舒適性會先上升，后下降，且能耗也隨之升高。且在較低送風(fēng)風(fēng)速條件下，送風(fēng)溫度的變化對整體熱舒適影響有限。送風(fēng)濕度對熱舒適的影響程度要弱于送風(fēng)溫度和送風(fēng)風(fēng)速。同時本文將送風(fēng)風(fēng)溫、送風(fēng)相對濕度、送風(fēng)風(fēng)速作為自變量，把乘員的整體熱感覺、整體熱舒適指標(biāo)乃至空調(diào)系統(tǒng)總負(fù)荷當(dāng)作研究對象，擬合出它們之間關(guān)系的回歸方程。利用多參數(shù)優(yōu)化分析的方式，不同送風(fēng)參數(shù)對熱舒適性和空調(diào)負(fù)荷的影響進(jìn)行耦合分析。把乘員的整體熱舒適指標(biāo)的目標(biāo)值設(shè)置成 0，把空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷降目標(biāo)值設(shè)置成最小值，并且使乘員的整體熱舒適指標(biāo)與空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷二者的權(quán)重均設(shè)置成 1，求取最佳方案，實現(xiàn)在提高熱舒適性的同時減小空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷的目的。

前言

與燃油汽車相比，純電動汽車被關(guān)注的問題之一就是續(xù)航里程焦慮問題［1］。為解決里程焦慮問題，科研工作者做出了很多的工作。車輛熱系統(tǒng)的優(yōu)化研究方面也做了很多工作。其中，在乘員艙熱舒適性及空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷確定方面也受到重視。據(jù)美國汽車學(xué)會統(tǒng)計，電動汽車在夏季 35 ℃的情況下，空調(diào)系統(tǒng)制冷導(dǎo)致的續(xù)航里程衰減也達(dá)到 10%［2］。因此如何降低空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷成為提升電動汽車?yán)m(xù)航里程的重要的研究方向之一。在人員熱舒適性方面，用戶對車輛乘坐的熱舒適性的要求也越來越高。如何提升車內(nèi)空間的熱舒適性已成為車輛開發(fā)中對駕乘環(huán)境的人性化需求之一。

對乘員艙熱舒適性研究是從艙內(nèi)流場的分析開始。Nielsen［3］首先利用仿真方法對室內(nèi)空氣流動進(jìn)行模擬，并通過實驗得到驗證。Komoriya ［4］利用在乘員艙內(nèi)進(jìn)行煙流實驗的方式，將艙內(nèi)氣流可視化并進(jìn)行了一系列分析。Ishihara 等［5］也在完整的一個乘員艙內(nèi)進(jìn)行了PIV（particle image velocimetry）的實驗，同樣也是研究了其中的氣流狀態(tài)。但是，考慮到汽車乘員艙空間狹小且外形不規(guī)則等問題，同時該實驗中涉及的人員較多，無法同時獲得所有人的熱舒適性數(shù)據(jù)。所以最后仍然是在乘員艙中進(jìn)行模擬計算，通過計算機統(tǒng)計來收集數(shù)據(jù)，如此一來降低了試驗成本，成為研究手段的主流。Stankator 等［6］采用了CFD（computational fluid dynamics）計算模擬，研究了空調(diào)制冷對熱舒適度的影響。孫學(xué)軍等［7］于1996 年建立了乘員艙內(nèi)部的二維穩(wěn)態(tài)模型并進(jìn)行數(shù)值分析。鞠升宇［8］通過仿真的方式，優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的控制方式，讓駕駛員的熱舒適性達(dá)到最佳狀態(tài)。葛吉偉［9］通過仿真方法，分析了乘員艙內(nèi)空氣流場受空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)的影響，通過調(diào)節(jié)各送風(fēng)參數(shù)，提高了行車安全性與乘坐舒適性。

隨著對乘員艙熱流場分析技術(shù)的發(fā)展，對人體熱舒適性的評價從 PMV-PPD（predicted mean vote predicted percentage of dissatisfied）發(fā)展到專為汽車熱環(huán)境設(shè)計的 Berkely 熱舒適評價模型。該評價模型可以實現(xiàn)對乘員艙熱環(huán)境進(jìn)行擬人化深入分析，提升駕乘人員的熱舒適。Zhang 等［10-13］研究了汽車乘員艙在不穩(wěn)態(tài)、不均勻熱環(huán)境下的特性，并通過Berkely 熱舒適模型對身體各部位局部的熱舒適和整體熱舒適進(jìn)行了分析。呂鴻斌等［14］綜合考慮了人體熱舒適性和能耗方面的因素，以人體熱舒適性作為降低能耗的評價標(biāo)準(zhǔn)。范華玉等［15］則采用 CFD仿真分析和 EQT（equivalent temperature）評價指標(biāo)，通過調(diào)節(jié)純電動汽車送風(fēng)溫度，在冬季工況下成功地降低了 47% 的能源消耗。蘇楚奇等［16］使用 AEQT（整體熱感覺舒適性偏差）指標(biāo)進(jìn)行評估，算出了空調(diào)系統(tǒng)所提供的具體制冷量。通過改變空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)速風(fēng)溫，分析了某商用車的乘員艙內(nèi)的人體熱舒適性和能耗占比。為了進(jìn)一步準(zhǔn)確反饋熱舒適性，人與環(huán)境間的熱量傳遞規(guī)律也被考慮在模型中。因此，F(xiàn)iala模型［17-18］被熱環(huán)境研究者重視，用于人體熱響應(yīng)和熱舒適性預(yù)測。它將血液流動、呼吸、蒸發(fā)、代謝、顫抖、心輸出量等因素綜合考慮，并模擬與環(huán)境的局部熱交換。

本文利用某款 SUV 車型，將描述人體熱調(diào)節(jié)的Fiala 模型和 Berkely 熱舒適模型與乘員艙進(jìn)行耦合建立仿真分析模型。通過仿真模型分析乘員艙送風(fēng)口多種送風(fēng)參數(shù)對空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷及乘員熱舒適性的影響，如風(fēng)速、溫度和濕度。并利用多參數(shù)回歸求解的方式獲得滿足熱舒適性情況的空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷。

1　仿真模型及實驗驗證

為考慮汽車內(nèi)乘客的熱舒適性，本文建立乘員艙三維模型以及假人熱模型進(jìn)行仿真分析，并且與室外暴曬條件下的駐車降溫實驗對仿真模型進(jìn)行驗證。

1.1 三維模型

基于自有的 SUV 車輛模型以及乘員身體三維幾何模型，可以獲得完整的車輛內(nèi)部的乘員艙 CAS（concept a surface）模型，進(jìn)而創(chuàng)建其計算域。模型內(nèi)表面簡化后的模型如圖1和圖2所示。

為了在計算模型中加載太陽輻射強度，并考慮到車窗部位的傳熱，以及車窗玻璃的內(nèi)、外表面與周圍空氣的表面?zhèn)鳠?，首先須要對該模型的?nèi)外表面進(jìn)行網(wǎng)格清理。選中車窗的玻璃部分，在模型中以拉伸的方法使玻璃具有厚度，以此獲得玻璃的內(nèi)外表面，從而建立玻璃內(nèi)外表面與各自對應(yīng)的空氣間的交界面，最后在詳細(xì)的邊界數(shù)值設(shè)置中輸入需要的值，實現(xiàn)車窗玻璃部分的計算模型設(shè)置。簡化后的模型如圖3所示。

本文采用行李箱底部設(shè)置乘員艙出風(fēng)口，并對其進(jìn)行垂直拉伸，防止氣流回流導(dǎo)致流場失真。進(jìn)出風(fēng)口位置如圖4所示。

為對人體的熱舒適性進(jìn)行分析，本文導(dǎo)入了人體的三維模型。目的是在模型中輸入人體的生理參數(shù)，并使用Berkely熱舒適性模型對人體熱舒適性進(jìn)行分析。人體模型如圖5所示。

1.2　網(wǎng)格劃分

在處理網(wǎng)格時，根據(jù)各部位所需要的精細(xì)程度和表面重要性應(yīng)當(dāng)選擇不同的網(wǎng)格尺寸。例如，空調(diào)進(jìn)氣、出氣口部分的網(wǎng)格最為重要，因此須將這部分網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，其最大網(wǎng)格尺寸調(diào)整為 2 mm，而相對來講重要性偏低一點的車門部分網(wǎng)格最大尺寸則偏大一些，設(shè)置成8 mm。全部處理好的網(wǎng)格細(xì)節(jié)可見圖6。

使用切割體網(wǎng)格，對乘員艙內(nèi)部、車窗玻璃和虛擬風(fēng)洞分別采用4層逐層加密域進(jìn)行計算。車窗位置則采用雙層加密域。這種方法使得計算域分離，分別進(jìn)行處理。

為驗證網(wǎng)格無關(guān)性，本文選用乘員艙內(nèi)的 3 個指標(biāo)來對其進(jìn)行驗證和評價，參數(shù)分別為乘員艙內(nèi)平均溫度、平均濕度和風(fēng)速，并按照 CSAE 標(biāo)準(zhǔn)《汽車空調(diào)系統(tǒng)最大降溫性能試驗規(guī)范》［19］進(jìn)行驗證。通過仿真驗證后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乘員艙內(nèi)部計算域有不低于739萬個網(wǎng)格后，乘員艙內(nèi)部平均溫度、平均濕度和風(fēng)速數(shù)值不再改變，可以認(rèn)為該模型已經(jīng)不再受網(wǎng)格影響。其次，在設(shè)置好車窗玻璃外表面的對流換熱系數(shù)之后，當(dāng)總網(wǎng)格數(shù)不低于 755 萬時乘員艙內(nèi)的環(huán)境參數(shù)不再有明顯變化，這說明車窗玻璃處的網(wǎng)格已經(jīng)不會對計算結(jié)果有明顯影響。

1.3　模型邊界條件設(shè)置

乘員艙內(nèi)流場的計算，其中包含乘員在車上的熱乘坐舒適性的計算，一定要考慮可設(shè)定的太陽輻射、導(dǎo)熱系數(shù)、溫度和濕度等。本文所涉及算例的物理模型主要選用表面至表面輻射以及灰體熱輻射，以此來模擬乘員艙內(nèi)各個表面之間的輻射情況和反射情況。

對于汽車來說，其乘員艙內(nèi)部的熱負(fù)荷主要包括車圍熱負(fù)荷、玻璃熱負(fù)荷、送風(fēng)熱負(fù)荷、人體熱負(fù)荷以及電氣設(shè)備熱負(fù)荷。它們有如下關(guān)系式：

車圍主要包括車頂、側(cè)圍、前圍、后備箱及車底板。這些部位由于太陽能輻射以及外部環(huán)境溫度的變化，自身外表面溫度就會發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)外溫差，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量將由高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)，所以車圍熱負(fù)荷即為

至 于 其 他 電 氣 設(shè) 備 可 以 按 照 定 值 考 慮 ，取Qo =200 W。

車身結(jié)構(gòu)以外的發(fā)動機部件，其中包含車頂內(nèi)襯、信息娛樂系統(tǒng)、副儀表板、前圍、轉(zhuǎn)向盤、座椅靠背、座椅靠背、大理石地板、車門等主要部件，每一個部件都不同于發(fā)動機部件，都有不同的熱和輻射特性。本文內(nèi)容將各機件所在空間簡化為外殼金屬件形式簡化加工，發(fā)動機蓋不同區(qū)域相當(dāng)于多層結(jié)構(gòu)所需材料統(tǒng)一，簡化層間熱阻［20］。

人體部分皮膚三維模型是借助將三維人體分成21個部分來設(shè)置的，目的是分析特定區(qū)域的熱舒適性。人體活動水平為 1. 5Met，即 87. 15 W/m2，身高設(shè)置為 50 百分位男性，體脂設(shè)定為 14. 95 kg。著裝水平設(shè)置為中性水平，相當(dāng)于上半身著長袖、下半身著 長 褲 ，在 此 情 況 之 下 涉 及 到 的 各 參 數(shù) 詳 情見表1。

1.4　實驗驗證

實驗用車采用與三維仿真模型一致的 SUV 汽車。并在室外進(jìn)行利用駐車暴曬實驗對仿真模型進(jìn)行驗證。在實驗進(jìn)行的過程中，關(guān)閉門窗和空調(diào)制冷。在預(yù)先設(shè)置好的溫度監(jiān)測點設(shè)置溫度傳感器，可以測量各監(jiān)測點所在位置的溫度。實驗現(xiàn)場如圖7所示。

實驗中共布置有 11個監(jiān)測點，監(jiān)測點布置如圖8所示。在每個座椅處乘員的頭部和小腿上設(shè)置溫度監(jiān)測點，以驗證仿真模型與化學(xué)實驗的匹配性。而為了持續(xù)監(jiān)測整個乘員艙的環(huán)境狀態(tài)，在乘員艙的中央位置也設(shè)置一個溫度監(jiān)測點。各個溫度監(jiān)測點的溫度探頭采取探出并懸掛的形式安裝，以避免各部位材料的熱量積聚，對溫度探頭造成溫度干擾。

實驗在吉林大學(xué)風(fēng)洞實驗室外空地進(jìn)行，確定該實驗位置經(jīng)緯度為 43. 815°N、125. 259°E。并通過位置坐標(biāo)獲得太陽輻射強度數(shù)據(jù)，輸入仿真模型實現(xiàn)實驗與仿真對標(biāo)。

實驗過程中，車外環(huán)境變化大致如下：平均風(fēng)速在 1~3 m/s 的 范 圍 內(nèi) 變 化 ，室 外 的 溫 度 變 化 處 于16. 4~17. 2 ℃的 范 圍 內(nèi) ，太 陽 輻 射 強 度 變 化 處 于380~390 W/m2的范圍內(nèi)。為達(dá)到仿真模型與實車實驗匹配的目的，在模型設(shè)置的過程中，通過為每一個壁面添加各自相應(yīng)的修正系數(shù)的方式，使得最終該數(shù)字模型的各壁面?zhèn)鳠嵝Чc實車盡可能匹配。通過不斷地實驗與修正后總結(jié)出一定規(guī)律，即幾乎各車內(nèi)表面添加的傳熱系數(shù)修正數(shù)為 0. 8 W/（m2·K）時，則可以降低仿真與實際實驗的誤差至 10% 以下，實驗過程中的檢測點溫度對比如圖9所示。

2　結(jié)果與分析

乘員艙空間比較狹窄，乘客的熱舒適性感受空調(diào)送風(fēng)參數(shù)影響較大。因此本文利用上面的仿真分析，分別對送風(fēng)風(fēng)速、送風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度進(jìn)行分析。并在分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱舒適性分析，同時利用Pareto圖和回歸方程得到滿足熱舒適性要求并減少空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的最優(yōu)解。

2. 1　分析工況及方案

本文采用夏季炎熱環(huán)境下高速行駛工況進(jìn)行仿真分析，并且參考 CSAE標(biāo)準(zhǔn)《汽車空調(diào)系統(tǒng)最大降溫性能試驗規(guī)范》［19］設(shè)置仿真算例的環(huán)境參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置如下：外界環(huán)境溫度設(shè)置成 43 ℃；太陽輻射設(shè)置成 1 000 W/m2，其中高度角和方位角均設(shè)置成 90°；相 對 濕 度 設(shè) 置 成 50%；汽 車 速 度 設(shè) 置 成60 km/h。針對乘員艙內(nèi)的熱舒適性分析，分別從指定截面速度和溫度場、假人表面的熱舒適性兩方面進(jìn)行分析。而為了更好地研究與分析乘員的周圍空氣速度與溫度，以及乘員艙空調(diào)進(jìn)氣對乘員前后流場的影響，本文特選取兩個截面，用以方便分析上述問題，這兩個截面分別命名為 X0、Y0，兩平面互相垂直且與地面垂直。其中，Y0截面所在位置為主駕駛員的對稱平面，其法向方向為汽車側(cè)向，X0截面是駕駛員橫向截面，法向方向為汽車前進(jìn)方向。X0截面和Y0截面在模型中的位置如圖10所示。

為進(jìn)行假人表面的熱舒適性分析，采用假人表面不同部位設(shè)置采樣點的方式對假人表面的熱舒適性進(jìn)行分析。假人表面采樣點設(shè)置如圖11所示，包含了人體的各個不同位置。

2. 2　送風(fēng)風(fēng)速影響

首先分析乘員艙送風(fēng)風(fēng)速的影響情況，而乘員艙進(jìn)風(fēng)溫度、濕度選用定值。具體工況如下：進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)置成 15 ℃，空氣相對濕度 65%；送風(fēng)風(fēng)速分別為 3、8 和 13 m/s。得到結(jié)果后以變量對駕駛員周圍的流場情況、熱舒適性和車內(nèi)總熱負(fù)荷的影響情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

首先對Y0面上的乘員艙內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)對駕駛員臉部和頸部周圍的氣流流動進(jìn)行分析。圖 12所示為不同風(fēng)速對艙內(nèi)駕駛員前后的流場影響。送風(fēng)風(fēng)速設(shè)置成3 m/s的情況下，空氣流動效果在整個駕駛室內(nèi)都較不明顯。足部空間的氣流流動較弱，對熱舒適性的影響不明顯。隨著送風(fēng)風(fēng)速的增加，空氣吹到乘員艙上部后，流向逐步向下改變，這些氣流會在后排座位空間呈環(huán)形流動形成渦旋，并部分回流到前排腳部空間。說明風(fēng)速的提高對乘員艙內(nèi)整體的熱舒適性的影響較明顯。從Y0截面的不同送風(fēng)風(fēng)速下的溫度分布也可以看出，通過送風(fēng)風(fēng)速的提高，腳部空間的溫度得到較好的改善。同時乘員艙內(nèi)的整體溫度也獲得了明顯下降。Y0截面的溫度分布如圖13所示。

從人體各部位熱舒適性分布也可以看出，在駕駛員頭部的熱舒適性在風(fēng)速比較低時，熱舒適較差。隨著風(fēng)速的增加，頭部熱舒適性呈現(xiàn)由差變好再變差的現(xiàn)象。說明提高風(fēng)速可以改善人體的熱舒適性，原因是過高的風(fēng)速又會降低熱舒適性。而腳部空間的熱舒適性則隨著風(fēng)速的增加而提升。以上現(xiàn)象表明，乘員艙內(nèi)氣流的組織對駕乘人員的熱舒適影響非常明顯。人體各部位熱舒適性分布如圖 14所示。

由于送風(fēng)風(fēng)速大小對人體各部位的熱舒適性、熱感覺都會產(chǎn)生不同的影響，同時送風(fēng)風(fēng)速大小又會導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷的變化。因此，本文將 5 個參數(shù)受送風(fēng)風(fēng)速影響的情況進(jìn)行分析，所述5個參數(shù)為：駕駛員的局部熱感覺與熱舒適、駕駛員的整體熱感覺與熱舒適、空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷量，如圖15所示。

由圖 15（a）~圖 15（c）可以看出，送風(fēng)風(fēng)速的變化對人體局部熱感覺和局部熱舒適影響較為明顯的區(qū)域為腳部及下臂，其次部位為頭部、手部及頸部。所以提高乘員的熱舒適性，首先要考慮對這些部位所接觸氣流的風(fēng)速情況進(jìn)行優(yōu)化。

由圖 15（d）可以看出，空調(diào)系統(tǒng)的熱負(fù)荷隨著風(fēng)速增加而逐漸增大。當(dāng)增大送風(fēng)風(fēng)速至13 m/s時，乘員艙熱負(fù)荷比送風(fēng)風(fēng)速為3 m/s時增加1 328. 27 W。而熱舒適水平并沒有隨著風(fēng)速的增加而提升，在送風(fēng)風(fēng)速增大過程中出現(xiàn)了先增后降的現(xiàn)象。因此，高風(fēng)速并不能提升熱舒適的水平，且增加了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷。合理風(fēng)速和艙內(nèi)氣流組織的配合才能從送風(fēng)風(fēng)速的角度提升熱舒適性降低能耗的問題。

2. 3　送風(fēng)溫度影響

送風(fēng)溫度也會影響乘員的熱舒適性及空調(diào)系統(tǒng)的能耗。因此，本文對送風(fēng)溫度的影響進(jìn)行了分析。具體工況為：送風(fēng)溫度分別設(shè)置成 5、10和 15 ℃；同時不變的量有空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)相對濕度，選為65%；風(fēng)速為 3 m/s。針對上面風(fēng)速最差的工況從送風(fēng)溫度的角度對乘員艙的熱舒適性及能耗進(jìn)行分析。同樣分別從對駕駛員周圍環(huán)境、駕駛員熱舒適及艙內(nèi)熱負(fù)荷3個方面進(jìn)行分析。

X0和 Y0截面的溫度分布云圖如圖 16 所示。在相同的空氣流動前提下，送風(fēng)溫度的變化對乘員艙的整體溫度分布影響較大。在送風(fēng)溫度為 15 ℃條件下，后排和后艙空間環(huán)境溫度約為 30 ℃，很大程度上影響了乘員的熱舒適感受。另外，由于提升了送風(fēng)溫度，車身各個壁面附近的溫度顯著升高。進(jìn)一步提升墻壁的環(huán)境溫度會進(jìn)一步提高人體皮膚與金屬表面輻射的環(huán)境溫度，從而使駕駛員的整體熱感覺和整體熱舒適性受到影響。從圖 16（b）的溫度分布可以看出，送風(fēng)風(fēng)速過低會導(dǎo)致駕駛員足部及下肢部位所在空間氣流擾動較弱，換熱能力較差。由送風(fēng)溫度升高引起的溫度升高比其他區(qū)域更加明顯。

在高溫工況和送風(fēng)溫度較低的工況下，從圖 17中可以看出面部附近區(qū)域，局部熱感覺、局部熱舒適皆處于較差狀態(tài)，送風(fēng)溫度對熱舒適性的影響不大。對于面部、手部等區(qū)域，送風(fēng)溫度對熱舒適性的影響較明顯，它的提高可以明顯提升熱舒適性。分析原因是頭部區(qū)域為背向氣流方向的區(qū)域，其熱舒適性的影響主要來自空間的整體溫度。而面部和手部區(qū)域?qū)儆诔驓饬鞣较虻膮^(qū)域，其熱舒適性的影響主要來自送風(fēng)溫度。因此兩部分區(qū)域?qū)Σ煌惋L(fēng)溫度的敏感程度不一致。

通過圖 17（d）可以看出，送風(fēng)溫度的變化對人體整體熱感覺的影響不明顯，從 5 ℃工況到 15 ℃工況，熱感覺提升了 0. 096。而送風(fēng)溫度提高的過程中，臉和手兩部分的熱舒適水平降低較為明顯，這直接影響了人整體的熱舒適性，當(dāng)送風(fēng)溫度由 5 ℃提升至15 ℃的過程中，人整體熱舒適下降了0. 470，同時空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷相對減小88%。

2. 4　送風(fēng)濕度影響

除了送風(fēng)溫度和送風(fēng)風(fēng)速的影響外，送風(fēng)空氣的濕度也會對乘員艙的熱舒適產(chǎn)生影響。因此本文從不同送風(fēng)濕度對人體熱舒適性及空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的影響角度進(jìn)行分析。具體工況為：相對濕度為35%、50% 和 65%；送風(fēng)風(fēng)速為 8 m/s。而考慮到濕度和溫度對熱舒適性的共同影響，本文在濕度變化的基礎(chǔ)上同時考慮了送風(fēng)溫度的影響。送風(fēng)溫度設(shè)定為：5、10、15 ℃。圖18所示為不同送風(fēng)溫度和濕度情況下乘員艙的整體熱感覺、熱舒適與空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的變化情況。

從圖18可以看出，在乘員艙送風(fēng)溫度相對較低時，濕度的增加會使整體熱舒適稍有提升。在乘員艙送風(fēng)溫度相對較高時，濕度的增加反而會降低整體熱舒適。但是，相較于乘員艙送風(fēng)溫度和送風(fēng)風(fēng)速來說，送風(fēng)的濕度對整體熱舒適的影響較弱。而空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷則隨著乘員艙送風(fēng)濕度的提升而降低，因為送風(fēng)濕度提升后更接近于空氣濕度，降低了除濕的能耗。所以，保持空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)濕度與大氣濕度接近可以降低其能耗。

2. 5　多參數(shù)優(yōu)化分析求解

不同送風(fēng)參數(shù)中的送風(fēng)溫度、送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)濕度對熱舒適性的影響并不是獨立存在的。需要針對不同送風(fēng)參數(shù)對熱舒適性和空調(diào)負(fù)荷的影響進(jìn)行耦合分析。因此，本文將乘員艙的送風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度、送風(fēng)風(fēng)速作為自變量，而選取乘員的整體熱感覺以及整體熱舒適、汽車空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷大小為因變量，建立了二者間關(guān)系的回歸方程。置信區(qū)間為95%，作為送風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度、送風(fēng)風(fēng)速對乘員艙內(nèi)駕駛員的整體熱感覺、整體熱舒適指標(biāo)以及空調(diào)系統(tǒng)運行所承載的負(fù)荷大小的影響的可信度判斷標(biāo)準(zhǔn)。以此獲得Pareto圖，如圖19所示。

從圖 19 可以看出，乘員艙的送風(fēng)風(fēng)溫、送風(fēng)風(fēng)速以及溫度與風(fēng)速之間的交互效應(yīng)，這三者對于乘員艙的整體熱感覺和熱舒適性評價影響最為顯著，而送風(fēng)濕度的影響則相比之下并不明顯。從圖 19（c）可以看出，對于空調(diào)系統(tǒng)的熱負(fù)荷，濕度和溫度的交互作用成為了影響空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的顯著影響因素。因此，對送風(fēng)濕度的調(diào)節(jié)可以提高乘員的舒適性，但對空調(diào)系統(tǒng)能耗影響不大。

根據(jù)上述分析，忽略送風(fēng)濕度的影響，再次使用DOE 實驗設(shè)計并擬合曲線，以得到空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷和乘員的整體熱舒適度兩者關(guān)于乘員艙送風(fēng)風(fēng)速、送風(fēng)風(fēng)溫兩個參數(shù)的擬合回歸方程。

優(yōu)化后的Pareto圖如圖20所示。從圖中可以看到，各個主效應(yīng)參數(shù)對該擬合回歸方程的表現(xiàn)均較為顯著，每個該擬合回歸方程擬合效果也較好，式中每一項的 p 值均低于 0. 02，其中，Coverall 擬合公式相關(guān)性系數(shù)為 95. 92%，Q的擬合公式相關(guān)性系數(shù)為99. 41%，說明擬合效果好。

依據(jù)上面分析的基礎(chǔ)上獲得的回歸方程，可以使降低空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷與提高乘員的熱舒適性問題得到參數(shù)的最優(yōu)解。乘員的整體熱舒適最佳狀態(tài)“0”，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷盡可能降到最低，將二者權(quán)重比例設(shè)置成 1，在此條件下求解送風(fēng)系統(tǒng)最優(yōu)情況下的送風(fēng)參數(shù)。最終得到如下結(jié)果，即在外界環(huán)境溫度為43 ℃，太陽輻射強度被設(shè)置成1 000 W/m2，其中太陽輻射的高度角、方向角均為 90°的條件下，送風(fēng)參數(shù)的最佳值為：空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)溫仍為 15 ℃，送風(fēng)風(fēng)速 10. 507 m/s，在此情況下空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷估算 值為4 562. 62 W（置信度高于95%的區(qū)間為4 559. 12~4 566. 12 W），整體熱舒適估算值為 0. 000 01（置信度高于95%的區(qū)間為-1. 491，1. 491）。

將 上 述 最 優(yōu) 解 與 以 下 3 個 方 案 相 對 比 ，結(jié) 果如表 2所示。其中：方案1，送風(fēng)風(fēng)溫5 ℃，送風(fēng)風(fēng)速8 m/s；方案2，送風(fēng)風(fēng)溫10 ℃，送風(fēng)風(fēng)速13 m/s；方案3，送風(fēng)風(fēng)溫5 ℃，送風(fēng)風(fēng)速13 m/s。

可以看出最優(yōu)解效果明顯好于其他 3種方案效果。該最優(yōu)解與其他 3 種方案相比，整體熱舒適提升效果分別為2. 652、3. 565和4. 378，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷降低效果分別為 6. 47%、8. 69% 和 14. 08%，最終完成了在提高乘員熱舒適性的同時也降低了空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的要求。

3　結(jié)論

本文分析了乘員艙在高溫環(huán)境下在幾個送風(fēng)參數(shù)變化的條件下，乘員的整體熱舒適和空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化情況。最終擬合乘員的整體熱舒適、空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷與上述幾個送風(fēng)參數(shù)之間的回歸方程，并在均衡考慮乘員熱舒適性和空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的情況下得出了在外界環(huán)境溫度為43 ℃、太陽輻射強度被設(shè)置成1 000 W/m（其中太陽輻射的高度角、方向角均為 290°）的條件下送風(fēng)參數(shù)的最優(yōu)解，并得出了以下結(jié)論。

（1）只提升空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)速的情況下，乘員艙內(nèi)乘員的整體熱舒適會有隨著氣流擾動程度的增大先上升、但當(dāng)風(fēng)速上升到一定程度后反而又下降的趨勢，而空調(diào)系統(tǒng)能耗是隨著送風(fēng)風(fēng)速的提升不斷升高的。所以，單獨提高空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)速這一個參數(shù)顯然不經(jīng)濟(jì)。

（2）在空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)速相對較低的情況下，單獨控制空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度的變化來研究其乘員艙內(nèi)乘員的整體熱舒適的影響時，會發(fā)現(xiàn)其影響并不明顯。但是若同時調(diào)整送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)風(fēng)溫則可以對乘員整體熱舒適有較明顯提升。

（3）送風(fēng)濕度對熱舒適的影響程度要弱于送風(fēng)溫度和送風(fēng)風(fēng)速。對于空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，空調(diào)系統(tǒng)的能耗則隨送風(fēng)濕度的增加而降低。在保證熱舒適的前提下，適當(dāng)維持送風(fēng)濕度可以降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

（4）多參數(shù)優(yōu)化分析方法可以兼顧熱舒適和空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷，達(dá)到同時優(yōu)化的目的。以整體熱舒適目標(biāo)值為“0”、空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷最低為目標(biāo)求解出了基于擬合方程的最佳送風(fēng)參數(shù)。