本文綜合考慮環(huán)境參數(shù)、人體代謝調(diào)節(jié)、服裝熱阻等因素,建立乘員艙熱環(huán)境模型,驗證了不同風量\風溫組合下呼吸點溫度仿真結(jié)果與試驗值具有較強的一致性。在此基礎(chǔ)上引入EHT(Equivalent Homogeneous Temperature)等效溫度方法和評價標準,研究了光照強度、外界溫度、車速、風溫及風量對EHT值影響。最后研究發(fā)現(xiàn)乘員艙人體達到舒適,存在多種風量/風溫組合,因此引入風感不舒適度DR(Drought Risk)作為舒適度評價之一,給出合理的風量/風溫組合策略。

關(guān)鍵詞

主要內(nèi)容

客艙空調(diào)一直是用戶體驗中相當重要的一部分，其最終目標是在不同工況下總是能提供給乘客舒適 性，提升用戶的駕乘體驗品質(zhì)、提高駕駛效率和安全性。目前空調(diào)舒適性開發(fā)主要是通過實車標定路試，以頭部、腳部溫度為標定目標，依靠標定工程師經(jīng)驗和主觀感受進行標定?，F(xiàn)行的開發(fā)方法會存在整體舒 適度局限性、主觀評價隨機性、優(yōu)化方法少等問題。但最重要的是，舒適度是人體受到周圍環(huán)境的影響后 所產(chǎn)生的生理上的反饋，僅僅以空氣溫度作為標定目標就忽視了人體和周圍環(huán)境的交互過程。 

人體對于熱舒適的感受雖然是主觀的，但其本質(zhì)是人體內(nèi)外熱交換的表現(xiàn)結(jié)果。前者包括新陳代謝活動、血液循環(huán)、出汗、顫抖等生理過程，而后者包含了與環(huán)境之間的傳導(dǎo)、對流和輻射。在過去的幾十年 內(nèi)，研究者們基于熱傳遞方程提出了各種體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)預(yù)測模型，并通過不同的舒適性評價指標來 量化人體熱舒適度，雖然各種模型對于舒適度的描述不一致，但是達成的共識是除了空氣溫度，風 速、濕度、長短波輻射、穿衣量等等同樣是影響人體舒適性的重要因素。而客艙往往具有空間狹小、隔熱 差，受陽光輻射、溫度分布不均勻的環(huán)境特點，這就意味著達成客艙舒適的目標需要對客艙整體環(huán)境以及 人體生理過程進行全面的描述。 

近年來，研究者們已經(jīng)開始基于人體舒適性作為目標來開發(fā)空調(diào)系統(tǒng)。Ruzic and Stepanov研究了陽 光輻射對客艙局部溫度場和人體舒適性的影響；Konstantinov and Wagner、Zhang et.al通過更改內(nèi)部 流場來優(yōu)化人體舒適性。楊志剛等采用試驗和 CFD 相結(jié)合方法，同時基于 Stolwijk 人體熱調(diào)節(jié)模型和Berkeley 熱舒適評價研究了 2 種送風方式下在冬季夜間乘員艙熱舒適性。不過較少提出對于滿足乘員艙舒 適的風量/風溫組合，如何給出合理的策略組合方案。本文主要基于環(huán)境參數(shù)、人體代謝調(diào)節(jié)、服裝熱阻等 因素，建立乘員艙熱環(huán)境模型，同時采用 EHT 等效溫度方法評價人體熱舒適性，并引入 DR 風感不舒適評 價，用于評價當乘員艙內(nèi)達到舒適時，給出合理的風量/風溫組合策略。

圖 1 為客艙 CFD 模型，按照熱邊界形式 CFD 模型劃分成四種類型的部件包括風道、客艙內(nèi)飾、玻璃 和假人，總網(wǎng)格在 30M 以上。在熱舒適性模型中，風速、溫度和人體熱損失都是影響最終等效溫度的重要因素，這些因素的計算精度需要通過正確的客艙熱邊界設(shè)置來保證。

客艙系統(tǒng)的完整傳熱過程包含客艙內(nèi)部和客艙/外界兩個子系統(tǒng)。客艙邊界外側(cè)與環(huán)境空氣沒有接觸的 零件（方向盤、內(nèi)后視鏡等）設(shè)置為絕熱?？团撨吔缤鈧?cè)與空氣接觸時，就需要考慮更為復(fù)雜的客艙/外界 傳熱。為了減輕計算負擔，通常不會對車身結(jié)構(gòu)進行建模，但如果不考慮玻璃外側(cè)的強制對流、內(nèi)飾外側(cè) 與車身間的自然對流、內(nèi)飾的熱傳導(dǎo)等熱交換過程會使客艙的熱負荷減小，高估空調(diào)系統(tǒng)的性能。STARCCM+在熱邊界設(shè)置中提供了“Enviroment”的選項提供了解決方案，其傳熱原理如圖 2 所示?！癊nvironment”邊界通過對外部環(huán)境的降維，同時能夠保證傳熱的計算精度和計算效率，客艙邊界設(shè)置如Table 1 所示。

圖 2 客艙內(nèi)外熱邊界示意圖

在客艙流場計算過程中通常會包含 HVAC 和風道結(jié)構(gòu)，HVAC 決定了各風道的風量分配比，風道決定 了進風過程中冷氣的壓損和出風后的流線走向。但在計算溫度場時，主機和風道因其周圍結(jié)構(gòu)復(fù)雜較難準 確評估熱損失，導(dǎo)致出風口的溫度邊界往往存在偏差。本文先通過給定風量計算包含 HVAC 主機的流場（不 帶溫度場）并提取出風道出風口的流場結(jié)構(gòu)，將其作為客艙熱舒適性計算的入口的速度邊界。各出風口的 溫度差異通過 1D-CFD 軟件和試驗對標后給出。模型中包含 IP 的風口結(jié)構(gòu)以保證出口風向正確，出風風向 通過調(diào)節(jié)格柵角度與標定工況保持一致，即全開模式。夏季工況采用內(nèi)循環(huán)的進風策略，因此客艙的出口 位置設(shè)置在 IP 下方。為了與實驗進行對標，在每位乘員呼吸點設(shè)置測點，其坐標與實驗保持一致。本文中 的所有仿真結(jié)果均為穩(wěn)態(tài)值。

圖 3 鼓風機風量和頭部測點平均溫度分布曲線

本文通過環(huán)境風洞（climatic wind tunnel）夏季自動空調(diào)舒適性實驗監(jiān)測前排乘客的頭部測點平均溫度 來驗證 CFD 模型計算精度。環(huán)境倉內(nèi)溫度 35°C，輻射強度 850W 和 500W，車速恒定在 50kph。在試驗開 始前先經(jīng)過曬車，當客艙平均溫度到達 60°C 后開啟空調(diào)。在計算過程中，每個假人的頭部附近布置 3 個 溫度測點，空間坐標與標定試驗保持一致。圖 3 為鼓風機風量、頭部測點平均溫度和自動空調(diào)模式的變化 曲線。當內(nèi)部溫度場達到相對穩(wěn)定后，客艙內(nèi)部的空氣流動造成了測點溫度的小幅波動，因此穩(wěn)態(tài)溫度取 模式切換前 100s 的平均溫度。表 2 為實驗和仿真對比，從結(jié)果可知，仿真結(jié)果均會低于實驗值。這是因為 實驗中并未達到完全的穩(wěn)態(tài)，內(nèi)飾一直處于降溫階段，因此測點在內(nèi)飾的長波輻射下會略高于完全穩(wěn)態(tài)值。然而仿真結(jié)果仍舊保持了較高的精度，與實驗的誤差基本控制在 2°C 以內(nèi)。

圖 4 為 850w/35°C 工況下 Auto22 模式的 CFD 仿真結(jié)果，其中 (a)為各乘員表面太陽輻射云圖，(b)為 各乘員表面風速云圖和流線分布。太陽輻射通過前檔風玻璃、天窗部分直射到前排乘員的小腿、臉、軀干 上，而后排乘員幾乎不受到太陽輻射。另一方面，在全開模式下，前排風口的冷氣流大部分（除主駕左臂/左手）是直接穿過前排空間到達后在后排乘員表面發(fā)散，因此相對于前排乘員，后排乘員的整體吹風感略 強 。因此后排的頭部測點溫度會略低于前排。

(a) 

(b)

圖 4 Auto22/850w 各乘員表面風速和太陽輻射云圖

乘員艙熱舒適性通常是指乘員在艙內(nèi)環(huán)境中，由于空氣溫度、濕度、空氣流速、平均輻射溫度等環(huán)境 因素的共同作用，以及乘員自身的著裝、活動狀態(tài)等主觀因素的影響，所達到的一種對熱環(huán)境表示滿意的 意識狀態(tài)。這種狀態(tài)下，人體的產(chǎn)熱和散熱速率能夠保持基本平衡，使得乘員不會感到過熱或過冷，從而 保持舒適的乘坐體驗。本文首先討論了乘員艙內(nèi)人體熱舒適性的評價指標，其中以 EHT 作為本文的評價 指標，接著研究外界熱環(huán)境因素對 EHT 值的影響情況。

人體熱舒適性的客觀量化通常需要同時考慮人體周圍環(huán)境和人體生理的綜合傳熱過程，因此空氣溫 度，空氣流速、輻射、濕度、人體生理強度、穿衣指數(shù)等都是影響舒適性的因素。人體熱舒適性評價指標 自圖 5 于 1970 年提出 PMV/PPD 以來已經(jīng)形成了多種評價體系，目前主流的除 PMV/PPD 外，還包括 DTS、EHT、Berkley Model 等。PMV/PPD 和 DTS 模型都是針對人體全局熱感知直接預(yù)測 7-point ASHRAE 指標(-3: cold, -2: cool, -1: slightly cool, 0 neutral, 1: slightly warm, 2: warm, 3: hot)。EHT 模型是以人體散熱量 為基礎(chǔ)來定義舒適性的，該模型將人體周圍空間等效為無風速的虛擬環(huán)境，通過實際環(huán)境和虛擬環(huán)境下人 體熱損失的對等關(guān)系建立人體傳熱模型，計算出人體等效溫度。EHT 的計算表達式為：

其中 Teq為等效溫度°C，Tsf為人體表面溫度°C，heq為等效干熱傳遞系數(shù) W ? m?2? K?1，其值來自文獻, q”為表面熱損 W ? m?2。

EHT 相對于 PMV/PPD 的優(yōu)勢在于可以評估人體各部位的局部舒適度，對客艙人體舒適性的描述將更 加精準?；?nbsp;EHT 模型的舒適度評價指標也與 PMV/PPD 略有不同，根據(jù)的定義，將人體局部等效溫度 從冷到熱劃分為 5 個區(qū)間。本文基于的人體部位劃分原則，對具有相似舒適性感知的人體部位進行合并 重組，最終每個假人分為 14 個部位（圖 5a），計算達到穩(wěn)態(tài)時提取出每個部位表面溫度、表面風速、散熱 量以計算等效溫度，并根據(jù) 7-point ASHRAE 指標對局部舒適性區(qū)間進行重新劃分，如圖 5b 所示。

圖圖 6 表示夏季工況下（內(nèi)循環(huán)）客艙的傳熱示意圖。環(huán)境溫度和陽光輻射將熱負荷傳入客艙內(nèi)，HVAC通過調(diào)節(jié)風溫風量和外界環(huán)境將客艙溫度控制在舒適范圍內(nèi)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，客艙熱平衡滿足：

其中 Cp為空氣比熱容 J/(kg ? °C)，ρ為空氣密度 kg/?3，默認為常量。V為鼓風機體積流量?3/?，Tin為風 道出風口溫度°C，Tenv為環(huán)境溫度°C、Qsun是太陽輻射熱流量 W，UA 為客艙等效熱導(dǎo)率 w ? m?1? K?1，在 車身材料、體積保持常量的前提下，車速 sp 是影響該值的主要因素。Warey et.al 在中提出，在無光照的 極寒環(huán)境下，客艙熱導(dǎo)率在低車速(Sp < 80kph)時與車速呈線性相關(guān)，而在更高車速時，該值趨于穩(wěn)定。Tout 為出口溫度，表征的是客艙的整體溫度場，也是人體等效溫度的構(gòu)成基礎(chǔ)，因此本文中以V、Tin、Tenv、Qsun、sp 作為影響因素，Teq作為評估對象。文中所有算例中風向均采用全開狀態(tài)，陽光源放置在客艙正上方， 即 azimuth=180°，altitude=90°。另外因為主駕受到太陽輻射和風速的作用較為明顯，且各部位的舒適度差 異較大，以下僅針對主駕整體舒適度權(quán)重系數(shù)高、舒適性波動較大的部位進行分析討論，包括 Head, Torso, LAL, LH, RAU, LLL。 

如圖 7 陽光輻射、環(huán)境溫度、車速等環(huán)境因素的變化對客艙內(nèi)局部流場并未產(chǎn)生較大的改變，因此等 效溫度的變化主要來自于整車熱負荷的變化。根據(jù)式 Tout與 Tenv、Qsun成線性相關(guān)，人體等效溫度也遵循這 一規(guī)律，隨著外界負荷的上升，等效溫度線性上升，如(a)、(b)所示。除了 LLL 部位等效溫度對太陽輻射 的靈敏度較高，其他部位上升斜率基本保持一致。(c)表示車速對等效溫度的影響，在忽略整車氣密性的 前提下，車速直接改變的是玻璃外側(cè)的對流換熱量而影響客艙熱負荷。從圖中看出，Sp < 70kph 時，人體 等效溫度整體隨著車速的上升而下降，Sp >70kph 時，車速對人體等效溫度幾乎沒有影響。值得注意的是， 除了 Head 和 Torso，其他人體部位在 Sp < 70kph 均出現(xiàn)了拐點。這是因為對于夏季工況，玻璃外側(cè)壁面溫 度是由玻璃的吸收率、玻璃導(dǎo)熱率、客艙溫度共同決定，車速的提高對于客艙熱負荷的增減是不確定的， 這也代表客艙等效熱導(dǎo)率 UA 是具有小幅波動。

(a)陽光輻射

(b)環(huán)境溫度

(c)車速

(d)風量

(e) 風溫（風量 100m3/h）

(f) 風溫（170m3/h）

圖 7 環(huán)境因素對人體各部位等效溫度的影響

V、Tin的變化直接或是間接地會影響客艙的流場，導(dǎo)致人體表面風速和表面溫度的改變而影響舒適度。等效溫度與V的關(guān)系如(d)所示。隨著風量的上升，等效溫度的下降幅度逐漸平緩，表現(xiàn)出了反比例函數(shù)的 特征。特別是在低風量（100m3/h-170m3/h）時等效溫度出現(xiàn)“斷崖式”的下降。因為在低風量和高風量狀 態(tài)下客艙的流場結(jié)構(gòu)不具有相似性。這一現(xiàn)象也延伸到了風溫和等效溫度的關(guān)系上。在低風量下（圖(e)），Head 和 Torso 附近的流場結(jié)構(gòu)被溫度場影響，因此對于這些部位來說，低風溫不一定會帶來較低的人體等效溫度。然而隨著風量逐漸增大后（170m3/h），在相似的流場結(jié)構(gòu)下，溫度重新成為人體等效溫度的主導(dǎo) 因素，如圖(f)所示。

圖 8 為 850w/35°C 工況下，頭部/整體舒適度=0 時（完全舒適），出風溫度和頭部測點溫度的對應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，隨著出風溫度的升高，此時對應(yīng)的測點溫度也大致呈現(xiàn)上升的趨勢。因為隨著風量的增 大，人體表面風速對人體舒適度的增益能夠讓人在適當升高的空氣溫度下達到最舒適狀態(tài)。值得注意的是， 在 Tin<8.5°C 時，主駕在完全舒適的狀態(tài)下對應(yīng)的測點溫度較為恒定。這是因為在低風量情況下主駕人體 的表面風速極低，達到完全舒適相當于處于一個溫度分布均勻的環(huán)境，此時對于人體舒適度，空氣溫度是 絕對的主導(dǎo)因素。另一方面，頭部測點的溫度僅僅只能表征出頭局部的舒適性，F(xiàn)igure8 同樣比較了基于整 體和頭部局部舒適度兩種策略下選擇完全舒適的V/Tin組合時頭部測點溫度的變化。在 Tin=8.5°C 左右側(cè)呈 現(xiàn)了兩種大小趨勢。Tin<8.5°C 時基于頭部局部舒適度的策略的組合對應(yīng)的測點溫度更低，請求的風量就更 大，這是因為在小風量下，風的走向較低，頭部達到完全舒適后，其他部位已呈現(xiàn)偏冷的趨勢；在 Tin>8.5°C時, 則正好相反。

圖 8  850w/35°C 工況，頭部/整體舒適度=0 時，出風溫度和頭部測點溫度的對應(yīng)關(guān)系。藍色：主駕，紅色：左乘

從理論上來看，對于給定的外界工況，根據(jù)當前模型可以計算出無數(shù)的V/Tin組合。然而，在實際的標 定過程中，標定工程師會在各種限制下僅選擇一組合適的值。圖 9 (a)為 850w/35°C 工況下，Auto22 模式 乘員各部位的等效溫度和對應(yīng)的舒適度。從結(jié)果來看，當前標定狀態(tài)只保證前排乘員為舒適狀態(tài)，而后排 乘員舒適度偏低，并未達到客艙的全員舒適。圖 9 (b)為前排乘員舒適度為-1~1 時，前后排的乘客全局舒適 度差異分布。后排乘客的全局舒適度平均比前排乘客低 1 個等級，且風量越小，前后排的舒適性差異越大。如果要保持所有乘客都處于舒適區(qū)間，傳統(tǒng)標定方法需要通過多輪的路試才能獲得合適的V/Tin組合。

 (a) 850w/35°C 工況下，當前標定Auto22 乘員各部位等效溫度和舒適度

(b) 前后排的舒適度差異

圖9  舒適度

在夏季工況時，增大吹風感可以降低人體等效溫度從而提升舒適度。然而，風速過大后加強了人體表 面的蒸發(fā)散熱同樣帶給人不舒適。Fanger將這該舒適度量化，Draught 是由空氣移動所引起的人體局部 的不舒適感，Draught Risk(DR)是因此而導(dǎo)致的不滿意人數(shù)百分比，定義為：

其中 Tair表示空氣溫度；vair表示空氣流速，若 vair<0.05，則取值 0.05；Tu表示湍流強度， DR 通常不應(yīng)大 于 40。對于夏季工況的乘客來說，需要關(guān)注 DR 的人體區(qū)域主要是上半身和裸露區(qū)域，包括臉部、手臂和 手。圖 10 為 850w/35°C 工況下，V/Tin組合分別為 210m3/h / 7°C 和 360m3/h / 13°C 兩種組合的主駕和左乘 的 Draught Risk 云圖分布，這兩種組合下所有乘員均處于舒適狀態(tài)。從圖中可以看出，除了主駕的左臂/手無法避開來自左側(cè)風口吹風，前者關(guān)注部位的 DR 值幾乎沒有超過上限；相反的，360m3/h / 13°C 組合給 主駕和左乘的臉部都帶來不同程度的不舒適感。在標定過程中，通過 Draught Risk 可以限制需求的風量上限。

(a) 210m3/h / 7°C

(b) 360m3/h / 13°C

圖 10 不同V/Tin組合人體表面 Draught Risk 云圖分布

基于上述的限制，當前模型篩選出更符合全員舒適的 Auto22 風量風溫組合，優(yōu)化結(jié)果如表 6 所示。優(yōu)化后的組合不僅達到了全員舒適，同時通過風量控制了 Draught Risk。同樣的，基于這一方法可以獲得 任何外界環(huán)境條件下優(yōu)化的風量/風溫組合，大大減少了標定工程師在路試中試錯的時間。

1、本文中采用了 CFD 仿真技術(shù)手段，綜合考慮了環(huán)境參數(shù)、人體代謝調(diào)節(jié)、衣服熱阻等，建立乘員 艙熱舒適性模型，計算了外溫 35°C，兩種光照強度 850W 和 500W 呼吸點溫度，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果，二 者差異在 2°C，存在較高的一致性；

2、通過研究發(fā)現(xiàn)人體等效溫度與外界溫度、光照強度、車速、HVAC 風量/風溫存在如下關(guān)系： 

（1）外界溫度/光照強度與人體等效溫度成線性相關(guān)，隨著外界負荷的上升，等效溫度線性上升； 

（2）車速 < 70kph 時，人體等效溫度整體隨著車速的上升而下降，車速 >70kph 時，車速對人體等效 溫度幾乎沒有影響； 

（3）風量與人體等效溫度反比例函數(shù)的特征關(guān)系，當風量從 100m3/h-170m3/h 變化時等效溫度呈急劇 下降，后隨著風量增大，人體等效溫度呈緩慢降低； 

（4）風溫與人體等效溫度關(guān)系取決于風量的大小，當?shù)惋L量情況，風溫與人體等效溫度呈非線性關(guān) 系，當高風量情況，風溫與人體風溫符合線性關(guān)系；

3、當滿足舒適度存在多個風溫/風量組合，DR 風感不舒適度可以作為其中的評價之一，從中選取滿 足 DR 風溫/風量組合。

莊國華,梁長裘,王達成,等.基于EHT等效溫度的夏季乘員艙熱舒適性研究[C].2024中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會學術(shù)年會論文集.2024:217-226.