乘员舱热舒适性评价指标

 摘    要  

 在汽车中达到可接受的热舒适水平的关键是了解热环境，人体温度调节及乘员对热舒适的感知。与一般建筑环境不同的是，乘员舱内部的热环境受许多环境参数的影响，如通风口送风参数、车体内外壁的表面温度及太阳辐照度等。当驾驶员打开空调系统时，车内温度和相对湿度会迅速变化。由于乘员舱的局限性和复杂性，此时的气流也将变得不均匀和瞬变。此外，个体因素也会很大程度上影响乘员的热体验。因此，在乘员舱的热舒适设计阶段，应充分考虑这些因素对舒适性的影响。

在乘员舱环境的热舒适度评估方面，目前还没有通用的国际标准，学术界对车辆热舒适的多数研究方法也参照了建筑环境的研究方法。此外，热舒适研究的数值方法和实验方法也存在诸多优缺点，合理充分利用２种方法以兼顾成本和设计精度非常重要。

 01 热舒适性影响因素 

人类的热舒适感非常复杂，它涉及特定条件下人的生理和心理状态。是人体对与室内条件有关的热刺激进行“心理-身体反应”的结果。热感觉主要取决于人体温度，而人体温度又取决于舒适度因素的作用。提供一个满足所有驾乘人员舒适性要求的驾驶舱空间环境非常困难，一方面由于热环境变化的多样性，另一方面是驾乘人员个体的差异性。研究表明，对人体热舒适起主要影响作用的因素共有六个，其中人体周围的平均空气温度，相对空气速度，相对空气湿度和平均辐射温度为客观环境因素；服装热阻和人体新陈代谢率为人为因素。客观环境因素受外部气候环境影响，复杂多变且彼此之间相互作用相互影响。人为因素在于个人年龄、文化背景、衣着衣服的热物理特性（例如衣服的隔热性和耐蒸气性）、活动状态的不同，对舒适状态有着不同的要求与期待。

（1）平均空气温度

空气温度是表征热环境的主要指标，被认为是对整体热舒适起决定性作用的影响因素。人体对气温变化的感知十分灵敏，可以对周围热环境的冷热程度做出敏锐判断。当空气温度上升，人体排汗量和皮肤温度升高，人体主观热感觉偏向热感觉；当空气温度下降，人体皮肤下层微血管则会收缩，使皮肤温度下降。我国绝大多数地区夏季较为炎热，驾驶舱内平均温度应保持在 25~28℃，内外温差保持在 5~7℃较为适宜，避免过大温差引起的热冲击影响人体健康；冬季严寒时平均温度保持在 15~18℃即可。

（2）相对空气速度（流速）

空气速度对人体热舒适的影响主要体现在对皮肤蒸发传热和人体对流换热量的影响。合理改善人体周围空气流速，可以提高热环境与人体皮肤表面的换热系数，加速皮表汗液的蒸发速度，降低皮表舒润度，即便在环境温度偏高时，也可以相对提高人体舒适度，在一定程度上补偿舒适温度的上限。研究表明，驾驶舱内最佳空气流速范围为 0.15~0.5m/s。

（3）空气相对湿度

空气相对湿度指一定体积的空气在同温度同压强下实际水蒸气含量与饱和水蒸气含量之比。通过国内外研究发现：当环境温度适中（20~25℃）时，空气相对湿度于 30~85%之间变化，此时对人体热感觉的影响非常小。但在环境 温度≥28℃，空气相对湿度≥70%情况下，人体皮肤潮湿，空气相对湿度决定人体蒸发散热量，成为影响人体热感觉的主要因素。

（4）平均辐射温度或长波与短波辐射强度

平均辐射温度取决于人体姿态、位置、衣着、四周壁面温度等，是四周区域壁面对人体辐射换热作用温度的平均值。热辐射存在于任意两种不同温度的物体之间，总是由高温一方向低温一方辐射散热，直至温度相等。人体辐射散热量会随着周围环境的平均辐射温度变化而变化，当外界平均辐射温度升高，人体辐射散热量则会下降，人体主观舒适反应向热方向偏移。夏季汽车往往曝晒在高强度太阳辐射天气下，在行驶过程中外界热量以热辐射形式由挡风、侧窗玻璃和车身围护结构向驾驶舱内传递，使得舱内平均温度上升，从而影响人体热舒适性。

考虑人体热调节模型时，如基于Fiala模型的用于预测热舒适响应的动态人体热生理模型和UCB的人体热调节模型，涉及到人体与周围表面的辐射换热，包括人体体表与太阳辐射之间的短波辐射换热量和人体体表与周围环境（地面与大气）之间的长波辐射换热量。因此，短波与长波辐射强度也是重要的影响因素。

（5）服装热阻

在人体热平衡的过程中，衣着服饰的存在起到了保温和阻湿的作用，是人体与外界进行热交换的第二媒介。一方面，服装的附加阻力阻碍皮肤表面水蒸气扩散，借助毛细现象传输和吸收汗液，增加了皮肤的蒸发换热热阻；另一方面，服装吸收部分汗液，汗液蒸发冷却皮肤。因此服装在外部环境和人体之间的湿热调节所形成的微小气候有助于人体达到热舒适的状态。

（6）人体新陈代谢率

新陈代谢是生命活动的基本特征。可以将人体本身看做一个热源，通过新陈代谢将摄入的食物分解使其化学能转变为热能，从而不断释放热量。所以人体新陈代谢的强弱缓急都会影响人体的热平衡与热交换。当环境温度在 20~30℃ 范围内时，静止状态的人体新陈代谢率处于平稳状态，若环境温度升高或降低，人体新陈代谢率会随之增加。

02 评价指标 

由于乘员热舒适性是乘员对周围环境所做的主观满意度评价，科学的热舒适性评价标准是分析乘员舱热环境和评价乘员热舒适性的前提。汽车乘员舱热环境通常体现在人体的热舒适感觉上。汽车的乘员舱狭窄、形状复杂，还具有瞬态不均匀的特性，与常规的建筑热环境相比，对于热舒适性的评价方法具有较高的要求。

最初，人们评价热舒适主要集中在温度与风速上面。但由于体质、生活环境等的差异，不同的人之间对于热舒适的接受范围也不尽相同

PMV-PPD

1967 年，Fanger 教授提出了著名的 PMV 评价方程， 即预期平均热感觉， 代表绝大多数人在当前环境下的热感觉，用于评估人体在不同环境条件和不同活动水平下的舒适度。随后，为了将热感觉指标 PMV 转变为热舒适性指标，又提出了预计同一环境中群体对热感觉所造成热舒适水平的投票平均值 PPD。根据美国采暖制冷与空调师协会ASHRAE 55及ISO 7730关于PMV-PPD判定标准的规定，当-0.5≤ PMV≤ +0.5，PPD≤ 10 %时，为推荐热舒适性状态，但PMV-PPD热舒适性评价模型不适用于汽车乘员舱高度不均匀的非稳态环境。PMV-PPD关系图如 1所示。

图1 PMV-PPD关系图

  EQT

 2001 年，针对 Fanger 教授理论的局限，在 SAE 报告中提出了当量温度EQT 评价指标，即在一个气流分布均匀、相对湿度 RH 等于 50 %、空气温度与辐射温度相等的密闭区域里，调整温度使得假人某一身体部位散热量与其在真实环境中散热量相等，此温度就被定义为该身体部位所处的当量温度，但是EQT评价模型不利于全身水平下的舒适性评估，虽然有孙一宁利用乘客身体各部位的 EQT 距离最适 EQT 进行偏差统计，将其整合为全身水平的整体热感觉偏差 AEQT，但是并未经过主观实验验证，仍然存在局限。不同身体部位的 EQT 舒适范围如图 2。

Berkely热舒适模型

2009年，HuiZhang 针对汽车乘员舱非稳态、不均匀的热环境提出了Berkely热舒适模型，既强调身体各部位局部的热舒适，又考虑到全身水平的整体热舒适的重要性，针对汽车内热环境具有极高的适用性。相比于PMV-PPD和EQT热舒适性评价模型，Berkely热舒适性评价模型，它能较好的反应出狭小空间内局部和整体温度的不均匀性、不稳定性，由四部分组成：局部热感觉、局部热舒适、整体热感觉、整体热舒适。虽然 Berkely评价模型存在着计算困难的局限，但随着计算机科技的发展，计算速度日趋提高，其显著的优势也使各大汽车研究机构逐渐将注意力转至其上。Berkely  热舒适模型的感觉和舒适度按照九个等级进行评价。感觉与评价等级对应表与 PMV 的七级表相似， 但包括了更多的极端感觉（ 非常热和非常冷），“ 0”表示“ 中性”热感觉，如下图 3 所示。

机器学习方法

 近年来，机器学习方法由于其优秀的非线性拟合能力和自学习能力等特点也引起了研究人员的广泛关注。Warey等人研究了几种机器学习方法，目的是从整个客舱的传感器估计客舱乘客的等效温度。研究首先开发了一个车辆座舱的数值 模型，并系统地生成了一个涵盖影响乘员热舒适性的所有约束条件的数据集，如环境温度、太阳位置、车辆方向、车辆速度及车窗玻璃属性等。通过对任何边界条件的组合，机器学习算法能够灵活地实现对乘员热舒适性的预测。

[1] FIALA D. Dynamic simulation of human heat transfer and thermal comfort [D]; Leicester, UK: IESD, De Montfort Univ, 1998.

[2] 徐金诚. 考虑热负荷的某SUV乘员舱热舒适性评价与优化研究 [D]; 吉林大学, 2022.