駕駛室內人體熱舒適性的探討

齊海燕

（長春師范大學，吉林 長春 130032）

由于熱舒適性的評價存在主觀復雜性，導致熱舒適模型的多樣化。目前研究人員多采用三維CFD 軟件對駕駛室內乘員的熱舒適性進行計算，但只能直接求出成員身體各部分的流場和溫度場，間接采用熱舒適模型求出人體的舒適度。

熱舒度研究的目標是找到一個或一組影響人們熱舒適度感覺的因素，并對這些因素進行控制滿足舒適要求。有6 個變量決定了人的冷暖感覺，其中四個歸于環境因素：空氣溫度、平均熱輻射溫度、空氣流速、濕度；另外兩個歸于人體本身：活動和穿衣。

1 PMV 模型

在標準ASHRAE55 中熱舒適性被定義為人們對熱環境的滿意度。該標準提出了一個健康人處在穩定熱環境下，預測熱感覺和不舒適度等級的方法，給出了一個成年人在3km 海拔以下人體能接受的舒適度。適用于在室內舒適環境和稍偏離舒適環境下的評測。

此標準對大量人群進行樣本調查，把人對冷熱的感覺劃分7 個等級，且采用投票率PMV(predicts the mean value of the votes)來表述：PMV=3(熱)、2(暖)、1(較暖)、0(中性)、-1(稍涼)、-2(涼)、-3(冷)。

PMV 等式如下：

（1）式中tcl表達如下：

（1）式中變量hc和fcl表達如下：

PMV 的經驗關聯式如下：

式中L 為人體產熱與向外界環境排熱的差值：

tcl、tr、hc和L共4個未知量，其他量均為輸入量或顯式求解量。通過聯立4 個方程（1）（2）（3）（6）的就可以用MAPLE、Matlab 等數學軟件求解。

上述公式中各個變量的說明：M-每平方米新陳代謝率；W-每平方米勞動輸出；Icl-衣服熱阻；fcl-衣服外表面積與皮膚表面積比率；va-平均風速；ta-空氣溫度；Tr-平均輻射溫度；Pa-水蒸氣分壓；hc-對流換熱系數；tcl-衣服外表面溫度。

PMV 雖然是在穩態情況下得到，但是對于一個或多個變量的小波動可以采用一小時內的平均值來計算。PMV 計算是基于人體熱平衡假設的，PMV 的指標只有PMV 值在-2-2 之間才有意義。且各變量在以下取值范圍內才有效：M：58-116 W/m2(1-2 met)；Icl：0-0.310 m2K/W (0-2 clo)；ta：10-30℃；tr：10-40℃；va：0-0.2 m/s；pa：0-1910 Pa。

2 PPD 模型

PMV 指標代表大部分人在相同環境下的熱感覺，但人與人之間存在生理差別，因此提出預測不滿意百分比PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied）指標，即為預測不滿意百分數。也就是說此環境下PMV投票中值為小于-2 和大于+2 人數的百分比。PMV 與PPD 之間存在一定的定量關系：

3 熱邊界條件的輸入

在人體達到穩態熱平衡情況下，影響PMV 和PPD 模型的主要環境因素有以下幾個：空氣溫度，平均熱輻射溫度，空氣流速，濕度。對這四個環境因素可以做如下理解：空氣溫度(ta)主要指環繞人體周圍空氣的平均溫度，它受地理位置和時間持續長短制約；平均熱輻射溫度(MRT)指人體所在位置周圍所有二維面的平均溫度，此值有可能大于或小于空氣平均溫度；空氣流速(va)指人體所在位置的平均風速；濕度指在一定溫度下，一定量的空氣中水蒸氣的含量。

除了上述環境因素，還應考慮太陽輻射的角度和一些地理數據，諸如太陽方位角、坡度、天頂角、偏轉角、時間角、海拔、標高等。計算平均輻射溫度需要這些必須的數據。

4 人體本身條件的輸入

計算熱舒適模型需要的人體本身條件包括兩方面，一方面是人體活動水平，該因素影響人的新陳代謝率；另一方面是服裝層數，該因素影響人體與外界的熱阻。

人在各種活動下的新陳代謝率可參看標準ASHRAE 55。一般上重型卡車的駕駛員新陳代謝率為180W/m2，小型汽車駕駛員新陳代謝率為60-115W/m2，乘員安靜乘坐新陳代謝率為60W/m2。

駕駛員和乘員所穿服裝的層數是影響熱阻的主要因素。不同穿衣組合下熱阻疊加的方法可以獲得各種不同著裝的典型穿衣組合熱阻。

衣服的熱阻Icl的測量單位為clo，1 clo=0.155 m2°C/ W，clo 值最小為0，最高為4clo(皮衣、皮褲，穿外套且帶帽子手套)。夏季穿衣熱阻一般為0.6 clo，冬季穿衣熱阻一般為1clo。穿1 clo 衣服的人，久坐的在21℃，相對濕度50%，空氣流速為0.01 m/s 環境下會感到舒適。同時衣服的多孔率會影響水蒸氣在衣服中的傳質進而影響衣服的熱阻，透射率因子(Fpcl)值為0 時代表不可穿透，為1 時為無阻隔（不穿衣服）。

5 總結

由于駕駛室是一個受太陽輻射強度影響較大的復雜包絡環境，氣流不均勻，駕駛室內不同位置的輻射強度差異較大，因此把人體分成若干部分，每個部分單獨求解舒適度方程較為合理。即通過CFD 程序求解各部分的相關物理量，再代入PMV 方程進行求解。可見PMV，PPD 基礎熱舒適模型對于駕駛室內熱舒適度的改進尤為重要。

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