乘用車艙內(nèi)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)方法

常賀 王丹 許楠

（1.吉林大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司汽車工程研究院；3.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著汽車與人們的生活越來(lái)越密切，乘員在狹小封閉的乘員艙環(huán)境中的時(shí)間也越來(lái)越久，因此對(duì)車內(nèi)空間環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)是十分必要的。車內(nèi)環(huán)境一方面需要靠汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控，會(huì)產(chǎn)生能量的消耗，一方面與乘員的健康安全息息相關(guān)。文章總結(jié)研究了國(guó)內(nèi)外汽車乘員艙環(huán)境相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合我國(guó)車內(nèi)空氣質(zhì)量法規(guī)的要求，提出乘員艙環(huán)境評(píng)價(jià)要從車內(nèi)環(huán)境、車內(nèi)空氣質(zhì)量、乘員舒適性3 個(gè)層級(jí)綜合評(píng)價(jià)的思路，旨在探索車輛乘員艙環(huán)境評(píng)價(jià)方法，不斷滿足消費(fèi)者對(duì)汽車高品質(zhì)環(huán)境的需求。

1 乘員艙內(nèi)安全性評(píng)價(jià)

乘員艙內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量是否安全，是評(píng)價(jià)乘員艙內(nèi)安全性的最基本指標(biāo)，同時(shí)也對(duì)人們的健康尤為重要[1]。因?yàn)槌藛T艙是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的密閉空間，夏天的暴曬會(huì)使車內(nèi)材料（儀表臺(tái)、座椅、內(nèi)飾覆蓋材料等）以更快的速度散發(fā)出有機(jī)化合物（VOC）。當(dāng)車內(nèi)VOC 的質(zhì)量濃度達(dá)到一定范圍時(shí)，乘員會(huì)出現(xiàn)咳嗽、嘔吐、頭痛等癥狀，長(zhǎng)時(shí)間在這種環(huán)境里對(duì)人體造成傷害較大，會(huì)引起慢性呼吸道疾病，甚至誘發(fā)癌癥，表1 示出不同氣味評(píng)價(jià)等級(jí)的VOC對(duì)人體的危害。

表1 不同評(píng)價(jià)等級(jí)的VOC對(duì)人體的危害

因此我國(guó)以及國(guó)內(nèi)各大汽車生產(chǎn)企業(yè)頒布和制定了相關(guān)車內(nèi)空氣質(zhì)量的法規(guī)和要求，越來(lái)越重視乘員艙內(nèi)部空氣質(zhì)量的控制，通過(guò)嚴(yán)格的試驗(yàn)測(cè)量車內(nèi)VOC 的質(zhì)量濃度是否達(dá)到安全水平[2]。表2 示出乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)要求。

表2 乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)要求 mg/m3

2 乘員艙環(huán)境影響因素評(píng)價(jià)

對(duì)車內(nèi)環(huán)境的基本要求是在任何氣候和行駛條件下，都可以改善駕駛員的工作環(huán)境及提高乘員的舒適性，所以要控制好乘員艙內(nèi)環(huán)境影響因素的指標(biāo)是一項(xiàng)重要的工作。主要指標(biāo)分別是空氣溫度、空氣流速、空氣濕度和空氣清潔度。

2.1 空氣溫度

乘員艙內(nèi)部的溫度體驗(yàn)受到人體生理、心理因素以及環(huán)境溫度的共同影響，隨著汽車所處地域、空間和季節(jié)時(shí)間的變化而改變。當(dāng)夏季溫度較高時(shí)，乘員艙內(nèi)部溫度會(huì)不斷升高，當(dāng)其超出乘客耐受限值后，乘員就會(huì)明顯感到身體不適[3]。在冬季車內(nèi)溫度較低，乘員體感溫度冰冷，需要快速提高車內(nèi)環(huán)境溫度。因此有必要對(duì)乘員艙內(nèi)部的溫度進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到適宜的溫度范圍。相關(guān)研究結(jié)果表明，人體感到舒適的溫度在夏季為22～28 ℃，在冬季為16～18 ℃。由于人體的生理構(gòu)造差異，不同部位的溫度敏感度不同，所以同樣是提高車內(nèi)溫度，人體面部所需求的溫度就比足部略低。冬季車內(nèi)的溫度分布應(yīng)使大腿和腳迅速暖和起來(lái)，即形成人們所習(xí)慣的“頭涼腳熱”的溫度分布。同樣，夏季車內(nèi)溫度降低時(shí)，頭部的溫度也應(yīng)比腳部低一些，即要求“頭涼足暖”，溫差大約為2 ℃。

2.2 空氣流速

乘員艙內(nèi)部的空氣流速同樣影響乘員的舒適性體驗(yàn)。特別是在高溫環(huán)境，增大空氣的流速會(huì)促進(jìn)人體表面汗液的蒸發(fā)，可以增強(qiáng)人體表面的對(duì)流散熱效果，因此人在流動(dòng)的空氣中比在靜止的空氣中要舒服，就是空氣的流動(dòng)可以帶走人體熱量的緣故，但流速過(guò)大則引起吹風(fēng)感，造成人體皮膚溫度狀況失調(diào)，產(chǎn)生不舒適的壓迫感覺(jué)。通常乘員艙內(nèi)部空氣流速不宜過(guò)大，應(yīng)控制在0.075～0.2 m/s，并且以低速流動(dòng)為佳。

2.3 相對(duì)濕度

相對(duì)濕度主要影響人體皮膚與空氣之間的熱交換，適宜的濕度環(huán)境會(huì)使乘員覺(jué)得心情舒暢。相反，當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)人體皮膚表面上壓力與空氣壓力之差減少，導(dǎo)致人體的蒸發(fā)散熱量減少，造成皮膚潤(rùn)濕度增大。乘員艙中最舒適的相對(duì)濕度推薦控制范圍是在夏季為50%～60%，冬季則是40%～50%。此外，乘員艙內(nèi)部的相對(duì)濕度也影響到汽車駕駛的安全性。當(dāng)車內(nèi)濕度過(guò)高時(shí)，空氣中的水汽會(huì)凝結(jié)在風(fēng)擋玻璃上，使駕駛員的駕駛視野模糊，造成交通事故。因此對(duì)乘員艙內(nèi)部環(huán)境中相對(duì)濕度影響因素的控制也十分重要。

2.4 空氣清潔度

乘員艙內(nèi)通風(fēng)調(diào)節(jié)過(guò)程中通常采用內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)2 種模式進(jìn)行換氣，達(dá)到最佳溫控效果，同時(shí)降低汽車運(yùn)行能耗。由于車內(nèi)空間小，在內(nèi)循環(huán)模式下，汽車尾氣中的有害氣體（如CO，CO2）容易進(jìn)入車內(nèi)，導(dǎo)致車內(nèi)空氣混濁，空氣質(zhì)量降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響乘員的身體健康。例如：一般轎車的內(nèi)部空間為3～4.5 m3，1 個(gè)成年人在4 m3的封閉空間內(nèi)呼吸，50 min 左右就能使CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1%。氧氣含量下降會(huì)讓人感到疲勞焦慮，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)呼吸困難、頭暈的癥狀，影響駕駛安全。車內(nèi)環(huán)境中空氣質(zhì)量高不僅可以為乘員提供呼吸所需要的氧氣，而且可以稀釋車內(nèi)污染物或氣味，提高車內(nèi)環(huán)境的健康和安全性，因此對(duì)汽車乘員艙中空氣清潔度的控制十分必要[4]。乘員艙內(nèi)換氣量的參考范圍在20%～30%，CO2和CO 的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)分別小于0.03%和0.01%。

3 乘員艙內(nèi)舒適性評(píng)價(jià)

舒適性是指人們對(duì)所處熱環(huán)境所做的主觀滿意度評(píng)價(jià)，它受到人體生理、心理因素以及周圍環(huán)境的影響和制約，影響因素異常復(fù)雜。良好的車內(nèi)熱舒適性能可以提升人們的乘坐體驗(yàn)以及對(duì)汽車的整體滿意度。但舒適性不能直接測(cè)量，只能通過(guò)問(wèn)卷測(cè)評(píng)的方式要求受試者按某種標(biāo)度來(lái)描述其熱感覺(jué)。國(guó)內(nèi)外對(duì)車內(nèi)乘員舒適性的評(píng)價(jià)方法有很多，主要可以分成主觀評(píng)價(jià)法和客觀評(píng)價(jià)法2 類。

主觀舒適性評(píng)價(jià)方法是通過(guò)組織一定的典型群體，對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行一系列的熱舒適性評(píng)分，最后得到乘員對(duì)車輛舒適性的總體評(píng)分結(jié)果。該方法所得到的車內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)論相對(duì)來(lái)說(shuō)比較真實(shí)可靠。具有代表性的評(píng)價(jià)方法有2 個(gè)，分別是美國(guó)供暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE）提出的7 點(diǎn)標(biāo)尺評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和當(dāng)量溫度評(píng)價(jià)法[5]。

3.1 ASHARE的7點(diǎn)標(biāo)尺評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

ASHARE的7點(diǎn)標(biāo)尺評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是通過(guò)組織一定數(shù)量的評(píng)價(jià)人員對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行一系列的熱舒適性評(píng)價(jià)，最后得到該目標(biāo)在不同工況下的熱舒適性。通過(guò)一系列受試者的測(cè)試試驗(yàn)，并將大量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)處理，對(duì)一定工況下的熱舒適進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表3所示[6]。該方法所得到的評(píng)價(jià)結(jié)論相對(duì)來(lái)說(shuō)比較真實(shí)可靠，但不能應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，必須在具備物理樣機(jī)的情況下才能應(yīng)用。

表3 ASHRAE的7點(diǎn)標(biāo)尺評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

3.2 當(dāng)量溫度評(píng)價(jià)方法

當(dāng)量溫度評(píng)價(jià)方法中要求測(cè)試是在氣流均勻的條件下的一個(gè)封閉空間里進(jìn)行，相對(duì)濕度為50%，而且空氣溫度等于輻射溫度，測(cè)試時(shí)使用暖體假人設(shè)備測(cè)量。按要求位置擺放暖體假人，如果非均勻環(huán)境下暖體假人身體某一部位與其在該均勻環(huán)境下的散熱量相等，就稱該均勻環(huán)境下的空氣溫度為非均勻環(huán)境的當(dāng)量均勻溫度。利用局部熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)代替全身熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)，將人體分為15 個(gè)節(jié)段，計(jì)算每個(gè)節(jié)段與周圍環(huán)境的熱交換，利用人體各部分不同的舒適溫度范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)。

計(jì)算出各節(jié)段的當(dāng)量溫度后，在當(dāng)量溫度舒適范圍圖中描點(diǎn)，觀察計(jì)算值是否在舒適性區(qū)間中。各節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量溫度舒適性范圍分別定義了人體局部當(dāng)量溫度的舒適性上限、下限和理想值。

4 乘員艙環(huán)境SCC評(píng)價(jià)模型

綜上，對(duì)車內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)發(fā)展提出設(shè)想，即乘員艙環(huán)境SCC 評(píng)價(jià)模型。該模型主要圍繞車內(nèi)環(huán)境的安全性（Security）、控制性（Control）、舒適性（Comfortable）3 個(gè)層級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖1所示。

圖1 乘員艙環(huán)境SCC 評(píng)價(jià)模型

從圖1 可以看出，車內(nèi)環(huán)境安全是最基本的要求，安全的車內(nèi)環(huán)境就是要首先保證車內(nèi)乘員的健康；該模型的第2 個(gè)層級(jí)就是車內(nèi)環(huán)境的控制，此部分需要控制的參數(shù)包括空氣溫度、空氣濕度、空氣流速和空氣清潔度；金字塔模型的第3 個(gè)層級(jí)就是車內(nèi)乘員舒適性體驗(yàn)，此部分需要合理控制車內(nèi)環(huán)境，改善人體熱舒適性。表4 示出乘員艙環(huán)境SCC 評(píng)價(jià)內(nèi)容。

表4 乘員艙環(huán)境SCC 評(píng)價(jià)內(nèi)容

5 結(jié)論

汽車作為必不可少的交通工具一直與人們的日常活動(dòng)密不可分，特別是乘員在汽車使用過(guò)程中所處的密閉空間的環(huán)境質(zhì)量尤為重要。良好的乘車環(huán)境不僅可以降低汽車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行功耗，延長(zhǎng)汽車的行駛里程，而且可以改善駕駛員的注意力，提高行駛過(guò)程中的安全性。因此研究并評(píng)價(jià)車輛乘員艙內(nèi)部環(huán)境的相關(guān)問(wèn)題已經(jīng)成為汽車開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。