夏季降溫過程中車內熱環境及熱舒適評價

鄒佳慶 鄒鉞* 周健

1 東華大學環境科學與工程學院

2 上汽技術中心

0 引言

隨著人們在車輛上花費的時間增加，乘員的熱舒適性變得更加重要，舒適的車輛環境有助于減少壓力和提供更安全的駕駛體驗。

對于建筑物內的熱舒適性，已經產生了兩種使用廣泛的指標[1-2]，而對車內熱舒適的研究，Nillson 等人提出了等效溫度teq 的概念[3]，最終被收錄到國際標準中[4]。Shek 等人通過主觀評價的方法對車內熱舒適進行評價[5-6]，Rugh 等人使用暖體假人來模擬真實的人體進行熱舒適評價[7-8]，Huang 等人利用CFD 模擬進行預測乘客熱感覺[9-10]。

由于影響車內熱舒適的因素眾多，而在開發的過程中關注的重點是空調系統的能力，并沒有考慮其他因素的影響。因此，筆者在降溫性能實驗中除了對空調性能進行考察外，還提出了三種熱舒適評價指標對乘客的熱舒適進行全面的考察。

1 實驗方法

通過實時測量車內的溫度、風速、濕度、輻射溫度，并加上衣服熱阻和活動強度能夠計算出熱舒適評價指標。本研究選取了PMV，等效溫度teq，標準等校溫度SET*這三種常用的熱舒適評價指標對車內熱舒適進行分析，并將這三種指標與主觀評價比較。最后根據車內高風速的環境特點對車內乘客進行了吹風感分析。

該實驗的測試車輛為上汽某款SUV，測試車輛如圖1 所示。本實驗的實驗場地是在上汽技術中心的熱能風洞實驗室進行，該實驗室是通過空氣循環風道、冷熱控制、陽光模擬、底盤測功機等子系統的配合，可以模擬全天候日升日落工況來達到測試所需要的氣候與道路條件。熱舒適儀器測量位置如圖2 所示，根據ISO 7730[11]的熱舒適測量標準，并且結合車內熱環境的特點，選擇頭部呼吸點作為熱舒適測量點的位置，對前后排的熱環境參數進行了采集。對于測量熱舒適環境參數的儀器的具體技術參數如表1 所示，都滿足了國際標準ISO7726[12]中的最高要求，測量儀器設定的采集頻率式是每1 s 采集10 次數據。

圖1 在氣候室進行測試的車輛

圖2 車內使用的測量儀器

表1 測量儀器技術參數

為減少個體差異對試驗結果的影響，本實驗選擇4 名成年男性參加測試，他們都是來自東華大學的學生，其基本信息如表2 所示。所有測試者都身穿典型的夏季辦公服裝，短袖襯衫以及長褲，根據ASHRAE[13]的規范可得，其服裝熱阻為0.57 clo。在測試期間，測試者一直處于靜坐狀態，因此其新陳代謝率可由ASHRAE 的規范查到為1 met。測試者被要求在每次實驗開始時用漢語填寫問卷，之后每3 min 完成一次問題，答案由記錄員記錄。調查問卷的尺度詳見表3，熱感覺使用的評價尺度是ISO7730 中的七點熱感覺，熱舒適水平可以采用6 個測量尺度。刻度的形式是連續形式的刻度，評價的數值可以精確到小數點后一位。

表2 測試者的基本信息

表3 主觀調查問卷

快速降溫性能實驗是在2018 年的9 月進行，實驗工況如表4 所示，該工況模擬夏季炎熱的室外環境。汽車被固定在轉轂上之后，關閉車門打開陽光模擬裝置開始升溫過程，觀察頭部空氣溫度。當空氣溫度達到67 ℃時，測試者進入車內，發動車輛后開啟空調，設定好空調模式，開始進行降溫實驗。當實驗開始后，開始主觀問卷調查，實驗一共持續2 h，車速為50 km/h，80 km/h，110 km/h，怠速各0.5 h。

表4 快速降溫性能實驗工況

2 實驗結果分析

2.1 車內熱環境分析

車內空氣溫度變化如圖3 所示，當陽光模擬器打開時，車內空氣溫度迅速上升，由于前排相比于后排玻璃面積較大，因此前排空氣溫度比后排上升得更快。空調開啟前三十分鐘內一直處于快速降溫的過程，尤其是前十分鐘下降速率很快。當車速提高到80 km/h 時，車內空氣溫度雖然在一定范圍內波動，但基本處于穩定狀態，說明制冷量與車內熱負荷達到了平衡狀態，車內空氣溫度一直處于較舒適的范圍內。但是前后排的空氣溫度依然存在4 ℃左右的差距，說明車內的溫度場較不均勻。當車速提高到110 km/h時，壓縮機轉速增大導致制冷量有所增大，因此車內空氣溫度會有2 ℃左右的下降。車當處于怠速階段時，由于壓縮機轉速降低導致空調制冷量下降，因此車內空氣溫度會處于上升狀態。

圖3 車內空氣溫度變化

車內的相對濕度變化趨勢如圖4 所示，升溫階段車內相對濕度逐漸下降，降溫階段開始逐漸上升，之后相對濕度穩定在25%左右。當車速提高時，車內的相對濕度會出現小幅上升，穩定在30%左右。當處于怠速階段時，車內的濕度會上升到35%左右。總體來說車內空氣相對濕度的變化趨勢相對較穩定，一直維持在25%～35%之間，人們可以接受的濕度范圍為30%～70%，因此車內的濕度大部分時間處于可接受范圍內，滿足要求。

圖4 車內相對濕度變化

車內黑球溫度的變化如圖5 所示，車內的黑球溫度變化趨勢與空氣溫度基本相同，在80 km/h 后黑球溫度基本達到穩定狀態，在1000 W/m2的太陽輻射強度下，車內的前排黑球溫度穩定在25 ℃左右，后排黑球溫度穩定在27 ℃左右，說明空調的降溫效果能夠達到要求。

圖5 車內黑球溫度變化

車內的風速變化如圖6 所示，由于風機擋位一直處于最大風量，因此車內的風速應該處于較穩定的狀態，前排頭部風速一直維持在1.2 m/s 左右，風速較高，乘客會有一定的吹風感。后排頭部風速為0.4 m/s 左右，處于較舒適的范圍。

圖6 降溫過程車內風速變化

2.2 熱舒適性分析

2.2.1 熱舒適指標評價

乘客熱感覺和熱舒適的變化趨勢如圖7 所示，當處于初始狀態時，由于車內空氣溫度很高，車內熱環境處于極其惡劣的狀態，因此乘客一進入車內時必定會感覺極其不舒適，從圖中可以看出前10 min 乘客的熱感覺一直為+3，乘客的熱舒適一直為-3。由于實驗前30 min 車內空氣溫度快速降低，因此人的熱感覺也會快速下降，車內乘客大約用了18 min 達到不冷不熱的狀態。當30 min 后車內環境狀態達到穩定，前排乘客的熱舒適大約在40 min 時達到0，開始由不舒適的狀態向舒適狀態轉變。之后隨著車速的提高，空調制冷量會增大，因此乘客的熱感覺會下降，由中性的狀態向稍涼快轉變，而且穩定狀態的熱感覺也一直維持在-1左右，此時乘客的熱舒適狀態一直為+1，說明對于乘客更喜歡較涼快的熱環境，高車速的制冷量完全符合前排乘客的要求。當車輛處于怠速狀態時，車內環境變熱，乘客的熱感覺也會處于上升狀態，乘客的舒適感也會下降。

圖7 乘客熱感覺與熱舒適變化

三種評價指標的預測值與前排乘客主觀評價值的關系如圖8 所示，可以看出三種指標的變化趨勢與主觀評價基本一致，而且主觀評價基本上高于三種評價指標的預測值，其中等效溫度的預測值與主觀評價值最接近，差值在0.5 以內，而其它指標的差值在1 以上，說明評價指標低估了乘客的熱感覺。各評價指標到達中性所用的時間如表8 所示，對于前排乘客熱感覺到達中性的時間為36 min，同樣teq 的預測熱感覺到達中性的時間與主觀評價結果最為接近，只相差3 min，而其余指標的預測時間與主觀評價值相差很多，因此等效溫度teq 可以作為降溫過程中熱舒適的評價指標。

圖8 前排熱感覺與三種預測指標對比

表5 各評價指標到達熱中性的時間對比

從圖9 可以看出頭部風速湍流度的變化趨勢，前排的湍流度一直維持在20%左右，后排湍流度一直維持在40%左右，前后排的湍流度都小于60%，處于可接受的范圍。從圖10 可以看出車內頭部的吹風感變化趨勢，后排吹風感一致處于，是乘客可接受的范圍內，不會引起較大的不滿意度。但是前排的吹風感在怠速開始之前一直維持在60%左右，怠速開始之后下降到40%，但依然比后排吹風感高出很多，主要原因是前排風速過高，會帶來較強的吹風感引起乘客的不舒適。但是前排乘客的熱舒適投票一直處于較舒適的狀態，主要原因是前排受到的太陽輻射較多，因此在車內熱環境下高風速降溫帶來的快感更讓人感到舒適，而吹風感帶來的不滿意并不會讓乘客感到不舒適。

圖9 頭部風速湍流度變化

圖10 頭部吹風感變化

4 結論與展望

通過對降溫性能實驗中車內熱環境進行測試和分析，能夠得到以下結論：

1）當車內空調開啟前十分鐘車內的空氣溫度和黑球溫度都處于急劇下降的趨勢，當半個小時過后逐漸趨于穩定，說明空調制冷量與車內熱負荷逐漸達到平衡狀態。

2）由于車內環境狹小，而且座椅等內飾會影響車內的流場和溫度場均勻分布，導致降溫過程中前后排的空氣溫度會有4 ℃左右的偏差，前后排的風速也有0.8 m/s 左右的差距。

3）通過對乘客進行主觀評價發現，乘客大約用了18 min 達到中性的熱感覺，但是用了40 min 達到舒適的狀態，對于車內乘客經歷了從熱到冷的過程會產生一種愉悅使乘客在偏冷的環境中也會感到舒適，即使風速偏高帶來的吹風感也不會讓乘客感到不適。

4）對于PMV，標準等效溫度SET*，等效溫度teq這三種評價指標與車內乘客主觀熱感覺的投票值進行比較發現，等效溫度的預測值與主觀評價值最接近，差值在0.5 以內，而其它指標的差值在1 以上，并且對于乘客的熱感覺達到中性的時間也最接近，因此等效溫度可以作為降溫過程中評價熱感覺的指標。