短途客車乘員熱感覺預測研究

謝柱維 黎珊 毛會軍 王羲 鄭潔

重慶大學土木工程學院

0 引言

據統計，2018 上半年，我國客車市場累計銷售量為226507 輛，同比增長2.79%[1]。短途客車因其靈活、便捷的特點，逐漸成為人們青睞的交通工具之一。由于客車乘員艙空間有限，車內環境參數易受空調形式，室外氣象條件以及客車行駛狀況等因素的干擾，進而影響乘員的熱舒適性及駕駛員的工作效率。因此，如何在非穩態熱環境下滿足乘員的熱舒適性要求及提高駕駛員的工作效率，是目前智能車行業發展的重要課題之一。

目前國內外學者大多采用PMV-PPD[2-5]、標準有效溫度（SET）[6-8]、平均皮膚溫度（MST）[9-10]、當量溫度（EQT）[11-12]等指標作為人員熱舒適的評價標準。眾所周知，PMV-PPD 熱舒適方程是基于人體和周圍環境穩態傳熱的基礎上提出的，僅僅適用于人員長時間暴露在穩態傳熱的環境中，而且PMV 值受空氣溫度、平均輻射溫度、風速、相對濕度、人體代謝率、服裝熱阻等因素的影響較大[13]。因此PMV-PPD 指標在非穩態環境中可能不適用。當量溫度（EQT）將人體的整體熱感覺分解為身體各個部位的局部熱感覺，其與標準有效溫度（SET）、平均皮膚溫度（MST）的共同之處在于計算過程較復雜，實驗難度較大以及計算參數不易獲取等，從而導致其不能快速地預測乘員的熱感覺。

基于上述評價指標的不足之處，本文以短途客車為研究對象，采用環境參數測試與問卷調查相結合的方法，引入室外空氣溫度來考慮乘員的服裝熱阻和車內外溫差引起的乘員附加熱感覺，進而擬合了快速預測短途客車乘員熱感覺的經驗公式，為提高駕駛員工作效率，改善人員乘坐舒適度以及促進智能車環境調控技術的發展作了嘗試性的研究。

1 現場測試及問卷調查

1.1 測試方案設計

測試參數主要包括車內空氣溫度，相對濕度，氣流速度，壁面溫度以及室外空氣溫度。

測試對象為往返于重慶大學新校區與老校區的廈門金龍空調客車，行程大約35 min。客車尺寸為長11 000 mm，寬2 500 mm，高3 400 mm，車廂內共設有11 排座椅（不含司機座椅）。

測試時間為2017 年10 月至2018 年9 月，其中有效測試車次共21 趟，涵蓋了春、夏、秋、冬四個季節，包含了空調工況和非空調工況。

1.2 實驗測點布置及儀器說明

考慮車內環境參數的不均勻性以及現場測試的可操作性，車內共設置了9 個測點，分別測量各個測點處的空氣溫度，相對濕度以及氣流速度。測點布置如圖1 所示，分別布置在客車的前部，中部和尾部的走道以及靠窗側，測點距車內地板高度為0.8 m。壁面溫度測點共設置14 個，分別在客車的頂部，底部，左側及右側沿長度方向均勻布置3 個測點，在客車的前面及后面分別布置1 個測點。室外空氣溫度測點共設置1 個，布置于始發地室外背陰處，測點距地高度為1.5 m。

圖1 測點布置圖

主要實驗儀器及規格型號如表1 所示：

表1 實驗儀器及規格型號

1.3 調研方案

調研對象為乘坐測試客車的乘員，主要是學生，教師及其家屬。年齡在35 歲以下的人數占總調研人數的82.6%，男、女比例約為61%和39%，所調研對象身體健康，無不舒適癥狀。

問卷調查內容主要包括調研對象的基本情況（性別、年齡、身體健康狀況、著裝），乘坐位置以及熱感覺投票等。其中，熱感覺采用ASHRAE 標準[14]的7 級指標：熱、暖、稍暖、中性、稍涼、涼、冷。

調研期間，發放問卷共計713 份，有效問卷681份。其中，秋季共187 份，冬季共177 份，春季共153份，夏季共164 份。

2 實驗結果及分析

車內空氣溫度，相對濕度以及氣流速度分別取9個測點的算術平均值，平均輻射溫度取車內6 個表面的面積加權平均溫度，室外空氣溫度取始發站室外空氣溫度。調查問卷中熱感覺的7 級指標分別按+3、+2、+1、0、-1、-2、-3 賦值，實際熱感覺投票（TSV問卷）取調研對象熱感覺的算術平均值。

3 熱舒適評價指標

3.1 PMV 評價指標

PMV 是國際上公認的一種用于評價均勻熱環境舒適性的指標，該指標涉及四個環境變量（空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、平均輻射溫度）和兩個人體變量（人體新陳代謝率、服裝熱阻）。

測試期間，乘客處于靜坐狀態，參照ASHRAE 標準[14]，人體新陳代謝率取58 W/m2，人體所作的機械功取0 W/m2，服裝熱阻根據乘客的著裝情況分別取0.29～1.54 clo。PMV 計算結果如圖2 所示，PMV 基本上與TSV問卷呈現一致的變化趨勢，而且PMV 整體上比TSV問卷小。其中，PMV 與TSV問卷的絕對誤差最大值為0.76，最小值為0.17，平均值為0.37。由此可見，在非穩態的環境下，使用PMV 指標評價乘員熱感覺將帶來一定的誤差。

圖2 PMV 與TSV問卷對比

3.2 經驗公式評價法

由于測試客車的行駛路程約20 km，平均耗時約35 min，乘員難以在短時間內與周圍環境達到熱平衡，因此乘員熱感覺在一定程度上受車內外溫差的影響。即使進入相同的車內環境時，乘員熱感覺也會隨著室外溫度的變化而變化，這是非穩態熱環境與穩態熱環境的區別之一。

由于客觀條件的限制性以及計算方法的復雜性，現有的熱舒適評價指標不能滿足在客車乘員艙等非穩態熱環境下快速、準確預測乘員熱感覺的需求。因此，本文將提出一條適合于評價短途客車乘員熱感覺的經驗公式，為改善駕駛員的工作效率以及乘員的舒適度提供參考。在經驗公式中通過引入室外空氣溫度來考慮乘員的著裝情況和車內外溫差引起的乘員附加熱感覺，具體表達為：

式中：ta為車內空氣溫度，℃；d 為車內空氣相對濕度，%；v 為車內空氣流速，m/s；T 為平均輻射溫度，℃；to為室外空氣溫度，℃。

對經驗公式進行回歸分析，相關系數R2=0.812，說明該公式的擬合程度較高。在方差分析中，顯著性水平α 通常取0.01，0.05 及0.1，α 取值越小，說明因變量和自變量之間的線性相關程度越顯著。選定顯著性水平α=0.01，根據分子自由度為6，分母自由度為21-6-1=14，查F 分布表得Fα=0.0（16，14）=4.46。計算得F=15.38＞Fα=0.0（16，14）=4.46，因此TSV 和環境變量之間線性相關程度是非常顯著的[15-16]。經驗公式的擬合值如圖3 所示，擬合值與實際值（即TSV問卷）的絕對誤差最大值為0.20，最小值為0.02，平均值為0.11，表明了該經驗公式能較準確地反映客車乘員的真實熱感覺情況。

由于經驗公式是基于測試參數擬合而成，故其使用范圍宜為：車內空氣溫度在18～28.5 ℃以內，車內空氣相對濕度在40～100%以內，車內空氣流速在0.06～0.30 m/s 以內，平均輻射溫度在13～29 ℃以內，室外空氣溫度在9～36 ℃以內。

圖3 熱感覺投票實際值與擬合值

4 環境參數對乘員熱感覺的影響

為進一步分析非穩態環境下乘員熱感覺的變化規律，本文采用控制變量法，在經驗公式的使用范圍內，控制其他環境參數不變的情況下，分別探討車內空氣溫度，相對濕度，空氣流速，平均輻射溫度以及室外空氣溫度對乘員熱感覺的影響。

當車內空氣溫度升高時，人體皮膚與周圍空氣的溫差降低，導致人體與周圍空氣的對流散熱量減少，乘員熱感覺投票值增大。車內空氣溫度對乘員熱感覺的影響如圖4 所示，當其他環境參數不變時，乘員熱感覺投票值隨著車內空氣溫度的升高而增大，但增大的幅度卻逐漸減小，說明了乘員熱感覺對低溫環境更敏感。在18～28.5 ℃范圍內，車內空氣溫度升高1 ℃，乘員熱感覺投票值平均增大0.1。

圖4 車內空氣溫度對乘員熱感覺的影響

空氣相對濕度決定了人體的潛熱散熱量，空氣相對濕度越高，則人體皮膚表面水蒸氣分壓力與空氣水蒸氣分壓力差值越小，從而導致人體的潛熱散熱量降低，乘員熱感覺投票值增大。圖5 反映了車內空氣相對濕度對乘員熱感覺的影響，在其他環境參數不變的情況下，乘員熱感覺投票值隨著車內空氣相對濕度的升高而增大，但增大的幅度卻逐漸減小，說明了乘員熱感覺對低相對濕度的環境更敏感。在40%～100%范圍內，車內空氣相對濕度升高1%，乘員熱感覺投票值平均增大0.01。

圖5 車內空氣相對濕度對乘員熱感覺的影響

隨著空氣流速的升高，人體與周圍空氣的對流換熱系數增強，從而增大了人體的對流散熱量，乘員熱感覺投票值減小。車內空氣流速與乘員熱感覺的關系如圖6 所示，保持其他環境參數不變時，乘員熱感覺投票值隨著車內空氣流速的增大而減小，且減小的幅度逐漸增大，說明了乘員熱感覺對空氣流速較高的環境更敏感。在0.06～0.30 m/s 范圍內，車內空氣流速升高1 m/s，乘員熱感覺投票值平均減小1.13。

圖6 車內空氣流速對乘員熱感覺的影響

壁面溫度影響人體與周圍壁面的輻射換熱量，壁面溫度越高，人體與壁面的輻射換熱量上升，從而導致乘員熱感覺增大。平均輻射溫度對乘員熱感覺的影響如圖7 所示，控制其他環境參數不變時，乘員熱感覺投票值隨著平均輻射溫度的升高而增大，但增大的幅度卻逐漸減小，說明了乘員熱感覺對平均輻射溫度較低的環境更敏感。在13～29 ℃范圍內，平均輻射溫度升高1 ℃，乘員熱感覺投票值平均增大0.04。

圖7 平均輻射溫度對乘員熱感覺的影響

在動態熱環境下，乘員熱感覺受人體原有熱狀態的影響，即乘員從不同的室外環境進入同一車內環境時，往往表現出不同的熱感覺。圖8 顯示了室外空氣溫度與乘員熱感覺的關系，當其他環境參數不變時，乘員熱感覺投票值隨著室外空氣溫度的升高而減小，且減小的幅度逐漸增大，說明了乘員熱感覺對室外空氣溫度較高的環境更敏感。在9～36 ℃范圍內，室外空氣溫度升高1 ℃，乘員熱感覺投票值平均減小0.04。

圖8 室外空氣溫度對乘員熱感覺的影響

5 結論

1）采用PMV 指標評價短途客車等非穩態環境下的乘員熱感覺與實際熱感覺仍存在一定的偏差。

2）當車內空氣溫度在18～28.5 ℃以內，車內空氣相對濕度在40%～100%以內，車內空氣流速在0.06～0.30 m/s 以內，平均輻射溫度在13～29 ℃以內，室外空氣溫度在9～36 ℃以內時，經驗公式能較準確地反映乘員的真實熱感覺，絕對誤差最大值為0.2，最小值為0.02，平均值為0.11。

3）在非穩態環境下，乘員熱感覺對車內空氣流速的響應最敏感，其次為車內空氣溫度，而室外空氣溫度，平均輻射溫度以及車內空氣相對濕度對乘員熱感覺也有一定的影響。