基于各評價指標的某SUV 6座汽車熱舒適性的研究

葉立，張夢伢，張文韜，張志軍，葉歡

（200093 上海市 上海理工大學 能源與動力工程學院）

0 引言

目前，電動汽車已經越來越受群眾的喜愛，但其內部乘坐熱舒適性也越來越為人們所關注?，F在的汽車設計為保證駕乘人員安全及避免駕駛疲勞，通過增大汽車車窗來開闊視野。但卻增大了太陽輻射，影響乘坐人員的熱舒適性，甚至影響駕駛安全，所以對乘客艙舒適性研究極為重要[1]。汽車室內的舒適性主要與空氣的溫度、速度、質量及太陽輻射有關[2]。熱舒適性在炎熱和寒冷的氣候表現得最為明顯，車室內的溫度過高和過低都會影響人的舒適性[3]。近年來，有關汽車乘客艙及空調的研究比較多[4]。宋曉峰[5]等利用Fluent 對某空調客車風道出風口對內流場分布的影響進行模擬，提出在風道出風口處增設不同高度的導流擋板改善出風口射流的方案；張炳力[6]等基于PMV-PPD 與空氣齡的方法對引入太陽輻射的轎車乘客艙內的熱舒適性進行改進和分析；Shafie[7]建立復雜的客車內部幾何模型，分析不同送風參數下乘客艙空氣速度分布，發現當送風速度為3.1 m/s 時的車內速度分布更加均勻。Thirumal[8]等采用CFD 方法研究不同人體負荷下座艙的熱舒適性和空氣質量。但這些研究大多側重于乘客艙風道的改造及溫度場流場的分析，因此，引入人體生物熱和太陽輻射對于乘客艙的熱舒適性研究極為重要。

本文對純電動汽車乘客艙溫降及舒適性進行模擬，清晰直觀地反映出乘客艙的舒適分布情況，相對于實驗來說，大大降低了實驗成本，縮短了試驗周期，具有一定的實用意義。

1 模型的建立

1.1 幾何模型及網格劃分

本文對一輛具有雙蒸發器空調系統的6 座純電動汽車模型進行簡化如下：（1）簡化乘員艙內飾結構，對細小縫隙進行填補；（2）只保留制冷吹面的風道，并由CATIA 軟件繪制；（3）風道系統密封良好，除進、出風口沒有空氣泄露；（4）空氣為常密度、不可壓縮流體。參見圖1。

圖1 三維幾何模型示意圖Fig.1 3D geometric model

本文使用HyperMesh 對整個計算域進行網格劃分，隨后導入STAR-CCM+完成體網格劃分。整個計算域內體網格數：8 573 563；面網格數為25 329 848；內部節點數為9 456 136。網格模型如圖2 所示。

圖2 網格模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid model

1.2 數學模型

用STAR-CCM+中自帶的數值求解來模擬乘客艙內部環境舒適性情況?？团搩鹊目諝饬魉傧鄬^小，空氣密度基本保持不變，可視為三維不可壓縮流體，且符合Boussinnesq 假設；乘客艙內流場使用K-ε湍流模型[9]；乘客艙內部的氣密性良好；乘客艙內的空氣為輻射透明介質，灰體輻射，表面對表面輻射。建立的求解方程如下：

連續性方程

動量方程

能量方程

式中：ρ——乘客艙的密度；μ——動力粘度；P——壓力；T——溫度；t——時間；xi——x，y，z 方向的張量；k——熱傳導；cp——比熱容。

1.3 邊界條件的設定

本文邊界條件為質量流量入口、壓力出口，采用瞬時計算，計算時間設置為3 900 s。汽車主要部件的物性參數見表1。對每個外部邊界（如頂棚、門板等與外界空氣對流的構件），可輸入參考熱傳遞系數作為模擬的熱傳遞系數，其公式如下[10]：

表1 主要部件的物性參數Tab.1 Physical parameters of main components

式中：happ——應用的熱傳遞系數；href——參考熱傳遞系數；vvel——車速；vref——參考速度；n——指數。

1.4 整車空調舒適性評價體系

1.4.1 PMV—PPD 評價指標

PMV（Predicted Mean Vote）表示預期平均熱感覺，PMV 評價指標將舒適狀態從-3～3 劃分為7 個狀態，見表2。當 PMV 在 -0.5～0.5 時，人體處于舒適狀態[11]。PMV 表達式為式（4）～（11）。

表2 PMV 評價指標的7 個舒適狀態Tab.2 Seven comfort states of PMV evaluation index

式中：M——人體代謝率，W/m2；W——人體做的機械功，w/m2；Ec——皮膚散熱與出汗的散熱量，w/m2。

人體呼吸潛熱損失Eres（w/m2）

式中：Pa——人體周圍蒸汽分壓,0～2.7 kPa。

人體呼吸顯熱損失Cres（W/m2）

式中：Ta——環境溫度。

人體表面對流輻射熱損失H（W/m2）：

式中：fcl——著衣表面和裸替表面之比；Tr——平均輻射溫度，℃；Tcl——人體表面平均溫度，℃。

式中：Icl——服裝熱阻，m·k/w。當Icl≤0.078，fcl=1+1.29×Icl；當Icl＞0.078，fcl=1.05+0.65×Icl；hc——對流換熱系數，W/(m2·K)。

式中：Var——人體表面風速，m/s。

PPD（Percentage of persons dissatisfied）是針對在某一特定均勻熱環境感到不舒適人員的比例，即人們對熱環境的不滿意程度，主要與人體表面溫度、吹風強度有關，一般PPD＜10%為舒適狀態[12]。PPD 指標可直觀反應人體對氣流的適應程度[13]。

當-0.5 ≤PMV ≤+0.5，PPD ≤10%，即認為人體在熱環境中感到最舒適[14]。

1.4.2 相對濕度RH

相對濕度（Relative Humidity）指水蒸氣分壓力同當前溫度下飽和水蒸汽壓力之比，公式為[15]：

式中：PHO——水蒸氣分壓力，Pa。

式中：P——壓力，Pa；n——水蒸氣的摩爾分數；Psat——飽和水蒸氣壓力，Pa。

式中：T——水蒸汽溫度，K。

2 模擬結果分析

2.1 乘客艙空氣流速分布情況

圖3 是乘客艙空氣流速分布圖。圖中清晰地呈現出從各出風口流出的新鮮空氣在乘客艙的分布狀態。前排出風口主要為前排乘客降溫，小部分氣流為后排乘客降溫。中間B 柱和手扶箱處的出風口主要為二排乘客降溫。三排C 柱的出風口主要為三排乘客降溫。圖中，乘客從頭部到小腿出現渦旋狀回流，表現為頭暖腳冷，且風口直吹的地方風速較大達到8 m/s，人體表面最大風速達到6.2 m/s?？傮w而言，乘客頭部的風速相對腿腳處較高，但因熱脹冷縮原理，車內溫差會盡快降到合理范圍；圖中可以看出人體感到舒適的風速為3～5 m/s，前兩排乘客體表風速基本能夠滿足，后排乘客與C 柱出風口的距離太近，使得乘客表面及肩部風速稍高。

圖3 乘客艙空氣流速示意圖Fig.3 Schematic diagram of air velocity in passenger compartment

2.2 乘客艙成員體表溫度分布情況

圖4 為模擬終止時乘客表面的溫度分布狀態。圖中可以清晰地看出，前排乘客腿部溫度相較于其他乘客較高，基本在38 ℃左右。一方面是該部分新鮮空氣流速較低，換熱量較少；另一方面是因為前排擋風玻璃較大，腿部吸收的輻射熱較多。二排分布乘客體表溫度相對均勻。一方面是因為側窗玻璃的透射率較低，吸收的輻射熱較少；另一方面是因為空氣流速較均勻，能夠迅速降低溫度。第三排乘客除后側頭部區域溫度較高，其他區域的溫度均勻分布。這是因為三排乘客表面風速雖然分布較均勻，但后腦勺部位吸收的輻射熱較大?？梢姵丝腕w表溫度不僅與出風口溫度、吹風位置有關，還與乘客艙周圍玻璃透射率有關。總體而言，乘客艙處于人體舒適的溫度區間內。

圖4 乘客表面溫度Fig.4 Passenger surface temperature

2.3 乘客艙平均溫度分布

圖5 為乘客艙在原點（0，0，0）處的截面溫度分布圖，圖6 為乘客艙平均溫降圖。從圖5、圖6 中可以看出，乘客艙內溫度總體處在26 ℃附近，但乘客艙輪廓處溫度要比車艙內部溫度稍高。這是因為邊界處直接吸收大量的太陽輻射，且又與外界高溫環境進行對流換熱，冷空氣到達乘客艙邊界時的流速很低，對流換熱系數較小，不能及時給邊界降溫，故使輪廓溫度高于內部溫度。圖中前擋風玻璃與儀表盤的夾角處溫度過高，這是由于三維仿真中的網格尺寸大于該處的實際幾何尺寸，因而產生計算死角，所得的溫度結果失真。

圖5 乘員艙橫截面溫度Fig.5 Cross section temperature of passenger compartment

圖6 乘員艙的平均溫度變化圖Fig.6 Average temperature variation of occupant compartment

2.4 PMV-PPD 評價指標分析

圖7 中，PMV 值基本分布在-0.59～0.48 之間，乘客處于熱舒適狀態。后兩排乘客基本處于熱舒適狀態，一方面是因為后兩排周圍的車窗玻璃的透光率比前排玻璃低，乘客所吸收的太陽輻射熱較少；另一方面是因為冷空氣流速均勻分布在乘客人體上，對流換熱較好。前排乘客除大腿和腹部位置的PMV 值較高，其余處的PMV 值處在[-0.5,0.5]的舒適區間內，這是因為前擋風玻璃的透光率較高，大腿及腹部吸收的輻射熱最多，并且該處的冷空氣流速較低，換熱量較少，熱量不易被帶走的原因。

圖7 乘客PMV 評價指標分布Fig.7 Distribution of passenger PMV evaluation index

圖8 中乘客PPD 指標分布基本低于15%，可認為乘客的滿意程度比較高。前排乘客除大腿及腹部的PPD 值高于10%，其余位置處于滿意的狀態，這是因為一排乘客的大腿和腹部吸收大量的太陽輻射，且該部位的空氣流速低，換熱量較少；后兩排乘客除了肩頸部的不滿意度較高外，其余均低于10%。這是因為肩頸部直對出風口，風速感較強，且從車窗處吸收了部分的輻射熱，使人感到極不舒適。

圖8 乘客PPD 評價指標分布Fig.8 Distribution of passenger PPD evaluation index

總地來說，人體表面的PMV 值處在[-0.5,0.5]之間，PPD 值基本小于10%，乘客艙的熱舒適性處于比較舒適的狀態。

2.5 平均濕度RH 的分布狀態

圖9 為乘客艙平均濕度RH 分布云圖。圖中人體表面的平均濕度在60%附近，濕度處于比較舒適的范圍，這是因為乘客表面的新鮮冷空氣流速均勻且舒適。車前、車后以及車壁周圍的濕度較低，一方面是因為車框表面附近處的溫度較高，空氣易干燥；另一方面是因為壁面附近的新鮮冷空氣的流速低，新風更新慢?？傊?，后兩排乘客的濕度要比前排乘客的濕度稍高。這是因為后排處乘客接收的新鮮冷空氣較多、空氣流速較均勻，并且吸收的輻射熱較少，因此相對濕度要比前排的稍高，感覺比較舒適。

圖9 乘客艙平均濕度RH 分布Fig.9 Distribution of average humidity RH

3 結語

本文引入人體模型和太陽輻射模型，并用PMV-PPD，MRT，RH 對乘客艙內的熱環境進行舒適性評價，根據模擬結果分析了純電動汽車乘客艙冷空氣流速、體表溫度和乘客艙平均溫度分布狀況，并用評價指標對乘客艙的舒適性進行評價。總體而言，車室內部及乘客表面溫濕度分布較均勻且舒適，穩定時平均溫度在26 ℃附近，但前擋風玻璃的透射率較大，前排乘客的大腿及腹部位置吸收較多的輻射熱，使得平均輻射溫度值偏高、空氣比較干燥，PMV-PPD 的值超出了舒適的范圍。同時，后排出風口的風速偏高，后排乘客的肩頸部吹風感較強，該區域的乘客PPD值偏高。因此，出風口溫度過低以及空氣流速過快都會影響乘客的乘坐熱舒適性，為了滿足熱舒適性要求，汽車空調系統不僅需要合理控制出風口風速，還需要控制陽光進入乘員艙的輻射量。