基于暖體假人的汽車空調(diào)熱舒適性評價

王瑞，栗瑋，高劍峰，趙朝義，段冬松

(1.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191； 2.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000)

1 引言

研究表明人處于熱舒適狀態(tài)下，思維、都處于最佳狀態(tài)[1]。關(guān)于室內(nèi)環(huán)境下的熱舒適性研究已經(jīng)有很長的歷史[2]，自1970年Fanger[3]教授提出基于PMV方程的熱舒適評價方法逐漸被研究人員認(rèn)可。而汽車乘員艙熱舒適性一直是汽車行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)之一[4-6],由于汽車乘員艙具有空間不規(guī)則及冷熱負(fù)荷不均勻等特點(diǎn)，導(dǎo)致在空調(diào)制冷或制熱時氣流情況十分復(fù)雜，是典型的非均勻環(huán)境[7]。為了滿足乘員的熱舒適性，汽車空調(diào)在設(shè)計(jì)時必須考慮到汽車的隔熱能力、氣流對換熱的影響及通過窗戶投射的太陽輻射等因素[8]。但現(xiàn)在大部分車內(nèi)環(huán)境的熱舒適性研究都是基于人體主觀感受進(jìn)行評價的[9]，通過對主觀評價量表的處理、綜合，相應(yīng)就可以得到該熱環(huán)境的主觀評價[10]。主觀評價方法能夠直觀、明了的對當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行舒適性評價。但人體主觀實(shí)驗(yàn)受個體差異的影響大，復(fù)現(xiàn)性差，少量的測試很難保證結(jié)果的一致性。許多學(xué)者將預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)(PMV，Predicted Mean Vote)作為車內(nèi)熱環(huán)境舒適性的客觀評價指標(biāo)，該方法是基于試驗(yàn)測試環(huán)境參數(shù)(溫度、風(fēng)速、輻射、濕度等)完成的熱舒適性客觀評價，其結(jié)果具有良好的穩(wěn)定性和一致性，使得不同的測試結(jié)果具有可比性和復(fù)現(xiàn)性[11]。但是PMV是針對全身熱感覺進(jìn)行評價的，對于車內(nèi)的非均勻環(huán)境來說，不僅需要全身的熱感覺，更需要衡量身體局部的熱感覺。利用外形和人類似的暖體假人可以直接測試非均勻環(huán)境下人體各部位與環(huán)境的換熱量，進(jìn)而預(yù)測該環(huán)境下各部位的熱舒適程度。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14505-2中規(guī)定了利用暖體假人測試交通工具內(nèi)熱舒適性的方法，提出了利用全身及局部等效空間溫度評估熱環(huán)境，對交通工具艙室內(nèi)非均勻熱環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)評估[12]。國外的很多機(jī)構(gòu)都研制出了暖體假人并應(yīng)用于汽車環(huán)境的熱舒適性評價，Matsunaga K等人[13]利用暖體假人測試并結(jié)合數(shù)值模擬及主觀體驗(yàn)對車內(nèi)熱環(huán)境的舒適性進(jìn)行評價，結(jié)果顯示出了很好的一致性。瑞士的Bogerd C P等人[14]利用暖體假人研究了車速、頭仰角和頭發(fā)情況對摩托車頭盔強(qiáng)制對流熱損失的影響。我國暖體假人主要應(yīng)用在服裝熱阻測試[15]、火災(zāi)模擬等領(lǐng)域[16]，中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院根據(jù)中國人體尺寸數(shù)據(jù)研制了具有中國人群熱感知特征的暖體假人，利用該假人對熱環(huán)境舒適性進(jìn)行評測并與主觀測試結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果具有很好的一致性[17]。為了對車內(nèi)環(huán)境的舒適性進(jìn)行客觀的測試，研究非均勻環(huán)境中駕駛及乘坐過程中人體全身和局部的熱感覺，驗(yàn)證暖體假人在汽車車內(nèi)非均勻環(huán)境熱舒適評價的準(zhǔn)確性，開展了基于暖體假人的車內(nèi)非均勻環(huán)境熱舒適性研究。

2 方法

暖體假人在設(shè)定的環(huán)境下模擬人體和環(huán)境間的熱交換過程，通過換熱量和皮膚溫度的測試，基于熱平衡方程進(jìn)行控制，在不考慮人體對外做功情況下，人體舒適狀態(tài)熱平衡方程如下：

M=Qt=Qres+Es+Q

(1)

Qres=1.7×10-5M(5867-Pa)+

0.0014M(34-ta)

(2)

Es=3.05×10-3(5733-6.99M-Pa)

+0.42(M-58.15)

(3)

式中：M為人體代謝產(chǎn)熱，W/m2；Qt為人體與環(huán)境間的總換熱，W/m2；Qres為人體呼吸換熱，W/m2；Es為人體皮膚蒸發(fā)換熱，W/m2；Q為人體與環(huán)境間的對流輻射換熱，W/m2；Pa環(huán)境水蒸汽分壓，取1 500Pa；ta為空氣溫度，取20 ℃。

上面式(2)和式(3)代入式(1)可得人體和環(huán)境間的總散熱Qt與人體和環(huán)境間的對流輻射干換熱Q間的關(guān)系如下：

Qt=1.96Q-21.56

(4)

舒適狀態(tài)下人體平均皮膚溫度tsk與總散熱Qt間有如下關(guān)系：

tsk=35.77-0.028Qt

(5)

即：

tsk=36.4-0.054Q

(6)

暖體假人表面溫度的調(diào)節(jié)控制方程，暖體假人表面溫度高低取決于假人與環(huán)境間的散熱量或者是假人的加熱功率。根據(jù)暖體假人各區(qū)域發(fā)熱功率 及表面溫度 可以計(jì)算假人等效空間溫度，最終通過等效空間溫度來評價各部位的舒適性。暖體假人按第50百分位中國成年男性人體尺寸制造，分為16個獨(dú)立溫度控制區(qū)域，暖體假人每個節(jié)段都進(jìn)行獨(dú)立的加熱和控溫，并布置溫度傳感器測量表面溫度。假人的主要關(guān)節(jié)可轉(zhuǎn)動，根據(jù)需求可以調(diào)節(jié)人體姿態(tài)，可實(shí)現(xiàn)站姿、坐姿等。

為了驗(yàn)證暖體假人對車內(nèi)環(huán)境熱舒適性評價的準(zhǔn)確的，利用汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室搭建測試環(huán)境，設(shè)定環(huán)境溫度30℃，濕度50%，太陽輻照模擬中午垂直地面入射，輻照值1 000 W/m2，通過風(fēng)洞模擬車速100 km/h。選取某型汽車的副駕駛位置作開展研究(如圖1)，汽車空調(diào)設(shè)置為制冷22℃，風(fēng)速自動，風(fēng)向提前根據(jù)主觀體驗(yàn)預(yù)設(shè)到較舒適的位置。測試時，待環(huán)境工況穩(wěn)定后，先將暖體假人置于副駕駛座位如圖1所示，發(fā)動汽車開啟空調(diào)并讓車輛運(yùn)行一段時間，使車輛及車內(nèi)熱環(huán)境達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)開始測試。測試時，暖體假人的穿著模擬夏季的服裝，衣服為長袖襯衣、背心、長褲、內(nèi)褲、棉襪和皮鞋，通過暖體假人測試得到該套服裝的總服裝熱阻為0.71 clo。

圖1 測試現(xiàn)場

3 結(jié)果

空調(diào)開啟后，車內(nèi)環(huán)境溫度隨時間逐漸降低，車內(nèi)局部小空間的溫度不均勻性逐步擴(kuò)大，變?yōu)榈湫偷姆蔷鶆颦h(huán)境，利用暖體假人測試該不均勻環(huán)境與身體不同部位對應(yīng)的各處的等效空間溫度變化規(guī)律。暖體假人穩(wěn)定后，通過測試軟件可顯示出全身不同部位的等效空間溫度，利用暖體假人評價當(dāng)前環(huán)境的熱舒適性結(jié)果如下圖2所示。

圖2 暖體假人測試結(jié)果

測試結(jié)果可看出：假人兩條大腿正面及右側(cè)大腿背面等效空間溫度最高，其次是右手、右小腿和右大臂正面這三部分等效空間溫度也較高；而左臂前胸和面部等效空間溫度較低。根據(jù)各部位等效空間溫度及對應(yīng)面積加權(quán)后計(jì)算得到的全身等效空間溫度為23.1℃。

利用暖體假人對該工況下副駕駛座位的熱舒適性測試完成后，又開展了相同工況下的用戶主觀體驗(yàn)。保持環(huán)境參數(shù)、車輛行駛狀態(tài)和空調(diào)設(shè)置不變，8名被試者穿著和暖體假人一致的服裝組合，對副駕駛位置進(jìn)行主觀體驗(yàn)。主觀體驗(yàn)的同時布置皮膚溫度測點(diǎn)，監(jiān)測典型部位的皮膚溫度。

主觀測試流程：

(1)被試者分別在額頭、右大臂、右大腿、右后背、右小臂、右小腿、左大臂、左大腿、左前胸、左小臂、左小腿粘貼溫度測點(diǎn)，并且在過渡間換上實(shí)驗(yàn)室服裝，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)間。

(2)實(shí)驗(yàn)員為被試說明實(shí)驗(yàn)流程與注意事項(xiàng)，被試者在車內(nèi)感受20 min，按照表1要求的7級熱感覺評分方法填寫，由于被試者進(jìn)入車內(nèi)時開關(guān)車門造成車內(nèi)環(huán)境參數(shù)有一些波動，而且人也需要一段時間適應(yīng)環(huán)境，根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)時的主觀感受和車內(nèi)環(huán)境溫度變化情況，主觀測試填寫在車內(nèi)最后5 min全身和局部的熱感覺。

表1 級熱感覺評分

選取的8名男性被試人員，年齡在20-40歲之間，平均年齡為30歲。由于熱舒適和身體質(zhì)量指數(shù)(BMI指數(shù))相關(guān)，因此統(tǒng)計(jì)了被試人員的BMI指數(shù)，同時在測試前還統(tǒng)計(jì)了被試者的冷熱喜好，見表2。

表2 被試人員統(tǒng)計(jì)

將8名被試者的主觀測試結(jié)果匯總后得到熱感覺主觀測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱感覺主觀測試結(jié)果

由圖3 的結(jié)果可看尺寸，該工況下全身、頭部、左大臂、左小臂等4個部位的熱感覺偏涼，尤其是左大臂和左小臂的熱感覺投票平均值都<-0.8。而其它部位的熱感覺投票值(TSV)都在-0.2～0.2之間，根據(jù)ISO 7730：2005中關(guān)于熱舒適性主觀投票值判斷準(zhǔn)則可知該區(qū)間屬于較舒適的區(qū)間。

主觀實(shí)驗(yàn)測試熱感覺的同時還測試了人體全身和局部的熱舒適性，測試依據(jù)4級熱舒適性評價方法，要求被試人員依照表5填寫熱感覺。測試結(jié)果見圖4所示。

表5 熱舒適性評分

圖4 熱舒適性評價結(jié)果

由圖4的熱舒適性評價結(jié)果可看出，左大臂和左小臂的舒適性較差，舒適性評分均值都>0.5，而最大值都達(dá)到了2；其次是頭部和全身，有部分被試人員覺得不舒適，雖然最大值為1，但是頭部舒適性的評分均值也接近0.5，說明有多個人感覺頭部稍不舒適。舒適性主觀測試結(jié)果和熱感覺結(jié)果有很好的一致性。

人體皮膚溫度是和熱舒適性相關(guān)性最好的生理指標(biāo)之一，皮膚溫度的高低基本能夠反映該部位的熱感覺狀態(tài)。同樣取8名被試者在車內(nèi)最后5 min的皮膚溫度測試結(jié)果，不同部位皮膚溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

圖5 被試者平均皮膚溫度

圖5的皮膚溫度測試結(jié)果可明顯看出，裸露部位的皮膚溫度較低、例如額頭，這是由于裸露皮膚沒有服裝覆蓋，散熱較快，因此皮膚溫度更低。另外受試者們左側(cè)的皮膚溫度都比右側(cè)對應(yīng)部位的皮膚溫度低，說明測試工況下的車內(nèi)環(huán)境左側(cè)更涼一些，其中左大臂、左大腿和左前胸平均皮膚溫度都低于33℃。皮膚溫度的測試結(jié)果與主觀測試結(jié)果有較好的一致性，主觀測試結(jié)果中感覺較涼的部位皮膚溫度也都較低，例如額頭、左大臂等。但是左大腿和左前胸的皮膚溫度雖然較低，但主觀測試的熱感覺還屬于舒適區(qū)間，原因在于前胸和大腿屬于軀干主體，離心臟比較近，血液循環(huán)快且血液溫度高，導(dǎo)致該部位能夠承受的舒適區(qū)間的皮膚溫度更低。另外左小臂的皮膚溫度不低，但是主觀感受偏涼，分析原因后發(fā)現(xiàn)左小臂內(nèi)側(cè)被空調(diào)直吹，但是測點(diǎn)貼在左小臂外側(cè)，而且外側(cè)還能被陽光照射到，因此才出現(xiàn)熱感覺偏涼但皮膚溫度正常的情況。

4 討論

皮膚溫度雖然和熱感覺有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但是人體各部位的熱舒適范圍不相同，例如人的手部和面部相比其它部位而言舒適區(qū)間更寬泛，冬季10℃的環(huán)境下裸露的手不會覺得很冷，夏季40環(huán)境下，裸露的手也不會覺得很熱，而其他部位裸露時則不能接受這么寬廣的溫度范圍。由于人體不同部位在相同溫度下的熱感覺不盡相同，因此ISO14505-2中規(guī)定了基于等效空間溫度的人體不同部位舒適區(qū)間溫度閾值判斷方法，將暖體假人的等效空間溫度測試結(jié)果置于該評價方法中，并與主觀體驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，得到不同部位對應(yīng)環(huán)境的冷熱感覺結(jié)果如圖6所示。

1右腳 2左腳 3右小腿 4左小腿 5右大腿 6左大腿 7右手 8左手 9右下臂 10左下臂 11右上臂 12左上臂 13上背 14胸膛 15臉部 16頭 17整體

由圖6可看出，根據(jù)暖體假人測試的局部等效空間溫度具體數(shù)值能夠從圖中得到對應(yīng)的冷熱感覺區(qū)域，據(jù)此來預(yù)測人在該環(huán)境中每個部位的冷熱狀態(tài)及舒適性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合主觀測試結(jié)果可看出，等效空間溫度低的部位主觀測試結(jié)果也偏涼。

等效空間溫度客觀測試中左下臂(10)、左上臂(12)、前胸(14)三個部位的等效空間溫度較低，均在20℃以下，都接近很冷區(qū)，主觀體驗(yàn)中這三個部位的熱感覺主觀投票值也都接近或低于-1，主客觀結(jié)果一致性很好。面部(15)的等效空間溫度雖然也很低，僅有17.3℃，但是由于面部的舒適溫度范圍下限較低，因此也在舒適范圍內(nèi)，屬于稍涼但舒適。面部對應(yīng)的主觀體驗(yàn)結(jié)果(TSV)的平均值為-0.64，主觀評價結(jié)果與客觀測試也較一致。其余身體各局部都屬于舒適區(qū)，其中頭部(16)和右下臂(9)的等效空間溫度對應(yīng)的熱感覺較舒適中線偏涼，其余的右腳(1)、左腳(2)、右小腿(3)、左小腿(4 )、右大腿(5)、左大腿(6)等都較舒適中線偏熱。主觀測試結(jié)果中這幾個部位的TSV值都在-0.2到+0.2之間，屬于絕對的舒適區(qū)。

上述測試結(jié)果的對比表明，雖然皮膚溫度和冷熱感覺有一定的關(guān)聯(lián)性，但是由于人體不同部位的熱感覺域限值不同，造成了相同皮膚溫度下不同部位有不同的冷熱感覺。但是基于等效空間溫度的舒適性評價系統(tǒng)，考慮到了人體不同部位的熱感覺差異，能夠更準(zhǔn)確的判斷局部的熱感覺，尤其是對于汽車車內(nèi)環(huán)境這樣典型的非均勻環(huán)境來說，利用暖體假人測試的等效空間溫度更適合用來評價局部熱感覺。而且該評價結(jié)果與主觀體驗(yàn)結(jié)果一致性比皮膚溫度與主觀體驗(yàn)的一致性更好。

5 結(jié)論

汽車在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室實(shí)際運(yùn)行的情況下，通過暖體假人測試了某個制冷工況下車內(nèi)副駕駛座位的假人局部和全身的等效空間溫度，在相同運(yùn)行工況下又通過被試者主觀體驗(yàn)測試了局部和全身的熱感覺，并且在主觀測試時采集了受試者身體局部的皮膚溫度。通過研究結(jié)果的對比和分析得到了如下結(jié)論：

(1)熱環(huán)境舒適性主觀體驗(yàn)中，皮膚溫度的高低基本能夠反映該部位的熱感覺狀態(tài)，但是由于人體不同部位的熱感覺域限值不同，造成了相同皮膚溫度下不同部位有不同的冷熱感覺，因此依據(jù)皮膚溫度判斷熱舒適性準(zhǔn)確性較差。

(2)基于暖體假人測試的等效空間溫度結(jié)合局部舒適性評價方法，可以精確的預(yù)測被測環(huán)境的熱舒適性，不僅能夠預(yù)測整體的熱舒適性，而且能夠預(yù)測局部的熱舒適性，測試結(jié)果能夠指導(dǎo)汽車空調(diào)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化開啟空調(diào)后車內(nèi)環(huán)境的熱舒適性。

(3)利用暖體假人測試的等效空間溫度更適合用來評價局部熱感覺，其該評價結(jié)果與主觀體驗(yàn)結(jié)果一致性非常好。