駕駛艙熱舒適性與空調經濟性分析研究

蘇楚奇，江 玥，汪怡平，袁曉紅

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著汽車工業的迅速發展，汽車已經成為人們日常生活中必不可少的交通工具。如今，人們生活品質的提高使汽車需要滿足更高的要求，汽車除了要保證基礎的動力性、經濟性和安全性以外，還需要達到良好的乘坐熱舒適性。美國ASHRAE標準中將人體熱舒適性描述為人體對熱環境感覺滿意的意識狀態[1]。交管部門事故登記表明，駕駛員在駕駛途中的疲勞焦躁是造成交通事故的一個重要原因，駕駛室內悶熱不舒適的熱環境極易產生這種疲勞和焦躁感[2]。

隨著汽車的普及與發展，車內熱環境對駕乘人員的影響和汽車空調經濟性引起人們的關注。2005年，文獻[3]對能在高度不均勻熱環境中預測人體熱舒適性的虛擬熱舒適工程（VTCE，Virtual Thermal Comfort Engineering）進行了研究，可根據空氣溫度、濕度、太陽輻射等環境參數對熱舒適性進行分析和預測，在汽車開發階段有效提高駕駛艙熱舒適性。2006年，文獻[4]開發了用于在駕駛艙熱環境中預測乘客和通風座椅熱相互作用的數學模型和實驗模型，研究結果表明座椅通風系統能在（2～3）min內有效提高乘客熱舒適性。2009年，文獻[5]針對汽車空調制熱模式下駕駛艙內的熱環境，通過采集人體各部位周圍的氣流速度和溫度等數據，研究了氣流速度、溫度的變化對熱舒適性的影響。隨著研究的深入，學者們在關注駕駛艙熱舒適性的同時，也逐漸開始對汽車空調的經濟性進行研究。2014年，文獻[6]采用計算流體力學方法對有前通風口和頂棚通風口的局部空調系統在不同風量和空氣溫度下的熱舒適性和節能性進行了研究，并對該局部空調進行了優化，有效降低了空調系統能耗。2018年，文獻[7]對具有不同汽車局部空調送風口結構的駕駛艙內流場及溫度場進行了數值模擬，并研究了不同送風工況下駕駛員熱舒適性和空調節能性，驗證了汽車局部空調的降溫效果和節能效果。

汽車空調系統有調節車內溫度、通風排氣、凈化空氣等功能。傳統汽車空調送風形式一般為操縱臺式，主要目的是將氣流吹到人的臉部及軀干區域，并對車內整體熱環境進行調節。由于駕乘人員坐在座椅上時，身體緊貼座椅表面，接觸部分空氣不流通，不利于汗液的排出，會使人感到不舒服[8]。通風座椅作為汽車空調系統的補充，可以有效改善人體背部、臀部及大腿的熱舒適性。座椅的通風功能可通過向座椅風道中注入空氣，并從座椅表面流出，靠背和坐墊的表皮通常采用多孔介質材料。

駕駛員及乘客坐在車內時，需要根據人體熱舒適性需求來調節空調出風口的送風溫度和送風速度，這兩種參數是直接影響駕駛艙熱環境和空調系統能耗的重要因素。過冷或過熱的環境都會導致人體產生不舒適感，汽車空調系統甚至也會因此能耗過高。所以，有必要研究人體熱舒適性和空調經濟性隨送風溫度和送風速度的變化規律，為實際應用中送風工況的設置提供參考。本研究對一種帶有新型通風座椅空調系統的駕駛艙內流場和溫度場進行數值模擬，研究在夏季高溫環境中不同送風工況對駕駛員熱舒適性和空調經濟性的影響規律，探索在滿足駕駛員熱舒適性的前提下盡可能的降低能耗的有效方法。

2 熱舒適性及空調經濟性評價指標

2.1 熱舒適性評價指標

人體熱舒適性評價指標一般分為均勻熱環境下的評價指標和非均勻熱環境下的評價指標。汽車駕駛艙內部結構復雜且空間狹小，空調開啟時，駕駛艙內部氣流和溫度分布不均勻，是一種典型的非均勻熱環境。非均勻熱環境會引起的人體局部熱舒適性問題，通常采用人體各節段當量溫度Teq（Equivalent Temperature）和基于當量溫度的熱舒適偏差AEQT來綜合評價。

當量溫度Teq通過分析人體各節段與周圍環境的熱交換來對人體各部位局部熱舒適性進行評價，用于評價非均勻熱環境內熱舒適性時更加科學合理。但是，在評價熱舒適性時將整體熱感覺分解，當人體局部熱舒適性差異較大時，則不便于簡單直觀地對整體熱舒適性進行評價。基于Teq延伸出描述人體整體熱舒適偏差的參數—熱舒適性偏差AEQT，該參數可有效克服Teq用于評價人整體熱舒適性時的不足之處。人體各部位熱舒適性Teq的舒適范圍和理想值，如圖1所示。

圖1 人體各節段當量溫度Teq范圍Fig.1 Range of Equivalent Temperature（Teq）of Each Segment of the Human Body

當量溫度Teq計算，如式（1）所示。

式中：i—人體第i節段；Teq，i—第i節段的當量溫度，單位K；Ts，i—第i節段的皮膚表面溫度，單位K；vɑir，i—第i節段周圍的空氣流速，單位m/s；Tɑ，i—第i節段周圍的空氣溫度，單位K；Si—第i節段的表面積，單位m2，取值參考SAEJ2234給出的人體各節段表面積，如表1所示；hcɑl，i—第i節段的對流換熱系數，取值8.7W/(m2·K)；fi，n—第i節段對駕駛艙壁面n的角系數，取值參考Guibert&Taylor和Fanger的研究數據，如表2所示；Tn—駕駛艙內部件溫度，單位K；εi—第i節段的發射率，通常取值0.97；Qsol—第i節段得到的太陽輻射量，單位W；σ—斯蒂芬—玻爾茲曼常數，取值為5.67×10-8W/(m2·K4)。

表1 人體各部位表面積及影響權重Tab.1 Surface Area and Influence Weight of Various Parts of Human Body

表2 人體有效輻射面積系數Tab.2 Effective Radiation Area Factor of Human Body

熱舒適性偏差AEQT取值范圍在（-1～+1）之間，如圖2所示。該偏差表示了人體整體熱舒適性與其理想舒適溫度之間的偏差程度。當AEQT取值在（-1～0）之間時，表示當量溫度在舒適區間之外；當AEQT取值在（0～+1）之間時，表示當量溫度在舒適區間內；AEQT越接近+1，表示熱舒適性越好；AEQT越接近-1，表示熱舒適性越差。

圖2 人體熱舒適性偏差AEQT范圍Fig.2 Range of Human Thermal Comfort Deviations

AEQT計算，如式（2）、式（3）所示：

式中：ωi—人體第i節段的熱感覺對整體熱舒適的影響權重，取值如表1所示；Ai—人體第i節段的熱舒適性偏差；Tmin，i—第i節段舒適性范圍最小值，單位℃；Tmax，i—第i節段舒適性范圍最小值，單位℃。

2.2 空調經濟性評價指標

能效比COP是用來評價空調制冷系統節能效果的重要指標，其計算，如式（4）所示：

式中：Q—空調制冷量；Wc—空調壓縮機功率。

考慮到汽車空調壓縮機在不同轉速下的COP值變化微小，故假設空調COP保持不變，通過計算每種工況下的制冷量大小來對汽車空調的節能效果進行評價［12］。制冷量計算公式如下：

式中：Q—空調系統制冷量，W；c1—循環風比熱容，單位J/kg·K；m1—循環風質量流量，單位kg/s；c2—新風比熱容，單位J/kg·K；m2—新風質量流量，單位kg/s；T1—循環風溫度，單位K；T2—新風溫度，單位K；T3—冷卻風溫度，單位K；QP—駕駛員散發熱量，取值176W；QA—通過門窗等縫隙滲透進入駕駛艙內的熱量，在駕駛艙密封良好的情況下，該值為零。

3 數值模擬

以某款貨車駕駛艙模型為例，用計算流體力學（CFD，Computational Fluid Dynamics）的方法研究熱舒適偏差AEQT和空調系統制冷量Q隨出風口送風速度和溫度的變化規律。

3.1 幾何模型

采用CATIA軟件對研究對象進行1：1建模，在不影響計算結果的前提下，在建模時對駕駛艙內進行了簡化，如圖3所示。空調系統共有6個出風口和2個回風口，其中4個出風口分布在操縱臺，尺寸為（100×70）mm，1個出風口在座椅靠背后方，尺寸為（60×30）mm，1個出風口在座椅坐墊下方，尺寸為（60×30）mm。兩個回風口設置在車門旁。

圖3 駕駛艙幾何模型Fig.3 Geometry Model of Cockpit

3.2 網格劃分

為減少網格數量從而減少計算耗時，針對模型幾何的復雜程度以及流體的關鍵區域的不同，采用不同的網格尺寸進行了網格劃分，如風道、坐墊、靠背、人體等區域采用了精細網格以提高計算精度。整個模型采用四面體網格進行離散，網格數量約為294萬，網格模型，如圖4所示。

圖4 駕駛艙網格模型Fig.4 Mesh Model of Cockpit

3.3 模型選擇

夏季時，汽車駕駛艙內外空氣溫差較大，汽車空調風口產生的氣流會使駕駛艙內不均勻流場進一步發生變化，故這里仿真模擬的湍流模型選用RNGk-e模型。炎熱天氣環境下，太陽輻射是導致駕駛艙內溫度升高和人體熱感覺明顯的主要原因，故在進行汽車駕駛艙速度場場和溫度場分析時，太陽輻射為不可忽略的因素，計算中，輻射換熱選用表面至表面輻射模型和灰體模型，并根據地區經緯度及時間，計算太陽通量等參數。

3.4 邊界條件設置

6個出風口均設置為速度進口，2個回風口均設置為壓力出口。通風座椅的坐墊及靠背的表皮設置為多孔介質材料，厚度為5mm，孔隙率為0.6，其余沒有流體通過的表面均設置為壁面，并根據各壁面的傳熱、對流和輻射換熱特性對邊界條件進行設置。

3.5 工況設置

為研究空調送風溫度與送風速度的匹配對于空調制冷效果的影響規律，研究中參考夏季時常規汽車空調工作范圍，將送風溫度變化范圍為（2～16）℃，變化梯度為2℃，送風速度變化范圍為（3～6）m/s，變化梯度為1m/s，一共分析32種送風工況時的人體熱舒適性和空調經濟性。

4 結果與分析

4.1 速度場和溫度場分析

因各模擬工況的速度場與溫度場類似，故選出熱舒適性最佳的一種工況（送風速度4m/s、送風溫度6℃）對駕駛艙內速度和人體表面溫度分布進行分析。

駕駛員對稱截面處速度、溫度分布和駕駛員表面溫度分布，如圖5～圖7所示。由圖5可以看出，由于座椅的通風功能，駕駛員背部、臀部及大腿處處風速較大，很大程度上改善了因為人體與座椅表面緊密接觸而導致的空氣不流通現象。由圖6、圖7可以看出，駕駛艙室內環境溫度適宜且較為均勻，人體表面溫度分布符合“頭冷腳涼”的舒適性原則，背部、臀部和大腿處的局部表面溫度和周圍空氣溫度比其他部位稍低。根據身體各部位熱感覺對整體熱舒適性的影響權重分布可知（見表1），此3處的局部熱舒適性對整體熱舒適性的影響較大，對這些部位進行局部降溫將有利于提高駕駛員及乘客的整體熱舒適性。

圖5 駕駛員對稱截面處速度分布Fig.5 Velocity Distribution at the Driver’s Symmetrical Section

圖6 駕駛員對稱截面處溫度分布Fig.6 Temperature Distribution at the Driver’s Symmetrical Section

圖7 駕駛員人體表面溫度分布Fig.7 Temperature Distribution of the Driver’s Surface

4.2 熱舒適性偏差AEQT與制冷量Q分析

當其他環境條件保持不變，僅改變空調出風口的送風溫度時，熱舒適性偏差AEQT隨送風溫度的升高呈現出先增加后減小的變化趨勢，制冷量Q隨送風溫度的升高而減小，如圖8、圖10所示。同樣條件下，僅改變空調出風口送風速度時，熱舒適性偏差AEQT隨送風速度的升高也呈現出先增加后減小的變化趨勢，空調制冷量Q隨送風速度的增大而增大，如圖9～圖11所示。

圖8 不同送風速度下AEQT隨送風溫度變化圖Fig.8 Variation of AEQT with Supply Air Temperature at Different Air Supply Speeds

圖9 不同送風溫度下AEQT隨送風速度變化圖Fig.9 Variation of AEQT with Supply Air Speed at Different Air Supply Temperatures

圖10 不同送風速度下Q隨送風溫度變化圖Fig.10 Variation of Q with Supply Air Temperature at Different Air Supply Speeds

圖11 不同送風溫度下Q隨送風速度變化圖Fig.11 Variation of Q with Air Supply Speed at Different Air Supply Temperatures

對于人體熱舒適性，由圖8、圖9可知，送風速度不同，AEQT峰值大小不同，且達到峰值時對應的送風溫度不同；送風溫度不同，AEQT峰值和其對應的送風速度也不相同，其中送風速度越大，AEQT達到峰值時的送風溫度也就越高。此外，不同送風工況下，AEQT峰值變化范圍較小且隨送風速度增加呈現先增大后減小的趨勢；在不同送風溫度工況下，AEQT峰值隨送風溫度的增大先增大后減小。結合兩圖來看，若僅考慮熱舒適性，當送風速度約為4m/s、送風溫度為7℃時，人體熱舒適性可達到最佳。

對于空調經濟性，由圖10、圖11可看出，空調制冷量Q的大小隨送風溫度和送風速度的變化均呈現單調變化，若不考慮熱舒適性，則可以通過在保持送風溫度不變的前提下降低送風速度，或在保持送風速度不變的前提下提高送風溫度這兩種方式使空調達到更好的節能效果。

綜合駕駛員熱舒適性和空調經濟性兩方面來考慮，在送風速度不變的情況下（圖8、圖10），送風溫度過低也會使熱舒適性和空調經濟性同時下降，故可根據圖8中的峰值AEQT達到之后的部分曲線來選取送風溫度；同理，在送風溫度不變的情況下（圖9、圖11），送風速度過高會在導致熱舒適性下降的同時消耗更多能量，故可根據圖9AEQT達到峰值之前的部分曲線來選取送風速度，這樣就可以在滿足熱舒適性要求的同時盡可能降低能耗。

對熱舒適性偏差接近峰值的送風工況進一步討論分析，工況參數及模擬結果，如表3所示。根據圖12可以看出，隨著送風工況溫度和速度的同步增加，熱舒適性偏差AEQT先增大后減小，而空調制冷量Q持續降低。由此可知，在達到相同熱舒適性水平的情況下，空調的送風溫度和速度都高時比送風溫度和速度都低時，空調制冷量更低，即空調的高溫、高速工況比低溫、低速工況擁有更好的經濟性。

表3 部分送風工況參數及模擬結果Tab.3 Parameters and Simulation Results of Some Air Supply Conditions

圖12 不同工況下AEQT和Q變化圖Fig.12 Variation of AEQT and Q at Different Air Supply Conditions

5 結論

（1）研究了某種帶有新型通風座椅的空調系統在夏季高溫環境下的制冷時駕駛艙內的速度場和溫度場，結果表明該空調系統能在有效降低駕駛艙內溫度的情況下對人體與座椅緊密接觸的部位進行局部降溫，有利于改善駕駛員的整體熱舒適性。

（2）通過改變空調系統出風口送風溫度和速度，得出整體熱舒適性評價指標熱舒適性偏差AEQT和節能性評價指標制冷量Q分別隨送風溫度和送風速度變化的規律。隨著送風溫度或送風速度的增大，熱舒適性呈現先上升后下降的變化趨勢。空調經濟性隨送風溫度的升高而得到優化，隨送風速度的升高而逐步惡化。

（3）當環境條件一定時，存在一種送風工況可使人體熱舒適性達到最佳水平。分析結果表明，在夏季制冷模式下，汽車空調送風的高溫、高速工況和低溫、低速工況可達到相同舒適性水平，但在獲得相同水平熱舒適性時，高溫、高速工況較之低溫、低速工況具有更好的經濟性。所以，在汽車空調的實際應用中，以熱舒適性的最佳工況為基準，根據熱舒適性和空調經濟性的變化規律對空調送風參數進行調節，可同時滿足熱舒適性和空調系統經濟性的要求。