不同季节飞机客舱环境的主客观实验研究

刘俊杰，李炳烨，裴晶晶，王聪聪，肖晓劲，刘雪莹

(1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 200120；3. 中国民航大学乘务学院，天津 300300)

不同季节飞机客舱环境的主客观实验研究

刘俊杰1，李炳烨1，裴晶晶1，王聪聪1，肖晓劲2，刘雪莹3

(1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 200120；3. 中国民航大学乘务学院，天津 300300)

通过在真实 MD-82飞机客舱环境实验平台上模拟短途飞行，将客观环境参数测量与对受试人员的主观问卷调查相结合研究不同季节下舱内热舒适和空气质量．其中，客观测量参数有：噪声、照度、舱壁和舱内空气温度、空气流速、CO2及悬浮颗粒物浓度．两组志愿者(普通乘客和乘务人员)分别在春季(过渡季)与夏季填写有关舱内热舒适和空气质量调查问卷对舱内环境进行反馈．通过客观参数测量和问卷调查结果，对机舱环境参数进行评价，并研究不同季节时不同中国人群的热舒适区域．

客舱；机舱环境；热舒适；空气质量；问卷调查

据统计，每年约有10亿人乘坐飞机出行[1]，建立安全、健康和舒适的座舱环境不仅是乘客的迫切需求，也是飞机设计制造者的长远目标．乘客对舒适性的要求包含了方方面面的内容，其中有噪声、振动、照明、热舒适和座舱空气质量等．其中热舒适与舱内空气温度、湿度、空气流速、风量、热辐射强度以及乘客的代谢情况和衣着热阻等因素有关[2]．现存有关座舱环境设计标准中也包含了有关热舒适的相关要求，如 ASHRAE Standard 161 中规定：座舱内适宜温度范围为 18.3,℃～23.9,℃；乘客头部到脚部的垂直温差为 2.8,℃[3]．由于热舒适受各种因素共同影响，即使标准要求的各个参数均在规定范围内，也无法保证座舱环境一定会满足乘客的热舒适要求．例如，人体在不同季节的不同衣着状态下对热舒适指标的要求有所不同；现有的标准并没有考虑不同人群对热舒适标准的不同，基于欧美人群制定的机舱温度标准可能并不适用于中国人群．鉴于座舱热舒适和空气质量均为多参数共同影响，仅依靠单一客观参数测量不能全面评价座舱热舒适和空气质量．笔者通过客观参数测量结果与主观问卷调查同时进行的方法，将结果相互对比，研究不同季节下中国人群对座舱热舒适的要求．

座舱空气质量对乘客和乘务人员在飞行中的舒适和健康有重大影响．机舱内污染物种类较多，包括颗粒物、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、挥发性有机化合物(VOCs)、臭氧(O3)和细菌等[4]．这些污染物的来源包括舱外大气(如巡航阶段的高空臭氧、地面阶段的地表污染物等)和舱内材料及活动(如舱内表面材料、餐饮、人体等散发的可挥发性有机物，人员活动产生的悬浮颗粒物)．这些源对不同污染物的贡献率有所不同．笔者通过实验测量舱内人员活动对颗粒物浓度的影响．

1 研究方法

1.1 真实客机座舱实验平台

本实验以一架退役的 MD-82飞机作为实验平台，通过地面空调系统(GAC)为飞机提供长时间恒温(温度可调)全新风送风[5]．MD-82飞机座舱的尺寸为 27.79,m(长)×2.91,m(宽)×2.04,m(高)，分成头等舱和经济舱两部分，本次实验在 MD-82飞机头等舱内进行．头等舱每排4个座椅，3排12个座椅．客舱(包括头等舱和经济舱)送风形式为混合(mixing)送风，经处理后的空气由壁面两侧的格栅风口进入舱内，再由位于壁面下方、靠近地板的格栅回风口流出[6]．为降低实验期间室外气温波动对实验结果的影响，以及获得稳定的热边界条件，MD-82飞机外包高性能保温材料．MD-82飞机外观及地面空调系统如图1(a)所示，头等舱内部结构如图1(b)所示．

图1 实验平台示意Fig.1 Sketch of experimental platform

1.2 实验步骤

本实验旨在模拟短途航班，模拟航行时间约为3,h．在 0时刻受试人员登机，3,h后下机．在受试人员登机时刻起开始测量空气流速以及温度，在受试人员下机时刻停止测量．CO2、颗粒物浓度在乘客登机前10,min开始测量，受试人员下机后10,min结束测量，测试过程中安排有两次乘客活动，原地放松、脱掉外套或者打开行李舱取行李等动作，用以观察乘客活动对舱内CO2、颗粒物浓度的影响．在实验的3个小时过程中，每一个小时变换一次送风温度，每小时的送风温度分别为 18,℃、21,℃、24,℃．待每次变换送风温度稳定后，受试人员填写调查问卷．实验流程如图2所示．

图2 实验流程示意Fig.2 Flow diagram of experiment

1.3 主观问卷调查

主观问卷调查对象有两组受试人员，过渡季节受试人员为12名统一着装(外着西服套装，上装内着长袖衬衫)，全部为女性乘务人员；夏季受试人员为统一着装12名男女比例1∶1、年龄为20～25岁的学生，受试人员上装为短袖带领 T恤，下装为运动裤．如图 3所示．在本次模拟飞行中，针对乘客共进行3次问卷调查，分别在3次不同的送风温度稳定后进行．调查问卷包括旅客个人信息、当前衣着情况、舒适度调查、空气品质调查和总体环境评价 5部分.旅客个人信息中包括旅客基本信息、身体状况以及本次飞行乘坐的位置等；舒适度调查包括乘客对舱内温湿度、吹风感、气压、声强和照明等情况的满意程度；空气品质调查包括乘客对新风、CO2浓度、VOCs浓度和颗粒物浓度的满意程度．问卷中用标尺代表乘客接受程度，例如：－3：十分冷；－2：冷；－1：有点冷；0：适中；＋1有点热；＋2：热；＋3：十分热[6]．

图3 过渡季及夏季测试现场及受试人员Fig.3 Experimental scene and volunteers in transition season and summer

1.4 客观参数测量

本实验对影响乘客热舒适性以及舱内空气质量的客观参数进行测量，包括照度、噪声、温度、空气流速、CO2浓度和悬浮颗粒物浓度．

1.4.1 照度和噪声

考虑乘客在机舱中主要处于坐姿状态，照度在第2排每位乘客眼部位置以及走廊中央人眼高度处测量，测量仪器为TES-1330A照度仪．

在本次实验工况下，由于飞机未使用发动机，机舱送风使用地面空调车，因此机舱内部的噪声主要来自空调送风系统，包括室外地面空调车噪声、通风管道噪声、出风口气流噪声等，针对噪声来源以及噪声对乘客的影响，噪声在乘客耳朵附近以及舱内送风口、走廊中央进行测量，测量仪器为HS6288E噪声统计分析仪．

1.4.2 温度和空气流速

乘客乘机过程中面临着垂直温差大、吹风感强等问题，这些问题不仅会影响乘客的热舒适性，还会引起某些不适症状[7]．乘客头部为裸露部位，且对温度、风速较为敏感，因此在第 2排乘客头部上方以及走廊中央测量温度和空气流速．为研究客舱内的垂直温差，在走廊中央距地面 0.1,m、1.1,m、1.7,m 3个点测量温度[8]．座舱内温度和空气流速测点分布如图4所示．

图4 舱内测点分布示意Fig.4 Sketch of measurement points distribution in cabin

本次实验中采用热电偶测量空气温度，其测量偏差不超过±1,K，由于机舱内空间狭窄，为减少机舱壁面与热电偶之间的辐射传热造成测量误差，热电偶外包锡纸．测量空气流速使用的超声波风速仪(DA650-3TV，日本 Kaijo)，测速范围为 0～10,m/s，最小测量精度为0.005,m/s．

1.4.3 污染物浓度

在地面工况，座舱内污染物主要有 CO2、颗粒物、挥发性有机化合物(VOCs)．CO2测量分别在机舱送风口、回风口布置测点，为探究 CO2对乘客产生的影响，在第2排乘客头部上方放置CO2采样管，同时在走廊中央同一垂直方向不同位置布置 3个测点(与温度测点垂直高度相同)，用以探究舱内 CO2浓度垂直分布．在机舱送风口、回风口同样布置颗粒物采样管，为研究颗粒物在机舱垂直方向上的浓度分布，在走廊中央垂直方向上布置 3个测点(与温度测点垂直高度相同)．测量机舱内颗粒物浓度的同时监测室外颗粒物浓度．

舱内 CO2浓度测量使用红外光声谱气体监测仪(INNOVA1412，LumaSense)，使用多通道采样仪(INNOVA1309，LumaSense)对多个测点顺序采样．颗粒物浓度测量使用空气动力学粒度仪(APS3321)，其测定气溶胶颗粒的空气动力学粒径，测量的粒径范围为空气动力学直径0.5～20,µm．CO2和颗粒物浓度测量均在乘客登机前10,min开始采样测量，乘客下机后10,min停止采样测量，在测量期间内各个测点循环采样．

图5 舱内照度和噪声测量结果Fig.5 Measurement results of illuminance and noise in cabin

2 机舱环境客观参数

2.1 照度和噪声

如图 5(a)所示为机舱遮光板开启和关闭状态下的舱内照度．《公共交通工具卫生要求标准》[8]规定飞机客舱中照度需大于 100,lx(图中点划线所示)．照度测量结果显示当打开遮光板时舱内照度远超过标准要求；本实验期间飞机外表面贴有保温层，窗户的遮阳板关闭，乘客座位区照度都不满足标准要求，而问卷调查中乘客感觉光照舒适率高达 80%．这与乘客对照明的需求有关，在实验过程中，大多数乘客在睡觉、聊天或者进行电子娱乐活动(与真实飞行过程的情况一致)，这种光强正好满足乘客的需求；走廊处照度大于 100,lx，也满足乘客在机舱内保证安全性的照明需求，所以乘客对光照的满意率较高.

噪声方面，《公共交通工具卫生要求标准》中规定，客舱内噪声需低于 80,dB[8]．座位和走廊的噪声均低于标准值．但问卷调查结果显示，噪声仍是影响乘坐不舒适性的主要原因．由测量结果可以看出(见图 5(b))，风口处噪声高于 80,dB．除了飞机自身环控系统及风口的气流噪声，本实验中舱内的另一噪声来源为位于舱外附近的地面空调车的风机和空调设备噪声及舱外机场背景噪声．

2.2 空气温度

ASHRAE Standard 161中规定，乘客头部到脚部的垂直温差不可超过 2.8,℃[3]，如图 6所示，在过渡季和夏季 3种不同的送风温度下，在机舱垂直方向

上，人体头部和脚部温差均不超过 2.8,℃，满足ASHRAE标准．由于测试飞机下部未包裹保温层，并且夏季室外温度高于过渡季节，夏季通过机舱下部传热造成头部和脚部垂直温差较小．过渡季与夏季测试期间室外平均温度分别为20.9,℃与28.1,℃．

图6 过渡季与夏季垂直温差测量结果Fig.6 Vertical operative temperature variations in transition season and summer

图7为送风温度为18,℃、21,℃和24,℃ 3种工况时，A、B、C、D座位乘客头部相应的温度. ANSI/ ASHRAE Standard 161—2007中规定舱内温度范围为 18.3～23.9,℃[3]. 测试结果显示，在过渡季工况下，只有送风温度上升为 24,℃时，当地空气温度才超过标准要求．然而问卷调查发现，送风温度为 18,℃时，所有乘客的冷热感觉均为适中；送风温度为21,℃时，有 50%的乘客认为“有点热”；当送风温度为24,℃，有42%的乘客认为“有点热”，有8%的乘客认为“比较热”．由此可见，室外为过渡季节时，乘客在过渡季节的着装下，即使舱内温度没有超过标准(送风温度 21,℃工况)，乘客依然感觉不舒适．在夏季工况下，不同的送风温度时，乘客附近的温度均超过舱内温度标准值，但是乘客对舱内热感觉仍有较高的满意率，不同送风温度的满意率分别为 83%、92%和67%．

主观问卷调查结果显示，客舱内舒适空气温度根据不同季节以及乘客不同衣着而有所不同，过渡季满足标准的温度可能感觉偏热，而夏季高于标准的温度可能感觉适中．且不同的人群对舒适温度的要求会有所不同，因此，对于中国人群，过渡季节舒适温度的上限可降低到 23,℃，夏季舒适温度的上限可升高至26,℃，如图7中点划线所示．

图7 过渡季与夏季不同送风温度下不同座位温度测量结果Fig.7 Measurement results of different seats air temperatures at different supply air temperatures in transition season and summer

2.3 空气流速

舱内空气流速(v)以及湍流强度(TI)测量结果如图 8所示，计算湍流强度可以反映风速的变化程度[9]．乘客头部风速约为 0.05,m/s，远低于 ANSI/ ASHRAE Standard 161—2007中要求舱内空气流速低于 0.3,m/s的规定[3]．而调查问卷显示仅有 14%的乘客认为无吹风感．从测量结果同样可以看出，测点处湍流强度较大，大部分位置大于 100%，说明此处空气流速波动较大．吹风感和许多因素有关，如风速、空气温度等，当人体周围空气流速和空气温度相同时，高湍流强度比低湍流强度造成更强烈的吹风感[10]．

图8 过渡季与夏季空气流速和湍流强度测量结果Fig.8 Measurement results of air flow velocity and turbulence intensity in transition season and summer

2.4 污染物浓度

2.4.1 CO2浓度

调查问卷显示，座舱空气质量是影响乘客乘坐舒适性的第二大因素．图 9为测试期间乘客附近以及机舱送、回风口CO2平均浓度．送风CO2浓度基本稳定，只有在乘客登机和下机时刻舱内 CO2浓度变化明显．从测量结果看出，4个座位 CO2浓度高于回风口处 CO2浓度，造成这种现象可能是由于以下 2个原因：①由于人体热羽流作用，人体附近 CO2随热气流上升，机舱上部 CO2浓度高于机舱下部，走廊中间垂直方向上不同高度3个测点的CO2浓度测量结果也证实了这种现象，靠近天花板处测点 CO2浓度高于靠近地板处测点；②由于舱内气流组织较差导致乘客呼出的 CO2不能及时排出，从而使 CO2长期滞留于乘客附近．ANSI/ASHRAE Standard 62.1—2007[11]

图9 座位以及机舱送、回风口CO2浓度测量结果Fig.9 Measurement results of CO2concentration in thecabin, air intakes, and air outlets

中通过以下方法计算通风效率，即

式中：ZP为新风比；RP为每人最小新风量，机舱内取3.5,L/(人·s)；PZ为人数，12人；Ra为单位地面面积所需新风量，0.3,L/(m2·s)；AZ为头等舱面积，9.5,m2；EZ为气流分布有效性，为 0.8；VPZ为送风量，122,L/s．

计算出新风比ZP通过查阅ANSI/ASHRAE Standard 62.1—2007相应表格得到最小通风效率EVm．头等舱内最小通风效率EVm＝70%．

座舱内第 2排各个座位处的通风效率[12]计算式为

式中：Ce为回风口处 CO2浓度，10-6；Cs为送风口处CO2浓度，10-6；C为座位处CO2浓度，10-6．

座位处的通风效率均在 50%左右，仍低于ANSI/ASHRAE Standard 62.1—2007中计算所得机舱内最小通风效率．低通风效率致使乘客呼出的 CO2不易被回流空气带走，造成主观感觉空气质量较差．

另外，值得注意的是，测试期间所测得舱内 CO2浓度水平约为 900×10-6左右．Lindgren等[13]对真实航班测出的CO2浓度同样低于1,000×10-6，均远低于FAR适航标准规定的5,000×10-6[14]．

2.4.2 颗粒物浓度

测试期间舱内颗粒物浓度随时间变化如图10所示．可见舱内测点颗粒物浓度与送风颗粒物浓度具有很强的跟随性，这说明在本次实验工况下，舱内的颗粒物主要来自于送风．图中实线内部分为乘客活动期间舱内颗粒物浓度变化，由于人员活动舱内颗粒物浓度短时间内有一定程度的升高，但浓度上升有限，且乘客停止活动后舱内颗粒物浓度快速下降到乘客活动前水平．说明人员活动也会影响舱内颗粒物浓度，但并不是决定颗粒物浓度的主要因素．

图10 舱内测点颗粒物浓度测量结果Fig.10 Measurement results of particle concentration in the measurement point of the cabin

MD-82飞机由地面空调车(GAC)送风，GAC只配备G3级别初效过滤器，经处理后的室外空气通过送风管道送入机舱．通过同时监测室外颗粒物浓度和送风颗粒物浓度，发现送风颗粒物浓度与室外颗粒物浓度具有很强的跟随性，但是经过初效过滤器净化以及颗粒物在送风管道内沉降，送风颗粒物浓度低于室外颗粒物浓度．过渡季节舱内外颗粒物浓度比(I/O比)约为 0.7，夏季 I/O比约为 0.25．由夏季到过渡季，随着空调车初效过滤器的使用，过滤效率有所提高，因而虽然夏季室外颗粒物浓度较大，2种季节工况下舱内颗粒物浓度相似，夏季I/O比较低．

3 客舱环境主观评价与讨论

3.1 影响客舱环境的参数

影响整体客舱环境有以下几项主要因素：噪声、照度、压力、空气质量和热舒适．调查问卷中显示，有42%的乘客认为影响总体客舱环境满意度的因素为噪声，其次依次为空气质量、热舒适、照度等．在本次模拟飞行实验中，噪声的主要来源为飞机环控系统以及地面空调车(风机和空调设备)；而在真实的飞行过程中，噪声的主要来源为动力装置(螺旋桨和发动引擎)、外部高速湍流与机身间的振动摩擦以及环控系统[15]．螺旋桨产生的噪声频率低于风机产生的噪声频率，而低频率的噪声更易引起乘客的不舒适感[16].也就是说，在真实的飞行过程中产生的噪声更易造成乘客的不满意．本次研究中得出的关于噪声在客舱整体环境质量评价中的比例可能与真实情况有所不同，但可以说明噪声是影响座舱环境主观评价结果的一个主要因素．

3.2 热舒适评价

机舱内微气候是影响乘客乘坐舒适一个至关重要的因素．利用所测量参数可以预测舱内热舒适性PMV-PPD(predicted mean．vote-predicted percentage of dissatisfied)指标．PMV-PPD指标通常用于评价建筑室内热舒适水平[17]．分别计算过渡季节和夏季工况下不同座位乘客的PMV值，进而得出PPD值.

PMV-PPD计算中涉及的各个参数含义及取值见表1.

表1 PMV-PPD计算参数取值Tab.1 Parameters for calculating PMV-PPD

在2种不同季节下，不同送风温度下PMV-PPD指标计算结果如图11所示，字母A、B、C和D代表乘客座位号，空心几何图形代表调查问卷中乘客实际热感觉投票(TSV)，实心几何图形代表乘客计算热感觉结果(PMV)．可以看出乘客的热感觉投票(TSV)普遍高于 PMV值，即与预测值相比，预测指标普遍偏凉，而实际真实感觉适中或较热．虽然机舱热环境与建筑热环境具有相似性，但是机舱环境又有其特殊性，比如空间较小但是人员密度大，辐射传热加强，由图 11也可看出，大部分测点 TSV＞PMV．所以，PMV-PPD指标是否可以评价机舱热舒适还有待商榷.

图11 过渡季与夏季PMV-PPD计算结果与TSV对比Fig.11 Comparison between PMV-PPD and TSV in transition season and summer

4 结 论

(1) 在真实机舱实验中用客观参数测试与主观评价相结合的研究显示，不同季节工况下，座舱内适宜温度不同，而且跟乘客的衣着热阻和室外温度有关，在ANSI/ASHRAE Standard 161—2007中，过渡季节座舱内适宜温度最高值需要降低至 23,℃左右，夏季座舱内适宜温度最高值可升高至26,℃．

(2) 使用建筑环境 PMV-PPD指标评价座舱热舒适与真实的热感觉投票(TSV)存在较大偏差．这可能是由于在机舱中人员密度大，热辐射增强，人体表面对流换热系数可能与在建筑环境中有所不同，因此适用于一般建筑室内环境的 PMV-PPD指标是否适用评价座舱热舒适还有待进一步研究．

(3) 污染物方面，座舱内CO2浓度约为900× 10-6，远低于适航标准要求(5,000×10-6)，但是乘客仍认为舱内的 CO2浓度较高，座位处较低的通风效率表明乘客呼出的CO2不能及时排出．

(4) 舱内的颗粒物主要来源于送风，人员活动虽然会导致舱内颗粒物浓度有短时间上升，但是一段时间后颗粒物浓度会降回正常水平．

(5) 舱内噪声水平虽低于标准，但是乘客仍对座舱内声环境不满意，噪声是影响座舱环境主观评价结果的主要因素．

(6) 舱内照度同样低于标准值，由于舱内照度满足乘客活动需求，所以乘客对照度的满意率较高．

5 展 望

本次研究中，基于减少实验影响因素的考虑，实验仅在头等舱进行，所涉及调查人数也较少．本研究是对一种新的研究方法和思路的探索所得出的初步结论．要建立适合中国人的座舱环境参数，需要在此实验方法的基础上进行大样本量的调查研究．

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（责任编辑：田 军）

Subjective and Objective Experimental Study of Cabin Environment in Different Seasons

Liu Junjie1，Li Bingye1，Pei Jingjing1，Wang Congcong1，Xiao Xiaojin2，Liu Xueying3
(1. School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Commercial Aircraft Corporation of China Ltd，Shanghai 200120，China；3. School of Aircraft Crew，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)

To study cabin thermal comfort and air quality，objective parameters measurements and subjective questionnaires in a simulative short flight were simultaneously conducted in a MD-82 cabin environment research facility. Objective parameters measured included noise，illumination，air temperature and cabin internal wall temperature，air flow velocity，CO2and airborne particle concentration. In spring(transition season) and summer，two teams of volunteers(passengers and crew members)filled in questionnaires on cabin thermal comfort and air quality. The objective is to evaluate the cabin thermal comfort and air quality as well as studying the different thermal comfort zones for the Chinese in different seasons by analyzing objective parameters measurements and subjective questionnaire results.

aircraft；cabin environment；thermal comfort；air quality；questionnaire

V245.3

A

0493-2137(2015)02-0103-08

10.11784/tdxbz201312035

2013-12-16；

2014-02-19.

天津市应用基础与前沿技术研究计划重点资助项目(14JCZDJC39200)；国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB720100).

刘俊杰（1969— ），男，博士，教授.

裴晶晶，jpei@tju.edu.cn.

时间：2014-03-14. 网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201312035.html.