基于PMV-PPD和EQT指标的乘员舱热舒适性研究

胡　宁，薛铁龙，刘　牛

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽　合肥　230009）

Hu Ning，Xue Tielong，Liu Niu



基于PMV-PPD和EQT指标的乘员舱热舒适性研究

胡宁，薛铁龙，刘牛

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009）

Hu Ning，Xue Tielong，Liu Niu

摘要：利用STAR-CCM+软件对某型轿车的乘员舱进行数值模拟，计算中考虑到太阳辐射和壁面间辐射的影响，设定太阳的方位角和高度角均为90°，通过仿真得到舱内速度场、温度场以及人体表面温度的分布；通过建立PMV-PPD指标评价乘员舱的整体热舒适性，再利用EQT指标评价舱内乘员的局部热舒适性，利用多指标评价体系较为全面地评价乘员舱内的热舒适状况。

关键词：PMV-PPD；EQT；热舒适性；太阳辐射；平均空气龄

0　引　言

随着工业社会的飞速发展，人们对乘员舱内的热舒适性要求越来越高，研发人员对热舒适性问题也越来越重视。但由于乘员舱内空间狭窄，结构复杂，内部流场混乱，所以，高精度的乘员舱热舒适性分析依然是现阶段的难点。如果乘员舱内舒适度和空气质量长时间较差，车内乘员会感觉胸闷、注意力不集中，并容易产生疲劳，因此，对乘员舱进行全面的热舒适性分析是很有必要的。

1　热舒适性评价指标

预期平均通感PMV（Predicted Mean Vote）是目前评价均匀热环境最常用的指标，而对于一些非均匀的热环境，更多的是采用加权PMV评价指标，文中采用面积加权法。PMV的热感觉标尺在-3～+3之间，具体的冷暖感觉划分见表1。

表1　PMV的热感觉标尺

不适人员比例PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied）指标是对一特定环境感到不适人员的比例，由于人与人之间存在差别，即使是在大多数人都感到舒服的环境中，仍然会有部分人感到不适，而PPD指标恰好反映了这种差别的存在。

当量温度EQT（Equivalent Temperature），即空气温度分布均匀，湿度在50％的条件下，将暖体假人置于该封闭环境中，空气温度等于辐射温度，当人体某一部位散热量与处于真实非均匀环境中的散热量相同时，封闭环境的温度就称为该身体部位在真实环境中的当量温度。当量温度分别考虑了各个人体部位的热舒适性，但具有局部性。

2　模型的建立与边界设定

2.1建立数值模型

通过实车测量，利用三维建模软件CATIA建立乘员舱模型，包括车体、车窗、内饰、座椅和风道等，将三维模型导入Hypermesh中，再将假人模型导入进来，去掉车顶盖的模型如图1所示。

图1　乘员舱的三维模型

2.2计算条件的设定

由于进出口边界条件对结果有较大影响，需保证边界条件的准确性。设定进口边界条件为体积流量入口，入口流量为350m3/h；设定出口边界为压力出口边界条件，乘员舱进口温度为7˚C。人体边界采用热流密度边界条件，人体在25˚C轻微活动的条件下散热量为117W，所以设定驾驶员的散热量为180W，其他成员的散热量为117W。

引入S2S固体壁面间的辐射模型，其模型中太阳辐射参数见表2。

表2　太阳辐射参数

3　数值模型仿真分析与评价

3.1速度场分析

气流速度的大小及分布情况对人体的热舒适性有很大影响。一般来说，当人体周围的流速在0.3m/s时，人体会感觉比较舒适。人体表面风速分布如图2所示。

从图2可以看出，后排乘员的表面风速要略高于驾驶员和副驾驶员体表的风速，后排舒适度要稍好于前排，各乘员体表风速分布较为均匀，基本都在0.3～0.7m/s，后排乘员躯干部位以及前排乘员头部风速较高，这是进风口直吹的结果，而头部较高的风速可以保证头部周围空气的新鲜度。各乘员腿脚部位风速较低，空气流动缓慢，可以使腿脚部位处于较为温暖的状态，符合头冷脚热的分布原则。

图2　人体表面风速分布图

3.2温度场分析

人体对体表的温度较为敏感，一般当温度维持在28˚C左右时，人体感觉较为舒适。周围温度过高或过低都会引起人体舒适度的下降，人体表面温度分布如图3所示。

图3　人体表面温度分布图

由图3可知，除副驾驶员身体出现局部温度较高外，其他乘员基本上都处于较为舒适的温度范围内。副驾驶员侧出风口直吹头部，气流经过头部后直接流向后排乘员，导致外臂以及下腹部出现局部高温，合理的调整格栅角度可以改善舒适度状况。

表3　人体表面温度分布表˚C

从表3可知人体的温度大多处于25˚C～30˚C范围内，这说明乘员在进风口温度为7˚C时，可以获得很好的体表温度，但具体舒适程度有待综合指标的进一步评定。

3.3PMV评价指标

根据ISO7730中的PMV指标在-0.5～+0.5时，乘员处于舒适状态，将PMV指标以STAR-CCM+语言进行编程，得到的加权PMV分布如图4所示。

图4　人体表面PMV值分布

由人体表面的PMV值分布图可以看出，除副驾驶员下腹及外臂处PMV值分布略高，其他乘员大部分区域都处于一个合适的PMV范围内，这种PMV分布图也与人体表面温度分布相吻合。这也进一步说明当给定一个合理的进风温度时，可以保证乘员舱内良好的热舒适性。

3.4PPD指标

图5为舱内成员的PPD值分布。

由于乘员PPD值是建立于PMV值之上的函数，故驾驶室内乘员的PPD值分布依赖于PMV值的分布。从不适成员比例来看，基本上控制在10％以下，说明绝大部分乘员处于理想状态。但PMV-PPD评价指标也有其局限性，这是一个综合指标，难以考虑身体局部的热舒适程度，因此，可以配合EQT指标对乘员舱进行更加全面的评价。

图5　驾驶室内乘员的PPD分布

3.5EQT指标

当量温度指标将人体的整体热感觉分解成局部热感觉，不利于评价整体热舒适性，但对于基于PMV-PPD指标结果的进一步局部热舒适评定却有重要意义。根据EQT指标，可以进一步得到在整体舒适的情况下，身体各个部位是否真的处于舒适状态，各个乘员的人体表面当量温度分布如图6所示。

图6　车内各乘员当量温度分布

图6中可以看到，大部分乘员身体各部位处于较为合适的温度范围。但副驾驶员的右上臂、右下臂以及右手部位当量温度偏高，已经到临界温度边缘，这是风口直吹躯干及头部的结果。

综合以上整体和局部的热舒适评价指标，对人体热舒适程度进行全面分析，PMV-PPD指标平均值为0.135，从全局评价了整个乘员舱内乘员处于一个理想的热舒适区间。当量温度指标考虑了每个乘员各身体部位的当量温度，进一步指出了即使在全局舒适度较高的情况下，副驾驶员的右臂依然出现了局部高温。

4　试验结果对比

为验证仿真结果的准确性，对驾驶员身体表面温度进行测量。在驾驶员头部、躯干、上肢以及下肢部位布置多个测点，以温度仪测量测点温度，计算温度平均值，见表4。

表4　主驾驶员身体表面温度分布

由试验结果分析可知，试验测量的温度比仿真分析温度略高，但误差均在10％以下，仿真结果可信度较高。

5　结　论

1）利用STAR-CCM+对乘员舱环境进行数值模拟仿真计算，得到乘员舱的速度场及温度场分布，对各个乘员的热舒适性做了初步分析及预测。

2）建立多指标评价体系，以PMV-PPD指标为基础评价全部乘员的整体热舒适性。又以EQT指标为依据，衡量车内乘员身体各部位的局部热舒适性。多指标评价体系较为全面地评价了舱内乘员的热舒适状况，同时也为后期的空调设计提供参考。

3）通过试验对主驾驶员身体表面温度进行测量，并与理论值进行对比，发现其误差低于10％，验证了仿真结果的准确性。

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收稿日期：2015-10-29

文章编号：1002-4581（2016）02-0028-04

中图分类号：U463.85

文献标志码：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.008