基于人体热调节模型的乘员舱热舒适性分析*

陈吉清，郑习娇，兰凤崇，彭 睿

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东省汽车工程重点实验室，广州 510640）

前言

汽车在大多数情况下都是短途出行。研究表明［1］，85%的汽车行程都在18 km以内，时间在15～30 min之间，在如此短的时间内人体很难达到热舒适状态。乘员受到外界太阳辐射、车内空气的温度与气流和座椅热传导等因素的影响，人-车-环境系统是一个集合对流、辐射、蒸发和传导等热交换模型的复杂系统。同时，人体衣服热特性、乘坐空间和人体热调节行为等因素，也影响乘员热舒适的稳定性。复杂的人-车-环境系统和在短时间车内不同位置乘员对于热舒适性的需求，使汽车热舒适性研究存在一定难度。

大多数汽车热舒适性的研究通过计算乘员舱热流场分布，分析车内热环境对乘员热舒适的影响。其中一些研究添加了人体几何模型，并考虑人体散热对车内环境的影响，将人体模型的边界条件设置为固定热流量或固定温度。Zhang等人［2-3］利用Fluent软件计算汽车在两种行驶车速下空调制冷过程中乘员舱的瞬态温度场分布，仿真与试验结果比较符合，并根据这个仿真模型分析了出风口送风参数、外界环境温度、车速、乘员人数和玻璃材料特性对空调热负荷和乘员舱热流场的影响。张文灿等人［4］采用数值模拟计算了太阳辐射下汽车在加热阶段的壁面温度和车内空气温度的动态变化过程，并得到试验验证。芦克龙［5］和唐江明［6］等人在乘员舱空间中建立了人体模型，对汽车风道和乘员舱的气流进行数值模拟，以当量温度作为热舒适性指标，分别对空调风道和送风格栅进行了优化。Kilic等人［7］分别计算在人体边界条件为固定的热流量和固定温度情况下，空调制冷过程中不同出风口温度和速度对乘员舱瞬态热流场变化的影响。

在上述研究中，人体表面传热特性作为固定边界条件处理，忽略了人体热调节反应和人体内部传热过程，也不能计算人体皮肤温度的变化，致使在人体固定温度和热流量条件下的热舒适评价与考虑人体热调节的舒适度评价结果相差甚远。在建筑领域的热舒适研究中，人体热调节模型得到广泛应用，但在汽车领域的应用较少。Han等人［8］引入人体热调节模型，考虑车内热环境和人体模型的耦合作用，提出VTCE（virtual thermal comfort engineering）分析流程，仿真分析了6种车内稳态热环境下人体热舒适热感觉的变化。Alahmer等人［9］采用人体热调节模型，讨论了车内温度湿度动态变化情况下的人体不同节段皮肤温度和热舒适的变化情况。

乘员热舒适与人体在环境变化下的热调节反应密切相关，人体热调节机制会影响人体热状态，反之，人体的热状态也会引起热调节反应量的改变，在热舒适分析建模过程中不能忽略人体热调节的作用。而乘员舱内环境参数瞬态变化，人体在不均匀环境中的整体热感觉会受到身体局部热感觉的影响［10］，乘员的局部热响应不容忽视。因此引入人体热调节模型，计算不同乘坐位置乘员的身体局部皮肤温度，并分析人体热调节参数和人体热舒适的动态变化规律。人体热调节模型的应用可较全面地考虑乘员自身热调节和所处环境的影响，使计算结果趋近真实情况，从而为汽车乘员热舒适设计提供一种可靠的分析方法。

1 乘员舱热环境与人体模型耦合计算

1.1 人体内部传热模型

目前比较完善的人体模型是Fiala人体热调节模型［11-12］，它可综合考虑环境变化和人体内部热调节作用对人体热反应的影响。Fiala人体热调节模型把人体划分为21个不同的节段，每个节段假设为圆柱体，内部划分不同内径的组织层，图1为人体模型节段和组织划分。

对于人体的不同节段，其内部组织传热存在热平衡关系，用人体生物热方程表示为

式中：k为组织之间的热导率；T为组织温度；r为半径；ω为几何系数，取1为柱坐标，取2为球面坐标（头部）；qm为代谢产热量；ρb1为血液密度；wb1为血液灌注速率；cb1为血液的比热容；Tbl，a为动脉血液温度；ρ为组织密度；c为组织比热容；t为时间。

1.2 人体热调节反应

图2为人体热调节系统控制框图。人体实际温度和基准温度的差值产生控制信号，下丘脑体温调节中枢进行综合处理判断，通过排汗、血液舒缩和颤抖生热等改变产热和散热量，以调节体温［13］。人体热调节反应寒颤量Sh（W）、出汗量Sw（g／min）、血管收缩量Cs（W／K）和血管舒张量Dl（W／K）分别表示为

式中：ΔTskm为皮肤温度变化量；ΔThy为头部核心温度（下丘脑）误差信号；为人体皮肤温度下降速率。

图2 人体热调节系统控制原理

1.3 乘员与周围环境耦合计算

乘员与周围环境热平衡是一个动态平衡过程，人体净热流量q （W／m2）的方程为

式中：qc为对流换热量；qR为周围物体表面辐射；qsR为太阳辐射；qe为蒸发换热量。其中

式中：hc，mix，hR，he分别为对流换热系数、辐射换热系数和蒸发散热系数；Tsf，Tair，Tsr，m分别为皮肤表面温度、车内空气温度和汽车内表面平均辐射温度；αsf为表面吸收率；s为辐射密度；ψsf-sr为人体与周围围护结构的角系数；psk为皮肤表面水蒸气分压；pair为空气水蒸气分压。

2 试验研究

2.1 试验流程

试验用车为一款本田飞度轿车，在我国南方地区冬季2月份进行，试验过程中汽车始终静止停放在地下停车场。试验过程第1阶段30 min，车门全部打开，使车内环境与车外环境一致。第2阶段20 min，测试人员坐到前排驾驶员位置，关闭车门，同时汽车暖风系统开启吹面模式，对车内环境参数和测试人员皮肤温度进行测量。测试人员进入车内试验之前在车外静止站立10 min，以保证人体初始状态平稳。

测试人员为健康成年男性和女性各3名，统一穿着冬季长衬衫、夹克和长裤，每位测量人员进行一次测试，表1为测量人员身体特征。

表1 测量人员身体特征

车外环境采用黑球温度计和湿度计测量，在每次试验过程中，停车场内环境温度大致为12℃，湿度60%，空气流速＜0.1 m／s。汽车暖风出风口速度3 m／s，出风口温度48℃，每次试验时这些参数保持不变。利用热电偶分别在车内前后排乘员头部区域、胸部区域和下肢区域共6个测点测量空气温度变化，并分别在测试人员头部、上臂、胸部、大腿和小腿皮肤表面5个测点测量温度。人体皮肤温度及车内空气温度测点如图3所示，试验仪器如图4所示。

图3 人体温度与车内空气温度测点

图4 试验器材

2.2 试验结果

对前后排乘员头部周围、胸部和腿部周围空气测点的温度进行监测，结果如图5所示。不论前排还是后排，车内空气温度变化都分为两个阶段。在开始的几分钟，由于暖风开启，将大量热负荷带入车内，车内温度上升很快，之后由于车内温度与暖风出风口处温度差别变小，温度上升速率减缓。

图5 乘员舱内空气温度变化

乘员舱温度分布则呈现出瞬态不均匀变化的特征。在车内垂直方向，由于车内暖风系统采用吹面模式，头部区域的空气温度最高，腿部区域的空气温度最低。在整个试验过程中，头部和腿部区域测点的温度差最高约可达到4℃。在车内水平方向，由于前排更接近出风口，而后排由于座椅对暖风气流的干扰以及气流流动传热的影响，导致后排温度上升速度较慢，最终达到的温度也较低。乘员舱内水平方向和垂直方向都有温度差异，很容易造成不同乘坐位置乘员身体部位的热感觉和热舒适的差异。

3 数值模拟

采用带有人体热调节模型的TAITherm软件进行数值计算。图6为乘员的动态热反应数值分析流程，数值计算过程考虑了乘员舱内环境与人体的热交换、人体生理结构和自身活动生热等因素，将车内环境与人体内部生热传热相耦合，计算得到人体的平均皮肤温度、热调节参数和热舒适指标。

图6 乘员动态热反应数值分析流程

3.1 人体模型边界条件

TAITherm中的人体热调节系统数学模型将人体划分为21个节段，每个节段有16个组织节点。表2为不同组织层的厚度和节点分布，从内到外的组织分布一般为中心层、骨骼层、肌肉层、脂肪层和皮肤层，不同身体节段各组织层的厚度和节点数各不相同，表中r为组织厚度，n为组织的计算节点数目，热量在不同组织内的节点之间进行传递。

表2 人体模型组织厚度和节点分布

在人体模型中可加入衣物层。人体穿着上衣两件，长裤一件，每件仿真衣物热阻值为0.155 m2·K／W，人体活动水平设置为70.422 W／m2。

3.2 环境边界条件

由于测试人员进入车内进行测试之前在车外地下停车场环境静止站立，因此人体模型仿真首先将环境边界条件设置为地下停车场，即温度12℃，湿度60%，风速0 m／s，得到乘员在加热过程的初始状态。环境边界条件设置包括乘员舱内温度、湿度、风速。温度为试验测得的汽车加热工况下乘员舱内人体周围空气测点的温度；空气速度由流体有限元仿真得到；湿度假设与外界环境相同，设置为60%。

车内环境参数通常在人体周围不均匀分布，对于人体不同部位，可设置相应的环境边界条件。边界条件设置完成，利用有限元分析算得人体皮肤温度、人体热调节参数和热舒适值。

4 结果分析

4.1 结果验证

乘员进入车内后，在暖风开启的20 min过程中，人体的皮肤温度仿真与试验结果对比如表3所示。仿真与试验相差最大的部位为头部，温度差为-2.61℃，相对误差为7.42%，其余部位误差相对较小。可认为在乘员动态热反应分析中，数值计算方法比较可靠。

表3 仿真计算与试验测试温度对比

4.2 乘员局部平均皮肤温度变化

图7为前排乘员在暖风开启后0，10和20 min时皮肤温度云图。图8对比了前后排乘员的头部、胸部、上臂、大腿和小腿的皮肤表面平均温度。由图可知，在加热过程中，前后排乘员各部位的皮肤温度都有不同程度的上升。

图7 不同时刻前排乘员皮肤温度变化图

从图8中还可以看出，人体各部位皮肤平均温度有一定差别，在暖风开启20 min时，前排乘员头部、胸部、上臂、大腿和小腿的皮肤温度分别到达了34.92，35.77，34.71，35.15和34.45℃。头部由于暴露在空气中，且受到出风口气流影响较大，皮肤温度上升很快，温度上升了接近3℃。而腿部由于只有一层衣服的阻挡，温度上升幅度比胸部和上臂大，大腿小腿的温度都上升了3℃左右，而胸部和上臂温度上升幅度小于2℃。胸部由于基础代谢产热较高，周围环境空气温度较高，因此其皮肤温度始终较高。

由图8还可知，前排空气温度较高，因此前排乘员身体部位温度比后排高。由于头部没有衣服的阻挡，对于外界环境变化更敏感，前后位置乘员的头部温度差异较大，在试验结束时温度相差约1℃。前后排乘员胸部和上臂温度差异小，这是因为胸部有两层衣物覆盖，衣物热阻值高，其自身血流的变化及代谢产热对其皮肤温度的影响较大，受到外界环境的影响相对较小。

4.3 乘员整体热反应与热调节

在加热过程中，前后排乘员头部、胸部、上臂、大腿和小腿的皮肤温度都处于上升状态，因此乘员整体的皮肤温度也不断升高。图9为前后排乘员的整体皮肤温度。从图中可以看出，在初始阶段皮肤温度上升很快，之后由于车内空气温度变化速度减慢，皮肤温度上升速度变缓。前排乘员皮肤温度始终高于后排乘员，最终状态时，前排乘员皮肤温度达到35.02℃，而后排乘员则为34.52℃。

图8 前后排乘员不同身体部位皮肤温度

在热环境中，皮肤血管舒张，血流量增加，人体内部新陈代谢产热通过血液带向皮肤发散到环境中去。当体温上升到一定水平后，人体就会出汗，利用汗液在体表的蒸发带走体内多余的热量。图10为前后排乘员热调节参数的变化情况。从图10（a）可以看出，在加热工况下，前后排乘员的寒颤量都为0，出汗量逐渐增加，前排乘员周围环境温度较高，因此出汗量较多，出汗的时间也比后排乘员早。而在图10（b）中，乘员的血液舒张量也在增加，前排乘员的血液舒张量大于后排，因此前排能将更多的热量带到体表，皮肤温度更高。同时还发现，无论是前排还是后排，出汗的时间点要比血液舒张的时间点晚，这是因为出汗需要在身体热量达到一定程度时才会发生。

图9 前后排乘员整体皮肤温度

图10 前后排乘员热调节反应

4.4 乘员整体热舒适

PMV-PPD是目前应用较为广泛的人体整体热舒适评价指标，PMV指数表示人体热感觉投票的平均值，而PPD表示热环境中不满意人数的百分比。图11为前后排乘员PMV和PPD的变化情况。由图11（a）可知，前后排的热感觉值都处于上升状态。在初始阶段，人体感觉到冷，人体PMV为负值。车内暖风开启后，乘员受到热应力的刺激，热感觉急剧上升。由图11（b）可知，在开始阶段，PPD值较高，不满意人数比例较高。随着人体热感觉渐渐趋于中性状态，不满意人数减少，但当车内温度继续上升，不满意的人数又继续增加。

图11 前后排乘员PMV和PPD变化

综合来看，在暖风开启后的5 min内，前排PMV和PPD值都接近0，说明此时乘员达到了比较舒适的状态，人群的满意人数比例也较高。而后排乘员在10 min左右感觉最舒适。在后续阶段，受到汽车暖风气流的持续影响，车内温度继续上升，人体热感觉值过高，不满意人数比例也在上升。在此阶段既消耗了能量，也不利于人体的热舒适。因此合理对暖风系统参数进行调节很有必要。

5 结论

通过试验与仿真结合的方法，将车内热环境与人体热调节模型相耦合，分析了瞬态变化的汽车内环境下不同乘坐位置乘员身体的热响应，得到以下结论。

（1）乘员人体热调节模型的计算方法可对瞬态汽车环境中的乘员动态热响应和热舒适进行评价，计算得到的乘员头部、胸部、上臂、大腿和小腿的皮肤温度得到了试验结果的验证，最大误差在7%以内，满足工程要求的计算精度。

（2）在加热过程中，乘员舱空气温度在水平方向和垂直方向都存在差异，车内热环境瞬态不均匀变化。前后排各测点空气温度在前5 min阶段温度上升速度很快，温升超过10℃，在5～20 min阶段车内温度上升速度减慢。

（3）乘员各部位皮肤温度变化有一定差别，腿部由于只有一层衣服的阻挡，温度上升幅度比胸部和上臂大，大腿小腿的温度都上升了3℃左右，而胸部和上臂温度上升幅度小于2℃。前排乘员的皮肤温度大于后排乘员，在制热阶段结束时，前排乘员整体皮肤温度比后排约高0.5℃。

（4）在加热工况下，乘员体内热量增加，人体的出汗率和血液舒张量增大，前排乘员出汗量和血液舒张量都大于后排乘员。

（5）在热舒适的变化中，随着暖风气流作用的增强，乘员的热感觉PMV值不断上升。在制热过程的后期，处于较热环境中的前排乘员的不满意人数比例反而更高，此时前排空间过高的空气温度使前排乘员比后排乘员更不舒适。