降温方式对乘用车舱体内热舒适性影响的研究

赫连雅馨，张修霖，刘吉营，杨开敏

（山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南250101）

0 引言

随着汽车保有量的增加，特别是私家车数量的快速增加［1－2］，人们对于汽车的使用越来越多，在汽车内度过的时间总量也显著增加，因而对车辆舒适性的要求也随之提高。乘坐舒适性指的是人们在乘车过程中感受到的外界环境对自身生理和心理的影响，涉及到汽车行驶的稳定性、光、声音及舱体内温度和湿度等方面，尤其是热环境（温度和湿度）对驾驶员和乘客的身心状态影响更为明显。当长时间驾驶或者乘坐时，舱体内合适的温度、湿度和良好的气流运动能够使人们身心愉悦、不易疲劳，从而提高了工作效率和驾驶的安全性［3－4］。

目前，很多发达国家的车企已经意识到上述问题，并相继投入大量的科研资源开展工作，探索在保证燃油经济性良好的情况下，极大地优化舱体内的热舒适性。同时，针对影响人体在舱体环境中舒适性的因素及作用机理开展了大量的工作，对提高和改善舱体内人体舒适性评价以及制定更合理的评价标准有着重要的指导作用［5］。Hagino等［6］从影响人体舒适性的外界因素—风速出发，通过分析非稳态条件下轿车内的温度和风速分布特性，给出了一种新的用于评价风速对舒适性影响的方法。吕鸿斌等［7］采用数值模拟的方法分析了夏季酷热条件下，空调系统不同的送风温度和风量对车内热舒适性的影响。张文灿等［8］和Kataoka等［9］提出了用于描述汽车乘员舱内气流和温度分布的新方法，能够帮助实现快速预测和评价驾乘人员舒适度的目标。Han等［10］展开实车测试，将汽车在太阳下暴晒一段时间，测量得到乘员舱内的温度场，然后打开空调设备，观察乘员舱温度场的变化过程和趋势以及相应的人体舒适性的变化。靳艳梅等［11］先求解分析了乘员舱内的热环境，并依次为边界条件计算得到了人体表面的温、湿度分布情况，最终使用参数当量温度评价了随着热环境变化而产生的舒适性感觉变化。申福林等［12］采用数值模拟的方法对汽车车体的非稳态传热特性进行了研究，并分析了汽车内部环境的热舒适性特征。尽管国内外很多专家学者确定了一些热舒适性指标，但还缺乏对车辆经过暴晒升温后驾乘人员如何得到最大的舒适度的对比研究。

汽车在经过长时间的暴晒升温之后，驾驶员进入舱内启动汽车并行驶过程中，为了避免或减轻热冲击带来的影响，采取何种措施进行有效的降温以提高舱内热舒适性成为研究的重点。目前，汽车降温的研究较多，但是大部分没有考虑烤车阶段结束后车内温、湿度分布对后续降温的影响。文章选取某家庭轿车作为实验研究用车，以乘员舱内的热环境为研究对象，采用现场测试和数值模拟相结合的方法研究夏季条件下的车内热流场，分析开车时不同降温方式产生的效果，并通过热舒适指标分析了驾乘人员所得到的最大舒适度。

1 实验方案与热舒适性指标分析

1.1 实验条件

当汽车静止放置时，乘员舱内的热负荷主要来自于太阳对车身的辐射传热、透过玻璃直接投射到乘员舱内的透射辐射得热、乘员散热以及配套设备的散热等。由于对乘员舱热环境影响程度最大的是太阳辐射，因此，在研究中着重研究太阳辐射对乘员舱温度的影响。乘员舱热环境如图1所示。

图1 乘员舱传热示意图

实验测试在自然条件下进行，实验用车为5座小型汽车，乘员舱在阳光下进行暴晒，汽车驾驶室外设置一个温、湿度测量点。每间隔1 h对汽车表面各部位的表面温度进行测量。实验时间为2019年8月8日和9日的9∶00—16∶00，有效测试时长总计达420 min。

为了评价乘员舱典型位置的空气温度分布情况，在乘员舱内前后座椅头部、脚部位置和车内典型零部件表面共设置8个温度测点，分别为驾驶员前后座椅、仪度表盘、遮阳板（车内测点位置非外加遮阳挡）等位置，如图2所示。

图2 乘员舱测点布置示意图

1.2 实验仪器

实验仪器主要包括温湿度自记仪TPJ－20（精度：温度±0.4℃、湿度±3%RH）、红外线测温仪PT120（精度：±1℃）、辐射表TBD－1J（精度：＜5%）等仪器。太阳辐射的变化会影响车体表面温度，使用红外线测温仪每隔1 h测得车体表面温度。使用辐射表用来测量室外太阳辐射强度，温湿度自记仪测量乘员舱内各处的温度、湿度；每隔10 min进行数据采集。

1.3 实验步骤

1.3.1 开窗降温实验步骤

开窗降温实验分为烤车和开窗通风降温两个阶段，时间为2019年8月8日9∶00—14∶30。具体实验步骤如下：

（1）将车置于空旷地带，南北放置，车头朝向南方，将舱内温湿度自记仪设定为每隔10 min进行数据的采集；

（2）车体静止（发动机停止）在太阳辐射下暴晒—烤车，时间为9∶00—14∶10；

（3）每隔1 h对车体表面温度进行测量并记录，测量部位包括东门、东窗、西门、西窗、车前盖、车前窗、车后盖、车后窗、地面及其遮阳处；

（4）从14∶10—14∶30开车进行开窗通风降温，行驶过程中使用红外线测温仪对舱内主要表面上的温度进行测量，使用温湿度自记仪测量舱内空气状态，记录数据进行分析。

1.3.2 空调降温实验步骤

空调降温实验分为暴晒和空调降温两个阶段，时间为2019年8月9日9∶00—14∶00。具体步骤如下：

（1）实验用车以空车状态在户外进行暴晒，汽车的门窗紧闭，汽车空调处于关闭状态；

（2）暴晒270 min后，启动发动机，打开空调启动系统，空调出风温度26℃，风量为12 L／s，持续时间20 min；

（3）行驶过程中，使用红外线测温仪测量舱内主要表面的温度，使用温湿度自记仪测量舱内空气状态，记录数据，制冷时间持续10 min。

1.4 热舒适性指标分析

人体热舒适评价一直是热舒适研究的重要内容，对人体热舒适状态进行准确细致的评价是深入研究热舒适的重要基础。综合分析现有热环境评价指标，采用联系局部、整体热舒适性的方法，建立乘员舱热舒适评价体系。借鉴面积加权法［13］，针对上、中、下3个区域，利用热舒适性指标预期平均投票PMV（Predicted Mean Vote）分析人体局部、整体热感觉的关系。利用较少的环境参数，预测整体环境参数。

根据PMV算法的原理，文章尝试从局部热感觉与整体热感觉的占比关系中，寻求权重系数。乘员舱模型及人员分区，如图3所示。将人体各部位分成上、中、下3个区域，分别计算各区域的PMV值，再按分区热感觉指数进行加权，得到整体热感觉的平均PMV。修正的加权PMV计算式由式（1）表示为

图3 乘员舱模型及人员分区示意图

2 不同降温方式对舱内热环境和热舒适性的影响分析

2.1 开窗降温对舱内热环境的影响

实验汽车开窗行驶阶段，乘员舱内的热环境仍然受到太阳辐射和人体散热的影响。开窗降温实验舱内外温、湿度变化曲线如图4所示，车舱内外空气温度变化如图4（a）和（b）所示。汽车启动后，开窗降温阶段舱内的平均温度仍要高于室外温度，初始时刻两者温差为9℃，实验结束时温差为4℃。舱内各测点温度变化如图4（c）所示，舱内各点测得平均降温约为5℃。仪度表盘位置一直维持较高温度，由实验前的56℃下降到49℃，其次为前左位置；温度最低的位置为前脚位置，前后脚的温降为2～3℃。舱内环境温度如图4（d）所示，开窗通风引起并增强了舱内的空气流动，从而增大了舱内的对流换热量，车舱本体和舱内环境的温度均降低。其中，仪度表盘处的温降最大，这是由于在行驶过程中，仪度表盘不再受到太阳直接辐射，又有空气流动形成的自然对流换热对其进行降温，因此相比较其他位置降温更大。前后脚位置的自然对流相对较弱，因此温降程度相对较小。

图4 开窗降温实验舱内外温、湿度变化曲线图

2.2 空调降温对舱内热环境的影响

空调降温实验过程中舱内外温、湿度变化曲线如图5所示。室外空气温、湿度的变化如图5（a）所示，乘员舱内环境平均温度如图5（b）所示。在自然暴晒270min之后，舱内的空气平均温度达46℃，而各零部件表面的平均温度可达到49℃。各空气温度测点和零部件表面温度分别如图5（c）和（d）所示，由于遮阳板部位与前座座椅受到太阳光直射，最高温度分别达到53、50℃，高于仪表盘的温度；而后排座椅处于无法得到太阳直射的后方，所以温度始终低于其他位置的零部件。空调冷气开启后，乘员舱内部空气开始流动，车内的热量排出车外，舱内的温度开始降低。零部件与乘员舱内环境的温度都出现了大幅度的降低，零部件平均温度降低了11℃，舱内的空气平均温度降低了13℃，零部件温度降低相较于舱内环境变化较小且始终高于舱内环境温度。在降温过程中，遮阳板下温度始终高于仪表盘、前座椅和后座椅的温度，且降温幅度最大，约为14℃，前座椅与仪表盘降温分别为11和8℃，后座座椅降温最少为5℃。从降温过程中温度变化可以发现，降温主要发生在制冷的前20 min。

综合各位置温度变化情况可知，乘员舱内环境的变化主要集中在前、后座头部位置，这是因为空调冷风采用的是直吹送风的方式，能够直接作用于头部位置，使得前后头部均降低了约14℃。但是，前后脚位置降温不是很明显，这是由于前排仪表板处的空调冷风由前吹向后，冷风在水平方向下扩散，在垂直方向下扩散较弱，前后脚受其影响较弱。在乘员舱中，用红外线测温仪测量的温度变化曲线如图5（e）所示。制冷初级阶段，乘员舱内的空气温度发生大幅度变化，这与温湿度自记仪上的数据相一致，接下来温度的变化曲线趋于平缓，温度降低程度较小，趋于稳定，但在局部区域温度还会存在一定的波动。

图5 空调降温实验舱内外温、湿度变化曲线图

2.3 开窗与空调降温方式对舱内热舒适性评价对比分析

开窗通风时，乘员舱的热舒适性评价采用实验所得数据，评价过程中将区域分为驾驶舱和后座区。经计算，驾驶舱上、中、下的局部PMV值分别为1.09、1.12、0.86，加权PMV为1.06，热感觉为偏热；不适人员指数PPD（Percentage of Persons Dissatisfied）为28.75，即28.75%的乘客对此热环境不满意。后座上、中、下区的局部PMV值分别为1.41、1.55、1.28，加权PMV为1.46，热感觉为偏热；PPD＝48.9，即接近一半乘客对此热环境不满意。从两个加权PMV值可知，驾驶舱热舒适性比后座区相对好一些。

汽车行驶过程中，开空调系统进行冷却降温，评价其热舒适性，与开窗通风过程评价相同，将舱内区域分为驾驶舱和后座区。经计算，驾驶舱上、中、下的局部PMV值分别为0.526、0.438、1.15，加权PMV为0.62，热感觉为适中；PPD＝13.1，即13.1%的乘客对此热环境不满意。后座上、中、下区的局部PMV值分别为1.1、1.08、1.12，加权PMV为1.09，热感觉为偏热；PPD＝33.9，即1／3的乘客对此热环境不满意。驾驶舱的热舒适性比后座区的相对更好，该结论与开窗通风过程相似。

3 乘员舱内热环境数值模拟

利用红外线测温仪、辐射表和风速仪等仪器实地测量了乘员舱内的热环境参数，得到的数据较为贴近事实，但是其实验周期较长、效率较低。随着计算机技术的发展，利用计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）软件数值模拟乘员舱内气流组织变得可行和便捷［13－17］。在对家庭轿车乘员舱内热环境展开数值模拟时，需要求解的描述流体传热传质物理过程的控制方程有质量守恒方程，动量守恒方程和能量守恒方程［3，18－19］。

文章使用CFD软件Pheonics对家庭轿车乘员舱内的热环境进行数值仿真，得到了模拟空间内的速度场、温度场以及湿度等全物理场参数，分析评价了乘员舱内的热环境，发现并优化了相关问题。

3.1 几何模型及简化

文章主要关注的是乘员舱内温度场和速度场。实际的乘员舱内部结构较为复杂，在建模过程中不对整个实车模型内部结构进行建模，只考虑乘员舱内部面，不考虑发动机和行李舱等部分，且乘员舱内方向盘、安全带等部件对车内流场影响较小，建模时也不考虑这部分装置。由于是短时间的冷却模拟，在其过程中不考虑太阳辐射以及车体材料对车内温度的影响。因此，将汽车乘员舱简化为一个长方体状，座椅的外形也比较规则，乘员舱模型俯视图如图6所示。在模型正前方开设有两个进风口，根据实验用车空调风口的大小，将送风口的大小设置为100 mm×100 mm，且双侧布置。

图6 乘员舱模型俯视图

3.2 边界条件的设置

根据实验数据，对乘员舱模型设定边界条件。车内自由流体温度同实验数据，采用车体内平均空气温度，设置为46℃，车顶设置为传热第三类边界条件，并考虑太阳辐射的影响；湍流模型选择RNG的k－ε模型，计算采用最终网格数为1 000。车内人体设置分为驾驶员与乘员，乘员舱内人体设置人体成端坐状态，人体参数设置为0.4 m×0.5 m×0.85 m，人体基本温度设置为37℃。座椅参数设置为矿物纤维板（137 Mineral fibre slab），座椅温度根据实验数据设置为44.68℃。舱内设置两个进风口，根据实际实验将风口风量设置为12 L／s，出风温度设置为26℃。

3.3 模拟结果分析

乘员舱内温度和速度分布如图7所示。由图7（a）和（b）可知，冷风吹入乘员舱内，与舱内高温的汽车部件和空气发生对流换热，舱内各位置温度最终达到一个相对稳定的状态。可以发现，当舱内达到稳定状态后，舱内空调出风口辐射的上下40 cm范围内以及后座人体腿部位置受到的影响较大。尤其在空调出风口水平位置以下、靠近出风口局部区域的温度最低，受空调出风影响最为明显。由图7（c）和（d）可知，该区域风速也最大。而前后靠背之前温度和前后排乘客头部位置温度均为37℃，座椅部位的温度接近40℃，温度偏高。主要原因有：（1）受气流组织的影响，座椅背部为下风侧，冷风对该区域的影响较小；（2）人体散热会影响周围的温度分布，使座椅温度升高。由模拟结果可知，舱内热环境温度基本稳定在33～35℃，而对应的实验测得乘员舱内温度基本稳定在32～34℃，两者略有差距。但是考虑到数值模拟过程有所简化，因此，两者之间存在偏差是合理，并且误差也在合理范围之内。

通过对实验数据进行整理和分析可知，行驶过程中通过开窗的方式降温时，零部件平均温降约为10℃，舱内环境平均温降约为8℃；降温过程的前20min内，舱内温度变化较为明显；开窗通风对后舱温度变化影响较大，后脚和后座座椅处温度变化较为明显。空调系统开启时，零部件平均温降约为11℃，舱内环境平均温降约为13℃；空调直吹对前后座头部影响较大，温度在水平方向上变化比较明显；与开窗通风工况相似，开空调降温也是在前20 min内，温度变化曲线斜率较高，降温较为明显。在对空调制冷工况进行模拟时，边界条件与实验工况相对应，但同时也进行了一定的简化和处理，模拟结果与实验数据符合较好。因此，通过数据分析得出结论，在行车过程中，使用空调进行降温比开窗降温效果更加明显，且制冷的前20 min温降效率最高。

图7 乘员舱内温度和速度分布图

4 结论

为了找到减轻长时间停车后舱内热环境变化带给乘客热冲击的方法，选取开窗降温与空调制冷两种降温方式进行实车测试和数值模拟研究，分析了不同冷却方式对舱内热环境和热舒适性的影响，得到的主要结论如下：

（1）开窗降温时，主要零部件平均温降约为10℃，舱内环境平均温降约为8℃，降温过程前20 min舱内温度变化较为明显。相对而言，后脚、后座座椅处温度下降较大。

（2）空调系统开启时，零部件平均温降约为11℃，舱内环境平均温降约为13℃，降温整体效果好于开窗降温。

（3）空调制冷工况的模拟结果与实验数据吻合较好，进一步证明空调进行降温比开窗降温效果更加明显。