夏季降温过程中车内热环境及热舒适评价

邹佳庆 邹钺* 周健

1 东华大学环境科学与工程学院

2 上汽技术中心

0 引言

随着人们在车辆上花费的时间增加，乘员的热舒适性变得更加重要，舒适的车辆环境有助于减少压力和提供更安全的驾驶体验。

对于建筑物内的热舒适性，已经产生了两种使用广泛的指标[1-2]，而对车内热舒适的研究，Nillson 等人提出了等效温度teq 的概念[3]，最终被收录到国际标准中[4]。Shek 等人通过主观评价的方法对车内热舒适进行评价[5-6]，Rugh 等人使用暖体假人来模拟真实的人体进行热舒适评价[7-8]，Huang 等人利用CFD 模拟进行预测乘客热感觉[9-10]。

由于影响车内热舒适的因素众多，而在开发的过程中关注的重点是空调系统的能力，并没有考虑其他因素的影响。因此，笔者在降温性能实验中除了对空调性能进行考察外，还提出了三种热舒适评价指标对乘客的热舒适进行全面的考察。

1 实验方法

通过实时测量车内的温度、风速、湿度、辐射温度，并加上衣服热阻和活动强度能够计算出热舒适评价指标。本研究选取了PMV，等效温度teq，标准等校温度SET*这三种常用的热舒适评价指标对车内热舒适进行分析，并将这三种指标与主观评价比较。最后根据车内高风速的环境特点对车内乘客进行了吹风感分析。

该实验的测试车辆为上汽某款SUV，测试车辆如图1 所示。本实验的实验场地是在上汽技术中心的热能风洞实验室进行，该实验室是通过空气循环风道、冷热控制、阳光模拟、底盘测功机等子系统的配合，可以模拟全天候日升日落工况来达到测试所需要的气候与道路条件。热舒适仪器测量位置如图2 所示，根据ISO 7730[11]的热舒适测量标准，并且结合车内热环境的特点，选择头部呼吸点作为热舒适测量点的位置，对前后排的热环境参数进行了采集。对于测量热舒适环境参数的仪器的具体技术参数如表1 所示，都满足了国际标准ISO7726[12]中的最高要求，测量仪器设定的采集频率式是每1 s 采集10 次数据。

图1 在气候室进行测试的车辆

图2 车内使用的测量仪器

表1 测量仪器技术参数

为减少个体差异对试验结果的影响，本实验选择4 名成年男性参加测试，他们都是来自东华大学的学生，其基本信息如表2 所示。所有测试者都身穿典型的夏季办公服装，短袖衬衫以及长裤，根据ASHRAE[13]的规范可得，其服装热阻为0.57 clo。在测试期间，测试者一直处于静坐状态，因此其新陈代谢率可由ASHRAE 的规范查到为1 met。测试者被要求在每次实验开始时用汉语填写问卷，之后每3 min 完成一次问题，答案由记录员记录。调查问卷的尺度详见表3，热感觉使用的评价尺度是ISO7730 中的七点热感觉，热舒适水平可以采用6 个测量尺度。刻度的形式是连续形式的刻度，评价的数值可以精确到小数点后一位。

表2 测试者的基本信息

表3 主观调查问卷

快速降温性能实验是在2018 年的9 月进行，实验工况如表4 所示，该工况模拟夏季炎热的室外环境。汽车被固定在转毂上之后，关闭车门打开阳光模拟装置开始升温过程，观察头部空气温度。当空气温度达到67 ℃时，测试者进入车内，发动车辆后开启空调，设定好空调模式，开始进行降温实验。当实验开始后，开始主观问卷调查，实验一共持续2 h，车速为50 km/h，80 km/h，110 km/h，怠速各0.5 h。

表4 快速降温性能实验工况

2 实验结果分析

2.1 车内热环境分析

车内空气温度变化如图3 所示，当阳光模拟器打开时，车内空气温度迅速上升，由于前排相比于后排玻璃面积较大，因此前排空气温度比后排上升得更快。空调开启前三十分钟内一直处于快速降温的过程，尤其是前十分钟下降速率很快。当车速提高到80 km/h 时，车内空气温度虽然在一定范围内波动，但基本处于稳定状态，说明制冷量与车内热负荷达到了平衡状态，车内空气温度一直处于较舒适的范围内。但是前后排的空气温度依然存在4 ℃左右的差距，说明车内的温度场较不均匀。当车速提高到110 km/h时，压缩机转速增大导致制冷量有所增大，因此车内空气温度会有2 ℃左右的下降。车当处于怠速阶段时，由于压缩机转速降低导致空调制冷量下降，因此车内空气温度会处于上升状态。

图3 车内空气温度变化

车内的相对湿度变化趋势如图4 所示，升温阶段车内相对湿度逐渐下降，降温阶段开始逐渐上升，之后相对湿度稳定在25%左右。当车速提高时，车内的相对湿度会出现小幅上升，稳定在30%左右。当处于怠速阶段时，车内的湿度会上升到35%左右。总体来说车内空气相对湿度的变化趋势相对较稳定，一直维持在25%～35%之间，人们可以接受的湿度范围为30%～70%，因此车内的湿度大部分时间处于可接受范围内，满足要求。

图4 车内相对湿度变化

车内黑球温度的变化如图5 所示，车内的黑球温度变化趋势与空气温度基本相同，在80 km/h 后黑球温度基本达到稳定状态，在1000 W/m2的太阳辐射强度下，车内的前排黑球温度稳定在25 ℃左右，后排黑球温度稳定在27 ℃左右，说明空调的降温效果能够达到要求。

图5 车内黑球温度变化

车内的风速变化如图6 所示，由于风机挡位一直处于最大风量，因此车内的风速应该处于较稳定的状态，前排头部风速一直维持在1.2 m/s 左右，风速较高，乘客会有一定的吹风感。后排头部风速为0.4 m/s 左右，处于较舒适的范围。

图6 降温过程车内风速变化

2.2 热舒适性分析

2.2.1 热舒适指标评价

乘客热感觉和热舒适的变化趋势如图7 所示，当处于初始状态时，由于车内空气温度很高，车内热环境处于极其恶劣的状态，因此乘客一进入车内时必定会感觉极其不舒适，从图中可以看出前10 min 乘客的热感觉一直为+3，乘客的热舒适一直为-3。由于实验前30 min 车内空气温度快速降低，因此人的热感觉也会快速下降，车内乘客大约用了18 min 达到不冷不热的状态。当30 min 后车内环境状态达到稳定，前排乘客的热舒适大约在40 min 时达到0，开始由不舒适的状态向舒适状态转变。之后随着车速的提高，空调制冷量会增大，因此乘客的热感觉会下降，由中性的状态向稍凉快转变，而且稳定状态的热感觉也一直维持在-1左右，此时乘客的热舒适状态一直为+1，说明对于乘客更喜欢较凉快的热环境，高车速的制冷量完全符合前排乘客的要求。当车辆处于怠速状态时，车内环境变热，乘客的热感觉也会处于上升状态，乘客的舒适感也会下降。

图7 乘客热感觉与热舒适变化

三种评价指标的预测值与前排乘客主观评价值的关系如图8 所示，可以看出三种指标的变化趋势与主观评价基本一致，而且主观评价基本上高于三种评价指标的预测值，其中等效温度的预测值与主观评价值最接近，差值在0.5 以内，而其它指标的差值在1 以上，说明评价指标低估了乘客的热感觉。各评价指标到达中性所用的时间如表8 所示，对于前排乘客热感觉到达中性的时间为36 min，同样teq 的预测热感觉到达中性的时间与主观评价结果最为接近，只相差3 min，而其余指标的预测时间与主观评价值相差很多，因此等效温度teq 可以作为降温过程中热舒适的评价指标。

图8 前排热感觉与三种预测指标对比

表5 各评价指标到达热中性的时间对比

从图9 可以看出头部风速湍流度的变化趋势，前排的湍流度一直维持在20%左右，后排湍流度一直维持在40%左右，前后排的湍流度都小于60%，处于可接受的范围。从图10 可以看出车内头部的吹风感变化趋势，后排吹风感一致处于，是乘客可接受的范围内，不会引起较大的不满意度。但是前排的吹风感在怠速开始之前一直维持在60%左右，怠速开始之后下降到40%，但依然比后排吹风感高出很多，主要原因是前排风速过高，会带来较强的吹风感引起乘客的不舒适。但是前排乘客的热舒适投票一直处于较舒适的状态，主要原因是前排受到的太阳辐射较多，因此在车内热环境下高风速降温带来的快感更让人感到舒适，而吹风感带来的不满意并不会让乘客感到不舒适。

图9 头部风速湍流度变化

图10 头部吹风感变化

4 结论与展望

通过对降温性能实验中车内热环境进行测试和分析，能够得到以下结论：

1）当车内空调开启前十分钟车内的空气温度和黑球温度都处于急剧下降的趋势，当半个小时过后逐渐趋于稳定，说明空调制冷量与车内热负荷逐渐达到平衡状态。

2）由于车内环境狭小，而且座椅等内饰会影响车内的流场和温度场均匀分布，导致降温过程中前后排的空气温度会有4 ℃左右的偏差，前后排的风速也有0.8 m/s 左右的差距。

3）通过对乘客进行主观评价发现，乘客大约用了18 min 达到中性的热感觉，但是用了40 min 达到舒适的状态，对于车内乘客经历了从热到冷的过程会产生一种愉悦使乘客在偏冷的环境中也会感到舒适，即使风速偏高带来的吹风感也不会让乘客感到不适。

4）对于PMV，标准等效温度SET*，等效温度teq这三种评价指标与车内乘客主观热感觉的投票值进行比较发现，等效温度的预测值与主观评价值最接近，差值在0.5 以内，而其它指标的差值在1 以上，并且对于乘客的热感觉达到中性的时间也最接近，因此等效温度可以作为降温过程中评价热感觉的指标。