太阳辐射下前挡风玻璃特性对车内热舒适的影响

孔舒婷 张晓彤 陈健 廖春晖*

重庆大学土木工程学院

0 引言

太阳辐射严重影响着汽车内部的热环境，降低太阳辐射对车内热环境的影响对提高乘员热舒适性和降低汽车能耗有着重要作用。在夏季炎热高温的环境下，汽车作为一种特殊的封闭围护结构，不断地接受太阳辐射后，车内温度会迅速升高，给车内人员带来极大的热不舒适感。虽然在行车过程中通过车内空调系统的制冷可以使车内保持在一个较舒适的温度环境，但是汽车在静置状态下接受太阳暴晒后的车内高温不仅会给乘员带来强烈的热冲击，过高的车内温度还容易带来内部物品的老化、车内物品自燃、爆炸等危害[1]。此外，良好的车内热环境不仅能够提高乘员的热舒适性，也有利于提高驾驶的安全性，而且还能减少汽车能耗[2]，因此，改良汽车内部的热环境十分必要。

目前，对汽车内部热环境及热舒适性的研究，在研究方法上主要是现场实测和仿真模拟，研究内容主要集中在车内温度场与流场，乘员动态热响应上[3-5]。本文采用实测的方法，通过改变三辆轿车前挡风玻璃的隔热率，研究太阳辐射下汽车前挡风玻璃特性变化对车内热舒适的影响，为汽车玻璃选型及贴膜提供参考。

1 实验测试基本情况

1.1 实验条件

1.1.1 实验对象

本实验选取三辆相同型号的未贴膜的汽车，该车型的乘坐空间大小和内部构造与家用汽车相近，具有一定的代表性。实验用车车身为白色，车内座椅为米白色。

实验用膜为两块隔热率不同的前挡膜，隔热率是指太阳能被玻璃，玻璃膜复合层反射的部分和被吸收的向外部辐射的部分的太阳能之和占总太阳能的百分比。通过市场调研，最终选择了隔热率分别为30%和70%的前挡膜。

1.1.2 实验环境与时间

实验地点选取为重庆市沙坪坝区昆仑驾校内的一片空地，周围无遮挡物遮挡，避免了遮挡物遮挡太阳辐射对实验结果造成影响。通过前期对室外气候的观察并考虑各种因素的影响，将实验时间选为13:05-14:35，此时的室外气候条件能够很好地满足实验测试的要求。重庆位于北纬30°左右，夏季重庆地区大气透明度等级为6，根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012[6]，在13:00-15:00 时，夏季北纬30°太阳总辐射照度最大的方向为正南方向。故实验中3 辆汽车前挡风玻璃均朝正南方向停放，且汽车间相互无遮挡，如图1 所示。

图1 实验环境

1.2 实验仪器

实验主要仪器：TRM-GPS3 手持网络气象站、HOBO/UX100-011 温湿度记录仪、四通道热电偶温度记录仪，所采用的仪器及相关参数见表1。

表1 各仪器参数表

1.3 实验方案

1.3.1 实验方案设计

为了研究汽车前挡风玻璃特性变化对车内热舒适的影响，本实验共设计了三个工况：工况①-前挡风玻璃不贴膜。工况②-前挡风玻璃贴有隔热率为30%的膜。工况③-前挡风玻璃贴有隔热率为70%的膜。

实验分为两个连续的阶段：升温阶段和降温阶段，模拟大部分城市夏季用车的真实情况。

升温阶段：该阶段从13:05 开始，14:05 结束，共60分钟，测试太阳辐射下汽车内部热环境的变化过程。该阶段汽车门窗以及车内空调都处于关闭状态，汽车仅受自然环境下的热负荷。

降温阶段：该阶段从14:05 始，14:35 结束，共30分钟，测试处于热舒适状态的乘员进入该汽车乘坐空间，启动空调系统后，车内热环境参数及乘员热响应的变化。

1.3.2 实验测试参数

实验测试参数包括环境气温，前挡风玻璃内外壁面温度，车内空气温度，座椅温度，空调出风口温度及风速，乘员皮肤温度及主观热感觉评价。

①环境气温

实验中，将HOBO 温湿度记录仪悬挂在试验场地旁的阴凉区域，以避免太阳直射辐射对测量结果的影响，每隔2s 记录一次空气温度。

②前挡风玻璃内外壁面温度

前挡风玻璃内外壁面温度由四通道热电偶温度仪自动记录，每隔2 s 记录一次。实验中，在内外壁面上分别选取两个测点，用其温度的平均值来代表整个内外壁面的平均温度，具体的测点选取由预实验结果确定。为了减小太阳直射辐射对测试结果的影响，用锡箔纸将热电偶探头固定在玻璃壁面上。

③车内空气温度

为了反映车内空气温度对乘员的影响，将空气温度的测点布置在乘员乘坐时的胸部前方，如图2 所示，每隔2 s 记录一次。

图2 空气温度测点布置

④座椅温度

由于汽车结构的对称性，座椅温度仅测试驾驶座及驾驶座后方的座位。实验时，将测点布置在坐垫中部及靠背中部，如图3 所示，并用其温度的平均值来代表整个座椅的温度，每隔2 s 记录一次。在降温阶段，乘员已坐进车内，因此，座椅温度仅在升温阶段测试，降温阶段不进行座椅温度的测试。

图3 座椅测点布置

⑤乘员皮肤温度

乘员皮肤温度的测定从降温阶段开始，这时，处于热舒适状态的6 名乘员分别进入3 辆汽车中，每辆车2 名乘员，其中1 名乘员坐在驾驶座，另外1 名乘员坐在驾驶座后方的座位上，启动汽车内部空调，开始制冷。乘员皮肤温度由四通道热电偶温度记录仪记录，测点包括头部，上肢和下肢。由于人体的对称性，仅对人体右半部分的皮肤温度进行测量，每隔2 s 记录一次。

⑥主观热感觉评价

由于汽车乘坐空间热环境的不均匀性，采用ASHRAE 七点热感觉标度来评价乘员的局部和全身的热感觉。实验中，通过问卷的形式来评价乘员头部、躯干、上肢、下肢的局部热感觉和全身热感觉，每隔1 min 评价一次。为了减少其他因素对实验结果的影响，提高实验的成功率，实验选取了6 名身体健康、体型相近、对同一热环境的热感觉相差不大的男乘员进行实验。6 名男乘员均来自暖通专业，均对ASHRAE七点热感觉标度有过深入的学习。实验时，6 名乘员均身着长裤和短袖衬衫，服装热阻约为0.57clo，进入乘车空间前，在接近人体热舒适的房间中休息，这时，乘员只能静坐或进行极轻度劳动，不能进行剧烈运动，以保证实验结果的可靠性。

⑦空调出风口温度及风速

实验前，用手持网络气象站对汽车空调出风口风速进行测量，并把三辆车的空调出风口温度及风速都调至25 ℃，4.3 m/s（三挡），减小其他因素对实验结果的影响。

1.3.3 实验步骤

①将3 辆实验用车停至阴凉处，将准备好的2 张不同的隔热率膜分别贴在其中2 辆车的前挡风玻璃上。实验中，为了减小侧挡风玻璃对实验结果的影响，用锡箔纸将侧挡风玻璃遮住，防止太阳辐射通过侧挡风玻璃进入车内。按1.3.2 节中相关要求将3 辆车的空调出风口温度及风速调至一致。

②按照相关操作说明，对各仪器进行校正。校正完成后，按1.3.2 节中的相关要求布置测点和仪器。

③打开3 辆车的车门，对车内进行通风，使3 辆车在实验开始前保持相同的热环境状态。

④13:05 时，将3 辆车按1.1.2 节中的相关要求停到指定位置，关闭所有车窗，车门及空调，开始升温阶段的测试。60 分钟后，6 名处于热舒适状态的乘员进入车内，打开空调系统，按照1.3.2 节中的相关要求，进行降温阶段的测试。

⑤实验结束，关闭空调，整理仪器。

2 实验结果及分析

2.1 预实验

为了提高实验的成功率，并找出前挡风玻璃上代替平均壁面温度的测点，在正式实验前，首先进行了预实验。预实验的实验步骤与1.3.3 节一致，其中，壁面温度测点的布置如图4 所示。

图4 前挡风玻璃测点布置

根据预实验结果，在正式试验中，将外壁面的测点布置在图4 中的1 和5 位置，内壁面的测点布置在图4 中的1 和2 位置。

2.2 车内热环境特点分析

2.2.1 玻璃壁面温度

对比不同工况下的前挡风玻璃壁面温度的变化情况，如图5 所示，可以发现，在升温阶段，随着隔热率的上升，内外壁面温度反而上升。在升温阶段结束时，工况③下的前挡风内外壁面温度最高，其中内壁面达到了61 ℃，外壁面达到了56 ℃。这主要是由于实验用隔热膜是通过在膜中添加红外线吸收剂或金属材质，提高吸收红外线和反射红外线的能力来达到隔热的效果的。隔热率越高，膜能够吸收的热量就越多，温度就越高，传给内外壁面的热量也就越多。

图5 前挡风玻璃壁面温度对比

在降温阶段，不同工况下的前挡风玻璃内外壁面温度降至同一水平时的平均时间为工况③＜工况①＜工况②。当内外壁面温度均降至45 ℃时，工况①、②、③所需的降温平均时间分别为22.5 min、24 min、15 min。因此，工况③下的前挡风玻璃壁面温度下降得最快，而工况②下降得最慢，其原因主要是隔热膜中添加的某些红外线吸收剂或金属材质，使得膜的导热系数升高，且30%的隔热膜吸热能力较小，当吸热达到饱和时，不仅不能起到隔热的效果，多余的热量还会溢出，导致温度降低速率下降。

在降温阶段结束时，三个工况下的前挡风内外壁面平均的温度都相差不大，因此，汽车贴膜只能在一定程度上提高玻璃壁面的降温速率，且不能选择隔热率过低的膜，否则会因吸热能力过低反而减小降温的速率。

2.2.2 座椅温度

图6 是汽车在太阳辐射下升温时内部座椅的温度变化情况，由于汽车车身及前排座椅对太阳辐射的遮挡作用，在三种工况下，前排座椅的平均温度均高于后排座椅，且最大温差可达5 ℃左右。对比三种工况下的座椅温度，无论是前排座椅还是后排座椅，座椅温度在整个升温阶段内都是工况①＞工况②＞工况③，说明提高前挡风玻璃的隔热率，可以降低车内的座椅温度。在升温阶段结束时，工况③下的前排座椅温度比工况①下的低1.5 ℃左右，后排座椅温度低3 ℃左右。

图6 座椅温度对比

2.2.3 空气温度

图7 是三种工况下汽车前后舱气温的变化情况。在升温阶段，无论是前舱还是后舱，空气温度都是工况①＞工况②＞工况③，但工况①下的空气温度与工况②下的相差非常小，小于1 ℃，说明30%的隔热膜隔热效果较差，70%的隔热膜对降低车内气温有一定的作用。在升温阶段结束时，70%的隔热膜可使前舱气温下降约5 ℃，后舱气温下降约8 ℃。因此，提高前挡风玻璃的隔热率，可以降低升温阶段的车内空气温度，减小乘员进入车内时受到的热冲击强度。

图7 汽车前后舱温度对比

在降温阶段，无论是前舱还是后舱，空气温度都是工况②＞工况③＞工况①，降温阶段结束时，工况②和工况③下的空气温度相差不大，约为1 ℃，但工况①下的车内气温却比其他两个工况低10 ℃左右，且其降温速率在整个降温阶段中都过快，推测其原因可能是乘员进入乘坐空间后，由于热冲击较大，热不舒适感较强，擅自调大了空调的风速。因此，在降温阶段，通过贴膜来改善车内的热环境作用比较小，远不及空调带来的影响，但在降低空调能耗上有一定的作用。

2.3 人体热舒适分析

2.3.1 皮肤温度

图8 是不同工况下各乘员的皮肤温度变化曲线。由于前排乘员距离空调出风口更近，受空调低温气流的影响比后排乘员大，在皮肤温度趋于稳定时，无论是上肢、下肢还是头部，后排乘员的皮肤温度都要高于前排乘员，最大温差可达5 ℃，出现在工况③下前后排乘员的头部。随着前挡风玻璃隔热率的增大，前后排乘员相同部位的温差减小，说明贴膜可以改善汽车内部温度场的均匀性。

对比不同工况下乘员的皮肤温度，可以看到，无论是上肢、下肢还是头部，乘员局部皮肤温度都是工况②＞工况①＞工况③。工况②与工况③相比，对于前排乘员，其上肢温度要高6.5 ℃左右，头部温度要高15 ℃左右，下肢温度要高6 ℃左右。因此，提高汽车前挡风玻璃的隔热率，可以一定程度上降低乘员的皮肤温度。分析发现，工况②下的乘员皮肤温度要比工况①时更高，这与2.2.3 中空气温度的变化是一致的，很可能是乘员手动调大了空调出风速度导致的。

2.3.2 主观热感觉

首先分析同一个乘员局部热感觉与整体热感觉的关系，在本实验中，以工况①下的前排乘员和后排乘员为代表进行分析，如图9 所示。对于前排乘员，躯干的热感觉与整体的热感觉最接近，对于后排乘员，头部的热感觉与整体的热感觉最接近。因此改善前排乘员躯干的热感觉和后排乘员头部的热感觉，可以较大程度上改善乘员的整体热感觉。

图9 工况①下前后排乘员局部热感觉对比

图10 是不同工况下乘员整体热感觉的对比，分析可知，各乘员达到热中性状态的时间为：工况③下的前排乘员=工况①下的前排乘员＜工况①下的后排乘员＜工况③下的后排乘员，而工况②下车内的乘员直到降温阶段结束时，都还未达到热中性。可以看到，由于工况①的降温阶段乘员手动调大了空调风速，工况①车内前后排乘员达到热中性状态的平均时间为11.5 min，要稍短于工况③的13.5 min，说明提高前挡风玻璃的隔热率虽然对改善车内的热舒适有一定的作用，但其作用远低于空调制冷的作用。

图10 不同工况下乘员整体热感觉对比

3 结论

1）汽车前挡风玻璃贴膜，反而会使升温阶段前挡风玻璃壁面温度升高，但可以在一定程度上加快降温的速率。降温过程中，当壁面温度趋于稳定时，不同隔热率的膜最终使壁面达到的温度基本上相同。

2）提高前挡风玻璃的隔热率，可以减小乘员进入车内时受到的热冲击强度，缩短达到热舒适状态的时间，提高热舒适性。但其对热舒适的改善程度与空调运行状态的改变相比太小，不过可以在一定程度上降低空调的能耗，起到节能的效果。

3）对于升温阶段，提高前挡风玻璃的隔热率可以较好的改善车内的热环境。但对于降温阶段，由于空调制冷的影响，前挡风玻璃隔热率的提高对车内热环境和乘员热舒适的改善作用较小。