乘员舱动态热环境及人体局部热感觉试验研究

祁良奎 ，柳建华 ，张 良 ，吴清清

（1.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093）

0 引言

汽车乘员舱的热舒适性及汽车HAVC系统的节能性正受到越来越广泛的关注，舒适效益是现阶段诸多学者研究的主要目的。汽车材料隔热性能差，汽车内空间紧凑复杂，汽车在行驶过程中易受太阳辐射与环境辐射的影响，且高速行驶增大了汽车与环境换热，因此汽车乘员舱的热环境具有高度不均匀性和瞬态性。

由于汽车乘员舱与建筑内热环境的显著差异，因此许多针对建筑内的热舒适性研究无法直接应用到汽车上，国内外诸多学者针对汽车内热环境特点对乘员舱内的人体热感觉或热舒适进行了研究。早期TANIGUCHI等［1］开发了一个多元线性回归模型，该模型将面部皮肤的平均温度及其变化率与车辆环境中的全身热感相关联，整体热感觉投票仅与面部部分的热感觉相关，但是该模型忽略了其他身体部位的局部热感觉对全身热感觉的影响，因此具有固有的局限性并且不够全面。GUAN等［2］使用环境室来模拟16种典型的冬季和夏季条件进行人体舒适度试验，并与汽车乘员舱高瞬态条件下的数据进行检验。他们后续研究建立了热感觉模型［3］，该模型结合了生理和心理因素，环境和个人参数都被用作输入来确定生理反应。ZHANG等［4-6］通过接触式气袋进行人体热反应试验，获得局部皮肤温度与局部热感觉及整体热感觉之间的关系，并用实际乘员舱的数据对模型进行了验证。陈吉清等［7］建立了车内热环境与人体热调节模型耦合计算方法，计算乘员重要热感应部位头部、胸部和四肢的皮肤平均温度动态变化情况，并分析人体热调节反应和热舒适性变化规律。

汽车乘员舱热感觉试验多是在环境室或户外停车条件下测试的，或是采用其他送风方式模拟乘员舱内空调过程，只有极少数在行驶状态下进行研究［8-9］以及采用实际乘员舱内人体热感觉数据进行建模，且研究多针对人体整体热感觉，而对乘员舱内人体的局部热感觉关注较少。本文对乘员舱行驶和怠速状态下的制冷工况进行研究，以得到乘员舱环境参数及人体主、客观参数的变化规律，并对乘员舱内的人体局部热感觉模型进行了探索。

1 试验内容

1.1 乘员舱热感觉试验

本次试验挑选了20名受试者参与试验（10名男生，10名女生，均获驾照），其均了解本研究的试验目的、方法和程序，在试验前至少在18 h内禁止饮酒和剧烈运动，为了避免服装差异对测试结果的影响，要求乘员穿着包括短袖，短裤和凉鞋。20名受试者被分为10组，每组由一男一女组成，每组乘员分别坐在司机位置和后排乘员位置，完成单次试验后调换位置，最终共进行20次怠速试验和20次行驶试验，单次试验包括环境参数及前后排乘员主客观数据，根据怠速、行驶及前后排位置分别取平均值进行后续分析。

人体客观参数主要是对人体皮肤温度的测量，人体各测点位置如图1所示，其中，1-4点分别为头部、胸背、背部、腹部皮肤温度，5-7点分别为左上臂、左下臂、左手皮肤温度，8-10分别为右上臂、右下臂、右手皮肤温度，11-13分别为左大腿、左小腿、左脚皮肤温度，14-16分别为右大腿、右小腿、右脚皮肤温度。

图1 人体皮肤温度测点Fig.1 Human skin temperature

人体实际热舒适评价TSV采用ASHRAE标准［11］提出的舒适调查问卷进行评估，如图2所示，使用七点量表来评定乘员的热感，值“+3”，“+2”，“+1”，“0”，“-1”，“-2”和“-3”分别反应“热”，“暖”，“稍暖”，“中性”，“略微凉爽”，“凉爽”和“冷”的主观热感觉，本文只对头部、上肢、躯干和下肢的局部热感觉进行调查问卷。

图2 热感觉七点指标Fig.2 Thermal sensation scale

1.2 试验装置

测试系统主要设备配置见表1。

表1 测试系统主要设备配置Tabl.1 Main equipment of test system

1.3 试验流程

试验开始前，根据试验设计中所要求的测试位置，在乘员舱内和车外布置各传感器，为避免太阳辐射直射温度探头而影响测试精度，气温探头需用具有低太阳辐射吸收率的胶带进行遮挡。而参与皮肤温度测试及主观热感觉评价的试验志愿者在气温接近人体热舒适区的办公室内休息，只能静坐阅读或常规走动。

完成测点布置后，使乘员舱车门均保持开启状态，为避免太阳辐射的干扰，在挡风玻璃前布置遮阳帘，持续1 h，使得乘员舱热环境与外界热环境保持一致。1 h后，撤去遮阳帘，开启所有仪器，紧闭所有车门，让乘员舱暴晒1 h，目的是使乘员舱升温。期间测试人员将测温探头布置到人体各个部位的测试位置上，被测试人员包括1名司机和1名后排乘员，暴晒试验结束后，两人同时进入车内（行驶工况下增加1名副驾驶位置乘员），关闭车门后立即开启车内空调（出风口方向调至水平），路试工况则启动车以一定的速度行驶，持续1 h。

1.4 试验工况

本文测试的工况如表2所示。

表2 测试工况

2 数据处理

2.1 平均皮肤温度

由于本试验人体局部热感觉由头部、躯干、上肢和下肢组成，因此需要计算相应部位的平均皮肤温度，同时模型中需要整体平均皮肤温度。参考BUTERA［10］关于人体皮肤温度的研究，其计算式如下：

2.2 回归模型

本文基于动态模型和静态模型对汽车乘员舱内降温过程中的人体热感觉数据进行分析，探讨模型的适用性。动态模型是指描述非稳态非均匀热环境中的人体热感觉回归模型，静态模型是描述稳态非均匀热环境中的人体热感觉回归模型。

动态模型主要依据ZHANG等［4-6］的局部热感觉模型，其采用考虑局部皮肤温度、整体平均皮肤温度和局部皮肤温度变化率，同时接触式气袋进行人体热反应试验，为提高模型使用的通用性，将原模型中的热感觉9点指标调整为较为通用的热感觉7点指标。

静态模型主要依据孙宇明等［11］的局部热感觉模型，其试验采用人体局部热（冷）实现，利用局部皮肤温度和整体平均皮肤温度预测局部热感觉。由于本试验工况下的数据均为偏热条件下的冷刺激数据，因此只取其模型的一部分，如式（6）所示。

式（5）和（6）中，LTS为局部热感觉，ΔT为局部皮肤温度和局部中性温度的差值，ΔTmean为整体平均皮肤温度和整体中性温度的差值，dt/dτ为局部皮肤温度随时间变化率。文献［12］研究结果显示受试者整体与局部的中性皮肤温度与其所处试验环境及方式无关，因此模型中的局部、整体中性温度采用孙宇明等［11］的研究结果。其他模型系数 k1，k2，k3，w1，w2和 w3通过试验数据回归得出。

3 试验结果及讨论

3.1 空气温度对皮肤温度的影响

怠速工况下司机位置和后排乘员位置皮肤温度随空气温度变化（其中上肢处的空气温度采用躯干处的空气温度），如图3，4所示，从图可见，各部位皮肤温度均呈现先随着空气温度增大而增大，当皮肤温度到达最大值后，随空气温度增大而减小的趋势。这主要是由于当乘员由外界进入乘员舱后，虽然空调被开启，但是此时的空气温度仍然较高，人体由环境吸收热量，因此皮肤温度在该阶段会短暂上升，与空气温度呈负相关关系。一段时间后，空气温度低于人体局部皮肤温度，人体向环境散发热量，因此皮肤温度在该阶段会逐渐降低，与空气温度呈正相关关系。

图3 司机位置皮肤温度随空气温度变化（怠速）Fig.3 Driver skin temperature vs. air temperature（idle）

图5，6分别示出行驶工况下司机位置和后排乘员位置皮肤温度随空气温度变化。其趋势与怠速工况相似，下肢曲线依旧保持游离状态。但与怠速工况相比，正相关阶段的皮肤温度随空气温度的变化率均高于对应的怠速工况，这主要是车辆在行驶过程中，风速与车体之间的对流换热作用增强，乘员舱及人体向外界环境输出的热量更多［13］，乘员的皮肤温度变化更快。同时值得注意的是，司机位置不同部位的皮肤温度最大差值在怠速和行驶工况下均在3 ℃左右，而后排乘员皮肤温度在怠速工况下最大差值约为1.5 ℃，而在行驶工况下3 ℃，说明皮肤温度的最大差值既与空间位置有关，也与行驶状态相关，且行驶状态对后排乘员影响更大。

图6 后排乘员位置皮肤温度随空气温度变化（行驶）Fig.6 Rear passenger skin temperature vs. air temperature （driving）

表3为正相关阶段皮肤温度与空气温度线性关系，线性归回方程显著性水平均小于0.01，表明皮肤温度和空气温度之间极显著相关，决定系数R2变化范围为0.879～0.996，表面二者线性相关程度较高。行驶状态下司机位置、后排乘员位置各部位的空气温度影响系数（即tk的系数）均高于怠速状态下相应部位，表明行驶状态会提高皮肤温度对空气温度变化的敏感度，这主要是由行驶增强人体换热引起的。值得注意的是，怠速工况的司机位置、行驶工况的司机位置和行驶工况的后排乘员位置躯干的空气温度影响系数均高于其他部位，而怠速工况的后排乘员位置的空气温度影响系数远低于其他部位，表明在前三种条件下躯干皮肤温度的敏感度较高，怠速工况下乘员舱司机座位的阻碍作用会严重降低冷空气对后排乘员躯干的冷却作用，从而降低后排乘员躯干皮肤温度敏感度，而行驶工况有利于增强冷空气对后排乘员躯干的冷却作用，提高后排乘员躯干皮肤温度敏感度，减少前后排乘员的皮肤温度差异。

表3 皮肤温度与空气温度线性关系Tab.3 Linear relationship between skin temperature and air temperature

3.2 皮肤温度对局部热感觉的影响

图7～10分别示出了司机和后排乘员在怠速、行驶工况下局部热感觉随皮肤温度变化，由图可知，由于司机的躯干部位受空调冷空气直接冷却，其皮肤温度在怠速和行驶工况下变化范围均较大，且最小皮肤温度远低于其他部位，而后排乘员躯干部位在怠速工况下难以得到有效冷却，其皮肤温度变化范围远小于其他部位，而由前文分析可知，行驶工况有利于后排乘员周围环境的冷却，因此行驶工况下躯干部位的变化范围与司机逐渐接近。

图7 司机局部热感觉随皮肤温度变化（怠速）Fig.7 Local thermal sensation of driver vs. skin temperature（idling）

图8 后排乘员局部热感觉随皮肤温度变化（怠速）Fig.8 Local thermal sensation of rear passenger vs. skin temperature（idling）

图9 司机局部热感觉随皮肤温度变化（行驶）Fig.9 Local thermal sensation of driver vs. skin temperature（driving）

图10 后排乘员局部热感觉随皮肤温度变化（行驶）Fig.10 Local thermal sensation of rear passenger vs. skin temperature（driving）

同时由图可知，2种工况下前后乘员各部位的局部热感觉与皮肤温度均具有良好的线性相关性，具体关系见表4。从图可知，线性回归方程显著性水平均小于0.01，表明局部热感觉和皮肤温度之间极显著相关，决定系数R2变化范围为0.830～0.981，表明二者线性相关程度较高。司机在行驶工况下各部位热感觉敏感度最大差值要小于怠速工况，而后排乘员在行驶工况下各部位热感觉敏感度最大差值要大于怠速工况，这表明行驶有利于减小司机的各部位热感觉敏感度差异而增大后排乘员的各部位热感觉敏感度差异。怠速工况下，司机的头部、上肢和下肢的局部热感觉敏感度均高于后排乘员，而司机的躯干局部热感觉敏感度低后排乘员。行驶工况下，司机位置的各部位局部热感觉敏感度与后排乘员对应位置的热感觉敏感度较为接近，其差异远小于怠速工况，这表明行驶有利于减小前后排乘员对应部位的热感觉敏感度差异，因此行驶工况下司机与后排乘员的局部热感觉差异主要由空气温度差异及换热差异造成，而与部位的热敏感度关系较小。

表4 局部热感觉与皮肤温度线性关系Tab.4 Linear relationship between local thermal sensation and skin temperature

ZHOU等［13-14］的研究也表明人体局部热感觉和局部皮肤温度具有强烈的相关性，因此他们建议可用局部皮肤温度表征人体局部热感觉。但本文研究显示，虽然人体局部热感觉和局部皮肤温度具有良好的线性关系，但是线性相关系数不仅与前后位置，还与乘员舱行驶状态有关，同时本文的线性相关系数与他们的研究并不完全相同，主要是本文的空调工况与他们的试验不相同，由此可知线性相关系数还与空调工况有关。因此单纯以皮肤温度表征人体局部热感觉虽然简便，但是存在一定局限，因此该问题需要进一步探索。

3.3 模型适用性分析

由于单纯采用皮肤温度表征局部热感觉存在一定缺陷，因此从热感觉的原理上构建局部热感觉模型显得更加重要。动态回归模型与静态回归模型的回归参数见如表5，6，回归模型的数据来自本试验的怠速工况及行驶工况的前后排乘员，仅将数据依据身体部位划分而不再考虑位置及行驶状态。

表5 动态模型回归参数Tab.5 Regression parameters of dynamic model

动态模型通过局部皮肤温度、整体平均皮肤温度和局部皮肤温度变化率进行建模，由表5可知，动态模型中头部、上肢和下肢回归关系式与实测数据点的吻合程度并不高，头部、下肢的决定系数均在0.5左右，而上肢低至0.309，躯干的吻合程度非常高，决定系数可达0.924。与动态模型相比，静态模型只通过局部皮肤温度和整体平均皮肤温度进行建模，由表6可知，静态模型中人体各部位回归关系式与实测数据点的吻合程度均非常高，决定系数范围为0.849～0.922。由两模型对比分析可知，在本试验条件下静态模型比动态模型更适用，主要原因是本试验各种工况下空调均是自动模式，因此空调系统为到达设定温度在启动初期风速较高、温度较低，该阶段人体周围热环境是动态非均匀环境，此时的人体局部热感觉根据原理应当更适合动态回归模型，但是空调的自动模式导致该阶段的持续时间较短，因此该阶段的试验数据较少。动态非均匀环境在较短时间内结束后，热环境处于静态非均匀状态，因此该阶段的人体局部热感觉根据原理更适合静态回归模型，同时该阶段的持续时间较长，因此在数据整体中占主导，因此数据整体更适用于静态回归模型。值得注意的是，躯干部位在静态和动态模型中均取得良好的回归效果，这主要是由于空调出风口水平布置，躯干受冷空气的影响最强烈，因此其在动态非均匀热环境阶段的数据对数据整体的影响较大，因此其在动态模型中也回归的较好。综上所述，当汽车乘员舱内的空调系统采用自动模式时，考虑实际情况，静态模型比动态模型更适用于人体局部热感觉的模型构建。

表6 静态模型回归参数Tab.6 Regression parameters of static model

4 结论

（1）乘员舱气温、相对湿度分布受空间位置及行驶状态影响，但舱内风速变化受行驶状态影响较小。

（2）局部热感觉呈现短暂迅速升高，然后缓慢下降并最终保持稳定的趋势，不同部位的局部热感觉存在差异，差异受空间位置及行驶状态影响。

（3）人体进入温度较高的乘员舱并开启空调系统后，各部位皮肤温度与空气温度呈现先负相关后正相关的关系，不同部位皮肤温度对空气温度的敏感性受前后位置和行驶状态的影响。

（4）前后排乘员不同部位的局部热感觉在怠速和行驶状态下的局部热感觉和局部皮肤温度均呈现良好的线性关系，但是不同工况下不同部位的线性相关系数存在较大差异，因此单纯采用局部皮肤温度表征局部热感觉存在缺陷。

（5）乘员舱内空调系统采用自动模式时静态模型比动态模型更适用于人体局部热感觉的模型构建。