基于各评价指标的某SUV 6座汽车热舒适性的研究

叶立，张梦伢，张文韬，张志军，叶欢

（200093 上海市 上海理工大学 能源与动力工程学院）

0 引言

目前，电动汽车已经越来越受群众的喜爱，但其内部乘坐热舒适性也越来越为人们所关注。现在的汽车设计为保证驾乘人员安全及避免驾驶疲劳，通过增大汽车车窗来开阔视野。但却增大了太阳辐射，影响乘坐人员的热舒适性，甚至影响驾驶安全，所以对乘客舱舒适性研究极为重要[1]。汽车室内的舒适性主要与空气的温度、速度、质量及太阳辐射有关[2]。热舒适性在炎热和寒冷的气候表现得最为明显，车室内的温度过高和过低都会影响人的舒适性[3]。近年来，有关汽车乘客舱及空调的研究比较多[4]。宋晓峰[5]等利用Fluent 对某空调客车风道出风口对内流场分布的影响进行模拟，提出在风道出风口处增设不同高度的导流挡板改善出风口射流的方案；张炳力[6]等基于PMV-PPD 与空气龄的方法对引入太阳辐射的轿车乘客舱内的热舒适性进行改进和分析；Shafie[7]建立复杂的客车内部几何模型，分析不同送风参数下乘客舱空气速度分布，发现当送风速度为3.1 m/s 时的车内速度分布更加均匀。Thirumal[8]等采用CFD 方法研究不同人体负荷下座舱的热舒适性和空气质量。但这些研究大多侧重于乘客舱风道的改造及温度场流场的分析，因此，引入人体生物热和太阳辐射对于乘客舱的热舒适性研究极为重要。

本文对纯电动汽车乘客舱温降及舒适性进行模拟，清晰直观地反映出乘客舱的舒适分布情况，相对于实验来说，大大降低了实验成本，缩短了试验周期，具有一定的实用意义。

1 模型的建立

1.1 几何模型及网格划分

本文对一辆具有双蒸发器空调系统的6 座纯电动汽车模型进行简化如下：（1）简化乘员舱内饰结构，对细小缝隙进行填补；（2）只保留制冷吹面的风道，并由CATIA 软件绘制；（3）风道系统密封良好，除进、出风口没有空气泄露；（4）空气为常密度、不可压缩流体。参见图1。

图1 三维几何模型示意图Fig.1 3D geometric model

本文使用HyperMesh 对整个计算域进行网格划分，随后导入STAR-CCM+完成体网格划分。整个计算域内体网格数：8 573 563；面网格数为25 329 848；内部节点数为9 456 136。网格模型如图2 所示。

图2 网格模型示意图Fig.2 Schematic diagram of grid model

1.2 数学模型

用STAR-CCM+中自带的数值求解来模拟乘客舱内部环境舒适性情况。客舱内的空气流速相对较小，空气密度基本保持不变，可视为三维不可压缩流体，且符合Boussinnesq 假设；乘客舱内流场使用K-ε湍流模型[9]；乘客舱内部的气密性良好；乘客舱内的空气为辐射透明介质，灰体辐射，表面对表面辐射。建立的求解方程如下：

连续性方程

动量方程

能量方程

式中：ρ——乘客舱的密度；μ——动力粘度；P——压力；T——温度；t——时间；xi——x，y，z 方向的张量；k——热传导；cp——比热容。

1.3 边界条件的设定

本文边界条件为质量流量入口、压力出口，采用瞬时计算，计算时间设置为3 900 s。汽车主要部件的物性参数见表1。对每个外部边界（如顶棚、门板等与外界空气对流的构件），可输入参考热传递系数作为模拟的热传递系数，其公式如下[10]：

表1 主要部件的物性参数Tab.1 Physical parameters of main components

式中：happ——应用的热传递系数；href——参考热传递系数；vvel——车速；vref——参考速度；n——指数。

1.4 整车空调舒适性评价体系

1.4.1 PMV—PPD 评价指标

PMV（Predicted Mean Vote）表示预期平均热感觉，PMV 评价指标将舒适状态从-3～3 划分为7 个状态，见表2。当 PMV 在 -0.5～0.5 时，人体处于舒适状态[11]。PMV 表达式为式（4）～（11）。

表2 PMV 评价指标的7 个舒适状态Tab.2 Seven comfort states of PMV evaluation index

式中：M——人体代谢率，W/m2；W——人体做的机械功，w/m2；Ec——皮肤散热与出汗的散热量，w/m2。

人体呼吸潜热损失Eres（w/m2）

式中：Pa——人体周围蒸汽分压,0～2.7 kPa。

人体呼吸显热损失Cres（W/m2）

式中：Ta——环境温度。

人体表面对流辐射热损失H（W/m2）：

式中：fcl——着衣表面和裸替表面之比；Tr——平均辐射温度，℃；Tcl——人体表面平均温度，℃。

式中：Icl——服装热阻，m·k/w。当Icl≤0.078，fcl=1+1.29×Icl；当Icl＞0.078，fcl=1.05+0.65×Icl；hc——对流换热系数，W/(m2·K)。

式中：Var——人体表面风速，m/s。

PPD（Percentage of persons dissatisfied）是针对在某一特定均匀热环境感到不舒适人员的比例，即人们对热环境的不满意程度，主要与人体表面温度、吹风强度有关，一般PPD＜10%为舒适状态[12]。PPD 指标可直观反应人体对气流的适应程度[13]。

当-0.5 ≤PMV ≤+0.5，PPD ≤10%，即认为人体在热环境中感到最舒适[14]。

1.4.2 相对湿度RH

相对湿度（Relative Humidity）指水蒸气分压力同当前温度下饱和水蒸汽压力之比，公式为[15]：

式中：PHO——水蒸气分压力，Pa。

式中：P——压力，Pa；n——水蒸气的摩尔分数；Psat——饱和水蒸气压力，Pa。

式中：T——水蒸汽温度，K。

2 模拟结果分析

2.1 乘客舱空气流速分布情况

图3 是乘客舱空气流速分布图。图中清晰地呈现出从各出风口流出的新鲜空气在乘客舱的分布状态。前排出风口主要为前排乘客降温，小部分气流为后排乘客降温。中间B 柱和手扶箱处的出风口主要为二排乘客降温。三排C 柱的出风口主要为三排乘客降温。图中，乘客从头部到小腿出现涡旋状回流，表现为头暖脚冷，且风口直吹的地方风速较大达到8 m/s，人体表面最大风速达到6.2 m/s。总体而言，乘客头部的风速相对腿脚处较高，但因热胀冷缩原理，车内温差会尽快降到合理范围；图中可以看出人体感到舒适的风速为3～5 m/s，前两排乘客体表风速基本能够满足，后排乘客与C 柱出风口的距离太近，使得乘客表面及肩部风速稍高。

图3 乘客舱空气流速示意图Fig.3 Schematic diagram of air velocity in passenger compartment

2.2 乘客舱成员体表温度分布情况

图4 为模拟终止时乘客表面的温度分布状态。图中可以清晰地看出，前排乘客腿部温度相较于其他乘客较高，基本在38 ℃左右。一方面是该部分新鲜空气流速较低，换热量较少；另一方面是因为前排挡风玻璃较大，腿部吸收的辐射热较多。二排分布乘客体表温度相对均匀。一方面是因为侧窗玻璃的透射率较低，吸收的辐射热较少；另一方面是因为空气流速较均匀，能够迅速降低温度。第三排乘客除后侧头部区域温度较高，其他区域的温度均匀分布。这是因为三排乘客表面风速虽然分布较均匀，但后脑勺部位吸收的辐射热较大。可见乘客体表温度不仅与出风口温度、吹风位置有关，还与乘客舱周围玻璃透射率有关。总体而言，乘客舱处于人体舒适的温度区间内。

图4 乘客表面温度Fig.4 Passenger surface temperature

2.3 乘客舱平均温度分布

图5 为乘客舱在原点（0，0，0）处的截面温度分布图，图6 为乘客舱平均温降图。从图5、图6 中可以看出，乘客舱内温度总体处在26 ℃附近，但乘客舱轮廓处温度要比车舱内部温度稍高。这是因为边界处直接吸收大量的太阳辐射，且又与外界高温环境进行对流换热，冷空气到达乘客舱边界时的流速很低，对流换热系数较小，不能及时给边界降温，故使轮廓温度高于内部温度。图中前挡风玻璃与仪表盘的夹角处温度过高，这是由于三维仿真中的网格尺寸大于该处的实际几何尺寸，因而产生计算死角，所得的温度结果失真。

图5 乘员舱横截面温度Fig.5 Cross section temperature of passenger compartment

图6 乘员舱的平均温度变化图Fig.6 Average temperature variation of occupant compartment

2.4 PMV-PPD 评价指标分析

图7 中，PMV 值基本分布在-0.59～0.48 之间，乘客处于热舒适状态。后两排乘客基本处于热舒适状态，一方面是因为后两排周围的车窗玻璃的透光率比前排玻璃低，乘客所吸收的太阳辐射热较少；另一方面是因为冷空气流速均匀分布在乘客人体上，对流换热较好。前排乘客除大腿和腹部位置的PMV 值较高，其余处的PMV 值处在[-0.5,0.5]的舒适区间内，这是因为前挡风玻璃的透光率较高，大腿及腹部吸收的辐射热最多，并且该处的冷空气流速较低，换热量较少，热量不易被带走的原因。

图7 乘客PMV 评价指标分布Fig.7 Distribution of passenger PMV evaluation index

图8 中乘客PPD 指标分布基本低于15%，可认为乘客的满意程度比较高。前排乘客除大腿及腹部的PPD 值高于10%，其余位置处于满意的状态，这是因为一排乘客的大腿和腹部吸收大量的太阳辐射，且该部位的空气流速低，换热量较少；后两排乘客除了肩颈部的不满意度较高外，其余均低于10%。这是因为肩颈部直对出风口，风速感较强，且从车窗处吸收了部分的辐射热，使人感到极不舒适。

图8 乘客PPD 评价指标分布Fig.8 Distribution of passenger PPD evaluation index

总地来说，人体表面的PMV 值处在[-0.5,0.5]之间，PPD 值基本小于10%，乘客舱的热舒适性处于比较舒适的状态。

2.5 平均湿度RH 的分布状态

图9 为乘客舱平均湿度RH 分布云图。图中人体表面的平均湿度在60%附近，湿度处于比较舒适的范围，这是因为乘客表面的新鲜冷空气流速均匀且舒适。车前、车后以及车壁周围的湿度较低，一方面是因为车框表面附近处的温度较高，空气易干燥；另一方面是因为壁面附近的新鲜冷空气的流速低，新风更新慢。总之，后两排乘客的湿度要比前排乘客的湿度稍高。这是因为后排处乘客接收的新鲜冷空气较多、空气流速较均匀，并且吸收的辐射热较少，因此相对湿度要比前排的稍高，感觉比较舒适。

图9 乘客舱平均湿度RH 分布Fig.9 Distribution of average humidity RH

3 结语

本文引入人体模型和太阳辐射模型，并用PMV-PPD，MRT，RH 对乘客舱内的热环境进行舒适性评价，根据模拟结果分析了纯电动汽车乘客舱冷空气流速、体表温度和乘客舱平均温度分布状况，并用评价指标对乘客舱的舒适性进行评价。总体而言，车室内部及乘客表面温湿度分布较均匀且舒适，稳定时平均温度在26 ℃附近，但前挡风玻璃的透射率较大，前排乘客的大腿及腹部位置吸收较多的辐射热，使得平均辐射温度值偏高、空气比较干燥，PMV-PPD 的值超出了舒适的范围。同时，后排出风口的风速偏高，后排乘客的肩颈部吹风感较强，该区域的乘客PPD值偏高。因此，出风口温度过低以及空气流速过快都会影响乘客的乘坐热舒适性，为了满足热舒适性要求，汽车空调系统不仅需要合理控制出风口风速，还需要控制阳光进入乘员舱的辐射量。