驾驶舱热舒适性与空调经济性分析研究

苏楚奇，江 玥，汪怡平，袁晓红

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

1 引言

随着汽车工业的迅速发展，汽车已经成为人们日常生活中必不可少的交通工具。如今，人们生活品质的提高使汽车需要满足更高的要求，汽车除了要保证基础的动力性、经济性和安全性以外，还需要达到良好的乘坐热舒适性。美国ASHRAE标准中将人体热舒适性描述为人体对热环境感觉满意的意识状态[1]。交管部门事故登记表明，驾驶员在驾驶途中的疲劳焦躁是造成交通事故的一个重要原因，驾驶室内闷热不舒适的热环境极易产生这种疲劳和焦躁感[2]。

随着汽车的普及与发展，车内热环境对驾乘人员的影响和汽车空调经济性引起人们的关注。2005年，文献[3]对能在高度不均匀热环境中预测人体热舒适性的虚拟热舒适工程（VTCE，Virtual Thermal Comfort Engineering）进行了研究，可根据空气温度、湿度、太阳辐射等环境参数对热舒适性进行分析和预测，在汽车开发阶段有效提高驾驶舱热舒适性。2006年，文献[4]开发了用于在驾驶舱热环境中预测乘客和通风座椅热相互作用的数学模型和实验模型，研究结果表明座椅通风系统能在（2～3）min内有效提高乘客热舒适性。2009年，文献[5]针对汽车空调制热模式下驾驶舱内的热环境，通过采集人体各部位周围的气流速度和温度等数据，研究了气流速度、温度的变化对热舒适性的影响。随着研究的深入，学者们在关注驾驶舱热舒适性的同时，也逐渐开始对汽车空调的经济性进行研究。2014年，文献[6]采用计算流体力学方法对有前通风口和顶棚通风口的局部空调系统在不同风量和空气温度下的热舒适性和节能性进行了研究，并对该局部空调进行了优化，有效降低了空调系统能耗。2018年，文献[7]对具有不同汽车局部空调送风口结构的驾驶舱内流场及温度场进行了数值模拟，并研究了不同送风工况下驾驶员热舒适性和空调节能性，验证了汽车局部空调的降温效果和节能效果。

汽车空调系统有调节车内温度、通风排气、净化空气等功能。传统汽车空调送风形式一般为操纵台式，主要目的是将气流吹到人的脸部及躯干区域，并对车内整体热环境进行调节。由于驾乘人员坐在座椅上时，身体紧贴座椅表面，接触部分空气不流通，不利于汗液的排出，会使人感到不舒服[8]。通风座椅作为汽车空调系统的补充，可以有效改善人体背部、臀部及大腿的热舒适性。座椅的通风功能可通过向座椅风道中注入空气，并从座椅表面流出，靠背和坐垫的表皮通常采用多孔介质材料。

驾驶员及乘客坐在车内时，需要根据人体热舒适性需求来调节空调出风口的送风温度和送风速度，这两种参数是直接影响驾驶舱热环境和空调系统能耗的重要因素。过冷或过热的环境都会导致人体产生不舒适感，汽车空调系统甚至也会因此能耗过高。所以，有必要研究人体热舒适性和空调经济性随送风温度和送风速度的变化规律，为实际应用中送风工况的设置提供参考。本研究对一种带有新型通风座椅空调系统的驾驶舱内流场和温度场进行数值模拟，研究在夏季高温环境中不同送风工况对驾驶员热舒适性和空调经济性的影响规律，探索在满足驾驶员热舒适性的前提下尽可能的降低能耗的有效方法。

2 热舒适性及空调经济性评价指标

2.1 热舒适性评价指标

人体热舒适性评价指标一般分为均匀热环境下的评价指标和非均匀热环境下的评价指标。汽车驾驶舱内部结构复杂且空间狭小，空调开启时，驾驶舱内部气流和温度分布不均匀，是一种典型的非均匀热环境。非均匀热环境会引起的人体局部热舒适性问题，通常采用人体各节段当量温度Teq（Equivalent Temperature）和基于当量温度的热舒适偏差AEQT来综合评价。

当量温度Teq通过分析人体各节段与周围环境的热交换来对人体各部位局部热舒适性进行评价，用于评价非均匀热环境内热舒适性时更加科学合理。但是，在评价热舒适性时将整体热感觉分解，当人体局部热舒适性差异较大时，则不便于简单直观地对整体热舒适性进行评价。基于Teq延伸出描述人体整体热舒适偏差的参数—热舒适性偏差AEQT，该参数可有效克服Teq用于评价人整体热舒适性时的不足之处。人体各部位热舒适性Teq的舒适范围和理想值，如图1所示。

图1 人体各节段当量温度Teq范围Fig.1 Range of Equivalent Temperature（Teq）of Each Segment of the Human Body

当量温度Teq计算，如式（1）所示。

式中：i—人体第i节段；Teq，i—第i节段的当量温度，单位K；Ts，i—第i节段的皮肤表面温度，单位K；vɑir，i—第i节段周围的空气流速，单位m/s；Tɑ，i—第i节段周围的空气温度，单位K；Si—第i节段的表面积，单位m2，取值参考SAEJ2234给出的人体各节段表面积，如表1所示；hcɑl，i—第i节段的对流换热系数，取值8.7W/(m2·K)；fi，n—第i节段对驾驶舱壁面n的角系数，取值参考Guibert&Taylor和Fanger的研究数据，如表2所示；Tn—驾驶舱内部件温度，单位K；εi—第i节段的发射率，通常取值0.97；Qsol—第i节段得到的太阳辐射量，单位W；σ—斯蒂芬—玻尔兹曼常数，取值为5.67×10-8W/(m2·K4)。

表1 人体各部位表面积及影响权重Tab.1 Surface Area and Influence Weight of Various Parts of Human Body

表2 人体有效辐射面积系数Tab.2 Effective Radiation Area Factor of Human Body

热舒适性偏差AEQT取值范围在（-1～+1）之间，如图2所示。该偏差表示了人体整体热舒适性与其理想舒适温度之间的偏差程度。当AEQT取值在（-1～0）之间时，表示当量温度在舒适区间之外；当AEQT取值在（0～+1）之间时，表示当量温度在舒适区间内；AEQT越接近+1，表示热舒适性越好；AEQT越接近-1，表示热舒适性越差。

图2 人体热舒适性偏差AEQT范围Fig.2 Range of Human Thermal Comfort Deviations

AEQT计算，如式（2）、式（3）所示：

式中：ωi—人体第i节段的热感觉对整体热舒适的影响权重，取值如表1所示；Ai—人体第i节段的热舒适性偏差；Tmin，i—第i节段舒适性范围最小值，单位℃；Tmax，i—第i节段舒适性范围最小值，单位℃。

2.2 空调经济性评价指标

能效比COP是用来评价空调制冷系统节能效果的重要指标，其计算，如式（4）所示：

式中：Q—空调制冷量；Wc—空调压缩机功率。

考虑到汽车空调压缩机在不同转速下的COP值变化微小，故假设空调COP保持不变，通过计算每种工况下的制冷量大小来对汽车空调的节能效果进行评价［12］。制冷量计算公式如下：

式中：Q—空调系统制冷量，W；c1—循环风比热容，单位J/kg·K；m1—循环风质量流量，单位kg/s；c2—新风比热容，单位J/kg·K；m2—新风质量流量，单位kg/s；T1—循环风温度，单位K；T2—新风温度，单位K；T3—冷却风温度，单位K；QP—驾驶员散发热量，取值176W；QA—通过门窗等缝隙渗透进入驾驶舱内的热量，在驾驶舱密封良好的情况下，该值为零。

3 数值模拟

以某款货车驾驶舱模型为例，用计算流体力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）的方法研究热舒适偏差AEQT和空调系统制冷量Q随出风口送风速度和温度的变化规律。

3.1 几何模型

采用CATIA软件对研究对象进行1：1建模，在不影响计算结果的前提下，在建模时对驾驶舱内进行了简化，如图3所示。空调系统共有6个出风口和2个回风口，其中4个出风口分布在操纵台，尺寸为（100×70）mm，1个出风口在座椅靠背后方，尺寸为（60×30）mm，1个出风口在座椅坐垫下方，尺寸为（60×30）mm。两个回风口设置在车门旁。

图3 驾驶舱几何模型Fig.3 Geometry Model of Cockpit

3.2 网格划分

为减少网格数量从而减少计算耗时，针对模型几何的复杂程度以及流体的关键区域的不同，采用不同的网格尺寸进行了网格划分，如风道、坐垫、靠背、人体等区域采用了精细网格以提高计算精度。整个模型采用四面体网格进行离散，网格数量约为294万，网格模型，如图4所示。

图4 驾驶舱网格模型Fig.4 Mesh Model of Cockpit

3.3 模型选择

夏季时，汽车驾驶舱内外空气温差较大，汽车空调风口产生的气流会使驾驶舱内不均匀流场进一步发生变化，故这里仿真模拟的湍流模型选用RNGk-e模型。炎热天气环境下，太阳辐射是导致驾驶舱内温度升高和人体热感觉明显的主要原因，故在进行汽车驾驶舱速度场场和温度场分析时，太阳辐射为不可忽略的因素，计算中，辐射换热选用表面至表面辐射模型和灰体模型，并根据地区经纬度及时间，计算太阳通量等参数。

3.4 边界条件设置

6个出风口均设置为速度进口，2个回风口均设置为压力出口。通风座椅的坐垫及靠背的表皮设置为多孔介质材料，厚度为5mm，孔隙率为0.6，其余没有流体通过的表面均设置为壁面，并根据各壁面的传热、对流和辐射换热特性对边界条件进行设置。

3.5 工况设置

为研究空调送风温度与送风速度的匹配对于空调制冷效果的影响规律，研究中参考夏季时常规汽车空调工作范围，将送风温度变化范围为（2～16）℃，变化梯度为2℃，送风速度变化范围为（3～6）m/s，变化梯度为1m/s，一共分析32种送风工况时的人体热舒适性和空调经济性。

4 结果与分析

4.1 速度场和温度场分析

因各模拟工况的速度场与温度场类似，故选出热舒适性最佳的一种工况（送风速度4m/s、送风温度6℃）对驾驶舱内速度和人体表面温度分布进行分析。

驾驶员对称截面处速度、温度分布和驾驶员表面温度分布，如图5～图7所示。由图5可以看出，由于座椅的通风功能，驾驶员背部、臀部及大腿处处风速较大，很大程度上改善了因为人体与座椅表面紧密接触而导致的空气不流通现象。由图6、图7可以看出，驾驶舱室内环境温度适宜且较为均匀，人体表面温度分布符合“头冷脚凉”的舒适性原则，背部、臀部和大腿处的局部表面温度和周围空气温度比其他部位稍低。根据身体各部位热感觉对整体热舒适性的影响权重分布可知（见表1），此3处的局部热舒适性对整体热舒适性的影响较大，对这些部位进行局部降温将有利于提高驾驶员及乘客的整体热舒适性。

图5 驾驶员对称截面处速度分布Fig.5 Velocity Distribution at the Driver’s Symmetrical Section

图6 驾驶员对称截面处温度分布Fig.6 Temperature Distribution at the Driver’s Symmetrical Section

图7 驾驶员人体表面温度分布Fig.7 Temperature Distribution of the Driver’s Surface

4.2 热舒适性偏差AEQT与制冷量Q分析

当其他环境条件保持不变，仅改变空调出风口的送风温度时，热舒适性偏差AEQT随送风温度的升高呈现出先增加后减小的变化趋势，制冷量Q随送风温度的升高而减小，如图8、图10所示。同样条件下，仅改变空调出风口送风速度时，热舒适性偏差AEQT随送风速度的升高也呈现出先增加后减小的变化趋势，空调制冷量Q随送风速度的增大而增大，如图9～图11所示。

图8 不同送风速度下AEQT随送风温度变化图Fig.8 Variation of AEQT with Supply Air Temperature at Different Air Supply Speeds

图9 不同送风温度下AEQT随送风速度变化图Fig.9 Variation of AEQT with Supply Air Speed at Different Air Supply Temperatures

图10 不同送风速度下Q随送风温度变化图Fig.10 Variation of Q with Supply Air Temperature at Different Air Supply Speeds

图11 不同送风温度下Q随送风速度变化图Fig.11 Variation of Q with Air Supply Speed at Different Air Supply Temperatures

对于人体热舒适性，由图8、图9可知，送风速度不同，AEQT峰值大小不同，且达到峰值时对应的送风温度不同；送风温度不同，AEQT峰值和其对应的送风速度也不相同，其中送风速度越大，AEQT达到峰值时的送风温度也就越高。此外，不同送风工况下，AEQT峰值变化范围较小且随送风速度增加呈现先增大后减小的趋势；在不同送风温度工况下，AEQT峰值随送风温度的增大先增大后减小。结合两图来看，若仅考虑热舒适性，当送风速度约为4m/s、送风温度为7℃时，人体热舒适性可达到最佳。

对于空调经济性，由图10、图11可看出，空调制冷量Q的大小随送风温度和送风速度的变化均呈现单调变化，若不考虑热舒适性，则可以通过在保持送风温度不变的前提下降低送风速度，或在保持送风速度不变的前提下提高送风温度这两种方式使空调达到更好的节能效果。

综合驾驶员热舒适性和空调经济性两方面来考虑，在送风速度不变的情况下（图8、图10），送风温度过低也会使热舒适性和空调经济性同时下降，故可根据图8中的峰值AEQT达到之后的部分曲线来选取送风温度；同理，在送风温度不变的情况下（图9、图11），送风速度过高会在导致热舒适性下降的同时消耗更多能量，故可根据图9AEQT达到峰值之前的部分曲线来选取送风速度，这样就可以在满足热舒适性要求的同时尽可能降低能耗。

对热舒适性偏差接近峰值的送风工况进一步讨论分析，工况参数及模拟结果，如表3所示。根据图12可以看出，随着送风工况温度和速度的同步增加，热舒适性偏差AEQT先增大后减小，而空调制冷量Q持续降低。由此可知，在达到相同热舒适性水平的情况下，空调的送风温度和速度都高时比送风温度和速度都低时，空调制冷量更低，即空调的高温、高速工况比低温、低速工况拥有更好的经济性。

表3 部分送风工况参数及模拟结果Tab.3 Parameters and Simulation Results of Some Air Supply Conditions

图12 不同工况下AEQT和Q变化图Fig.12 Variation of AEQT and Q at Different Air Supply Conditions

5 结论

（1）研究了某种带有新型通风座椅的空调系统在夏季高温环境下的制冷时驾驶舱内的速度场和温度场，结果表明该空调系统能在有效降低驾驶舱内温度的情况下对人体与座椅紧密接触的部位进行局部降温，有利于改善驾驶员的整体热舒适性。

（2）通过改变空调系统出风口送风温度和速度，得出整体热舒适性评价指标热舒适性偏差AEQT和节能性评价指标制冷量Q分别随送风温度和送风速度变化的规律。随着送风温度或送风速度的增大，热舒适性呈现先上升后下降的变化趋势。空调经济性随送风温度的升高而得到优化，随送风速度的升高而逐步恶化。

（3）当环境条件一定时，存在一种送风工况可使人体热舒适性达到最佳水平。分析结果表明，在夏季制冷模式下，汽车空调送风的高温、高速工况和低温、低速工况可达到相同舒适性水平，但在获得相同水平热舒适性时，高温、高速工况较之低温、低速工况具有更好的经济性。所以，在汽车空调的实际应用中，以热舒适性的最佳工况为基准，根据热舒适性和空调经济性的变化规律对空调送风参数进行调节，可同时满足热舒适性和空调系统经济性的要求。