基于PMV-PPD与空气龄的轿车乘员舱内热舒适性分析与改进*

张炳力,薛铁龙,胡忠文

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009)



2015164

基于PMV-PPD与空气龄的轿车乘员舱内热舒适性分析与改进*

张炳力,薛铁龙,胡忠文

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009)

应用整体求解法计算气固耦合传热问题,并考虑了太阳辐射和壁面间热辐射对速度场和温度场的影响，对某款轿车车内三维流场和热环境进行了数值仿真，得到了速度场、温度场和PMV与PPD的分布。仿真结果与试验数据很接近，相差在5%以内。接着对乘员热舒适性进行分析，并使用平均空气龄对舱内空气新鲜度进行评价。结果表明，在所设定的环境条件下，该轿车前排乘客感觉较热，后排乘客感觉微热，乘员舱空气新鲜度较好。据此，对模型进行修改并重新计算。结果显示，乘员舱的热舒适性得到了改善。

乘员舱；热舒适性；PMV；PPD；空气龄

前言

乘坐汽车时，车内空气是否新鲜、温度是否适宜是决定人们乘坐舒适度的重要因素。由于车室内空间狭小，环境复杂，驾驶环境也在不断变化，影响车室内环境的因素较多，因此，车室内环境舒适性问题日益凸显，已经成为高品质汽车研发过程中较难解决的一环。

近年来有关车辆热环境的数值模拟已有研究人员做过相关工作，文献[1]中通过计算流体动力学软件对某重型货车空调系统和乘员舱中的气流进行数值仿真，采用当量温度作为评价指标，对乘员舱的热舒适性进行分析;文献[2]中讨论了太阳辐射、空调出风口位置与角度对车室内温度场的影响；文献[3]中研究了外部环境和汽车空调系统对汽车乘员舱热环境的影响，利用人体热舒适性数值模型分析了乘员舱热环境和乘员热舒适性的关系；文献[4]中讨论了不同车窗玻璃特性对车内温度场的影响。但这些研究主要是单纯针对空气流场和温度场进行分析，没有考虑人体和环境等各种因素的综合作用结果，也没有使用一个科学的标准对车室内热舒适性和空气品质进行评估。

本文中在某款轿车的三维模型的基础上，加入驾驶员和乘客三维人体模型，对车室内流场进行数值计算。在计算中综合考虑了太阳辐射、对流换热、车体热辐射、人体散热和湿度对乘员舱内流场的影响，考虑了人体因素和环境因素对热舒适性的综合作用，应用预期平均通感(predicted mean vote, PMV)和不适人员比例(predicted percentage of dissatisfied, PPD)值对乘员热舒适性进行评价分析，并使用平均空气龄对乘员舱内空气品质进行评价。

1 PMV-PPD和空气龄

1.1 热舒适与PMV-PPD指标

在美国供暖空调工程师学会的标准中对热舒适性已有明确的定义，即：热舒适是对热环境表示满意的意识状态。很多学者对热舒适的评价方法进行了研究，并根据各种不同的评价方法先后提出了一系列的评价指标，如有效温度(ET)、新有效温度(ET*)、标准有效温度(SET)、热应力指标(H.S.I)等[5-7]。其中，文献[8]中不仅建立了人体热平衡方程，绘制了舒适图，还制定了PMV值七点式标尺，确定了PMV数学解析式和PMV与PPD指标间的定量关系。经过多年的实践检验，现在得到世界上的大多数专家的认可，其中PMV和PPD指标已被订入国际标准ISO 7730。该指标综合考虑了人体活动程度、衣服热阻、空气温度、平均辐射温度、空气流速和空气相对湿度等6个因素，以满足人体热平衡方程为条件，通过主观感觉试验确定出绝大多数人的冷暖感觉等级，并制定出PMV的热感觉标尺，如表1所示。比如，若通过计算得到人体PMV值为1.5，即表明此人热感觉处于微暖与暖之间。

表1 PMV热感觉标尺

PPD为预计对热舒适性不满意者的百分数，它可以对不满意的人数给出定量的预计值，可预计群体中感觉过暖或过冷的人的百分数。使用PMV和PPD对乘员舱内热环境进行综合评价，即可得到乘员舱内成员热舒适性水平。

因此，可使用PMV-PPD指标对车室内乘员热舒适性进行科学的评价。

1.2 PMV-PPD指标适用范围

由于PMV方程是通过实验调查统计和传热学理论相结合推导出来的，对人体舒适感影响参数的考虑比较全面，在一定范围内可以通过对人体热负荷的计算评价热舒适的好坏。但是，将其用于评价车室内乘员的热舒适性还处于探索阶段，主要障碍是PMV-PPD评价指标存在着一定的适用范围，如果超出适用范围，PMV-PPD指标就会失去其准确性。

在使用PMV-PPD指标时必须满足[9]：(1)人体必须长时间处于比较稳定的热平衡状态；(2)皮肤表面具有接近舒适时的温度；(3)人体具有接近舒适的最佳排汗率。

因此，考虑到PMV热舒适方程的适用范围，在进行乘员舱热舒适性评价时，对环境条件和乘员身体条件进行了限制。设置环境条件为：天空晴朗，环境温度为33℃，湿度适中。乘员身体条件为：乘员无大运动量，身体表面温度正常，排汗率正常。

1.3 PMV-PPD数值计算

PMV的计算式，即热舒适方程[8]为

PMV=(0.303e(-0.036M)+0.028)×((M-W)-H-

Ec-Cres-Eres)

(1)

式中：M为人体能量代谢率，W/m2，由人体活动量大小决定；W为人体单位表面积所做的机械功，W/m2；H为人体表面的对流、辐射的热损失，W/m2；Ec为皮肤上的散热和出汗散热量，W/m2；Cres为呼吸中的显热损失量，W/m2；Eres为呼吸中的潜热损失量，W/m2。

1.3.1 对流、辐射的热损失

人体表面对流、辐射热损失为

H=3.96×10-8×fc1((tc1+273)4-(tr+273)4)-fc1×

hc×(tc1-ta)

(2)

式中：fc1为人体着装后实际表面与其裸身表面积之比，即着衣面积系数；tc1为衣服的表面温度，℃；tr为平均辐射温度，℃；hc为对流换热系数，W/(m2·K)；ta为人体周围的空气温度，℃。

其中，着衣面积系数可按式(3)进行计算：

当Ic1<0.078时，fc1=1.00+1.290Ic1；

当Ic1>0.078时，fc1=1.05+0.645Ic1

(3)

式中Ic1为服装的热阻，(m2·K)/W。

衣服表面温度tc1可按式(4)计算：

tc1=35.7-0.028(M-W)-Ic1(3.96×10-8×fc1((tc1+

273)4-(tr+273)4)+fc1×hc×(tc1-ta))

(4)

注意：因式(4)右边也含有tc1，故须反复试算逐渐逼近而求得。

对流换热系数hc可按式(5)计算：

hc=2.38×(tc1-ta)0.25；

(5)

式中Var为空气的相对流速，m/s。

1.3.2 皮肤上的散热和出汗散热量

皮肤上的散热和出汗散热量Ec为

Ec=3.05×10-3×(5733-6.99×

(M-W)-pa)+0.42×((M-W)-58.15)

(6)

式中pa为人体周围空气的水蒸气分压力，Pa。

1.3.3 呼吸中的显热损失量

呼吸中的显热损失是指呼吸过程中引发了空气温度变化的热量损失，其计算式为

Cres=0.0014×M×34-ta

(7)

1.3.4 呼吸中的潜热损失量

呼吸中的潜热损失是指呼吸过程中没有引发空气温度变化的热量损失，其计算式为

Eres=1.72×10-5×M×(5867-pa)

(8)

由以上公式可知，PMV值取决于8个独立变量：M、W、tcl、tr、Icl、ta、Var和pa。因此，根据热舒适方程，若W不予考虑，而衣着、劳动强度和水蒸气分压力确定后，则风速、平均辐射温度和空气温度是影响人体热舒适的主要因素。

1.3.5 PPD

当确定PMV值之后，则PPD值可按式(9)算得：

PPD=100-95×e-(0.03353×PMV4+0.2179×PMV2)

(9)

在仿真时，由仿真软件无法直接得出乘员的PMV值和PPD值，须将PMV和PPD的数值计算式通过编程的方式输入仿真软件中，由仿真软件通过各点的温度值、速度值和湿度值等条件进行计算得出PMV值和PPD值，再取平均值以得到最终结果。

1.4 空气品质与空气龄

在乘坐汽车时，好的空气品质使人感到神清气爽，心情愉悦，而在夏季和冬季，由于车厢封闭，导致车室内空气流动性差，乘员会感到空气不新鲜，甚至闻到异味，从而严重降低了乘坐舒适性。因此，封闭车厢内空气品质的评估及分析非常重要且有意义。

为了定量评价室内气流组织的优劣，各国学者提出了如宏观空气交换率、换气效率、通风效率、净空气流量等多种指标，这些指标大多数均与空气龄参数有关，空气龄最早在20世纪80年代由Sandberg学者提出，其为气流进入室内后，到达室内某一点的时间。空气龄反映了局部气流分布的好坏，同时反映室内空气的新鲜程度，结合温度场和速度场，可以评价通风系统的好坏。空气龄越小，空气越新鲜，空气品质就越好。

一般来说，空气龄与送风的风量、送风温度和具体环境条件有关。送风量越大，空气龄数值越小。而送风温度对空气龄的影响则需要结合具体环境条件进行综合考虑[10]。从统计学的角度来分析，室内某一点的空气是由大量不同的空气微团所组成，某一点的空气龄为该点所有空气微团的空气龄的平均值。因此，可以通过数值计算得到平均空气龄(mean age of air)以评价空气的新鲜度[11]。

2 数值模拟

2.1 模型建立

在对实车进行测绘后，使用三维建模软件CATIA对乘员舱进行建模，物理模型包括车体、内部饰件、座椅、风道等，由于计算需要的是空气流过的乘员舱内表面，因此，将CATIA三维几何数据导入Hypermesh中后导入假人模型，提取内表面处理并生成面网格，导入STAR-CCM+中，处理后的模型如图1所示。

将车门、车窗和车顶隐藏后，车室内部结构如图2所示，前后排共安排4个假人模拟驾驶员及乘客。冷空气通过10个进风口送入车内，分别为车室前排中央2个进风口和左右两侧2个进风口，脚部4个进风口，车室后排中央2个进风口，由车后部1个出风口流出车厢。

2.2 网格划分

整个计算模型采用四面体网格，在STAR-CCM+中划分网格，为保证结果的准确性，对多处局部进行加密，得到求解域的体网格数量为5 306 522。划分体网格后模型如图3所示。

2.3 数值计算模拟方法和边界条件

2.3.1 求解域离散及流场计算方法

为了提高计算的精确性，空间离散方式采用2阶迎风差分格式；流场计算方法选用Simple算法，其属于压力修正法的一种，适用于大部分流体计算，并且能保证结果的准确性[12]。

2.3.2 湍流模拟方法

本文中仿真计算所使用的模型比较复杂，流体流动属于空气低速流动，部分区域边界曲率较大，为保证湍流模拟的准确性，采用Realizablek-epsilon湍流模型[12]。

2.3.3 太阳辐射以及壁面间辐射的处理

太阳辐射的能量具有按波长分布的特点，其中可见光波段占50%，红外线区占43%，紫外线区占7%。由于紫外线所占的份额较小，计算中将其能量按比例折算到可见光和红外线中，因此，太阳辐射在车内的分布采用射线追踪法，能够较准确地模拟阳光照射对车内环境的影响。

固体壁面间的辐射采用S2S模型，其根据固体壁面间的角系数及波尔兹曼原理计算辐射传热量[12]。

2.3.4 人体热边界条件设置

人体散热与性别、年龄、衣着、劳动强度以及环境条件等多种因素有关。在人体散发出的热量中，对流成分占20%，辐射成分占40%，其余40%则为潜热。由于人体本身适应环境的自我调节作用和人体各部分的生理联系较为复杂，对于人体的散热量的模拟只能进行适当简化。有关资料表明，成年男子散热量为116W，驾驶员散热量较高，为176W[13]。在本仿真计算中，人体的热边界条件设置为：人体表面均匀散热，驾驶员散热量设为176W，其余成员散热量为116W。

2.3.5 其余边界条件

计算域入口条件是在实车试验中使用流量计检测所得；计算域出口使用默认压力出口；空气湿度和太阳辐射参数选用中部某城市夏季典型天气条件的参数，时间为正午12∶00，太阳方位角为90°，高度角为90°。由于是稳态计算，为了使计算能尽快收敛，因此初始条件设置环境温度为实车实验时温度，其余初始条件以进口条件给定。具体计算边界条件如表2所示。

表2 其余计算边界条件

3 数值计算仿真与实验验证

3.1 乘员舱内气流组织情况分析

图4为乘员舱内的气流流线图。从图中可见，从出风口吹出的气流沿着格栅引导的方向流出。前排出风口气流大部分流入后排，与后排以及脚部出风口气流汇合，在后排乘员与前排座椅之间形成涡流，气流回流到乘员的小腿和脚部，使乘员下半身得到冷却，对后排乘员进行降温。

仅从流线图即可看出，前排吹面气流大部分流向后排，使得前排乘客躯干及大腿处气流较少，会影响其散热，对乘员热舒适性产生不利影响。

风口布置位置对乘坐舒适性也有很大影响，应尽量避免直吹令人感到不舒服的部位。由图4可见，前排中央及两侧出风口吹出的气流直接射向驾驶员和副驾驶员头部，虽然使其头部能尽快降温，但气流对面部敏感部位直吹易使人感到不适。

3.2 速度场分析

空气的流速和方向对人体舒适性影响很大。夏季，气流速度稍大些，有利于人体散热降温；但过大的风速直接吹到人体上，则会使人感到不适。舒适的气流速度一般为0.25m/s左右。当气流速度达到0.15m/s时，就可以感到空气清新而产生新鲜感；反之，即使室内气温适宜，但气流速度很小，也会使人感到沉闷[14]。

乘员身体表面风速分布如图5所示。由图5可知，前后排乘员身体表面风速大部分较为均匀，约为0.3～0.5m/s。由于夏季以快速降温为主，风速比最佳舒适风速稍大，可以接受。但驾驶员和副驾驶员头部风速过大，这是前排中央及两侧出风口偏向头部造成的，虽然可以手动调整格栅角度使风向稍偏离头部，但还是会产生不适。

由速度流场分析可知，后排乘客所处风速区间较好，驾驶员和副驾驶员头部位置附近风速过大，舒适性较差。可对前排出风口方向及格栅角度进行调整，使风量分布更为均匀，提高舒适性。

3.3 温度场分析

根据习惯，在满足人体健康条件下，一般28℃是舒适感的分界点。夏季车内平均温度推荐值为25～28℃[14]。

如图6所示，舱内乘员大部分处于温度舒适区间，体表温度小于30℃，但仍有些部位温度较高，现统计出舱内各乘员身体表面主要部位平均温度，如表3所示。

表3 乘员身体表面主要部位平均温度 ℃

由表3可见，体表温度较高的位置有驾驶员腿部和脚部、副驾驶员腿部和脚部以及乘员1的躯干。

结合前文速度场综合分析，造成局部温度高有3个原因：一是前排吹脚气流风速较小，出口位置设计不当，致使驾驶员和副驾驶员脚部和腿部温度高；二是前排气流大部分直接流向后排，未能对前排乘客下半身进行有效降温；三是吹向后排的气流也很少有流经后排乘客两侧部位，使其躯干两侧温度较高。

3.4 试验验证

测量驾驶员后排乘员1身体表面温度以验证仿真准确性。试验时环境条件及车况如表4所示。采用手持式红外温度仪采集测点温度，分别在试验开始时和车室内温度稳定后，测量乘员1头部、手臂、腿部和躯干部的温度。

表4 试验条件

对每个测点多次测量取平均值以作为最终测量结果，将部分仿真计算数据与试验初始时测量数据和最终测量数据列于表5以作对比，可以看出，试验与计算二者基本吻合，误差在5%以内，说明模拟仿真结果的正确性。

表5 人体表面平均温度 ℃

4 热舒适性评价

4.1 PMV-PPD评价

按照ISO 7730中PMV-PPD指标的推荐值，当PMV处于-0.5～0.5，PPD小于10%时，人体处于舒适状态；当PMV=0，PPD=5%时，人体处于最佳舒适状态[15]。

将PMV和PPD的数学分析式用STAR-CCM+所使用的编程语言进行编程后，可得出人体表面的PMV值和PPD值分布。PMV和PPD分布分别由图7和图8所示。

由图7可见，舱内乘员PMV值大都集中于0.8～0.9，且由温度场得到的体表温度较高位置的PMV数值也大都偏高，具体数值如表6所示。

表6 乘员PMV值

对照PMV热感觉标尺可知，此时舱内后排乘员感觉舒适偏热，前排驾驶员与副驾驶员感觉较热，这与上文速度场以及温度场分析结果大体一致。由图8可知，舱内乘员PPD值处于20%～25%，表示在此工况下，该轿车舱内乘员有20%～25%会感觉较热，不满足国际标准化组织ISO 7730中-0.5

4.2 空气品质分析

本文中在STAR-CCM+中编写函数并进行计算后，得到了乘员舱内的空气龄分布。选取Y=-400mm截面描述乘员舱内垂直方向上空气新鲜度。如图9所示，在驾驶员所处位置的垂直方向上，头部位置空气龄约为20s，空气新鲜度较好，这与上文驾驶员头部附近风速较大结果一致。身体周围空气龄约为30～40s，在前风窗玻璃下缘附近，由于气流很难到达，空气龄超过60s。

选取Z=950mm横截面以描述舱内水平面整体空气新鲜度。如图10所示，驾驶员及副驾驶员头部位置空气龄约为20s，后排乘客头部空气龄约为30s，空气新鲜度较好。

总体来看，舱内空气的空气龄较小，特别是乘员头部空气龄大都处于25s左右，空气驻留时间较短，空气新鲜度较好。结合速度分布图与空气龄分布图，说明室内气流组织直接影响空气龄，气流组织越差，空气龄越大，空气品质越差。

5 对空调系统改进并分析

5.1 空调系统改进方案

为了改善乘员舱的热舒适性，使流场分布更加合理，须对空调系统结构进行改进。

(1) 前排左、右两侧出风口位置

改变前排左、右两侧出风口位置，将其分别向两侧平移，使气流不会直吹前排乘员头部，以使前排乘客感觉更为舒适；同时，增加了后排冷却风量，也提升了后排乘客乘坐热舒适性。

(2) 前排吹脚出风口位置

改变前排左、右吹脚出风口位置，将出口向乘员脚部平移，以加强对前排乘员腿部和脚部的降温。

(3) 后排中央吹面风道

改变后排中央吹面风道，将其整体下移，使气流更好地吹向后排乘客的躯干，解决后排乘客躯干温度较高的问题，提升其热舒适性。

5.2 改进后人体表面温度

综合考虑所提出的3种改进方案，对模型进行重新计算。风道改进后人体表面温度分布如图11所示。

由图11可见，改进前成员身体表面温度较高的部位，如驾驶员和副驾驶员的腿部和脚部、乘员1的躯干部位，温度均有所降低。具体数值如表7所示。

5.3 改进后PMV-PPD值

改进后人体表面PMV值如图12所示。

由图12可见，舱内乘员PMV值集中于0.8～0.85，具体数值如表8所示。

表7 改进后乘员身体表面主要部位平均温度 ℃

表8 改进后乘员PMV值

对照PMV热感觉标尺可知，此时舱内前后排乘员均感觉较舒适，对比模型改进前其舒适性有了提升。通过计算，此时舱内乘员PPD值处于8%～13%，虽然仍未完全满足PPD<10%的要求，但比改进前已经有了很大提升。

6 结论

(1) 本文中通过考虑特定情况下太阳辐射、固体壁面间的热辐射以及湿度来进行乘员热舒适性分析，更符合实际情况。应用STAR-CCM+对乘员舱环境进行数值模拟，得出舱内速度场、温度场、PMV和PPD的分布，并基于PMV-PPD、空气龄直观形象的数据和图形，对乘员舱内热环境进行了科学合理且可视化的数值预测和评价。

(2) 将人体表面温度的仿真结果和试验结果进行对比，其误差在5%以内，验证了用CFD进行数值仿真的可行性。

(3) 乘员舱内气流组织、空气品质与人体热舒适三者密切相关，PMV-PPD和空气龄能对三者关系做出综合的评价，可为乘员舱内热环境研究、空调系统设计及运行调节提供参考。

(4) 进风口的位置布置以及格栅角度对车舱内空气流场有很大影响。如果布置不合理，会造成局部过冷或过热。本车型中，前排出风口气流大部分流入后排，未能对前排乘客进行有效降温，同时吹脚出口设计不合理，导致前排乘客局部温度过高，热舒适性较差。

(5) 将空调风道和出口进行局部改进，改变了出风口位置和风道结构。从改进后的仿真结果来看，乘员热舒适性得到了提升。

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Analysis and Improvement of the Thermal Comfort in the PassengerCompartment of a Car Based on PMV/PPD and Air Age

Zhang Bingli, Xue Tielong & Hu Zhongwen

SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009

By applying integrated method to solve the gas-solid coupling heat transfer problem with considerations of the effects of solar radiation and wall-to-wall heat radiation on velocity field and temperature field, a numerical simulation on the interior 3D flow field and thermal environment of a car is conducted with its velocity field, temperature field and the distributions of PMV and PPD obtained, which are very close to the results of test performed with a relative error within 5%. Then the thermal comfort of occupants is analyzed with the air freshness in passenger compartment evaluated by the mean age of air. The results indicate that in the environmental conditions set, while the air freshness in passenger compartment is relatively good, front passengers feel hot and rear passengers feel slightly hot. Accordingly the model is modified and re-simulated, resulting in improvement in the thermal comfort of passenger compartment.

passenger compartment; thermal comfort; PMV; PPD; mean age of air

*校企合作项目(12-150)资助。

原稿收到日期为2013年9月3日，修改稿收到日期为2014年4月15日。