短途客车乘员热感觉预测研究

谢柱维 黎珊 毛会军 王羲 郑洁

重庆大学土木工程学院

0 引言

据统计，2018 上半年，我国客车市场累计销售量为226507 辆，同比增长2.79%[1]。短途客车因其灵活、便捷的特点，逐渐成为人们青睐的交通工具之一。由于客车乘员舱空间有限，车内环境参数易受空调形式，室外气象条件以及客车行驶状况等因素的干扰，进而影响乘员的热舒适性及驾驶员的工作效率。因此，如何在非稳态热环境下满足乘员的热舒适性要求及提高驾驶员的工作效率，是目前智能车行业发展的重要课题之一。

目前国内外学者大多采用PMV-PPD[2-5]、标准有效温度（SET）[6-8]、平均皮肤温度（MST）[9-10]、当量温度（EQT）[11-12]等指标作为人员热舒适的评价标准。众所周知，PMV-PPD 热舒适方程是基于人体和周围环境稳态传热的基础上提出的，仅仅适用于人员长时间暴露在稳态传热的环境中，而且PMV 值受空气温度、平均辐射温度、风速、相对湿度、人体代谢率、服装热阻等因素的影响较大[13]。因此PMV-PPD 指标在非稳态环境中可能不适用。当量温度（EQT）将人体的整体热感觉分解为身体各个部位的局部热感觉，其与标准有效温度（SET）、平均皮肤温度（MST）的共同之处在于计算过程较复杂，实验难度较大以及计算参数不易获取等，从而导致其不能快速地预测乘员的热感觉。

基于上述评价指标的不足之处，本文以短途客车为研究对象，采用环境参数测试与问卷调查相结合的方法，引入室外空气温度来考虑乘员的服装热阻和车内外温差引起的乘员附加热感觉，进而拟合了快速预测短途客车乘员热感觉的经验公式，为提高驾驶员工作效率，改善人员乘坐舒适度以及促进智能车环境调控技术的发展作了尝试性的研究。

1 现场测试及问卷调查

1.1 测试方案设计

测试参数主要包括车内空气温度，相对湿度，气流速度，壁面温度以及室外空气温度。

测试对象为往返于重庆大学新校区与老校区的厦门金龙空调客车，行程大约35 min。客车尺寸为长11 000 mm，宽2 500 mm，高3 400 mm，车厢内共设有11 排座椅（不含司机座椅）。

测试时间为2017 年10 月至2018 年9 月，其中有效测试车次共21 趟，涵盖了春、夏、秋、冬四个季节，包含了空调工况和非空调工况。

1.2 实验测点布置及仪器说明

考虑车内环境参数的不均匀性以及现场测试的可操作性，车内共设置了9 个测点，分别测量各个测点处的空气温度，相对湿度以及气流速度。测点布置如图1 所示，分别布置在客车的前部，中部和尾部的走道以及靠窗侧，测点距车内地板高度为0.8 m。壁面温度测点共设置14 个，分别在客车的顶部，底部，左侧及右侧沿长度方向均匀布置3 个测点，在客车的前面及后面分别布置1 个测点。室外空气温度测点共设置1 个，布置于始发地室外背阴处，测点距地高度为1.5 m。

图1 测点布置图

主要实验仪器及规格型号如表1 所示：

表1 实验仪器及规格型号

1.3 调研方案

调研对象为乘坐测试客车的乘员，主要是学生，教师及其家属。年龄在35 岁以下的人数占总调研人数的82.6%，男、女比例约为61%和39%，所调研对象身体健康，无不舒适症状。

问卷调查内容主要包括调研对象的基本情况（性别、年龄、身体健康状况、着装），乘坐位置以及热感觉投票等。其中，热感觉采用ASHRAE 标准[14]的7 级指标：热、暖、稍暖、中性、稍凉、凉、冷。

调研期间，发放问卷共计713 份，有效问卷681份。其中，秋季共187 份，冬季共177 份，春季共153份，夏季共164 份。

2 实验结果及分析

车内空气温度，相对湿度以及气流速度分别取9个测点的算术平均值，平均辐射温度取车内6 个表面的面积加权平均温度，室外空气温度取始发站室外空气温度。调查问卷中热感觉的7 级指标分别按+3、+2、+1、0、-1、-2、-3 赋值，实际热感觉投票（TSV问卷）取调研对象热感觉的算术平均值。

3 热舒适评价指标

3.1 PMV 评价指标

PMV 是国际上公认的一种用于评价均匀热环境舒适性的指标，该指标涉及四个环境变量（空气温度、空气湿度、空气流速、平均辐射温度）和两个人体变量（人体新陈代谢率、服装热阻）。

测试期间，乘客处于静坐状态，参照ASHRAE 标准[14]，人体新陈代谢率取58 W/m2，人体所作的机械功取0 W/m2，服装热阻根据乘客的着装情况分别取0.29～1.54 clo。PMV 计算结果如图2 所示，PMV 基本上与TSV问卷呈现一致的变化趋势，而且PMV 整体上比TSV问卷小。其中，PMV 与TSV问卷的绝对误差最大值为0.76，最小值为0.17，平均值为0.37。由此可见，在非稳态的环境下，使用PMV 指标评价乘员热感觉将带来一定的误差。

图2 PMV 与TSV问卷对比

3.2 经验公式评价法

由于测试客车的行驶路程约20 km，平均耗时约35 min，乘员难以在短时间内与周围环境达到热平衡，因此乘员热感觉在一定程度上受车内外温差的影响。即使进入相同的车内环境时，乘员热感觉也会随着室外温度的变化而变化，这是非稳态热环境与稳态热环境的区别之一。

由于客观条件的限制性以及计算方法的复杂性，现有的热舒适评价指标不能满足在客车乘员舱等非稳态热环境下快速、准确预测乘员热感觉的需求。因此，本文将提出一条适合于评价短途客车乘员热感觉的经验公式，为改善驾驶员的工作效率以及乘员的舒适度提供参考。在经验公式中通过引入室外空气温度来考虑乘员的着装情况和车内外温差引起的乘员附加热感觉，具体表达为：

式中：ta为车内空气温度，℃；d 为车内空气相对湿度，%；v 为车内空气流速，m/s；T 为平均辐射温度，℃；to为室外空气温度，℃。

对经验公式进行回归分析，相关系数R2=0.812，说明该公式的拟合程度较高。在方差分析中，显著性水平α 通常取0.01，0.05 及0.1，α 取值越小，说明因变量和自变量之间的线性相关程度越显著。选定显著性水平α=0.01，根据分子自由度为6，分母自由度为21-6-1=14，查F 分布表得Fα=0.0（16，14）=4.46。计算得F=15.38＞Fα=0.0（16，14）=4.46，因此TSV 和环境变量之间线性相关程度是非常显著的[15-16]。经验公式的拟合值如图3 所示，拟合值与实际值（即TSV问卷）的绝对误差最大值为0.20，最小值为0.02，平均值为0.11，表明了该经验公式能较准确地反映客车乘员的真实热感觉情况。

由于经验公式是基于测试参数拟合而成，故其使用范围宜为：车内空气温度在18～28.5 ℃以内，车内空气相对湿度在40～100%以内，车内空气流速在0.06～0.30 m/s 以内，平均辐射温度在13～29 ℃以内，室外空气温度在9～36 ℃以内。

图3 热感觉投票实际值与拟合值

4 环境参数对乘员热感觉的影响

为进一步分析非稳态环境下乘员热感觉的变化规律，本文采用控制变量法，在经验公式的使用范围内，控制其他环境参数不变的情况下，分别探讨车内空气温度，相对湿度，空气流速，平均辐射温度以及室外空气温度对乘员热感觉的影响。

当车内空气温度升高时，人体皮肤与周围空气的温差降低，导致人体与周围空气的对流散热量减少，乘员热感觉投票值增大。车内空气温度对乘员热感觉的影响如图4 所示，当其他环境参数不变时，乘员热感觉投票值随着车内空气温度的升高而增大，但增大的幅度却逐渐减小，说明了乘员热感觉对低温环境更敏感。在18～28.5 ℃范围内，车内空气温度升高1 ℃，乘员热感觉投票值平均增大0.1。

图4 车内空气温度对乘员热感觉的影响

空气相对湿度决定了人体的潜热散热量，空气相对湿度越高，则人体皮肤表面水蒸气分压力与空气水蒸气分压力差值越小，从而导致人体的潜热散热量降低，乘员热感觉投票值增大。图5 反映了车内空气相对湿度对乘员热感觉的影响，在其他环境参数不变的情况下，乘员热感觉投票值随着车内空气相对湿度的升高而增大，但增大的幅度却逐渐减小，说明了乘员热感觉对低相对湿度的环境更敏感。在40%～100%范围内，车内空气相对湿度升高1%，乘员热感觉投票值平均增大0.01。

图5 车内空气相对湿度对乘员热感觉的影响

随着空气流速的升高，人体与周围空气的对流换热系数增强，从而增大了人体的对流散热量，乘员热感觉投票值减小。车内空气流速与乘员热感觉的关系如图6 所示，保持其他环境参数不变时，乘员热感觉投票值随着车内空气流速的增大而减小，且减小的幅度逐渐增大，说明了乘员热感觉对空气流速较高的环境更敏感。在0.06～0.30 m/s 范围内，车内空气流速升高1 m/s，乘员热感觉投票值平均减小1.13。

图6 车内空气流速对乘员热感觉的影响

壁面温度影响人体与周围壁面的辐射换热量，壁面温度越高，人体与壁面的辐射换热量上升，从而导致乘员热感觉增大。平均辐射温度对乘员热感觉的影响如图7 所示，控制其他环境参数不变时，乘员热感觉投票值随着平均辐射温度的升高而增大，但增大的幅度却逐渐减小，说明了乘员热感觉对平均辐射温度较低的环境更敏感。在13～29 ℃范围内，平均辐射温度升高1 ℃，乘员热感觉投票值平均增大0.04。

图7 平均辐射温度对乘员热感觉的影响

在动态热环境下，乘员热感觉受人体原有热状态的影响，即乘员从不同的室外环境进入同一车内环境时，往往表现出不同的热感觉。图8 显示了室外空气温度与乘员热感觉的关系，当其他环境参数不变时，乘员热感觉投票值随着室外空气温度的升高而减小，且减小的幅度逐渐增大，说明了乘员热感觉对室外空气温度较高的环境更敏感。在9～36 ℃范围内，室外空气温度升高1 ℃，乘员热感觉投票值平均减小0.04。

图8 室外空气温度对乘员热感觉的影响

5 结论

1）采用PMV 指标评价短途客车等非稳态环境下的乘员热感觉与实际热感觉仍存在一定的偏差。

2）当车内空气温度在18～28.5 ℃以内，车内空气相对湿度在40%～100%以内，车内空气流速在0.06～0.30 m/s 以内，平均辐射温度在13～29 ℃以内，室外空气温度在9～36 ℃以内时，经验公式能较准确地反映乘员的真实热感觉，绝对误差最大值为0.2，最小值为0.02，平均值为0.11。

3）在非稳态环境下，乘员热感觉对车内空气流速的响应最敏感，其次为车内空气温度，而室外空气温度，平均辐射温度以及车内空气相对湿度对乘员热感觉也有一定的影响。