基于暖体假人的汽车空调热舒适性评价

2021-09-22王瑞栗玮高剑峰赵朝义段冬松

人类工效学 2021年4期

王瑞，栗玮，高剑峰，赵朝义，段冬松

(1.中国标准化研究院，北京 100191； 2.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000)

1 引言

研究表明人处于热舒适状态下，思维、都处于最佳状态[1]。关于室内环境下的热舒适性研究已经有很长的历史[2]，自1970年Fanger[3]教授提出基于PMV方程的热舒适评价方法逐渐被研究人员认可。而汽车乘员舱热舒适性一直是汽车行业关注的重点之一[4-6],由于汽车乘员舱具有空间不规则及冷热负荷不均匀等特点，导致在空调制冷或制热时气流情况十分复杂，是典型的非均匀环境[7]。为了满足乘员的热舒适性，汽车空调在设计时必须考虑到汽车的隔热能力、气流对换热的影响及通过窗户投射的太阳辐射等因素[8]。但现在大部分车内环境的热舒适性研究都是基于人体主观感受进行评价的[9]，通过对主观评价量表的处理、综合，相应就可以得到该热环境的主观评价[10]。主观评价方法能够直观、明了的对当前环境进行舒适性评价。但人体主观实验受个体差异的影响大，复现性差，少量的测试很难保证结果的一致性。许多学者将预计平均热感觉指数(PMV，Predicted Mean Vote)作为车内热环境舒适性的客观评价指标，该方法是基于试验测试环境参数(温度、风速、辐射、湿度等)完成的热舒适性客观评价，其结果具有良好的稳定性和一致性，使得不同的测试结果具有可比性和复现性[11]。但是PMV是针对全身热感觉进行评价的，对于车内的非均匀环境来说，不仅需要全身的热感觉，更需要衡量身体局部的热感觉。利用外形和人类似的暖体假人可以直接测试非均匀环境下人体各部位与环境的换热量，进而预测该环境下各部位的热舒适程度。国际标准ISO14505-2中规定了利用暖体假人测试交通工具内热舒适性的方法，提出了利用全身及局部等效空间温度评估热环境，对交通工具舱室内非均匀热环境进行详细评估[12]。国外的很多机构都研制出了暖体假人并应用于汽车环境的热舒适性评价，Matsunaga K等人[13]利用暖体假人测试并结合数值模拟及主观体验对车内热环境的舒适性进行评价，结果显示出了很好的一致性。瑞士的Bogerd C P等人[14]利用暖体假人研究了车速、头仰角和头发情况对摩托车头盔强制对流热损失的影响。我国暖体假人主要应用在服装热阻测试[15]、火灾模拟等领域[16]，中国标准化研究院根据中国人体尺寸数据研制了具有中国人群热感知特征的暖体假人，利用该假人对热环境舒适性进行评测并与主观测试结果进行比较，结果具有很好的一致性[17]。为了对车内环境的舒适性进行客观的测试，研究非均匀环境中驾驶及乘坐过程中人体全身和局部的热感觉，验证暖体假人在汽车车内非均匀环境热舒适评价的准确性，开展了基于暖体假人的车内非均匀环境热舒适性研究。

2 方法

暖体假人在设定的环境下模拟人体和环境间的热交换过程，通过换热量和皮肤温度的测试，基于热平衡方程进行控制，在不考虑人体对外做功情况下，人体舒适状态热平衡方程如下：

M=Qt=Qres+Es+Q

(1)

Qres=1.7×10-5M(5867-Pa)+

0.0014M(34-ta)

(2)

Es=3.05×10-3(5733-6.99M-Pa)

+0.42(M-58.15)

(3)

式中：M为人体代谢产热，W/m2；Qt为人体与环境间的总换热，W/m2；Qres为人体呼吸换热，W/m2；Es为人体皮肤蒸发换热，W/m2；Q为人体与环境间的对流辐射换热，W/m2；Pa环境水蒸汽分压，取1 500Pa；ta为空气温度，取20 ℃。

上面式(2)和式(3)代入式(1)可得人体和环境间的总散热Qt与人体和环境间的对流辐射干换热Q间的关系如下：

Qt=1.96Q-21.56

(4)

舒适状态下人体平均皮肤温度tsk与总散热Qt间有如下关系：

tsk=35.77-0.028Qt

(5)

即：

tsk=36.4-0.054Q

(6)

暖体假人表面温度的调节控制方程，暖体假人表面温度高低取决于假人与环境间的散热量或者是假人的加热功率。根据暖体假人各区域发热功率及表面温度可以计算假人等效空间温度，最终通过等效空间温度来评价各部位的舒适性。暖体假人按第50百分位中国成年男性人体尺寸制造，分为16个独立温度控制区域，暖体假人每个节段都进行独立的加热和控温，并布置温度传感器测量表面温度。假人的主要关节可转动，根据需求可以调节人体姿态，可实现站姿、坐姿等。

为了验证暖体假人对车内环境热舒适性评价的准确的，利用汽车风洞实验室搭建测试环境，设定环境温度30℃，湿度50%，太阳辐照模拟中午垂直地面入射，辐照值1 000 W/m2，通过风洞模拟车速100 km/h。选取某型汽车的副驾驶位置作开展研究(如图1)，汽车空调设置为制冷22℃，风速自动，风向提前根据主观体验预设到较舒适的位置。测试时，待环境工况稳定后，先将暖体假人置于副驾驶座位如图1所示，发动汽车开启空调并让车辆运行一段时间，使车辆及车内热环境达到稳定状态开始测试。测试时，暖体假人的穿着模拟夏季的服装，衣服为长袖衬衣、背心、长裤、内裤、棉袜和皮鞋，通过暖体假人测试得到该套服装的总服装热阻为0.71 clo。

图1 测试现场

3 结果

空调开启后，车内环境温度随时间逐渐降低，车内局部小空间的温度不均匀性逐步扩大，变为典型的非均匀环境，利用暖体假人测试该不均匀环境与身体不同部位对应的各处的等效空间温度变化规律。暖体假人稳定后，通过测试软件可显示出全身不同部位的等效空间温度，利用暖体假人评价当前环境的热舒适性结果如下图2所示。

图2 暖体假人测试结果

测试结果可看出：假人两条大腿正面及右侧大腿背面等效空间温度最高，其次是右手、右小腿和右大臂正面这三部分等效空间温度也较高；而左臂前胸和面部等效空间温度较低。根据各部位等效空间温度及对应面积加权后计算得到的全身等效空间温度为23.1℃。

利用暖体假人对该工况下副驾驶座位的热舒适性测试完成后，又开展了相同工况下的用户主观体验。保持环境参数、车辆行驶状态和空调设置不变，8名被试者穿着和暖体假人一致的服装组合，对副驾驶位置进行主观体验。主观体验的同时布置皮肤温度测点，监测典型部位的皮肤温度。

主观测试流程：

(1)被试者分别在额头、右大臂、右大腿、右后背、右小臂、右小腿、左大臂、左大腿、左前胸、左小臂、左小腿粘贴温度测点，并且在过渡间换上实验室服装，进入实验间。

(2)实验员为被试说明实验流程与注意事项，被试者在车内感受20 min，按照表1要求的7级热感觉评分方法填写，由于被试者进入车内时开关车门造成车内环境参数有一些波动，而且人也需要一段时间适应环境，根据前期预实验时的主观感受和车内环境温度变化情况，主观测试填写在车内最后5 min全身和局部的热感觉。

表1 级热感觉评分

选取的8名男性被试人员，年龄在20-40岁之间，平均年龄为30岁。由于热舒适和身体质量指数(BMI指数)相关，因此统计了被试人员的BMI指数，同时在测试前还统计了被试者的冷热喜好，见表2。

表2 被试人员统计

将8名被试者的主观测试结果汇总后得到热感觉主观测试结果如图3所示。

图3 热感觉主观测试结果

由图3 的结果可看尺寸，该工况下全身、头部、左大臂、左小臂等4个部位的热感觉偏凉，尤其是左大臂和左小臂的热感觉投票平均值都<-0.8。而其它部位的热感觉投票值(TSV)都在-0.2～0.2之间，根据ISO 7730：2005中关于热舒适性主观投票值判断准则可知该区间属于较舒适的区间。

主观实验测试热感觉的同时还测试了人体全身和局部的热舒适性，测试依据4级热舒适性评价方法，要求被试人员依照表5填写热感觉。测试结果见图4所示。

表5 热舒适性评分

图4 热舒适性评价结果

由图4的热舒适性评价结果可看出，左大臂和左小臂的舒适性较差，舒适性评分均值都>0.5，而最大值都达到了2；其次是头部和全身，有部分被试人员觉得不舒适，虽然最大值为1，但是头部舒适性的评分均值也接近0.5，说明有多个人感觉头部稍不舒适。舒适性主观测试结果和热感觉结果有很好的一致性。

人体皮肤温度是和热舒适性相关性最好的生理指标之一，皮肤温度的高低基本能够反映该部位的热感觉状态。同样取8名被试者在车内最后5 min的皮肤温度测试结果，不同部位皮肤温度数据统计如图5所示。

图5 被试者平均皮肤温度

图5的皮肤温度测试结果可明显看出，裸露部位的皮肤温度较低、例如额头，这是由于裸露皮肤没有服装覆盖，散热较快，因此皮肤温度更低。另外受试者们左侧的皮肤温度都比右侧对应部位的皮肤温度低，说明测试工况下的车内环境左侧更凉一些，其中左大臂、左大腿和左前胸平均皮肤温度都低于33℃。皮肤温度的测试结果与主观测试结果有较好的一致性，主观测试结果中感觉较凉的部位皮肤温度也都较低，例如额头、左大臂等。但是左大腿和左前胸的皮肤温度虽然较低，但主观测试的热感觉还属于舒适区间，原因在于前胸和大腿属于躯干主体，离心脏比较近，血液循环快且血液温度高，导致该部位能够承受的舒适区间的皮肤温度更低。另外左小臂的皮肤温度不低，但是主观感受偏凉，分析原因后发现左小臂内侧被空调直吹，但是测点贴在左小臂外侧，而且外侧还能被阳光照射到，因此才出现热感觉偏凉但皮肤温度正常的情况。

4 讨论

皮肤温度虽然和热感觉有一定的关联关系，但是人体各部位的热舒适范围不相同，例如人的手部和面部相比其它部位而言舒适区间更宽泛，冬季10℃的环境下裸露的手不会觉得很冷，夏季40环境下，裸露的手也不会觉得很热，而其他部位裸露时则不能接受这么宽广的温度范围。由于人体不同部位在相同温度下的热感觉不尽相同，因此ISO14505-2中规定了基于等效空间温度的人体不同部位舒适区间温度阈值判断方法，将暖体假人的等效空间温度测试结果置于该评价方法中，并与主观体验结果进行对比，得到不同部位对应环境的冷热感觉结果如图6所示。

1右脚 2左脚 3右小腿 4左小腿 5右大腿 6左大腿 7右手 8左手 9右下臂 10左下臂 11右上臂 12左上臂 13上背 14胸膛 15脸部 16头 17整体

由图6可看出，根据暖体假人测试的局部等效空间温度具体数值能够从图中得到对应的冷热感觉区域，据此来预测人在该环境中每个部位的冷热状态及舒适性。在此基础上，结合主观测试结果可看出，等效空间温度低的部位主观测试结果也偏凉。

等效空间温度客观测试中左下臂(10)、左上臂(12)、前胸(14)三个部位的等效空间温度较低，均在20℃以下，都接近很冷区，主观体验中这三个部位的热感觉主观投票值也都接近或低于-1，主客观结果一致性很好。面部(15)的等效空间温度虽然也很低，仅有17.3℃，但是由于面部的舒适温度范围下限较低，因此也在舒适范围内，属于稍凉但舒适。面部对应的主观体验结果(TSV)的平均值为-0.64，主观评价结果与客观测试也较一致。其余身体各局部都属于舒适区，其中头部(16)和右下臂(9)的等效空间温度对应的热感觉较舒适中线偏凉，其余的右脚(1)、左脚(2)、右小腿(3)、左小腿(4 )、右大腿(5)、左大腿(6)等都较舒适中线偏热。主观测试结果中这几个部位的TSV值都在-0.2到+0.2之间，属于绝对的舒适区。

上述测试结果的对比表明，虽然皮肤温度和冷热感觉有一定的关联性，但是由于人体不同部位的热感觉域限值不同，造成了相同皮肤温度下不同部位有不同的冷热感觉。但是基于等效空间温度的舒适性评价系统，考虑到了人体不同部位的热感觉差异，能够更准确的判断局部的热感觉，尤其是对于汽车车内环境这样典型的非均匀环境来说，利用暖体假人测试的等效空间温度更适合用来评价局部热感觉。而且该评价结果与主观体验结果一致性比皮肤温度与主观体验的一致性更好。