强风暴雪环境下汽车座舱非均匀环境热舒适性实验研究

林虹霞，武金模*，宋舆涵,3，刘小勇，周 帆，纪孝博

（1.清华大学 合肥公共安全研究院，灾害环境人员安全安徽省重点实验室，合肥 230601，中国；2.上海踏石贸易有限公司，上海 200020，中国；3.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230022，中国）

暴雪是中国重大灾害天气之一[1-3]，持续降雪引起的车辆滞留会导致公路堵塞，造成大面积交通瘫痪和人民财产损失。突发情况下，车舱内环境由空调系统维持，座舱内空气品质和热环境也成为衡量汽车乘坐舒适性的重要指标[4-6]。因此，低温环境下车辆空调制热性能对于交通安全有重要意义。

车内热环境舒适性评价与乘员的热感觉息息相关[7]。汽车行驶的路况和外界环境条件差异较大，而个体的热环境舒适性对应的温度范围有限。身体局部的皮肤温度除温度外，个体舒适性还受到湿度、风速、热辐射（阳光、空调）的影响，不对称环境中的舒适度难以量化[8-9]。对于稳态、均匀的热环境最常见的热感觉和热舒适性模型是表征人体热反应的评价指标（predicted mean vote，PMV）和预测不满意百分率（predicted percentage dissatisfied，PPD）模型[10-11]。这2种模型基于均匀的稳态环境下测试的数据，通过生理模型预测整个身体的热感觉从而间接预测全身舒适度，热感觉和舒适度有良好的相关性[12]。局部舒适度可以通过等效均值温度（equivalent homogenous temperature，EHT）进行预测[15]。EHT 范围仅适用于新陈代谢和服装水平的特定组合且精度较低。王瑞等[28]基于暖体假人测试了某制冷工况下车内假人局部和全身的等效空间温度，在相同运行工况下，通过被试者主观体验验证假人局部和整体的热感觉。吴清清等[8]依据热空间模型、人体热生理模型和人体热心理模型的分类标准，对非对称热环境下人体热舒适度研究进行评价。

现有的热感觉和热舒适性预测模型仅适用于稳态、均匀的热环境，但对于瞬态和非均匀空间环境的预测存在局限性。在不均匀和瞬态环境中，个体局部身体部位的热感觉和舒适度权重占比更大[13]，热感觉和舒适度之间的关系较为复杂[14]。空调假人是用于非均匀空间汽车热舒适性评价的重要工具，适用于动态环境中热湿传递的变化，可应用于理论模拟热传导、热对流和热辐射问题的研究；一般所采用的Berkeley热舒适模型耦合热生理及热心理模型，在PMV、PPD模型的理论研究基础上，优化温度、湿度、风速、平均辐射温度、太阳光负荷及人体活动程度等相关因素，可以精准预测非均匀、瞬态条件下的热舒适程度。

本文描述基于空调假人在座舱非均匀瞬态环境条件下的热感觉并评价其热舒适性。通过空调假人采集热环境数据，结合Berkeley 模型对非均匀、瞬态条件下的座舱内乘员局部和整体热舒适性进行评价。研究结果为消除座舱内不舒适的局部热环境，优化乘坐舒适性，合理设计空调管道及出风口位置，提高整体舒适性提供理论支撑。

1 试验

1.1 试验装置

整个试验装置包括定多灾耦合实验平台（大型环境风洞）、新能源汽车及供热通风与空气调节（heating,ventilation and conditioning,HVAC）空调假人。

该多灾种耦合作用实验平台具备规模尺寸大、可灾种模拟数量多的特点，试验段可对3 000 m3的超大空间精准控温，模拟实现高低温、湿热、强风、暴雨、暴雪、冰冻、日照等单灾及多灾耦合环境，具体风洞实验参数见图1 中所示。

图1 多灾耦合大型环境风洞实验平台

实验车辆样品为一款纯电SUV 车。汽车座舱具有空间不规则、出风气流大小差异、冷热气流分布不均和环境温度不均匀等特点。汽车座舱内环境划分12 个出风分区，分别为左面风口、中左风口、中右风口、右面风口、主驾头、二排左头、二排右头、主驾脚、二排左脚、二排右脚、主驾脚风口及副驾脚风口，每个分区对应独立的空调或通风系统风道，在出风位置分别布置温度传感器，实现座舱内非均匀温度环境的测试和客观评价。

HVAC 空调假人由上海踏石贸易有限公司提供,该假人关节可调，方便移动以模拟人体身姿，可分析非稳态、非对称、不均匀环境条件下热感和舒适性。假人系统分为硬件部分（热能人体模型）和软件部分，其中硬件部分为假人身上传感器配置（见图2），包括46 组温度&风速传感器（组合）、46 组热辐射传感器（含辐射热和太阳光）以及4 组湿度传感器，在全身的配置情况见表1[10-15]；软件部分采用Manikin PC 来控制生理舒适性并与Berkeley 模型结合，输出空气温度、空气流速、平均辐射温度、太阳光负荷、相对湿度、整体/局部PMV或PPD 参数、整体/局部EHT、整体热感及整体热舒适度，能够预测非均匀、瞬态条件下的热舒适程度。

图2 HVAC 空调假人测试系统

表1 空调假人各部位传感器配置情况

HVAC 空调假人评价依据Berkeley 评价模型将热环境的热感觉和舒适性评价划分各为9 个等级：2 种感觉都以0 值作为中性适中感觉分界，上（好）下（不好）又各分为4 个等级，具体见表2 中所示[10-15]。

表2 热感觉和舒适性评分

1.2 实验方法

测试系统利用大型气候灾害环境风洞（多灾耦合实验平台）搭建稳态测试环境，通过吹风模拟行驶状态中新能源汽车的相对运动，构建低温、降雪及其耦合环境，设定环境温度（-7±2）℃，降雪强度60 mm/h，通过吹风模拟实现车速40 km/h，具体实验条件及过程如下所述。

试验冻车阶段：环境温度（-7±2）℃、风速40 km/s，车辆断电，门全开，假人放置副驾驶位，冻车阶段保持40 min；

行驶阶段1，即低温+强风阶段：冻车阶段后，环境温度（-7±2）℃，风速40 km/s下，车辆启动并开启空调，设定为吹面吹脚模式、最大制热、4 挡风速，并运行40 min；

行驶阶段2，即低温+强风+暴雪阶段：行驶阶段1 后，外加降雪条件，降雪强度为60 mm/h，其他条件不变，运行20 min。

通过以上3 阶段100 min 的实验过程，观察座舱内热环境分布特征，并通过多灾耦合实验平台主控软件实时采集风速和温度数据并作为测试温度平行样。

为了测试汽车座舱内的热环境分布，对座舱内环境进行出风分区并分别在12 个独立区域布置温度传感器测量空气温度。测试时，车辆行驶状态下除空调外其他用电器关闭，空调设定吹面吹脚模式，开启最大制热，4 档风速，在大型气候灾害环境风洞的稳态环境中，测试并分析汽车座舱空间非均匀热环境分布特征。

为了准确评价座舱内乘员热舒适性，利用空调假人测试相同工况下副驾驶的乘坐热舒适性。测试时，空调假人置于副驾驶座位，待车内热环境稳定后开始测试，利用46 组温度和风速传感器（组合）、46 组热辐射传感器（含辐射热和太阳光）以及4 组湿度传感器采集数据，综合空间上温度分布不均匀和时间上温度瞬间变化，结合舒适度模型和生理模型精准评价非均匀和瞬态热环境内乘员热舒适性。

2 实验结果分析

2.1 汽车座舱内热环境分布特征

2.1.1 汽车座舱内2 个实验阶段的温度分布特征

汽车空调系统是实现乘员热舒适性的重要手段。图3 呈现了HVAC 空调假人所在的2 个实验阶段汽车座舱热环境中12 个独立区域的温度分布及变化。

图3 实验全工况下座舱内12 个分区热环境分布特征

分析行驶阶段1 和行驶阶段2 的数据，对比2 种工况下温度分布可知: 气流从风道入口进入分流吹入座舱，入口温度越高，出风口送风温度越高，但经过风道与座舱内空气进行热交换会产生一定的热量损失。实验开始20 min，随着空调出风口送风温度的提高，座舱内温度场整体温度快速升高；前排头部温度高于脚部温度，二排头部和脚部温度相近，头部温度高于脚部不符合人机工程要求。20～40 min，前排头部和脚部温度相近，可能是出风温度趋于稳定，脚部位置空间较小，空气不易流动，致使热量聚集[16]；中左边出风口和二排左头出风口温度升温趋势缓慢，可能是左边出风口送风流量偏低。后20 min，出风口温度整体提升；可能原因为降雪产生的相变（水雾由液态转变为固态）释放大量热量，环境温度升高，空气经过风道与座舱进行热交换产生的热损失较小，制热效果明显。

依据GB/T 12782-2007《汽车采暖性能要求和试验方法》 标准要求，汽车空调系统制热性能指标规定，温度场垂直分布头部应比脚部低2～5 ℃[17-18]。在低温环境下开展空调采暖性能研究，空调采用最大制热模式且制热量一定，初始阶段车内外温差小，散热量小，车内温升快，属于瞬态传热过程；经过一段时间升温，车内外温差逐渐变大，散热量逐渐增加，传热过程趋于稳定，温度增加变缓；增加降雪后，降雪产生的相变（水雾由液态转变为固态）释放大量热量，环境温度升高，出风口温度出现短暂波动，随后趋于稳定。

2.1.2 低温+强风工况下汽车座舱内温度分布特征

图4 是低温+强风工况下座舱内12 个分区热环境分布曲线。分析行驶阶段1 时的数据可知（见图4），汽车座舱内温度分布为右面风口＞主驾脚风口＞中右风口＞中左风口＞左面风口＞副驾脚风口＞主驾脚＞主驾头＞二排右头＞二排左头＞二排左脚＞二排右脚。按方向分，座舱内右侧温度高于左侧，前排温度高于后侧，副驾头部（中右风口）温度明显高于副驾脚部，座舱内气流分布不均匀。说明较大的送风速度和送风温度对温度场影响较明显[19]。应提高局部出风口送风流量，单位时间内送入座舱的热量增加，座舱内空气流速增加，空气对流散热能力增强，但无风背风区域的低温效应也会更加明显[16]。

图4 低温+强风工况下座舱内12 个分区热环境分布特征

2.1.3 低温+强风+暴雪工况下汽车座舱内温度分布特征

图5 是低温+强风+暴雪工况下座舱内12 个分区温度分布曲线。分析行驶阶段2 的数据可知，温度分布为右面风口=中右风口＞主驾脚风口＞中左面风口＞左面风口＞副驾脚风口=主驾脚=二排右头＞主驾头=二排左头＞二排左脚＞二排右脚，假人热舒适系数0.1 保持不变。按方向分，座舱内右侧温度高于左侧，前排温度高于后侧，头部温度高于脚部，座舱内气流分布不均匀，说明较大的送风速度和送风温度对温度场影响较明显，风速小的脚部低温效应更加明显[20]。应加大左侧和脚部空调出风口速度，在二排位置增加出风口，使得座舱内风量分配及气流循环更合理[21,16]。

图5 低温+强风+暴雪工况下座舱内12 个分区热环境分布特征

通过对行驶阶段1 和行驶过程2 全过程数据分析发现，车辆的空调风道结构及出风口送风比例不合理。前排中有出风口和二排右脚出风口温度相差20 ℃，可能后排风道受长度及走向影响，且前后排出风口送风比例不合理，导致局部出风口流量过大、温度过高或过低[16]。建议调整出风口位置分布，优化风道结构并对出风口流量进行重新分配，使得座舱内循环气流合理，改善空调采暖热舒适性。

2.2 座舱内空调热舒适性评价

HVAC 假人通过温度传感器来感知环境的温暖和寒冷，即热感觉。整体热感觉评价有2 种，取决于身体的所有部分是否在同一方向（温暖或凉爽）具有有效的感觉，或者取决于局部身体部位是否和其余部位具有相反的热感觉[15]。2 种情况下，个体不同部位在温暖/凉爽感觉方面占有不同的权重，并且强烈的局部热感觉主导整体热感觉。如果所有身体部位的感觉都接近中性，则整体的热感觉接近身体所有部位热感觉的平均值[22-23]。整体舒适度评价也有2 种[22-23]。在稳定的环境条件下，当2 个身体部位非常不舒服时，无论其他身体部位有多舒适，整体舒适度都会接近两者中最不舒服的程度。当环境条件是瞬态或者环境可控制时，整体舒适度要优于2 个最不舒服的身体部位，表明非均匀和瞬态环境可能比均匀中性环境产生更好的舒适度[12,14]。

2.2.1 低温+强风工况下空调热舒适性评价

在行驶阶段1 后，HVAC 空调假人整体热感觉及整体舒适度变化如图6 所示，图中冷暖色调可直观展示温度高低，由冷色调转向暖色调，代表温度由低到高转变；热舒适性分值随颜色加深而增大。可以看出，空调假人身体的46 个局部位置的冷/热敏感性不同，对应每个局部位置的热感觉和热舒适性差异较大。以左右来分，假人身体右侧（表3，脸部、胸部、腹部手臂、手、大腿、小腿、脚部）温度要高于左侧，而座舱内温度分布为右面风口＞中右风口＞中左面风口＞左面风口，和空调出风口温度分布一致。以上下来分，假人头部、上臂和胸部温度最高（θmax=25.2 ℃,θmin=21.6℃），腹部、背部、大腿后侧温度一致（θmax=18.7 ℃,θmin=18.3 ℃），小臂和脚部温度次之（θmax=18.7 ℃,θmin=14.6 ℃），手部、大腿和小腿温度一致（θmax=16.2℃,θmin=13.4 ℃），小腿后侧最低（θmax=12.6 ℃,θmin=10.1 ℃）。假人头部和腿部最大温差可达15.1 ℃，局部热舒适性差异较大。可能原因为，空调模式为吹面吹脚模式，且胸部、上臂和面部空间较大，有较强吹风感导致空气循环较好，故温度较高[24]。假人背部、腹部和大腿后侧与座椅相连，空气流速过小接近无风，降低局部对流散热能力，容易产生闷热感。小腿后侧与脚部出风口方向相反，接近无风，空气循环能力弱，气流分布和风速不均衡，主观感受小腿后侧温度低[25-26]。

表3 低温+强风工况下HVAC 热感觉和热舒适性数据

图6 低温+强风工况下HVAC 空调假人温度及舒适度变化

座舱内空调吹面吹脚最大制热、4 挡风速运行40 min 后，假人整体等效均匀温度为18.3 ℃，身体局部位置（胸部、腹部、背部、左/右上臂、左/右前臂、左/右大腿、左/右小腿）舒适性评分都为正（0～3.5），但脚部位置热舒适性评分为-0.9，手部轻微不舒适（舒适性评分-0.1），局部舒适性差异较大，整体舒适性系数为0.1，表明寒冷环境手部和脚部会较大影响整体舒适度[22-23,27]。

2.2.2 低温+强风+暴雪工况下空调热舒适性评价

图7 为实验阶段2 低温+强风+暴雪工况下HVAC 空调假人温度及舒适度变化情况。图中冷暖色调可直观展示温度高低，由冷色调转向暖色调，代表温度由低到高转变。热舒适性分值随颜色加深而增大。从图7 可见，假人身体左右两侧对称部位温度基本一致（见表6，头部、胸部、背部、左/右大臂、左/右小臂、左/右大腿、左/右小腿前侧、左/右脚、左/右手），腹部和小腿后侧左右两侧温度稍有差异，而座舱内温度分布为右面风口=中右风口＞中左面风口＞左面风口，和空调出风口温度分布一致。以上下来分，假人头部温度最高（θmax=34.4 ℃,θmin=32.1 ℃），上臂和胸部次之（θmax=31.3 ℃,θmin=27.9 ℃），背部和大腿后侧温度一致（θmax=θmin=28.8 ℃），小臂和小腿前侧温度趋于平稳（θmax=27.7 ℃,θmin=26.1 ℃），脚部温度明显升高（θmax=31.2 ℃,θmin=28.2 ℃），手部温度较低（θmax=25.9 ℃,θmin=25.3 ℃），大腿前侧和小腿后侧最低（θmax=25.3 ℃,θmin=23.6 ℃）。假人头部和腿部最大温差为10.8 ℃，且局部热舒适性差异较大。这是因为：吹面吹脚模式下，胸部、上臂和面部空间较大，有较强吹风感导致空气循环较好，故温度较高；假人背部、腹部和大腿后侧与座椅相连，空气流速过小接近无风，降低局部对流散热能力，容易产生闷热感；小腿后侧与脚部出风口方向相反，接近无风，空气循环能力弱，气流分布和风速不均衡，主观感受小腿后侧温度低，此时，手部和大腿前侧温度相同（25.7 ℃），大腿前侧舒适性评分为1.6～1.8，而手部不舒适（左手-0.9，右手-1.9），手部和大腿前侧舒适性完全相反；手部位置热感觉与温暖的全身热状态明显分离，表明局部热感觉不仅受局部皮肤区域温度的影响，还受整体热状态的影响。对于相同皮肤温度的身体部位，当全寒冷时局部感觉要暖和的多，当全身暖和时局部感觉要冷的多[12,14]。

图7 低温+强风+暴雪工况下HVAC 空调假人温度及舒适度变化

表4 低温+强风+暴雪工况下HVAC 热感觉和热舒适性数据

座舱内空调吹面吹脚最大制热、4 挡风速运行60 min 后，假人整体等效均匀温度为18.3 ℃，身体局部位置（胸部、腹部、背部、左/右大臂、左/右小臂、左/右大腿、左/右小腿、左/右脚）舒适性评分都为正（0～2.3），只有手部舒适性评分为负（左手-0.9，右手-1.9），局部舒适性差异较大，整体热舒适性系数仍为0.1，和低温情况下整体舒适性一致，进一步证实寒冷环境手部位位置保暖会更大影响整体舒适度。

对比低温及低温耦合降雪2 种工况下身体各部位温度（见图8-图10）可知，脚部温度由15.2 ℃上升至29.7℃，热舒适性评分从-0.9 增加值至1.8，脚部舒适型从轻微不舒适改善至舒适，且左右脚温度从差异较大调整至接近，表明空调运行60 min 后，脚部位置空气循环较好，热对流交换充分，舒适性明显提高。在初始40 min 阶段，由于假人整体感觉较冷，环境变暖，局部（胸部、小腿）温暖感越来越舒适，手部舒适度适中（左手0.6，右手-0.1），整体舒适性评分适中（0.1）；相反，在后20 min 随着局部（胸部、小腿）舒适度提高，手部感觉由适中降低为不舒适（左手-0.9，右手-1.9），整体舒适性评分不变（0.1），表明寒冷环境手部位位置保暖会更较大影响整体舒适度。当座舱内环境温度升高时，虽然手部和脚部温度在升温期间也发生了明显变暖，但远小于胸部、头部、腿部变暖程度。由此可知，手部温度变化率最低，局部舒适性改善程度最小，对整体热感觉有很大影响[22-23]。

图8 2 种工况下HVAC 空调假人局部位置温度变化

图9 2 种工况下HVAC 空调假人局部热感觉变化

图10 2 种工况下HVAC 空调假人局部舒适性变化

整体温度升高而手部温度偏低，可能原因为空调模式为吹面吹脚模式，手部位置不在迎风面位置，送风量低导致空气流速过小，局部对流交换差引起空气中温度冷热交换不均，手部热交换过小且局部无风感，对手部位置舒适性造成较大影响[28]。假人头部和腿部最大温差从15.1℃降低至10.8 ℃，局部温差仍较大，建议吹面吹脚模式下，可提高脚部出风口风速，增加腿部/顶部送风口，优化出风口位置结构设计[16,25]。

3 结论

利用环境风洞模拟真实低温及低温耦合风雪环境，搭载 HVAC 空调假人开展低温下车辆座舱热环境研究，评价非均匀、瞬态热环境中的乘员舒适性，分析对比实验结果得出如下结论：

1）低温环境吹面吹脚模式，空调最大制热工况下运行60 min，HVAC 假人身体局部位置（胸部、腹部、背部、左/右大臂、左/右小臂、左/右大腿、左/右小腿、左/右脚）舒适性评分都为正而手部位置表现为不舒适（舒适性评分-1.9），整体舒适性评分为0.1，表明寒冷环境手部位位置保暖会较大影响整体舒适度。

2）座舱内空调吹面吹脚最大制热、4 挡风速运行60 min 后，假人头部（θmax=34.4 ℃）和腿部（θmin=23.6℃）最大温差为10.8 ℃，且局部热舒适性差异较大。建议吹面吹脚模式下，可提高脚部出风口风速，增加腿部/顶部送风口，采取混合送风的方式，短时间内快速输送热空气使座舱内环境达到理想温度。

3）汽车座舱内热环境是不对称的瞬态条件，通过优化空调出风设计改善座舱热环境分布，提高空调舒适度的自调节和维持能力，消除最不舒适的局部位置对提高驾乘人员整体舒适性有重要意义。