乘员舱热舒适性评价方法

摘要：热舒适性指标的建立是分析汽车乘坐空间热环境的前提。从均匀热环境舒适性评价方法、非均匀热环境舒适性评价方法及局部热感觉对整体热感觉的影响3 个方面进行了概述，比较分析了各项评价方法。指出其不足和限制，主要包括计算复杂、参数多、考虑因素不全面、精度不高及扩展性和通用性差等。目前还没有被广泛承认的评价方法，关于乘员热舒适评价方法还需要进一步细致和创新的研究工作，从而建立起一套在非均匀条件下能够快速与准确预测乘员舒适性的评价准则。

汽车乘坐热舒适问题一直是汽车发展过程中的一个重要问题。实现车内热环境高效科学的热管理，对降低汽车能源消耗具有现实意义。基于合适的热舒适性评价指标进行乘员舱热舒适性研究，为空调风管及出风格栅等的优化设计提供理论依据。基于国内外关于汽车乘坐空间热环境与乘员热舒适性相关文献的研究，文章总结分析了各项热舒适性评价方法的研究现状和不足，系统介绍了人体热平衡方程、均匀热环境热舒适评价方法、非均匀热环境评价方法以及局部热感觉与整体热感觉的关系建立。

1. 人体热平衡方程

根据美国供暖制冷空调工程师学会（ASHRAE）的定义，热舒适性是指人们对热环境表示满意的意识状态。人体感觉到热舒适就必须要使人体保持产热和散热相平衡，人体热平衡方程为：

M-W=C+R+Esk+Cres+Eres+Ssk+Sc （1）

式中：

M———人体代谢产热率，W/m2；

W———人体机械做功率，W/m2；

C，R———人体表面对流、辐射换热热损失，W/m2；

Esk———人体皮肤表面蒸发散热总量，W/m2；

Cres，Eres———呼吸产生的对流、蒸发散热，W/m2；

Ssk———皮肤表面热储存率，W/m2；

Sc———人体核心部分热储存率，W/m2。

由式（1）可以看出，影响人体热舒适性的主要因素包括环境因素和人的因素。与环境相关的因素包括：空气温度、平均辐射温度、空气流速及空气的相对湿度；与人相关的因素包括：人的新陈代谢率和衣服的热阻[1]。人体在新陈代谢过程中产生热量，人体与周围环境的换热主要以对流换热、辐射换热和蒸发换热等方式进行。人体散热和体内新陈代谢产热相平衡时，人的感觉良好，体温保持在36.5 ℃左右。如果上述影响人体热舒适性的主要因素发生了变化，会使人体散热量增大或减少。为了保持产热和散热量的平衡，人体会运用自身的调节机能，如可以加强汗液分泌来增加散热，或以皮下血管收缩，同时在血管中的血流量减少来减少散热，继而人体内温度也要发生变化。

2. 均匀热环境舒适性评价

2.1 ASHRAE 七点标尺主观评价方法

ASHRAE 七点标尺评价方法是一种主观热舒适性评价方法，该方法将人体对热环境的热感觉划分为热（+3）、暖（+2）、微暖（+1）、中性（0）、微凉（-1）、凉（-2）和冷（-3）7 个等级，通过组织一定数量的评价人员对评
价目标根据自身的热感觉做出7 个等级中的一种评价，最后得到该目标在不同工况下的热舒适性。主观评价方法同时适用于稳态和瞬态环境，既可用于整体热舒适性评价，也适用于人体局部热舒适性评价，但该方法具有较大的主观性，其评价结果很大程度上会受到评价人员自身对热舒适是否能合理判断的影响，且必须面对真实热环境，因此很难应用于汽车开发阶段的热舒适性研究工作。

2.2 PMV-PPD 评价方法

1970 年丹麦学者Fanger 教授以人体热舒适方程和ASHRAE 七点标尺为出发点，并对McNall 等在Kansas 州立大学所进行的主观感觉试验得出的4 种新陈代谢率情况下的热感觉数据进行曲线拟和分析，得到了PMV-PPD（预计平均热感觉投票指数-预计不满意百分比）热舒适评价体系。该方法综合考虑了人体活动程度、衣服热阻（衣着情况）、空气温度、平均辐射温度、空气流速及空气相对温度6 个因素。与ASHRAE温度感觉范围相对应，PMV 的分度，如表1 所示，PMV指标代表了对同一热环境绝大多数人的冷热感觉，使用从-3（冷感）~0（中间感受）~+3（热感）共7 个阶段的舒适性评价。


即使大多数人表示满意的热环境，由于人与人之间生理等方面的差别，仍然会有人感到不满意，PPD 指标代表对一特定热环境感到不适人员的比例。由人体热平衡原理建立的PMV 和PPD 的计算公式分别为：

PMV=（0.303e-0.036M+0.028）[ （M-W）-C-R-Esk-Cres-Eres]（2）

PPD=100-95e-（0.033 53PMVe4+0.2179PMVe2） （3）

根据式（3），建立PMV 和PPD的关系，如图1所示。ISO 标准中，PMV 在±0.5 以内，PPD＜10%的状态为推荐热舒适状态。



人体热舒适方程和PMV-PPD 评价指标一直是国际上人体热舒适研究的理论基础，目前已被ISO 7730作为室内热环境舒适评价指标广泛使用。然而，PMV-PPD 评价方法存在4 点不足：1）由于该理论是基于接近人体舒适区域热环境下的试验结果，对于非试验区域则通过公式预测，因此在远离舒适区的环境下使用该评价指标会得到不准确的结论；2） 该方法没有考虑地区、年龄和性别差异的影响，但很多学者认为性别和年龄的不同导致新陈代谢存在差异，地区气候不同也会造成人们对热环境的适应性和心理期望值不同，这些因素都导致了该方法的局限性；3）该方法是对热环境的一种整体评价方法，PMV 指标所使用的参数都是一些平均量，例如把人看作一个整体，取用了人体周围温度和压力的平均值，M 和W 也进行了平均化，这种简化适用于空间较大的均匀热环境，对汽车乘坐空间非均匀热环境内普遍存在的乘员局部热舒适问题并不适用；4）该方法是一种稳态热舒适评价方法，对车内瞬态环境，如空调制冷和加热过程，该评价指标不适用。

2.3 有效温度（ET）评价指标

有效温度（ET）人体热舒适评价指标综合考虑干球温度、湿度及空气流速对人体热舒适的影响，它在数值上等于产生相同感觉的静止饱和空气的温度，该指标在建筑环境领域被暖通空调工程师使用了近50 年，但由于该指标在低温时过分强调了湿度的影响，而在高温时对湿度的影响强调不够，造成了有效温度指标固有的缺陷而逐渐被新的有效温度指标代替。

2.4 标准有效温度（SET）评价指标

1986 年Gagge 考虑了人体活动水平和服装热阻的影响，提出了著名的标准有效温度（SET）指标[2]。标准有效温度是指某个空气温度等于平均辐射温度的等温环境中的温度，其相对湿度为50%，空气静止不动，在该环境中身着标准热阻服装的人若与他在实际环境和实际服装热阻条件下的平均皮肤温度和皮肤湿润度相同时，则必有相同的热损失，这个温度就是标准有效温度。不同于早期的有效温度是直接从人体主观评价推导出，SET 热舒适性评价指标是由人体传热的物理过程分析而得到，但由于SET 指标中平均皮肤温度和皮肤湿润度计算的复杂性，阻碍了其通用性。

上述4 种热舒适性评价标准都是假定人体所处的环境是一个均匀的热环境，即空气温度和相对湿度等均匀一致，适用于建筑室内热舒适的评价。然而汽车乘员舱空间狭小，受太阳辐射、对流换热、人体散热及发动机舱传热等因素的影响，车内温度梯度很大，身体不同部位所面对的环境参数有所不同，不能当作均匀热环境看待，至今国内对汽车乘员舱热舒适性缺少完整与切合实际的评价标准。学者们一直寻求一个简便且能综合多种因素的评价指标，从而可以简化对人体热舒适的评价。为了解决非均匀环境中人体热舒适性的问题，通常采用当量温度（EQT）和当量均匀温度（EHT）作为评价指标。

3. 非均匀热环境舒适性评价

3.1 当量温度（EQT）评价方法

2001 年，SAE J2234—2001 中定义了当量温度评价指标EQT。当量温度综合考虑了空气温度、空气流速和辐射影响，将人体分为15 个节段，计算每个节段与周围环境的热交换，利用局部热舒适评价指标代替全身热舒适评价指标。EQT 计算公式为[3]：



式中：

Teq.i———第 i 节段的当量温度，K；

Ts.i———第 i 节段的表面温度，K；

va.i———第 i 节段的空气流速，m/s；

Si———第 i 节段的表面面积，m2；

Ta.i———第 i 节段的空气温度，K；

σ———斯蒂芬-波尔兹曼常数，5.67×10-8 W（/ m2·K4）；

εi———第 i 节段的发射率；

fi.n———第 i 节段对第 n 个部件表面的角系数；

Tn———汽车乘员舱内第 n 个部件的温度，K；

Qsol———人体得到的太阳辐射热，W/m2；

hcal.i———在标准环境下感受器标定的第 i 节段的对流换热系数；

i———人体的节段。

3.2 当量均匀温度（EHT）评价方法

文献[4]提出当量均匀温度（EHT）。先设定一个理想的均匀环境，空气温度等于平均辐射温度，没有温度梯度和空气流动，在衣着量和代谢强度相同的情况下，如果非均匀环境下身体某一部位与其在该均匀环境下的散热量相等，就称该均匀环境下的空气温度为非均匀环境的EHT。非均匀热环境下，EHT 指标将人体划分为15 个节段，则每一节段满足如下关系式：

R+C+Qsol=REHT+CEHT （5）

式中：REHT，CEHT———理想均匀环境下的辐射、对流换热，W/m2。

在局部环境参数以及人体各节段表面皮肤温度均已确定的情况下，式（5）是关于EHT 的代数方程，通过求解式（5）便能够得到。

3.3 非均匀热环境评价指标

人体热舒适度范围，如图2 所示。图2 中的2 条粗实线为夏季人体各节段的热舒适边界线，由于不同人之间的感觉存在差异，该范围表示的是90%的人员感到舒适的满意界限。不同文献的人体热舒适性范围稍有差异。


对于非均匀热环境来讲，进行三维流场的计算与人体各节段生物热方程的求解是完成上述2 种评价指标计算的关键。要得到准确的人体各节段皮肤温度，需要进行三维流场与人体各节段生物热方程之间的耦合迭代，计算过程繁琐复杂。研究表明：对于同一个物理问题，尽管采用2 种评价方法所得到的当量温度不同，但得到的2 种评价的效果却是一致的，从而进一步显示了这2 种评价指标定义的可行性与有效性。文献[5]从人体生理学角度出发，对人体从体内到体表进行研究，同时还采用了多种热舒适性评价方法对数值仿真计算的模型进行对比，得出采用当量温度评价指标能很好地对受热不均匀的汽车乘员舱内人体局部热感觉进行评价。

4. 局部热感觉与整体热感觉

局部热感觉和整体热感觉的数学关系为：



式中：

TSV———整体热感觉；

TSVi———人体第 i 节段的局部热感觉；

坠i———第 i 节段的影响权重。

两者均对应着ASHRAE 的7 点温度感觉范围，如表1 所示。身体不同部位的局部热感觉对整体热感觉的影响权重不同。总的来说，人体的头部和躯干部分的热感觉对整体热感觉的影响较大，而四肢的影响较小[6]。确定局部热感觉对整体感觉的影响权重是一个重要的研究方向。由于各个研究背景的不同，所得到的影响权重也不相同。文献[7]通过大量的人体主观热反应的试验研究，得到了人体局部各部位的热敏感度对人体整体热敏感度的影响权重，如表2 所示。


5. 结论

国内外对汽车乘员舱乘员的热舒适性研究大部分集中在基于近似均匀和稳态状态下的乘员舱，对于高度非均匀和瞬态乘员舱的研究还处于起步阶段，没有获得被广泛承认的评价方法，主要不足包括计算复杂、参数多、考虑因素不全面、精度不高及扩展性和通用性差等。关于乘员热舒适评价方法还需要进一步细致和创新的研究，从而建立一套在非均匀条件下能够快速与准确预测乘员舒适性的评价准则，以便确定热环境调节和控制的方法，满足工程应用的需要。