车内人体热舒适性的现场试验研究

摘要

舒适的热环境可以缓解疲劳，减少烦躁，提高驾驶安全性。然而，由于各种几何因素和环境因素以及人的差异，汽车内部热舒适性的评估是一个相当大的挑战。本研究在夏季和冬季条件下进行了一系列现场实验，测量了车厢内热环境参数和实验人员的皮肤温度，并进行了主观热感觉和舒适度问卷调查。实验结果表明，头部和躯干是所有人体部位中与整体热感觉/舒适度最相关的部位。对于总体热感觉，涉及头部/躯干的回归R2值为0.691/0.721，而对应于总体热舒适度的回归R2值为0.802/0.773。头部和躯干的热感觉回归斜率分别为0.893/0.846和0.938/0.946。同时还发现，当人体处于热舱热环境中时，由于人体各部位的综合作用，使乘客的整体热感觉大于各部位的个体热感觉，且最不舒适部位对整体热舒适性的影响远大于舒适部位。

引言和综述

随着汽车的普及，人们的驾驶时间逐渐增加。然而，伴随的问题是车辆乘客舱的内部空间狭窄且相对封闭。如果驾驶员和乘客长期处于不舒适的乘客舱中，他们会感到疲劳、烦躁、注意力不集中等。容易发生交通事故。工程师们对汽车舒适性的要求也在逐步提高。而热舒适性是汽车舒适性的一个重要方面，它与空调能耗密切相关。热舒适性受六个参数的影响，这些参数可以分为环境和个人因素。环境因素是空气温度和速度、环境的平均辐射温度和乘客舱中的湿度。个人因素是人类活动强度和衣服的热阻。此外，有研究表明，热心理对热舒适性也有一定的影响。

汽车乘员舱内的热环境是一种特殊的非均匀热环境。但由于车内热环境的复杂性，非均匀热环境下人体热舒适的基础研究多在建筑环境中进行。建筑内热环境的不均匀性主要是由送风不均匀和太阳辐射的影响引起的。Zhang等人研究了太阳辐射下的热舒适预测模型，提出了CPMV模型来修正PMV模型。结果表明，预测误差大大减小。Wang等人通过局部供应气流实验建立模型来预测非均匀热环境中的总体热舒适性。研究表明，当热不均匀性超过一定水平时，总体不满意率高于预期不满意率。此外，在各种条件下研究了建筑环境中的人体局部和整体热感觉。结果表明，头部、胸部、背部和手部的热感觉比整体热感觉更温暖。局部地区的平均热感觉投票分布较密集。此外，手臂、大腿和小腿的热感觉比整体热感觉更冷，这表明热感觉投票更分散。胸部和背部的热感觉与整体热感觉有很强的线性相关。

根据实验地点的不同，实验分为室内实验和田间实验。用气候箱进行实验的优点是实验环境可控，稳态热舒适实验中外部环境可以保持不变。但现场实验中环境不时发生变化，可能会影响车辆客室内的热环境，从而改变实验人员的热舒适性。Burch等人[8]通过实验测量了恶劣冬季条件（−20°C）下乘客舱内的热环境。采用两种辅助电加热方式，提高了座舱热舒适性。此外，还研究了传导、对流和辐射引起的热损失对热感觉的影响。然而，在他们的研究中没有考虑身体部位的热量损失和皮肤温度。Hajime等人还在气候室中对装有加热座椅的车辆乘员舱内人体热舒适性进行了一系列实验研究。谷口等人在风洞中研究了送风对车内乘客面部皮肤温度的影响，并建立了基于皮肤温度的热感觉评价公式。Zhang等人通过环境舱实验研究了局部热感觉和舒适性与整体热感觉和舒适性的关系。结果表明，在非均匀热环境中，人体可获得比中性或均匀热环境更高的热舒适性，这表明了局部热感觉和热舒适性在非均匀热环境中的重要性。Alahmer等人通过环境舱实验，研究了不同相对湿度条件下乘员舱内的热感觉和人体热舒适性。Hepokoski等人研究了座椅对人体热舒适性的影响，并通过耦合热舒适模型分析了瞬态环境下的热舒适性。研究表明，控制相对湿度可以使乘客更快地达到热舒适。

环境舱实验与现场实验结果表明，汽车客室热环境与人体热舒适性存在显著差异。因此，研究人员对外部环境中的停车和驾驶条件进行了实验。Guan等人研究了车辆瞬态工况下人体热舒适性通过实验。建立了人体热感觉的动态模型。在他们的数学模型中，将生理和心理因素结合起来，以环境和个人参数作为输入来确定生理反应。Kaynakli和Kilic提出了人体与车内环境的热相互作用模型，将人体分为16个部分。考虑了显热和潜热的损失以及皮肤温度和水分的变化。并计算了热舒适指数。然后，通过真实的车试验的方法，研究了进气设置（循环和新风）对热舒适性空气品质满意度和座舱冷却过程中能量利用的影响。建立了汽车舱内CO2浓度与能量利用的数学模型，并通过实验数据进行了验证。Zhang等人设计并进行了一系列实验，研究了加热过程中客舱的非均匀状态和乘员热响应。Mao等人在冬季和夏季对电动汽车进行了满载的试验研究。实验条件包括室外停车和驾驶条件。并对研究问题进行了瞬态数值模拟分析。Zhou等人通过比较室内停车和室外停车和驾驶，测量了夏季条件下驾驶员的皮肤温度和热感觉投票。

本研究通过真实的车实验，在夏季和冬季典型停车条件下，测量了车辆客室内人体的热环境参数和皮肤表面温度，并对人体热感觉和热舒适性进行了主观评价。分析了皮肤温度与人体热感觉和舒适度的关系。比较了局部热舒适指标与整体热舒适指标的差异。

研究方法

1.实验程序

在上海市（31° 23′N，121°15′E）进行了汽车客室热环境和人体热舒适性试验。试验是在4521mm × 1788mm × 1492mm的香槟色荣威350轿车上进行的。实验车的内部尺寸为2760mm × 1420mm × 1195mm。在夏季（7月）和冬季（1月）实验条件下停车时，对车辆乘客舱进行测量。人们使用汽车空调的习惯是，在开车之初，就可以利用最大的送风速度尽快获得热舒适性。随着送风时间的增加，热舒适性改善后送风速度会有所降低。实验车辆分别具有四个鼓风机速度和四个温度。因此，实验采用了从最大送风速度到最小送风速度的送风策略。实验过程均在恒定送风换热量和变送风速度下进行。所有试验均采用内部再循环模式。

在实验准备阶段，实验车辆充满气体。然后，热电偶被布置用于内表面和空气的测量点。测量皮肤表面温度的热电偶的一端与数据记录器连接。另一端在靠近各局部身体部位对应位置的地方用胶带固定在座上，以粘贴在人体皮肤表面。实验前要求受试者在舒适均匀的建筑环境中达到热平衡。实验车辆停放在不受太阳辐射影响的室内区域。实验人员进入舱后，打开空调。然后设置人体皮肤表面的热电偶。随后，驾驶员将车辆开到了实验区。当乘员舱内热流场稳定时，计算机与数据记录仪连接，观察乘员舱内表面和空气温度变化。当变化范围变小后，实验开始。实验车的送风温度和速度分别为四档。在这些实验中，研究了不同送风速度下客舱内稳态热流场和人体热舒适性。实验的每个档位持续30分钟，数据记录器每10秒收集数据。实验场景图如图1所示。

图1 实验场景图

2.采集的仪器和参数

实验中使用了两种类型的热电偶。通过TT-K-24-SLEOmega K热电偶测量舱室内表面和空气的温度。由于TT-K-24-SLE热电偶导线的刚性，测量人体皮肤温度时难以布置热电偶。此外，固定在皮肤表面时，容易脱落，引起人体不适。因此，TT-K-36-SLE用于人体皮肤表面温度测量。温度数据由Keysight 34972A数据记录仪收集。利用Fluke 925型手持式叶轮风速仪测量了车辆客室内的风速。使用CMP 21总太阳辐射传感器（由荷兰Kipp&Zonen公司生产）测量太阳辐射的强度。所有仪器的详细信息和不确定度见表1。

表1 用于测量的仪器的规格

人体在车辆乘客舱内的热舒适性受车厢内热环境的影响。有必要测量车辆乘客舱的内表面和空气温度。如图所示。在图2（a）中，热电偶#1-#3测量内表面温度，热电偶#4-#11测量内部空气温度。温度#1是仪表板温度，#2是挡风玻璃温度，#3是车顶温度。温度#4、#5、#6和#7分别是驾驶员头部周围的内部空气温度、副驾驶员（副驾驶员占据右前座）和乘客（车辆后部）周围的内部空气温度。温度#8、#9、#10和#11是驾驶员、副驾驶员和乘客脚周围的空气温度。为了研究人体在车厢内的热舒适性，采用14个热电偶对实验对象不同部位的皮肤温度进行了测量，如图2（b）所示。热电偶的测点通过胶带固定在各主体部件的中间。问卷中使用的主观热感觉和热舒适度评定量表如图3所示。

图2 实验中热电偶的测量位置：a）舱室内壁和空气温度，b）实验人员的皮肤温度。

图3 热感觉和热舒适度量表：a）用于热感觉b）用于热舒适。

3.实验人员

共有32名受试者参加了实验，其中男性26名，女性6名。男性平均身高173.2cm，平均体重66.5kg。女性平均身高164.7cm，体重50kg。为保证实验的准确性和可控性，实验人员全部为上海汽车风洞中心的研究生。在实验前，告知实验的目的和程序。在夏季实验条件下，所有实验人员均需穿着浅色短袖T恤、短裤和拖鞋。冬季实验需要帽衫和牛仔裤。

结果与讨论

1.环境温度与供气条件

表2示出了所有夏季和冬季实验的环境温度和空气供应条件。试验1至16为夏季试验，其中环境温度约为35℃；测试17至32是冬季实验，其中环境温度约为10°C。实验过程均在恒定送风换热量和变送风速度下进行。夏季试验中平均送风温度随送风速度的降低而降低，冬季试验中平均送风温度升高。表2中的空气是指来自4个通风口的空气供应。

表2 环境温度和送风条件

2.内表面和空气温度

图4示出了车辆乘客舱中的三个典型内表面的温度：仪表板挡风玻璃和车顶在夏季实验中，仪表板是三个内部表面中最热的，其次是挡风玻璃和车顶。在冬季实验中，车顶温度最高，其次是仪表板和挡风玻璃。由于夏季太阳辐射的影响，即使开着空调，测试8中仪表板的温度为61.9 ℃，挡风玻璃为55.8 ℃，这是因为太阳辐射通过挡风玻璃作用在仪表板上。而且玻璃的吸收性较低，使仪表板比挡风玻璃更热。室内屋顶不受太阳辐射的直接影响，在空调的作用下其温度最低，为39.5 ℃，但冬季太阳辐射强度较弱，其对内表面的影响小于空调的影响。屋顶是这三个表面中受空调影响最大的表面，在冬季实验中其温度最高。测试24中屋顶的温度为45.5°C，高于所有夏季实验中的温度。而仪表板温度为38.2 ℃挡风玻璃在三个内表面中最低，为29.6 ℃。

图4 内表面温度

图5示出了车辆乘客舱内的内部空气温度，包括驾驶员、副驾驶员、左乘客和右乘客的头部和脚部周围的空气温度。即使在稳态实验条件下，乘客舱中的空气温度在垂直和水平方向上也是高度不均匀的。在垂直空气温差方面，夏季实验条件下头部周围的空气温度低于脚部周围的空气温度，冬季实验条件下则相反。这是因为所有实验均采用了面吹方式，且空调对头部周围空气温度的影响大于脚部。试验6的客室平均垂直温差是夏季试验中最大的。副驾驶位置是四个位置中头部和脚部空气温差最大的位置，其垂直温差为5.6 ℃其次，右侧乘客的温差为2.9°C。驾驶员和左侧乘客的垂直空气温差分别为1.3和1.6°C。在冬季试验中，试验28的客室平均垂直温差最大。右侧乘客位置是四个位置中头部和脚部空气温差最大的位置，为24.4 ℃驾驶员、副驾驶员和左侧乘客的垂直温差分别为15.2、17.4和20.7°C。冬季实验舱内垂直温差大于夏季实验舱内垂直温差的原因是冬季实验舱内送风与环境温差远大于夏季实验舱内送风与环境温差。而在水平方向上的空气温差主要受不均匀送风和热边界条件的影响。试验11的客室平均水平空气温差是夏季试验中最大的。驾驶员和副驾驶员头部周围的空气温度相差4.8℃并且左副驾驶和右副驾驶的温度差为2.7 ℃脚部位置的水平空气温差小于头部位置周围的水平空气温差。前排和后排的水平空气温差分别为0.6和1.6 ℃。在冬季试验条件下，试验31的平均水平空气温差最大。后排乘客脚附近的空气温差为12.2 ℃发现客室空气温度的垂直温差大于水平温差。对所有实验条件下所有位置的空气温度差值进行平均分析。夏季和冬季实验的平均垂直空气温差分别为1.8°C和8.7°C。平均水平温差分别为1.5°C和2.6°C。

图5 室内空气温度。a）驾驶员位置，B）副驾驶员位置，c）左乘客位置和d）右乘客位置。

3.热感觉和热舒适与皮肤温度的关系

为了分析热感觉、热舒适性和皮肤温度之间的关系，对汽车客室热环境和人体热舒适性的实验数据进行了整理和分析。

人体各局部和全身的热感觉和热舒适与皮肤温度呈线性拟合关系。研究发现，在所有实验条件下，热感觉与皮肤温度呈正相关，而热舒适性则相反。实验结果还表明，即使在相同的皮肤温度下，不同的实验人员的热感觉和热舒适性也有很大差异。结果表明，所有的R2都很小，线性拟合不能很好地描述人体热感觉和热舒适性随皮肤温度的变化规律。

图6 皮肤温度与热感觉的关系。a）用于头部，B）用于躯干，c）用于大腿和d）用于全身

图6分析了全身和几个部位的热感觉与皮肤温度的关系。表3示出了热感觉相对于皮肤温度的回归斜率和R2。局部热感觉随局部皮肤温度变化的回归斜率小于全身热感觉随全身皮肤温度变化的回归斜率。因此，总皮肤温度（OST）是面积加权值，即：

其中TL是局部皮肤温度，AL是人的身体元素上的对应局部表面积，并且A是人皮肤的表面积。

表3 热感觉与皮肤温度的回归斜率和R2

通过对夏季和冬季实验条件的比较，发现冬季实验中人体各部位和全身的热感觉均高于夏季实验。此外，即使在相同的皮肤温度下，人们在冬季实验条件下也比在夏季感觉更热。造成这种现象的一个原因是冬季实验下的客室空气温度高于夏季实验。另一个原因是冬季试验时服装规范的热阻大于夏季试验时的热阻。较高的环境温度和较大的热阻导致在冬季实验中比在夏季实验中更高的热感觉。躯干热感觉随局部皮肤温度变化的回归斜率最接近全身。其他身体部位的回归斜率为0.4至0.6，这意味着除了躯干以外的所有身体部位增加1 °C，图5室内空气温度。a）驾驶员位置，B）副驾驶员位置，c）左乘客位置和d）右乘客位置。局部热感觉增加0.4-0.6。在所有人体局部热感觉随皮肤温度变化的斜率中，大腿的斜率最小，这是因为在不同的实验条件下，大腿的温度变化较大。此外，下臂的R2大于整个身体，但其他身体部位小于整个身体。这意味着这些区域中的热感觉比整体热感觉更扩散，并且因人而异。

图7 皮肤温度与热舒适性的关系。a）用于头部，B）用于躯干，c）用于大腿和d）用于全身

图7分析了人体热舒适与全身及局部皮肤温度的关系。表4示出了热舒适性相对于皮肤温度的回归斜率和R2。躯干是所有身体部位中最接近全身的，而其他身体部位的回归斜率的绝对值低于全身，为0.4 ~ 0.7。研究发现，热舒适与热感觉不具有相同的规律，具有更多的不确定性。结果表明，当驾驶员和乘客处于热的汽车乘员室内时，除躯干外的所有身体部位的皮肤表面温度每升高1 °C，局部热舒适性降低0.4 ~ 0.7。在相关系数方面，热舒适与皮肤温度的R2小于热感觉。结果表明，人体热舒适性的差异大于热感觉的差异。这样，通过测量皮肤表面温度可以粗略地估计身体各部分的热感觉和热舒适性。从这一部分来看，躯干是身体的与整体热感觉和热舒适性最相关的身体部分。

表4 热舒适性与皮肤温度的回归斜率和R2

4.局部和整体热感觉与热舒适性的关系

为了分析人体各部位及全身的热感觉与热舒适的关系，将人体各部位的局部热感觉与整体热感觉进行线性拟合。并且热舒适性也类似地拟合。图8示出了头部和躯干的拟合曲线，并且局部热感觉和热舒适相对于整体热感觉和热舒适的R2示于表5中。发现头部和躯干与全身相关性相对较强。人体其他部位的热感觉与热舒适的相关系数均小于0.5。此外，肢体热舒适的相关系数小于相同身体部位热感觉的相关系数。这表明这些人体部位的局部热舒适与整体热舒适的相关性大于这些人体部位的热感觉与整体热感觉的相关性。

图8 局部和整体热感觉与热舒适的关系。a）头部热感觉，B）头部热舒适，c）躯干热感觉和d）躯干热舒适。

表5 局部热感觉和热舒适相对于整体热感觉和热舒适R2

之后，根据实验条件对实验数据进行分类和平均。图9解释了乘客舱中的人的平均局部和总体热感觉与热舒适性之间的关系。将身体部位分为上半身和下半身进行分析。在所有实验条件下，人体处于热状态，即热感觉投票大于零。从图9中可以看出，身体各部位的平均局部热感觉随着整体热感觉的增加而增加，热舒适性也是如此。在热感觉方面，只有头部热感觉的变化大于全身，增加了4.38。原因是头部受空调影响，在较冷的实验条件下，热感觉低于全身。躯干热感觉与全身热感觉相似，增加3.88。其中大腿的热感觉变化最小，增加了2.91，其他部位的热感觉增加幅度小于全身。热感觉在上身部位比在下身部位增加更多。当整体热感觉达到4时，头部和躯干的热感觉最接近整体热感觉。在热舒适性方面，只有头部和躯干的热舒适性变化大于全身，其他身体部位的热舒适性变化均小于全身。此外，还发现头部、躯干和全身的热舒适变化大于热感觉变化，而其他局部身体部位则相反。通过对这部分的研究发现，头部和躯干是与整体热感觉和热舒适性最相关的身体部位。

图9 平均局部和整体热感觉与热舒适的关系。a）上半身的热感觉，b）下半身的热感觉，c）上半身的热舒适性和d）下半身的热舒适性

5.局部与整体热感觉及舒适性的比较

人体各部位与全身的热感觉和热舒适差值如图10所示。差值是每个身体部分的值减去整个身体的值。在本研究的客室热环境和人体热舒适性实验中，所有人体均处于热状态。对不同实验条件下人体热感觉和热舒适性的平均分析表明，只有大腿的热感觉略大于全身的热感觉，说明大腿比全身暖和。其他局部热感觉均小于整体热感觉，说明在客室热环境中，人体各部位的综合作用使整体热感觉大于各部位的个体作用。在热舒适性方面，人体各局部的热舒适性均高于整体的热舒适性，这也说明局部的热不适会使整体的热舒适性处于较差的状态。人体的热舒适性受最不舒适的身体部位的影响要比受舒适的身体部位的影响大得多。

图10 身体部位与全身的差值：a）热感觉和b）热舒适性。

结论

本研究针对实际空调工况下的乘客室内热感觉和热舒适性进行了冬夏两季的实验研究。测量并分析了地面温度、空气温度、人体皮肤温度、热感觉和热舒适性评分。得出以下结论：

3. 人体各部位的综合效应使乘客的整体热感觉大于各单独部位的局部热感觉，整体热舒适性主要受最不舒适部位的影响。

文献来源：Xu, X., Zhao, L., andYang, Z., “Field Experimental Investigation on Human Thermal Comfort in VehicleCabin,” SAE Technical Paper 2022-01-0195, 2022, doi:10.4271/2022-01-0195.