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汽車空調(diào)熱舒適性試驗評價方法研究
2022-03-02 23:58:03· 來源：汽車熱管理之家
摘要：乘坐舒適性是汽車性能評價的重要指標(biāo)，而熱舒適性是乘坐舒適性的重要部分；因此，建立一套客觀、全面的熱舒適性試驗評價方法意義重大。以寒區(qū)試驗中某越野
摘要：乘坐舒適性是汽車性能評價的重要指標(biāo)，而熱舒適性是乘坐舒適性的重要部分；因此，建立一套客觀、全面的熱舒適性試驗評價方法意義重大。以寒區(qū)試驗中某越野車型進(jìn)行的空調(diào)采暖制熱性能試驗評價為例，分析其采用的評價標(biāo)準(zhǔn)存在的問題以及為完善熱舒適性評價進(jìn)行的測試，最后對建立熱舒適性評價方法提出一些建議。
引言
汽車作為重要的交通工具，消費(fèi)能力的上升帶來消費(fèi)理念的變化，當(dāng)前消費(fèi)者對汽車性能的評價不再局限于外觀造型、動力經(jīng)濟(jì)性和駕駛性等內(nèi)容，乘坐舒適性已成為重要的評價指標(biāo)。
空調(diào)系統(tǒng)是汽車實現(xiàn)熱舒適性的重要部件，反映熱舒適性的指標(biāo)包括空氣的溫度、濕度、運(yùn)動狀態(tài)（速度和氣流分布）、潔凈度、氣味以及空氣流動的噪聲振動等。在寒冷氣候環(huán)境中，車內(nèi)空氣溫度對熱舒適性的影響最為明顯，車內(nèi)空氣溫度過高或過低都會給人不舒服的感覺。
1 汽車空調(diào)采暖制熱系統(tǒng)
水暖式采暖系統(tǒng)一般以水冷式發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中的冷卻液作為熱源，將冷卻液引入空調(diào)箱熱交換器中，使鼓風(fēng)機(jī)送來的車廂內(nèi)空氣（內(nèi)循環(huán)進(jìn)氣模式）或外部空氣（外循環(huán)進(jìn)氣模式）與汽車空調(diào)采暖制熱系統(tǒng)按使用的熱源可分為余熱式和獨立式，余熱式采暖系統(tǒng)分為水暖式和氣暖式。水暖式采暖系統(tǒng)是利用發(fā)動機(jī)冷卻液的熱量來加熱車內(nèi)空氣，因其采暖熱源獲取便捷，供給可靠，而且不需要附加燃料，成本經(jīng)濟(jì)，在國內(nèi)外生產(chǎn)的轎車、大型貨車以及采暖要求不高的大客車上應(yīng)用廣泛。
熱交換器中的冷卻液進(jìn)行熱交換，鼓風(fēng)機(jī)再將加熱后的空氣送入車廂內(nèi)，供乘客取暖、車窗玻璃除霜及車內(nèi)空氣調(diào)節(jié)，以達(dá)到舒適性和安全性的要求。
水暖式采暖系統(tǒng)的進(jìn)、排風(fēng)裝置是由進(jìn)風(fēng)道、出風(fēng)道、出風(fēng)口和控制風(fēng)門組成，如圖 1 所示。暖風(fēng)機(jī)本體由直流電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、本體進(jìn)風(fēng)口、機(jī)箱和本體出風(fēng)口以及螺旋室等組成。
圖 1 水暖式采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理示意圖
2 空調(diào)采暖熱舒適性試驗評價方法
我國尚未規(guī)定汽車空調(diào)采暖熱舒適性試驗評價的國家標(biāo)準(zhǔn)，汽車企業(yè)多采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，例如表 1 所述的試驗方法，環(huán)境溫度為
（-20±1）℃，操作要求見表 1。
通過采集車內(nèi)足部溫度來評價空調(diào)采暖制熱效果，足部溫度布點如圖 2、圖 3 所示。
表 1 空調(diào)采暖制熱性能測試方法
（a）
圖 2 前排足部溫度布點示意圖
（b）
圖 3 后排足部溫度布點示意圖
3 評價方法存在的問題
表 2 空調(diào)采暖制熱性能試驗評價結(jié)果空調(diào)采暖制熱性能是通過測量車內(nèi)足部的平均溫度是否滿足溫度限值要求進(jìn)行評價。采暖制熱性能試驗評價結(jié)果見表 2，從指標(biāo)符合性判定角度看，車輛滿足技術(shù)指標(biāo)要求，但是評價人員的腰部等敏感部位體感較涼，主觀感受較冷，乘坐舒適性差，而且前排和后排溫度差異大。由此可見，所采用的試驗評價方法及技術(shù)指標(biāo)設(shè)定無法保證車輛具有良好的熱舒適性，需要改進(jìn)。
4 改進(jìn)測試方案
為了更全面地評價空調(diào)采暖制熱性能，進(jìn)行了專項測試，除監(jiān)測車內(nèi)足部溫度外，還增加了頭部呼吸點溫度（如圖 4 所示）、座椅表面溫度（如圖 5 所示）、車內(nèi)空氣溫度（見表 3），從人機(jī)工程學(xué)角度對人體乘坐敏感部位進(jìn)行溫度測試，進(jìn)一步掌握車內(nèi)溫度分布及升溫趨勢。
（a）側(cè)視圖
（b）前視圖
注：1. 前風(fēng)窗；2. 后視窗；3. 熱電偶測溫點；4. 熱電偶測溫點；
5. 熱電偶測溫點；6. 熱電偶測溫點；x為座椅寬度的 1/2。
圖 4 頭部呼吸點溫度布點示意圖
（a）溫度布點 （b）實物測試
圖 5 座椅表面溫度布點示意圖與實物對照表 3 車內(nèi)空氣（乘員肩部和膝蓋位置）溫度布點
注：尺寸標(biāo)注以尾門上方中點為坐標(biāo)原點。
5 數(shù)據(jù)分析
5.1 熱源和足部出風(fēng)溫升趨勢
車內(nèi)熱源及足部出風(fēng)溫升趨勢如圖 6 所示。
圖 6 熱源和足部出風(fēng)溫升曲線
5.2 足部溫度和頭部呼吸點溫度車內(nèi)足部及頭部呼吸點溫度數(shù)據(jù)見表 4、表 5。表 4 足部溫度數(shù)據(jù)由圖 6 可知，因足部出風(fēng)溫度主要受暖風(fēng)進(jìn)水溫度的影響，暖風(fēng)進(jìn)水溫升較快，使足部出風(fēng)溫度能夠快速上升，主駕足部出風(fēng)溫度明顯高于其他座位的足部出風(fēng)溫度，這符合人機(jī)工程中保護(hù)駕駛員的要求；副駕足部出風(fēng)溫度、后排左乘員足部出風(fēng)溫度和后排右乘員足部出風(fēng)溫度基本一致。
由表 4、表 5 可知，受風(fēng)道長度及走向影響，前排足部溫度高于后排足部溫度，因駕駛員腿部影響主駕出風(fēng)落點導(dǎo)致主駕足部溫度低于副駕；因車廂內(nèi)空氣流動，前、后排頭部呼吸點的溫度差別不大，但后排右乘員頭部呼吸點溫度高于足部溫度，乘坐感較差。
5.3 后排右乘員座椅表面溫度
車內(nèi)座椅靠背、座墊表面溫度數(shù)據(jù)見表 6、表 7。
表 6 座椅靠背表面溫度數(shù)據(jù)
由表 6、表 7 可知，因靠背和座墊帶加熱功能，背部和腰部溫度明顯高于肩部溫度，座墊中部溫度明顯高于座墊其他位置溫度，座椅加熱效果顯著；不帶加熱功能的座墊后部和鎖扣溫度明顯低于其他區(qū)域溫度，人體接觸會體感較冷，舒適性變差。
5.4 后排右乘員座位空間溫升趨勢
車內(nèi)后排右乘員座位空間的溫升趨勢如圖 7 所示。
圖 7 后排右乘員座位空間溫升曲線
由圖 7 可知，空間內(nèi)頭部呼吸點溫度最高，明顯高于足部溫度；靠近門縫的輪腔表面、不帶加熱的座墊后部及安全帶鎖扣表面溫度最低，基本在 0℃以下，人體腰部、臀部等敏感部位接觸會體感較差，而且頭部溫度高于足部溫度不符合人機(jī)工程要求，對乘坐舒適性有影響。
5.5 車內(nèi)空間溫度分布
車內(nèi)空間溫度分布數(shù)據(jù)見表 8、表 9 和表 10。
表 8 車內(nèi)四周（肩部位置）空氣溫度
表 10 車頂部空氣溫度
由表 8、表 9 可知，前排肩部和膝蓋位置溫度要高于后排，后排在 20 min 時肩部溫度要高于膝蓋溫度，隨著時間延長，溫度差不斷減?。挥杀?10 可知，頂部空氣溫度從前向后逐漸降低，后排車頂空氣溫度高于肩部溫度，可見后排采暖不僅依靠腳部出風(fēng)，更依賴車內(nèi)空氣流動。
6 總結(jié)
通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，空調(diào)采暖制熱性能的評價不能只通過滿足標(biāo)準(zhǔn)溫度限值來評判，車內(nèi)足部平均溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求不表示全部座位都滿足要求。在車輛開發(fā)驗證中，應(yīng)充分監(jiān)測車內(nèi)空間溫度數(shù)據(jù)，并輔以評價人員的主觀舒適性，才能更好地評價車輛空調(diào)采暖制熱性能，以滿足用戶熱舒適性的要求。
為更好地進(jìn)行空調(diào)熱舒適性評價，建議完善工作研究。
-
培養(yǎng)合格的評價人員。
人體對熱舒適性感知因生理調(diào)節(jié)能力與主觀感受不同而有所區(qū)別，因此人體對溫度的舒適界限是一個模糊的范圍而不是某個特定的值，是系統(tǒng)工程，需要多方研究。
2. 應(yīng)用先進(jìn)的計算機(jī)仿真技術(shù)。
應(yīng)用先進(jìn)的計算機(jī)仿真技術(shù)，即利用計算流體動力學(xué)技術(shù)對車內(nèi)駕乘人員熱舒適性進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合人體熱生理模型，將模擬仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較、修正，經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)積累最終在車輛前期的設(shè)計開發(fā)階段及時完善空調(diào)熱性能系統(tǒng)設(shè)計。
作者：張寶元，姜西，劉杰，沈南，張忠輝
單位：北京汽車研究總院有限公司
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