簡介

汽車HVAC系統(tǒng)是負(fù)責(zé)控制和維持車輛乘員的熱舒適性的主要系統(tǒng)。然而，車輛座椅的熱傳遞在熱體驗(yàn)中起重要作用，這是由于其與就座乘員的接近度和大的接觸面積。這種接觸不僅使乘員暴露于座椅的當(dāng)前熱條件，而且還傾向于將受影響的身體區(qū)域與HVAC系統(tǒng)提供的氣候控制的空氣隔離。

為了提高客戶滿意度并改善熱舒適性，氣候控制部件通常被添加到座椅，例如加熱元件或通風(fēng)管道，以補(bǔ)充HVAC系統(tǒng)，實(shí)際上，將座椅轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助熱控制系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方法具有通過更好地將熱能引導(dǎo)到乘員/從乘員引導(dǎo)熱能并降低HVAC的能量需求來提高車輛的燃料效率的潛在益處。

優(yōu)化氣候座椅系統(tǒng)以充分受益于這種次級熱系統(tǒng)需要增加座椅設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，這反過來又驅(qū)動(dòng)了對更詳細(xì)的熱模擬方法的需求。本文介紹了模型開發(fā)的考慮因素和結(jié)果的熱模擬，旨在提高熱座椅舒適性的經(jīng)驗(yàn)和能源使用的加熱座椅系統(tǒng)。模擬的具體目標(biāo)是：確定改善身體和座椅之間熱交換和感覺的機(jī)會；比較不同設(shè)計(jì)條件之間的熱趨勢。

背景

熱舒適問題的核心是環(huán)境與人體之間的熱交換的函數(shù)。這種交換主要通過與環(huán)境空氣的對流、與接觸表面的傳導(dǎo)、汗液從身體的蒸發(fā)以及到附近材料的輻射熱損失或從附近材料獲得的輻射熱而發(fā)生。

從這些方面考慮，座椅只是環(huán)境的一部分。就座接觸面積與熱環(huán)境的其他部分之間的差異是車輛座椅傾向于具有與人體的較大接觸表面積。這些接觸表面增加了局部傳導(dǎo)并減少了產(chǎn)生局部微氣候的對流。參見圖1。

圖1 座椅熱交換實(shí)例

這些微氣候和周圍環(huán)境由居住者通過神經(jīng)元體驗(yàn)，神經(jīng)元感測周圍組織中的熱變化。身體利用這些信息來調(diào)節(jié)熱交換，通過收縮或增加流向四肢的血液，顫抖以在組織中產(chǎn)生熱量，并產(chǎn)生汗液以通過蒸發(fā)增加冷卻。

熱感覺最重要的方面是它在整個(gè)身體中變化，并且隨著身體適應(yīng)環(huán)境，局部熱調(diào)節(jié)發(fā)生變化。因此，從坐著產(chǎn)生的微氣候的感知將在整個(gè)身體上被不同地感知，并且隨著身體的適應(yīng)而改變。

方法

這個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)的模擬被用來識別的機(jī)會，以提高居住者的熱舒適性和優(yōu)化能量消耗。該模擬基于ThermoAnalytics的RadTherm模型、RadTherm的人體熱模型和加州大學(xué)伯克利分校的熱舒適模型。

RadTherm是一種通用的熱分析工具，用于模擬座椅、乘員和環(huán)境之間的傳導(dǎo)、對流和輻射。RadTherm的人體熱模塊被用來預(yù)測生理效應(yīng)，包括代謝熱、體溫調(diào)節(jié)等。伯克利熱舒適模型被用來預(yù)測局部和整體感知的熱感覺和舒適度。

伯克利模型區(qū)分16個(gè)局部身體區(qū)域在靜態(tài)，瞬態(tài)，和局部加熱/冷卻的情況。輸出涉及2個(gè)概念的主觀評級：局部身體部位和整個(gè)身體的熱感覺和熱舒適性。(見圖2）在這個(gè)模型中，感覺與“身體部位感覺到有多熱或多冷”相關(guān)，而舒適度與“感覺使人感覺良好或不好”相關(guān)。

圖2.伯克利熱舒適模型

挑戰(zhàn)在于如何建立和應(yīng)用這些用于熱傳遞和全身熱舒適性的通用模擬模型，以更直接地針對座椅熱舒適性。

座椅-壓縮形狀

這次模擬選擇的座位是現(xiàn)代索納塔。對于此模擬，模型僅需要座椅A表面（頂部座椅表面）、泡沫墊和部分框架。座椅骨架不包括在模擬中，僅用于定義座椅變形的止回器。在CAD中刪除了與熱分析無關(guān)的小型緊固件、電纜和其他部件。對最終座位數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化并導(dǎo)出到ANSA中。

下一步是修改3D幾何結(jié)構(gòu)，以表示在加載、壓縮條件下部件的形狀。出于本模擬的目的，確定SAE H點(diǎn)人體模型的Sonata設(shè)計(jì)穿透作為可重復(fù)的、有意義的比較指標(biāo)是可接受的。雖然H點(diǎn)設(shè)計(jì)裝置不代表任何單個(gè)乘員，但其具有提供對目標(biāo)偏轉(zhuǎn)性能有意義的可重復(fù)接觸形狀和姿勢的益處。

這是通過將位于設(shè)計(jì)坐標(biāo)處的H點(diǎn)表面幾何體導(dǎo)入ANSA來完成的。然后使用ANSA中的去穿透工具使座椅罩變形以匹配H點(diǎn)表面幾何形狀。(見圖3和4）然后使用ANSA直接變形來去穿透泡沫墊以配合變形的座椅套。

下一步是在裝飾蓋和泡沫墊之間添加加熱元件。元素路徑被跟蹤并投影到ANSA中的表面上。然后使用直接變形將元件裝配到座椅罩。使用導(dǎo)線的直徑完成最終元素路徑。該壓縮形狀對于模擬至關(guān)重要，因?yàn)樗_定了與主體進(jìn)行熱傳導(dǎo)的接觸點(diǎn)，并且還確定了從未壓縮狀態(tài)到實(shí)際加載條件的組件密度變化。

圖3.座椅靠背和H點(diǎn)殼體合并。

圖4.最后壓縮后的座椅靠背。

測試人體模型-乘員尺寸和姿勢

選擇中等尺寸的男性人體模型作為三維人體的初始基礎(chǔ)。這種體型在業(yè)內(nèi)相當(dāng)?shù)湫?，它也與SAE H點(diǎn)裝置的重量和用于設(shè)置承載座椅形狀的臀部寬度非常匹配。原始幾何結(jié)構(gòu)是在POSER中使用1699mm的高度創(chuàng)建的。POSER是一種商業(yè)軟件，通常用于人體的3D建模。然后根據(jù)H點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（設(shè)計(jì)大腿角度、軀干角度和地板高度）對人體模型進(jìn)行定位和姿勢。然后將人體模型網(wǎng)格導(dǎo)入到ANSA中，人體模型的背部和臀部形狀被變形以更精確地?cái)M合SAE H點(diǎn)表面。(見圖5）在本研究中使用了H點(diǎn)信息，因?yàn)樗峁┝艘阎钠D(zhuǎn)目標(biāo)（設(shè)計(jì)OSACR參考），而不是必須估計(jì)特定尺寸和重量主體的偏轉(zhuǎn)和接觸面積。最后，人體模型被分成局部化熱建模所需的各個(gè)部分。(見圖6）

圖5.人體和H點(diǎn)殼合并。

圖6.測試假人分塊

環(huán)境-環(huán)境條件

為該模擬選擇的案例研究是從極冷環(huán)境開始的預(yù)熱場景。初始環(huán)境溫度和座椅材料溫度為?20 °C。在整個(gè)模擬過程中，假定相對濕度為40%是恒定的。測試開始前，測試假人將暴露于該初始環(huán)境60秒，以模擬個(gè)人在車外行走。為了考慮HVAC系統(tǒng)的影響，環(huán)境空氣將以預(yù)定速率升溫，在15分鐘后達(dá)到19.1° C。

材料特性-測試假人

模型中考慮了服裝和新陳代謝。在這種情況下，假設(shè)第50百分位身高和體重男性的代謝具有1.2 MET的活動(dòng)水平，其對應(yīng)于輕度活動(dòng)。MET或任務(wù)的代謝當(dāng)量是以kcal/kg* hr表示的生理活動(dòng)成本的量度。典型代謝當(dāng)量率的表格如下所示（參見表1）。

表1.不同活動(dòng)的典型代謝當(dāng)量率

還使用了適當(dāng)?shù)姆b：長袖厚針織毛衣，厚針織帽子，寬松花呢長褲及三角褲，禮服襪及街頭鞋。這被用來計(jì)算衣服在身體上的局部絕緣效果，并提供了1.24clo（0.192 m^2-K/W）的全身絕緣值。該值表示所施加的服裝的總熱阻，包括取決于所施加的服裝類型、各個(gè)區(qū)段上的層數(shù)和無服裝區(qū)段的不同量的隔熱。材料特性-座椅

座椅的尺寸屬性直接從零部件的三維幾何圖形中提取。為了描述材料的熱特性，模擬需要CAD中不可用的附加信息，具體包括材料密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容。

出于此模擬的目的，使用了簡單的估計(jì)，因?yàn)榉治龅闹攸c(diǎn)是座椅系統(tǒng)熱交換的一般趨勢，而不是索納塔座椅加熱器系統(tǒng)的具體性能。建模的材料組件包括：裝飾罩、通風(fēng)/加墊層、座墊加熱元件、座椅靠背加熱元件、泡沫墊。

座椅加熱器-系統(tǒng)和仿真詳細(xì)信息

將模擬被動(dòng)和主動(dòng)加熱控制方案。在被動(dòng)模擬中，加熱元件將保持不活動(dòng)狀態(tài)，以僅評估來自身體和環(huán)境的熱傳遞。在主動(dòng)座椅加熱器模擬中，加熱元件將被打開以評估身體、環(huán)境和座椅之間的熱傳遞。

座椅加熱器系統(tǒng)的模擬加熱速率和最大設(shè)定溫度符合程序規(guī)范。此外，座椅加熱器可循環(huán)打開和關(guān)閉，以保持最高設(shè)定溫度。將在緊鄰加熱元件的裝飾罩處評估座椅溫度。

結(jié)果

座椅溫度輸出

在模擬中，在20分鐘內(nèi)測量座椅裝飾罩、衣服和皮膚上的溫度。在圖7、圖8和圖9中可以看到被動(dòng)系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)在8分鐘后的結(jié)果視圖。

注意到若干關(guān)鍵結(jié)果：

1.被動(dòng)系統(tǒng)和主動(dòng)加熱系統(tǒng)在模擬期間均經(jīng)歷升溫；

2.墊中的主動(dòng)熱在約6分鐘內(nèi)在蓋處達(dá)到42 ° C的最大設(shè)定點(diǎn)溫度（比被動(dòng)情況更快）；

3.被動(dòng)座椅系統(tǒng)仍然在約11分鐘內(nèi)僅從身體熱量和環(huán)境空氣顯著升溫至10° C；

4.由于熱傳導(dǎo)的影響，身體接觸區(qū)域的熱量分布更快、更均勻；

5.非接觸區(qū)域在無源系統(tǒng)中需要更長的時(shí)間來加熱，并且在加熱系統(tǒng)中顯示出來自元件的更清晰的熱分布。

圖7.8分鐘時(shí)被動(dòng)與加熱座椅溫度

圖8.8分鐘時(shí)的被動(dòng)與加熱衣物溫度

圖9.8分鐘時(shí)被動(dòng)與加熱皮膚溫度
熱舒適模型輸出伯克利模型將皮膚和全身溫度轉(zhuǎn)換為預(yù)測的主觀輸出。骨盆、背部和全身的熱感覺和熱舒適度等級如圖10、11和12所示。

圖10.被動(dòng)與主動(dòng)加熱座椅：伯克利預(yù)測主觀熱感覺

圖11.被動(dòng)與主動(dòng)加熱座椅：Berkley預(yù)測的主觀熱舒適性

Fig.12.被動(dòng)與主動(dòng)加熱座椅：Berkley預(yù)測主觀總體比較

顯著結(jié)論包括：

1.兩個(gè)系統(tǒng)在2分鐘時(shí)骨盆和背部區(qū)域的熱舒適性和感覺顯著下降，因?yàn)闊崃繌某藛T移動(dòng)到較冷的座椅；

2.被動(dòng)系統(tǒng)的座椅接觸區(qū)域的熱舒適性在4分鐘后開始增加，但在20分鐘后從未達(dá)到中性；座椅接觸區(qū)域的熱舒適性在主動(dòng)預(yù)熱系統(tǒng)中在約8分鐘時(shí)過渡到舒適。

總結(jié)

本研究的結(jié)果表明，熱舒適性和座椅效果高度依賴于兩個(gè)關(guān)鍵因素：環(huán)境和人為因素。在這種情況下，環(huán)境因素包括與熱交換相關(guān)的典型材料特性，但也包括影響密度和接觸面積的閥座的撓曲和壓縮特性。人體因素的大小，生理，服裝，活動(dòng)水平和姿勢涉及到潛在的熱量輸出的個(gè)人和潛在的座位接觸面積。

這些因素的建模和模擬確定了幾個(gè)關(guān)鍵的傳熱細(xì)節(jié)，即：適合于環(huán)境條件的服裝特性在身體或座椅接觸區(qū)域上不均勻；來自和去往人體的熱能的分布是不均勻的；加載（壓縮）材料特性對于主接觸區(qū)域是重要的，因?yàn)樗鼈兛梢愿淖冊S多熱傳遞特性；通常，背部、胸部和骨盆對整體感覺影響最大。

該項(xiàng)目的結(jié)果表明，使用RadTherm的熱建模過程可以用于模擬坐式熱交換。H點(diǎn)設(shè)計(jì)信息是定義有意義的偏轉(zhuǎn)和與座椅接觸面積所需的重要組成部分。

文章出處：Ziolek, S., Pryor, J., Schwenn, T., and Steinman, A., "Heated Seat Simulation Study for Thermal Seat Comfort Improvement," SAE Int. J. Passeng. Cars - Mech. Syst. 8(2):2015, doi:10.4271/2015-01-1391.