摘    要  

 在汽車中達到可接受的熱舒適水平的關(guān)鍵是了解熱環(huán)境，人體溫度調(diào)節(jié)及乘員對熱舒適的感知。與一般建筑環(huán)境不同的是，乘員艙內(nèi)部的熱環(huán)境受許多環(huán)境參數(shù)的影響，如通風(fēng)口送風(fēng)參數(shù)、車體內(nèi)外壁的表面溫度及太陽輻照度等。當(dāng)駕駛員打開空調(diào)系統(tǒng)時，車內(nèi)溫度和相對濕度會迅速變化。由于乘員艙的局限性和復(fù)雜性，此時的氣流也將變得不均勻和瞬變。此外，個體因素也會很大程度上影響乘員的熱體驗。因此，在乘員艙的熱舒適設(shè)計階段，應(yīng)充分考慮這些因素對舒適性的影響。

在乘員艙環(huán)境的熱舒適度評估方面，目前還沒有通用的國際標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)術(shù)界對車輛熱舒適的多數(shù)研究方法也參照了建筑環(huán)境的研究方法。此外，熱舒適研究的數(shù)值方法和實驗方法也存在諸多優(yōu)缺點，合理充分利用２種方法以兼顧成本和設(shè)計精度非常重要。

 01 熱舒適性影響因素 

人類的熱舒適感非常復(fù)雜，它涉及特定條件下人的生理和心理狀態(tài)。是人體對與室內(nèi)條件有關(guān)的熱刺激進行“心理-身體反應(yīng)”的結(jié)果。熱感覺主要取決于人體溫度，而人體溫度又取決于舒適度因素的作用。提供一個滿足所有駕乘人員舒適性要求的駕駛艙空間環(huán)境非常困難，一方面由于熱環(huán)境變化的多樣性，另一方面是駕乘人員個體的差異性。研究表明，對人體熱舒適起主要影響作用的因素共有六個，其中人體周圍的平均空氣溫度，相對空氣速度，相對空氣濕度和平均輻射溫度為客觀環(huán)境因素；服裝熱阻和人體新陳代謝率為人為因素?？陀^環(huán)境因素受外部氣候環(huán)境影響，復(fù)雜多變且彼此之間相互作用相互影響。人為因素在于個人年齡、文化背景、衣著衣服的熱物理特性（例如衣服的隔熱性和耐蒸氣性）、活動狀態(tài)的不同，對舒適狀態(tài)有著不同的要求與期待。

（1）平均空氣溫度

空氣溫度是表征熱環(huán)境的主要指標(biāo)，被認(rèn)為是對整體熱舒適起決定性作用的影響因素。人體對氣溫變化的感知十分靈敏，可以對周圍熱環(huán)境的冷熱程度做出敏銳判斷。當(dāng)空氣溫度上升，人體排汗量和皮膚溫度升高，人體主觀熱感覺偏向熱感覺；當(dāng)空氣溫度下降，人體皮膚下層微血管則會收縮，使皮膚溫度下降。我國絕大多數(shù)地區(qū)夏季較為炎熱，駕駛艙內(nèi)平均溫度應(yīng)保持在 25~28℃，內(nèi)外溫差保持在 5~7℃較為適宜，避免過大溫差引起的熱沖擊影響人體健康；冬季嚴(yán)寒時平均溫度保持在 15~18℃即可。

（2）相對空氣速度（流速）

空氣速度對人體熱舒適的影響主要體現(xiàn)在對皮膚蒸發(fā)傳熱和人體對流換熱量的影響。合理改善人體周圍空氣流速，可以提高熱環(huán)境與人體皮膚表面的換熱系數(shù)，加速皮表汗液的蒸發(fā)速度，降低皮表舒潤度，即便在環(huán)境溫度偏高時，也可以相對提高人體舒適度，在一定程度上補償舒適溫度的上限。研究表明，駕駛艙內(nèi)最佳空氣流速范圍為 0.15~0.5m/s。

（3）空氣相對濕度

空氣相對濕度指一定體積的空氣在同溫度同壓強下實際水蒸氣含量與飽和水蒸氣含量之比。通過國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)環(huán)境溫度適中（20~25℃）時，空氣相對濕度于 30~85%之間變化，此時對人體熱感覺的影響非常小。但在環(huán)境 溫度≥28℃，空氣相對濕度≥70%情況下，人體皮膚潮濕，空氣相對濕度決定人體蒸發(fā)散熱量，成為影響人體熱感覺的主要因素。

（4）平均輻射溫度或長波與短波輻射強度

平均輻射溫度取決于人體姿態(tài)、位置、衣著、四周壁面溫度等，是四周區(qū)域壁面對人體輻射換熱作用溫度的平均值。熱輻射存在于任意兩種不同溫度的物體之間，總是由高溫一方向低溫一方輻射散熱，直至溫度相等。人體輻射散熱量會隨著周圍環(huán)境的平均輻射溫度變化而變化，當(dāng)外界平均輻射溫度升高，人體輻射散熱量則會下降，人體主觀舒適反應(yīng)向熱方向偏移。夏季汽車往往曝曬在高強度太陽輻射天氣下，在行駛過程中外界熱量以熱輻射形式由擋風(fēng)、側(cè)窗玻璃和車身圍護結(jié)構(gòu)向駕駛艙內(nèi)傳遞，使得艙內(nèi)平均溫度上升，從而影響人體熱舒適性。

考慮人體熱調(diào)節(jié)模型時，如基于Fiala模型的用于預(yù)測熱舒適響應(yīng)的動態(tài)人體熱生理模型和UCB的人體熱調(diào)節(jié)模型，涉及到人體與周圍表面的輻射換熱，包括人體體表與太陽輻射之間的短波輻射換熱量和人體體表與周圍環(huán)境（地面與大氣）之間的長波輻射換熱量。因此，短波與長波輻射強度也是重要的影響因素。

（5）服裝熱阻

在人體熱平衡的過程中，衣著服飾的存在起到了保溫和阻濕的作用，是人體與外界進行熱交換的第二媒介。一方面，服裝的附加阻力阻礙皮膚表面水蒸氣擴散，借助毛細現(xiàn)象傳輸和吸收汗液，增加了皮膚的蒸發(fā)換熱熱阻；另一方面，服裝吸收部分汗液，汗液蒸發(fā)冷卻皮膚。因此服裝在外部環(huán)境和人體之間的濕熱調(diào)節(jié)所形成的微小氣候有助于人體達到熱舒適的狀態(tài)。

（6）人體新陳代謝率

新陳代謝是生命活動的基本特征。可以將人體本身看做一個熱源，通過新陳代謝將攝入的食物分解使其化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩粩噌尫艧崃?。所以人體新陳代謝的強弱緩急都會影響人體的熱平衡與熱交換。當(dāng)環(huán)境溫度在 20~30℃ 范圍內(nèi)時，靜止?fàn)顟B(tài)的人體新陳代謝率處于平穩(wěn)狀態(tài)，若環(huán)境溫度升高或降低，人體新陳代謝率會隨之增加。

02 評價指標(biāo) 

由于乘員熱舒適性是乘員對周圍環(huán)境所做的主觀滿意度評價，科學(xué)的熱舒適性評價標(biāo)準(zhǔn)是分析乘員艙熱環(huán)境和評價乘員熱舒適性的前提。汽車乘員艙熱環(huán)境通常體現(xiàn)在人體的熱舒適感覺上。汽車的乘員艙狹窄、形狀復(fù)雜，還具有瞬態(tài)不均勻的特性，與常規(guī)的建筑熱環(huán)境相比，對于熱舒適性的評價方法具有較高的要求。

最初，人們評價熱舒適主要集中在溫度與風(fēng)速上面。但由于體質(zhì)、生活環(huán)境等的差異，不同的人之間對于熱舒適的接受范圍也不盡相同

PMV-PPD

1967 年，F(xiàn)anger 教授提出了著名的 PMV 評價方程， 即預(yù)期平均熱感覺， 代表絕大多數(shù)人在當(dāng)前環(huán)境下的熱感覺，用于評估人體在不同環(huán)境條件和不同活動水平下的舒適度。隨后，為了將熱感覺指標(biāo) PMV 轉(zhuǎn)變?yōu)闊崾孢m性指標(biāo)，又提出了預(yù)計同一環(huán)境中群體對熱感覺所造成熱舒適水平的投票平均值 PPD。根據(jù)美國采暖制冷與空調(diào)師協(xié)會ASHRAE 55及ISO 7730關(guān)于PMV-PPD判定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)-0.5≤ PMV≤ +0.5，PPD≤ 10 %時，為推薦熱舒適性狀態(tài)，但PMV-PPD熱舒適性評價模型不適用于汽車乘員艙高度不均勻的非穩(wěn)態(tài)環(huán)境。PMV-PPD關(guān)系圖如 1所示。

圖1 PMV-PPD關(guān)系圖

  EQT

 2001 年，針對 Fanger 教授理論的局限，在 SAE 報告中提出了當(dāng)量溫度EQT 評價指標(biāo)，即在一個氣流分布均勻、相對濕度 RH 等于 50 %、空氣溫度與輻射溫度相等的密閉區(qū)域里，調(diào)整溫度使得假人某一身體部位散熱量與其在真實環(huán)境中散熱量相等，此溫度就被定義為該身體部位所處的當(dāng)量溫度，但是EQT評價模型不利于全身水平下的舒適性評估，雖然有孫一寧利用乘客身體各部位的 EQT 距離最適 EQT 進行偏差統(tǒng)計，將其整合為全身水平的整體熱感覺偏差 AEQT，但是并未經(jīng)過主觀實驗驗證，仍然存在局限。不同身體部位的 EQT 舒適范圍如圖 2。

Berkely熱舒適模型

2009年，HuiZhang 針對汽車乘員艙非穩(wěn)態(tài)、不均勻的熱環(huán)境提出了Berkely熱舒適模型，既強調(diào)身體各部位局部的熱舒適，又考慮到全身水平的整體熱舒適的重要性，針對汽車內(nèi)熱環(huán)境具有極高的適用性。相比于PMV-PPD和EQT熱舒適性評價模型，Berkely熱舒適性評價模型，它能較好的反應(yīng)出狹小空間內(nèi)局部和整體溫度的不均勻性、不穩(wěn)定性，由四部分組成：局部熱感覺、局部熱舒適、整體熱感覺、整體熱舒適。雖然 Berkely評價模型存在著計算困難的局限，但隨著計算機科技的發(fā)展，計算速度日趨提高，其顯著的優(yōu)勢也使各大汽車研究機構(gòu)逐漸將注意力轉(zhuǎn)至其上。Berkely  熱舒適模型的感覺和舒適度按照九個等級進行評價。感覺與評價等級對應(yīng)表與 PMV 的七級表相似， 但包括了更多的極端感覺（ 非常熱和非常冷），“ 0”表示“ 中性”熱感覺，如下圖 3 所示。

機器學(xué)習(xí)方法

 近年來，機器學(xué)習(xí)方法由于其優(yōu)秀的非線性擬合能力和自學(xué)習(xí)能力等特點也引起了研究人員的廣泛關(guān)注。Warey等人研究了幾種機器學(xué)習(xí)方法，目的是從整個客艙的傳感器估計客艙乘客的等效溫度。研究首先開發(fā)了一個車輛座艙的數(shù)值 模型，并系統(tǒng)地生成了一個涵蓋影響乘員熱舒適性的所有約束條件的數(shù)據(jù)集，如環(huán)境溫度、太陽位置、車輛方向、車輛速度及車窗玻璃屬性等。通過對任何邊界條件的組合，機器學(xué)習(xí)算法能夠靈活地實現(xiàn)對乘員熱舒適性的預(yù)測。

[1] FIALA D. Dynamic simulation of human heat transfer and thermal comfort [D]; Leicester, UK: IESD, De Montfort Univ, 1998.

[2] 徐金誠. 考慮熱負(fù)荷的某SUV乘員艙熱舒適性評價與優(yōu)化研究 [D]; 吉林大學(xué), 2022.