黃憲波 余明明 嚴杰 袁正

摘 要：文章提出了一種基于汽車自動空調(diào)控制穩(wěn)定性的乘員熱舒適性試驗方法，考察環(huán)境溫度、日照和車速等關(guān)鍵參數(shù)變化的情況下，汽車自動空調(diào)系統(tǒng)是否能夠持續(xù)控制乘員舒適性。首先將人體劃分為不同的熱感區(qū)域，然后通過人體局部熱感覺對乘員整體熱舒適的影響測試，確定了頭部和足部是人體熱感覺最為敏感的部位。通過大量試驗數(shù)據(jù)分別擬合頭部和足部溫度與氣流速度的配合曲線，以維持乘員持續(xù)舒適。最后設(shè)計一套汽車自動空調(diào)熱舒適性測試方法，并按照此方法對兩款車型進行測試，證明此方法的有效性。

關(guān)鍵詞：控制穩(wěn)定性;整體熱舒適;局部熱感覺

中圖分類號：U463.85+1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-135-05

Research on Evaluation Method of Automobile Air Conditioning Comfort Basedon Control Stability

Huang Xianbo， Yu Mingming， Yan Jie， Yuan Zheng

（ Automotive Engineering Research Institute of Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd.，Guangdong Guangzhou 511434 ）

Abstract：?In this paper， a test method of occupant thermal comfort based on the control stability of auto air conditioning is proposed to investigate whether the auto air conditioning system can continuously control occupant comfort when the key parameters such as ambient temperature， sunshine and vehicle speed change. Firstly， the human body is divided into different heat sensing areas， and then the head and foot are the most sensitive parts of the human body through the test of the impact of local heat feeling on the overall thermal comfort of the passengers. Through a large number of test data， the matching curves of head and foot temperature and air velocity are fitted respectively to maintain the continuous comfort of passengers. Finally， a set of thermal comfort test method of auto air conditioning is designed， and two models are tested according to this method， which proves the effectiveness of this method.

Keywords：?Control stability; Overall thermal sensation; Local thermal sensation

CLC NO.： U463.85+1 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-135-05

前言

自動空調(diào)，顧名思義為通過自動方式控制空調(diào)的出風(fēng)模式、內(nèi)外循環(huán)、冷熱風(fēng)門開度等參數(shù)的系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入主要包括車內(nèi)外環(huán)境溫度、濕度、日照強度、車速及發(fā)動機負荷或者動力電池電量（EV車型）。目前國內(nèi)外大多數(shù)整車企業(yè)或者國家標準對自動空調(diào)的評價主要集中在車的性能評價層面，比如自動空調(diào)的制熱或者制冷控制性，都是考察車內(nèi)溫度水平變化狀態(tài)，很少結(jié)合車內(nèi)乘員的感受，這樣可能會導(dǎo)致雖然車內(nèi)溫度達到要求，但是乘員還是無法達到比較舒適的狀態(tài)，最典型的是乘員周圍環(huán)境溫度比較適中，但是氣流速度比較小，乘員感覺較悶熱。

所有針對車輛自動空調(diào)系統(tǒng)測試都應(yīng)該回歸到能夠為車內(nèi)乘員提供舒適穩(wěn)定的環(huán)境為目標，本文通過理論和試驗測試，針對對車內(nèi)乘員熱舒適影響最大的頭部、手部和足部，建立環(huán)境溫度與環(huán)境風(fēng)速的舒適擬合曲線，并根據(jù)車內(nèi)乘員熱舒適控制穩(wěn)定性要求建立一套熱舒適測試流程，最后通過兩款車型的測試驗證此熱舒適測試流程的有效性。

1 人體部位劃分方法

本文論述的人體熱舒適計算模型是基于UC Berkeley 熱舒適模型建立的，UCB熱舒適模型的特點在于：一是根據(jù)不均勻環(huán)境將熱感覺細分為局部熱感覺與整體熱感覺的對應(yīng)聯(lián)系。二是建立了熱感覺與熱舒適之間的聯(lián)系。因此為了有效評估車內(nèi)乘員熱舒適狀態(tài)，需要將人體劃分為局部區(qū)域，根據(jù)局部熱感覺狀態(tài)計算整體熱舒適狀態(tài)。

參考ISO14505-2《熱環(huán)境的人類工效學(xué)-車輛熱環(huán)境的評估》局部區(qū)域劃分方法，將人體劃分為16個部位^[1]，具體如圖1及表1。

2 人體熱敏感部位確定

2.1 熱感覺定義

本方法定義的人體熱感覺量表如表2，當熱感覺在-1～1分是可接受的范圍。

2.2 熱舒適定義

通過熱環(huán)境影響達到滿足的精神狀態(tài)。并被評估主觀評價。當熱舒適評分在0分以上為可接受范圍，分數(shù)越高代表乘員越舒適。

2.3 熱敏感區(qū)域識別

雖然理論上人體整體熱舒適狀態(tài)是由16個局部位置的熱感覺狀態(tài)綜合作用的結(jié)果，但是通過大量的測試數(shù)據(jù)表明，在不同環(huán)境條件下（0℃～25℃），真正影響乘員熱舒適狀態(tài)的是那些熱感覺超出-1～1分數(shù)范圍的部位，這些部位也就是對應(yīng)環(huán)境條件下的敏感部位，而其他部位就是非敏感部位。只要能夠控制敏感部位的熱感覺狀態(tài)，也就能夠控制乘員整體熱舒適狀態(tài)。

較低環(huán)境溫度下（15℃以下），開啟自動空調(diào)后，車內(nèi)乘員各個部位熱感覺變化趨勢如表3?？梢钥闯觯瑹岣杏X在-1～1范圍以外的部位主要集中在頭部、足部和臀部，其中臀部由于與座椅表面直接接觸，只有通過座椅加熱才能夠得到改善，不納入熱感覺敏感部位。因此低溫條件下熱敏感部位主要為足部和頭部。其中足部主要在于長時間熱不起來導(dǎo)致的偏涼，頭部主要在于長時間開啟空調(diào)后從涼變熱，由于這兩個部位的熱敏感性，導(dǎo)致整體熱舒適始終無法達到0分以上。

從表3還可以看出，較低環(huán)境溫度下，汽車空調(diào)系統(tǒng)要控制車內(nèi)乘員持續(xù)保持舒適，需要重點控制足部和頭部的熱感覺狀態(tài)。針對足部需要盡快達到-1分以上狀態(tài)，而頭部需要持續(xù)保持1分以下。

常溫及稍高環(huán)境溫度下（15℃以上），開啟自動空調(diào)后，車內(nèi)乘員各個部位熱感覺變化趨勢如表4。可以看出，熱感覺在-1～1范圍以外的部位主要集中在頭部、足部和背部，其中背部由于與座椅表面直接接觸，只有通過座椅通風(fēng)才能夠得到改善，不納入熱感覺敏感部位。因此常溫及稍高環(huán)境溫度條件下熱敏感部位同樣主要為足部和頭部。其中足部主要在于長時間溫度偏高導(dǎo)致足部悶熱，頭部主要在于外界環(huán)境溫度變化（日照出現(xiàn)或增強、環(huán)境溫度升高等）后，車內(nèi)溫度控制不住，導(dǎo)致頭部越來越熱。由于這兩個部位的熱敏感性，導(dǎo)致整體熱舒適始終無法達到0分以上。

從表4還可以看出，在中高溫環(huán)境條件下或者外界環(huán)境溫度變化情況下，汽車空調(diào)系統(tǒng)要控制車內(nèi)乘員持續(xù)保持舒適，也是需要重點控制足部和頭部的熱感覺狀態(tài)。針對足部，有鞋子的熱阻，需要控制溫度長時間在中低水平才能夠保持舒適。而頭部需要通過檢測車外及車內(nèi)環(huán)境變化及時對空調(diào)風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)溫進行調(diào)整，保證頭部熱感覺不高于1分。

3 環(huán)境溫度與風(fēng)速的舒適擬合曲線

通過上一節(jié)得到，不同環(huán)境溫度下，人體整體熱感覺和整體熱舒適主要由足部和頭部這兩個熱敏感部位決定的。因此在進行車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)策略設(shè)計過程中，需要充分考慮乘員足部和頭部位置的熱狀態(tài)。

熱舒適的評價指標PMV的定義公式如下：

PMV =[0.303exp（-0.036M）+0.0275]×TL

=[0.303exp（-0.036M）+0.0275]×{M-W-3.05[5.73-0.007（M-W）-pa]-0.0173M（5.87-p_a）

-0.0014M（34-t_a）-0.42（M-W-58）-3.96×10^-8f_tl[（t_cl+273）⁴-（^–tr +273）⁴]-f_clα_c（t_cl- t_a）}^[2] （1）

式中：

TL為人體熱負荷，人體產(chǎn)熱量與為了維持人體舒適所必須向外界散出的熱量之間的差值

M為人體新陳代謝產(chǎn)熱率，W/m²

W為人體的活動量，人體不同活動強度下對外輸出的機械效率，W/㎡

pa為空氣中的水蒸氣分壓力，kPa

ta為人體周圍的空氣溫度

^–tr為周圍環(huán)境的平均輻射溫度

由于車內(nèi)所有乘員都是相對靜止的，因此新陳代謝率和人體熱負荷一定。將式1中的PMV對Pa取偏導(dǎo)：

人體靜態(tài)新陳代謝量在40～50W/m²，帶入到式2中，結(jié)果在0.08～0.1之間。也就是說空氣中的水蒸氣分壓力變化1kPa，對PMV的影響最多在0.1以內(nèi)。另外式1中的0.0014M（34-t_a）的數(shù)值在公式中占比很小，因此認為人體的顯熱散熱量不變，則人體的熱舒適感不變。

在人體新陳代謝率不變的情況下，人體的顯熱散熱量與人體皮膚表面的溫度和風(fēng)速有直接關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，相同的環(huán)境溫度，皮膚表面的氣流速度越大，則人體顯熱散熱量越大，反之亦然。因此為了維持人體熱舒適的穩(wěn)定不變，必須維持人體顯熱散熱量不變，也就是控制環(huán)境溫度和皮膚表面氣流速度始終處于一定的配合關(guān)系。

車內(nèi)人員的頭部一般為裸露狀態(tài)，也就是無服裝熱阻，直接與暴露在環(huán)境中。通過測試得到頭部保持相同的熱舒適狀態(tài)，不同環(huán)境溫度對應(yīng)的氣流速度關(guān)系，如表5。

將表5數(shù)據(jù)進行回歸擬合，得到圖2所示的擬合曲線圖，黑色線條代表理想舒適曲線。

車內(nèi)人員的足部一般為鞋子全裹狀態(tài)，但是鞋子的材料和厚度會有所不同，這里已一版冬季服裝的熱阻1.4CLO為代表。通過測試得到足部保持相同的熱舒適狀態(tài)，不同環(huán)境溫度對應(yīng)的氣流速度關(guān)系，如表6。

將表6數(shù)據(jù)進行回歸擬合，得到圖3所示的擬合曲線圖。

4 自動空調(diào)熱舒適測試方法

4.1 環(huán)境條件及行駛工況設(shè)置

基于控制穩(wěn)定的整車自動空調(diào)評價，主要是針對自動空調(diào)控制性進行評價，需要考慮外界環(huán)境條件（環(huán)境溫度、日照、車速等）變化時，自動空調(diào)系統(tǒng)是否可以持續(xù)控制車內(nèi)乘員保持舒適。因此環(huán)境條件需要設(shè)置為變化狀態(tài)，同時考慮日照對車內(nèi)舒適性影響。

由于中低溫度和中高溫度環(huán)境在全國范圍基本都存在，因此行駛工況使用中國工況CLTC^[3]。工況中包含城市、城郊和高速部分，可以達到驗證車速變化對車內(nèi)舒適性影響的目的。

具體的測試工況如表7，工況圖如圖3。

4.2 測試流程

（1）設(shè)置環(huán)境模擬試驗倉溫度為相對較低的水平（乘員有制熱需求），使車輛浸泡一段時間。

（2）關(guān)閉車門車窗，直到車內(nèi)頭部平均溫度和風(fēng)口平均溫度趨于穩(wěn)定（10min內(nèi)變化在±1℃）。

（3）評價人員進入環(huán)境模擬試驗倉內(nèi)，并在環(huán)境倉內(nèi)浸泡15min左右同時進入車內(nèi)，迅速關(guān)閉車門。

（4）啟動車輛、開啟空調(diào)，空調(diào)溫度設(shè)置為中間值附近，此時為試驗開始。

（5）在試驗開始后先通過調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)使車內(nèi)乘員達到比較舒適的狀態(tài)。

（6）第一個循環(huán)結(jié)束后穩(wěn)速行駛一段時間，期間開啟日照，其他環(huán)境條件不變，開始第二個循環(huán)試驗。第二個循環(huán)結(jié)束后，穩(wěn)速行駛一段時間，期間將環(huán)境溫度設(shè)置為常溫并穩(wěn)定，其他環(huán)境條件不變，繼續(xù)第三個循環(huán)試驗，直到高溫環(huán)境的試驗工況完成。以此類推，完成所有環(huán)境條件測試。

4.3 測試項目

經(jīng)過大量的調(diào)研、實車評價顯示。車內(nèi)乘員熱感覺的需求主要有兩方面。一個是車內(nèi)乘員熱感覺穩(wěn)定性控制，一個是車內(nèi)乘員全身熱感覺的一致性。

車內(nèi)乘員熱感覺穩(wěn)定性：考核當外界環(huán)境條件、車速變化時，車內(nèi)乘員熱感覺變化是否在可接受范圍。理想狀態(tài)是乘員持續(xù)保持舒適。

車內(nèi)乘員全身熱感覺一致性：考核整個評價過程中，乘員身體16個位置熱感覺是否比較接近且處于可接受狀態(tài)。

5 實際測試結(jié)果

國內(nèi)自主品牌某SUV車型常溫自動空調(diào)舒適性評價結(jié)果如圖4和表8。

從圖4可以看出，此SUV車型在環(huán)境溫度、日照和車速變化過程中，主駕頭部溫度始終保持在24～27℃范圍之間，乘員一直處于較舒適狀態(tài)（≥1分）。具體熱感覺評分如表8。

從表8可以看出，當環(huán)境溫度從中低溫度變化到高溫整個過程中，乘員頭部熱感覺始終處于-0.5～0分之間，乘員頭部感覺舒適。足部熱感覺始終處于1分以內(nèi)，稍暖但是沒有使乘員感覺不舒適。

另外某合資車企SUV車型常溫自動空調(diào)舒適性評價結(jié)果如圖5和表9。

從圖5可以看出，此SUV車型在環(huán)境溫度從中低溫變化到常溫時，主駕頭部溫度從27℃左右逐漸上升到30℃，主駕的從舒適狀態(tài)變化到不舒適（-1分）。通過調(diào)節(jié)設(shè)定溫度使乘員重新達到舒適（1.5分）狀態(tài)后，在環(huán)境溫度從常溫變化到高溫過程中，再次出現(xiàn)頭部溫度上升到30℃的情況，舒適性再次變化到不舒適（-0.5）。具體熱感覺評分如表9。

從表9可以看出，當環(huán)境溫度從中低溫度變化到常溫之

后，頭部熱感覺從1分變化到2分，偏熱。足部熱感覺從1分上升到1.5分，也是逐漸變熱。導(dǎo)致乘員從舒適狀態(tài)逐漸變化到不舒適。另外，頭部和足部熱感覺分數(shù)（≥1.5分）明顯高于其他部位，車內(nèi)熱感覺均勻性同樣表現(xiàn)較差。

從上述兩款車型熱舒適性試驗結(jié)果對比來看，此試驗方法可以有效驗證出整車自動空調(diào)控制穩(wěn)定性問題及熱感覺均勻性問題。同時通過此試驗方法，可有效對比不同車型車內(nèi)熱舒適性控制性能的優(yōu)劣。

6 結(jié)論

本文根據(jù)人體熱舒適理論及實車評價數(shù)據(jù)，提出不同環(huán)境溫度場景下，車內(nèi)乘員熱感覺敏感區(qū)域為足部和頭部。并根據(jù)氣流速度和環(huán)境溫度的舒適配合關(guān)系，提出頭部和足部位置熱感覺理想狀態(tài)下的氣流速度與溫度關(guān)系曲線。并根據(jù)上述的研究結(jié)果提出一套能夠結(jié)合乘員主觀感受與客觀溫度數(shù)據(jù)的自動空調(diào)舒適性評價方法。通過設(shè)置不同環(huán)境溫度、日照和車速，考察自動空調(diào)在不同場景下的乘員舒適性控制性能。經(jīng)過兩款車型實際驗證，本方法可以有效測試出不同環(huán)境條件下自動空調(diào)控制性能的問題，并準確對比不同車型常溫自動空調(diào)熱舒適性控制性能優(yōu)劣。

參考文獻

[1] ISO14505熱環(huán)境的人類工效學(xué)-車輛熱環(huán)境的評估.

[2] 熱舒適條件下環(huán)境風(fēng)速和溫度最佳組合的實驗研究.人類工效學(xué)， 1998年3月.

[3] GB/T36146.1-2019中國汽車行駛工況第1部分：輕型汽車.