謝柱維 黎珊 毛會軍 王羲 鄭潔

重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2018 上半年，我國客車市場累計銷售量為226507 輛，同比增長2.79%[1]。短途客車因其靈活、便捷的特點，逐漸成為人們青睞的交通工具之一。由于客車乘員艙空間有限，車內(nèi)環(huán)境參數(shù)易受空調(diào)形式，室外氣象條件以及客車行駛狀況等因素的干擾，進而影響乘員的熱舒適性及駕駛員的工作效率。因此，如何在非穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下滿足乘員的熱舒適性要求及提高駕駛員的工作效率，是目前智能車行業(yè)發(fā)展的重要課題之一。

目前國內(nèi)外學(xué)者大多采用PMV-PPD[2-5]、標準有效溫度（SET）[6-8]、平均皮膚溫度（MST）[9-10]、當量溫度（EQT）[11-12]等指標作為人員熱舒適的評價標準。眾所周知，PMV-PPD 熱舒適方程是基于人體和周圍環(huán)境穩(wěn)態(tài)傳熱的基礎(chǔ)上提出的，僅僅適用于人員長時間暴露在穩(wěn)態(tài)傳熱的環(huán)境中，而且PMV 值受空氣溫度、平均輻射溫度、風速、相對濕度、人體代謝率、服裝熱阻等因素的影響較大[13]。因此PMV-PPD 指標在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境中可能不適用。當量溫度（EQT）將人體的整體熱感覺分解為身體各個部位的局部熱感覺，其與標準有效溫度（SET）、平均皮膚溫度（MST）的共同之處在于計算過程較復(fù)雜，實驗難度較大以及計算參數(shù)不易獲取等，從而導(dǎo)致其不能快速地預(yù)測乘員的熱感覺。

基于上述評價指標的不足之處，本文以短途客車為研究對象，采用環(huán)境參數(shù)測試與問卷調(diào)查相結(jié)合的方法，引入室外空氣溫度來考慮乘員的服裝熱阻和車內(nèi)外溫差引起的乘員附加熱感覺，進而擬合了快速預(yù)測短途客車乘員熱感覺的經(jīng)驗公式，為提高駕駛員工作效率，改善人員乘坐舒適度以及促進智能車環(huán)境調(diào)控技術(shù)的發(fā)展作了嘗試性的研究。

1 現(xiàn)場測試及問卷調(diào)查

1.1 測試方案設(shè)計

測試參數(shù)主要包括車內(nèi)空氣溫度，相對濕度，氣流速度，壁面溫度以及室外空氣溫度。

測試對象為往返于重慶大學(xué)新校區(qū)與老校區(qū)的廈門金龍空調(diào)客車，行程大約35 min?？蛙嚦叽鐬殚L11 000 mm，寬2 500 mm，高3 400 mm，車廂內(nèi)共設(shè)有11 排座椅（不含司機座椅）。

測試時間為2017 年10 月至2018 年9 月，其中有效測試車次共21 趟，涵蓋了春、夏、秋、冬四個季節(jié)，包含了空調(diào)工況和非空調(diào)工況。

1.2 實驗測點布置及儀器說明

考慮車內(nèi)環(huán)境參數(shù)的不均勻性以及現(xiàn)場測試的可操作性，車內(nèi)共設(shè)置了9 個測點，分別測量各個測點處的空氣溫度，相對濕度以及氣流速度。測點布置如圖1 所示，分別布置在客車的前部，中部和尾部的走道以及靠窗側(cè)，測點距車內(nèi)地板高度為0.8 m。壁面溫度測點共設(shè)置14 個，分別在客車的頂部，底部，左側(cè)及右側(cè)沿長度方向均勻布置3 個測點，在客車的前面及后面分別布置1 個測點。室外空氣溫度測點共設(shè)置1 個，布置于始發(fā)地室外背陰處，測點距地高度為1.5 m。

圖1 測點布置圖

主要實驗儀器及規(guī)格型號如表1 所示：

表1 實驗儀器及規(guī)格型號

1.3 調(diào)研方案

調(diào)研對象為乘坐測試客車的乘員，主要是學(xué)生，教師及其家屬。年齡在35 歲以下的人數(shù)占總調(diào)研人數(shù)的82.6%，男、女比例約為61%和39%，所調(diào)研對象身體健康，無不舒適癥狀。

問卷調(diào)查內(nèi)容主要包括調(diào)研對象的基本情況（性別、年齡、身體健康狀況、著裝），乘坐位置以及熱感覺投票等。其中，熱感覺采用ASHRAE 標準[14]的7 級指標：熱、暖、稍暖、中性、稍涼、涼、冷。

調(diào)研期間，發(fā)放問卷共計713 份，有效問卷681份。其中，秋季共187 份，冬季共177 份，春季共153份，夏季共164 份。

2 實驗結(jié)果及分析

車內(nèi)空氣溫度，相對濕度以及氣流速度分別取9個測點的算術(shù)平均值，平均輻射溫度取車內(nèi)6 個表面的面積加權(quán)平均溫度，室外空氣溫度取始發(fā)站室外空氣溫度。調(diào)查問卷中熱感覺的7 級指標分別按+3、+2、+1、0、-1、-2、-3 賦值，實際熱感覺投票（TSV問卷）取調(diào)研對象熱感覺的算術(shù)平均值。

3 熱舒適評價指標

3.1 PMV 評價指標

PMV 是國際上公認的一種用于評價均勻熱環(huán)境舒適性的指標，該指標涉及四個環(huán)境變量（空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、平均輻射溫度）和兩個人體變量（人體新陳代謝率、服裝熱阻）。

測試期間，乘客處于靜坐狀態(tài)，參照ASHRAE 標準[14]，人體新陳代謝率取58 W/m2，人體所作的機械功取0 W/m2，服裝熱阻根據(jù)乘客的著裝情況分別取0.29～1.54 clo。PMV 計算結(jié)果如圖2 所示，PMV 基本上與TSV問卷呈現(xiàn)一致的變化趨勢，而且PMV 整體上比TSV問卷小。其中，PMV 與TSV問卷的絕對誤差最大值為0.76，最小值為0.17，平均值為0.37。由此可見，在非穩(wěn)態(tài)的環(huán)境下，使用PMV 指標評價乘員熱感覺將帶來一定的誤差。

圖2 PMV 與TSV問卷對比

3.2 經(jīng)驗公式評價法

由于測試客車的行駛路程約20 km，平均耗時約35 min，乘員難以在短時間內(nèi)與周圍環(huán)境達到熱平衡，因此乘員熱感覺在一定程度上受車內(nèi)外溫差的影響。即使進入相同的車內(nèi)環(huán)境時，乘員熱感覺也會隨著室外溫度的變化而變化，這是非穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境與穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境的區(qū)別之一。

由于客觀條件的限制性以及計算方法的復(fù)雜性，現(xiàn)有的熱舒適評價指標不能滿足在客車乘員艙等非穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下快速、準確預(yù)測乘員熱感覺的需求。因此，本文將提出一條適合于評價短途客車乘員熱感覺的經(jīng)驗公式，為改善駕駛員的工作效率以及乘員的舒適度提供參考。在經(jīng)驗公式中通過引入室外空氣溫度來考慮乘員的著裝情況和車內(nèi)外溫差引起的乘員附加熱感覺，具體表達為：

式中：ta為車內(nèi)空氣溫度，℃；d 為車內(nèi)空氣相對濕度，%；v 為車內(nèi)空氣流速，m/s；T 為平均輻射溫度，℃；to為室外空氣溫度，℃。

對經(jīng)驗公式進行回歸分析，相關(guān)系數(shù)R2=0.812，說明該公式的擬合程度較高。在方差分析中，顯著性水平α 通常取0.01，0.05 及0.1，α 取值越小，說明因變量和自變量之間的線性相關(guān)程度越顯著。選定顯著性水平α=0.01，根據(jù)分子自由度為6，分母自由度為21-6-1=14，查F 分布表得Fα=0.0（16，14）=4.46。計算得F=15.38＞Fα=0.0（16，14）=4.46，因此TSV 和環(huán)境變量之間線性相關(guān)程度是非常顯著的[15-16]。經(jīng)驗公式的擬合值如圖3 所示，擬合值與實際值（即TSV問卷）的絕對誤差最大值為0.20，最小值為0.02，平均值為0.11，表明了該經(jīng)驗公式能較準確地反映客車乘員的真實熱感覺情況。

由于經(jīng)驗公式是基于測試參數(shù)擬合而成，故其使用范圍宜為：車內(nèi)空氣溫度在18～28.5 ℃以內(nèi)，車內(nèi)空氣相對濕度在40～100%以內(nèi)，車內(nèi)空氣流速在0.06～0.30 m/s 以內(nèi)，平均輻射溫度在13～29 ℃以內(nèi)，室外空氣溫度在9～36 ℃以內(nèi)。

圖3 熱感覺投票實際值與擬合值

4 環(huán)境參數(shù)對乘員熱感覺的影響

為進一步分析非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下乘員熱感覺的變化規(guī)律，本文采用控制變量法，在經(jīng)驗公式的使用范圍內(nèi)，控制其他環(huán)境參數(shù)不變的情況下，分別探討車內(nèi)空氣溫度，相對濕度，空氣流速，平均輻射溫度以及室外空氣溫度對乘員熱感覺的影響。

當車內(nèi)空氣溫度升高時，人體皮膚與周圍空氣的溫差降低，導(dǎo)致人體與周圍空氣的對流散熱量減少，乘員熱感覺投票值增大。車內(nèi)空氣溫度對乘員熱感覺的影響如圖4 所示，當其他環(huán)境參數(shù)不變時，乘員熱感覺投票值隨著車內(nèi)空氣溫度的升高而增大，但增大的幅度卻逐漸減小，說明了乘員熱感覺對低溫環(huán)境更敏感。在18～28.5 ℃范圍內(nèi)，車內(nèi)空氣溫度升高1 ℃，乘員熱感覺投票值平均增大0.1。

圖4 車內(nèi)空氣溫度對乘員熱感覺的影響

空氣相對濕度決定了人體的潛熱散熱量，空氣相對濕度越高，則人體皮膚表面水蒸氣分壓力與空氣水蒸氣分壓力差值越小，從而導(dǎo)致人體的潛熱散熱量降低，乘員熱感覺投票值增大。圖5 反映了車內(nèi)空氣相對濕度對乘員熱感覺的影響，在其他環(huán)境參數(shù)不變的情況下，乘員熱感覺投票值隨著車內(nèi)空氣相對濕度的升高而增大，但增大的幅度卻逐漸減小，說明了乘員熱感覺對低相對濕度的環(huán)境更敏感。在40%～100%范圍內(nèi)，車內(nèi)空氣相對濕度升高1%，乘員熱感覺投票值平均增大0.01。

圖5 車內(nèi)空氣相對濕度對乘員熱感覺的影響

隨著空氣流速的升高，人體與周圍空氣的對流換熱系數(shù)增強，從而增大了人體的對流散熱量，乘員熱感覺投票值減小。車內(nèi)空氣流速與乘員熱感覺的關(guān)系如圖6 所示，保持其他環(huán)境參數(shù)不變時，乘員熱感覺投票值隨著車內(nèi)空氣流速的增大而減小，且減小的幅度逐漸增大，說明了乘員熱感覺對空氣流速較高的環(huán)境更敏感。在0.06～0.30 m/s 范圍內(nèi)，車內(nèi)空氣流速升高1 m/s，乘員熱感覺投票值平均減小1.13。

圖6 車內(nèi)空氣流速對乘員熱感覺的影響

壁面溫度影響人體與周圍壁面的輻射換熱量，壁面溫度越高，人體與壁面的輻射換熱量上升，從而導(dǎo)致乘員熱感覺增大。平均輻射溫度對乘員熱感覺的影響如圖7 所示，控制其他環(huán)境參數(shù)不變時，乘員熱感覺投票值隨著平均輻射溫度的升高而增大，但增大的幅度卻逐漸減小，說明了乘員熱感覺對平均輻射溫度較低的環(huán)境更敏感。在13～29 ℃范圍內(nèi)，平均輻射溫度升高1 ℃，乘員熱感覺投票值平均增大0.04。

圖7 平均輻射溫度對乘員熱感覺的影響

在動態(tài)熱環(huán)境下，乘員熱感覺受人體原有熱狀態(tài)的影響，即乘員從不同的室外環(huán)境進入同一車內(nèi)環(huán)境時，往往表現(xiàn)出不同的熱感覺。圖8 顯示了室外空氣溫度與乘員熱感覺的關(guān)系，當其他環(huán)境參數(shù)不變時，乘員熱感覺投票值隨著室外空氣溫度的升高而減小，且減小的幅度逐漸增大，說明了乘員熱感覺對室外空氣溫度較高的環(huán)境更敏感。在9～36 ℃范圍內(nèi)，室外空氣溫度升高1 ℃，乘員熱感覺投票值平均減小0.04。

圖8 室外空氣溫度對乘員熱感覺的影響

5 結(jié)論

1）采用PMV 指標評價短途客車等非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的乘員熱感覺與實際熱感覺仍存在一定的偏差。

2）當車內(nèi)空氣溫度在18～28.5 ℃以內(nèi)，車內(nèi)空氣相對濕度在40%～100%以內(nèi)，車內(nèi)空氣流速在0.06～0.30 m/s 以內(nèi)，平均輻射溫度在13～29 ℃以內(nèi)，室外空氣溫度在9～36 ℃以內(nèi)時，經(jīng)驗公式能較準確地反映乘員的真實熱感覺，絕對誤差最大值為0.2，最小值為0.02，平均值為0.11。

3）在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下，乘員熱感覺對車內(nèi)空氣流速的響應(yīng)最敏感，其次為車內(nèi)空氣溫度，而室外空氣溫度，平均輻射溫度以及車內(nèi)空氣相對濕度對乘員熱感覺也有一定的影響。