趙蘭萍，鄭振鵬，，徐 鑫，楊志剛

（1. 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804；2. 同濟(jì)大學(xué)上海市地面交通工具空氣動(dòng)力與熱環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

車內(nèi)熱環(huán)境直接影響駕乘人員熱感覺(jué)，不舒適的熱環(huán)境會(huì)使駕駛員的駕駛專注度下降，發(fā)生交通事故的概率增加［1］。傳統(tǒng)燃油車中空調(diào)系統(tǒng)能耗約占燃油總消耗的5.0%～10.0%，而在電動(dòng)汽車中，空調(diào)所消耗的能量占整車總能耗的比例則高達(dá)18.0%～53.7%［2-4］。傳統(tǒng)的汽車乘員艙空調(diào)送風(fēng)參數(shù)的設(shè)計(jì)和考核往往基于乘員呼吸點(diǎn)位置的空氣溫度或乘員艙平均溫度［5］，無(wú)法對(duì)車內(nèi)的熱環(huán)境和能耗進(jìn)行精確控制。為了發(fā)展更為有效的汽車空調(diào)控制技術(shù)，需要采用合適的車內(nèi)乘員熱舒適性評(píng)價(jià)方法。國(guó)內(nèi)車用空調(diào)領(lǐng)域目前較多采用經(jīng)典的平均熱感覺(jué)（PMV）評(píng)價(jià)方法［6］，由于該方法是針對(duì)穩(wěn)態(tài)均勻的熱環(huán)境而提出的，無(wú)法對(duì)車內(nèi)熱環(huán)境和乘員熱舒適狀態(tài)做出客觀評(píng)估。等效均勻溫度（EHT）評(píng)價(jià)方法［7］和Berkeley 評(píng)價(jià)模型［8］是兩個(gè)具有代表性的不均勻熱環(huán)境評(píng)價(jià)方法，歐洲車企較多采用其中的EHT 評(píng)價(jià)方法。已有學(xué)者對(duì)不同評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了對(duì)比研究，如文獻(xiàn)［9］采用EHT和PMV評(píng)價(jià)方法進(jìn)行汽車乘員熱舒適評(píng)價(jià)，并與主觀問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。Zhang 等［8］則基于Berkeley 評(píng)價(jià)模型研究了空調(diào)送風(fēng)條件和太陽(yáng)輻射對(duì)人體生理參數(shù)及熱舒適狀態(tài)的影響。未見(jiàn)有文獻(xiàn)同時(shí)基于不同的評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)車內(nèi)空調(diào)送風(fēng)參數(shù)，對(duì)比分析所對(duì)應(yīng)的人體熱反應(yīng)和熱舒適指標(biāo)等參數(shù)之間的區(qū)別。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法結(jié)合人體熱調(diào)節(jié)模型進(jìn)行人體熱舒適性的仿真分析，通過(guò)最優(yōu)拉丁超立方法建立樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（radial basis functions，RBF）建立近似模型，得到了包括送風(fēng)參數(shù)及太陽(yáng)參數(shù)在內(nèi)的5個(gè)車內(nèi)熱環(huán)境影響因素與乘員生理參數(shù)及熱舒適性指標(biāo)之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，基于EHT及PMV評(píng)價(jià)方法，通過(guò)序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法（NLPQL），對(duì)冷但舒適、舒適和熱但舒適3種設(shè)計(jì)需求下的車內(nèi)空調(diào)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析對(duì)比了所對(duì)應(yīng)的人體各主要生理參數(shù)及空調(diào)負(fù)荷等參數(shù)。

1.1 CFD模型及驗(yàn)證

乘員艙幾何模型由榮威350試驗(yàn)用車掃描后通過(guò)三維軟件逆向建模并簡(jiǎn)化得到，為了使后續(xù)CFD仿真得到的熱流場(chǎng)更加接近真實(shí)情況，盡可能地保留了乘員艙內(nèi)部的主要幾何信息，如方向盤、座椅以及中控臺(tái)等結(jié)構(gòu)，同時(shí)在駕駛員位置加入人體幾何模型。計(jì)算模型如圖1 所示，其中圖1b 還同時(shí)給出了送風(fēng)角度的示意圖。圖中的送風(fēng)角度為空調(diào)送風(fēng)的俯仰角，范圍在0°～30°之間。

圖1 乘員艙模型Fig.1 Cabin model

車內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)合2 階迎風(fēng)格式［10-11］，采用Realizable k?ε湍流模型。人體與周圍熱環(huán)境的輻射換熱是其熱感覺(jué)的重要影響因素，本文采用S2S（surface?to?surface）輻射模型，該模型僅考慮面與面之間的輻射傳熱，忽略介質(zhì)之間的吸收、發(fā)射和散射。另外，為便于處理由于溫差引起的空氣浮升力的影響，采用Boussinesq 假設(shè)，該假設(shè)包括以下內(nèi)容：①流體中的黏性耗散忽略不計(jì)；②除密度外其他物性為常數(shù)；③對(duì)密度僅考慮動(dòng)量方程中與體積力有關(guān)的項(xiàng)，其余各項(xiàng)中的密度為常數(shù)。采用Stolwijk［12］提出的人體生理熱調(diào)節(jié)模型，該模型分為被動(dòng)系統(tǒng)和主動(dòng)系統(tǒng)。模型將人體分為14個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段又分為皮膚、脂肪、肌肉和核心共4 層。Stolwijk 模型能較好地模擬非均勻熱環(huán)境下的人體皮膚熱反應(yīng)［13］。模型驗(yàn)證以單人駕駛員位置的車內(nèi)熱舒適實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，邊界條件的設(shè)置如下：空調(diào)送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度、車外空氣溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、太陽(yáng)高度角與方位角等計(jì)算邊界條件均采用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，設(shè)置送風(fēng)口為質(zhì)量流量入口，出口為壓力出口，內(nèi)壁面為耦合邊界條件。

采用Hypermesh 軟件生成面網(wǎng)格，再利用STAR?CCM+軟件生成邊界層網(wǎng)格及體網(wǎng)格。共生成了5 套網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為210 萬(wàn)、320 萬(wàn)、400萬(wàn)、525 萬(wàn)和600 萬(wàn)。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于400萬(wàn)后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)，各節(jié)段皮膚溫度以及人體平均皮膚溫度的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的偏差均小于1%。考慮計(jì)算資源，后續(xù)計(jì)算采用的體網(wǎng)格數(shù)量約為400 萬(wàn)。通過(guò)3 組實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，人體各部位皮膚溫度、車內(nèi)壁面溫度及空氣測(cè)點(diǎn)溫度的CFD 仿真結(jié)果與對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的偏差均在10%以內(nèi)［14］。

1.2 樣本選取方法

拉丁超立方設(shè)計(jì)的原理是在n 維空間中，將每一維坐標(biāo)區(qū)間［Xkmin，Xkmax］，k∈［1，n］均勻等分為m個(gè)區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間記為［Xki-1，Xki］，i∈［1，m］。隨機(jī)選取m 個(gè)點(diǎn)，保證一個(gè)因子的每個(gè)水平只被研究一次，即構(gòu)成n維空間，樣本數(shù)為m的拉丁超立方設(shè)計(jì)。拉丁超立方設(shè)計(jì)相比正交設(shè)計(jì)法有著水平值分級(jí)寬松，實(shí)驗(yàn)次數(shù)可以人為控制等優(yōu)點(diǎn)。但普通的拉丁超立方設(shè)計(jì)可能會(huì)存在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布不夠均勻的情況，隨著水平數(shù)增加，丟失設(shè)計(jì)空間一些區(qū)域的可能性增加。本文選用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)，使所有的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)盡量分布在整個(gè)設(shè)計(jì)空間，具有更好的空間填充性和均衡性。表1中給出的各設(shè)計(jì)因素的取值范圍根據(jù)上海地區(qū)夏季太陽(yáng)輻射情況和車用空調(diào)常用送風(fēng)參數(shù)范圍確定。利用生成的60 個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行CFD樣本庫(kù)的建立。

表1 設(shè)計(jì)因素范圍Tab.1 Range of design factors

1.3 評(píng)價(jià)方法

圖2 給出了等效均勻溫度定義的示意圖。圖2中，ta為平均環(huán)境溫度；-tr為環(huán)境的平均輻射溫度；va為來(lái)流速度；teq為等效均勻溫度；R為人體與壁面的輻射換熱量；C為人體與周圍氣體的對(duì)流換熱量。先設(shè)定一個(gè)空氣流速為零、空氣溫度等于平均輻射溫度的理想均勻環(huán)境。在衣著量和代謝強(qiáng)度相同的情況下，如果某非均勻環(huán)境下人體的顯熱損失與其在所設(shè)定的理想均勻環(huán)境下的顯熱損失相等，就稱該均勻環(huán)境下的空氣溫度為非均勻環(huán)境下人體的等效均勻溫度［14-15］。

圖2 等效均勻溫度（EHT）的定義Fig.2 Definition of EHT

EHT綜合了人體與環(huán)境之間的顯熱交換（對(duì)流換熱和輻射換熱），可以用來(lái)衡量非均勻環(huán)境下人體的熱舒適狀態(tài)。Tanabe 等［16］通過(guò)暖體假人證明了用EHT 評(píng)價(jià)建筑內(nèi)非均勻環(huán)境的人體熱舒適是可行的。ISO 14505-2—2006［17］中則給出了如下人體各節(jié)段EHT的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式：

式中：teq，i為節(jié)段等效均勻溫度，℃；ts，i為節(jié)段皮膚溫度，℃；Qi為節(jié)段顯熱交換量，其中包括對(duì)流換熱量及輻射換熱量，W·m-2；hcal，i為等效均勻熱環(huán)境及相同人體坐姿及服裝條件下，人體節(jié)段表面的綜合換熱系數(shù)，W?m-2?K-1，可依據(jù)文獻(xiàn)［18］中的關(guān)聯(lián)式計(jì)算得到，計(jì)算結(jié)果如表2所示

表2 h cal取值［18］Tab.2 Value of h cal

人體的平均等效均勻溫度EHT 可以基于整體平均皮膚溫度與整體總顯熱損失計(jì)算得到，其公式為

式中：teq，mean為人體平均等效均勻溫度，℃；ts，mean為平均皮膚溫度，℃；hcal，mean為平均表面綜合傳熱系數(shù)，W?m-2?K-1；ts，mean可根據(jù)局部皮膚溫度進(jìn)行面積平均得到

式中：Ai為人體各節(jié)段的皮膚面積，m2。

Wyon結(jié)合人體主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)得到了EHT熱舒適區(qū)，Nilsson 則根據(jù)服裝熱阻的不同做了進(jìn)一步的改進(jìn)。熱舒適分區(qū)如圖3所示［19］。

圖3 EHT人體熱舒適區(qū)Fig.3 Thermal comfort zone based on EHT

熱舒適性理論認(rèn)為，人是環(huán)境熱刺激的被動(dòng)接受者，通過(guò)人和熱環(huán)境的熱濕交換來(lái)影響人體生理參數(shù)，進(jìn)而使人產(chǎn)生不同的熱感覺(jué)。PMV的數(shù)學(xué)表達(dá)式是基于Fanger 教授的人體熱平衡方程并結(jié)合Kanasa州立大學(xué)實(shí)驗(yàn)所得到的人體新陳代謝率及相應(yīng)的主觀熱感覺(jué)數(shù)據(jù)而提出［20］。目前PMV 指標(biāo)已被納入ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)，該指標(biāo)綜合考慮了環(huán)境空氣溫度、人體運(yùn)動(dòng)量、環(huán)境空氣流速、太陽(yáng)輻射，衣物熱阻及空氣相對(duì)濕度對(duì)人體熱舒適的影響。

PMV指標(biāo)中采用的American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers（ASHARE）七點(diǎn)式標(biāo)尺則如表3所示。

表3 PMV熱感覺(jué)標(biāo)尺［21］Tab.3 PMV thermal sensation scale

本文將基于上述兩種評(píng)價(jià)方法，對(duì)冷但舒適、舒適和熱但舒適3 種需求下的空調(diào)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先需要對(duì)兩種評(píng)價(jià)方法的標(biāo)尺進(jìn)行折算。Gagge 等的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上人體不舒適表現(xiàn)在投票高于+2或低于-2的人身上，認(rèn)為+2到-2的PMV指標(biāo)區(qū)間為人體熱舒適度的可接受范圍［22］。將EHT舒適分區(qū)上的中線所對(duì)應(yīng)的人體整體EHT與PMV標(biāo)尺中的適中（0）相對(duì)應(yīng)，定義為舒適狀態(tài)；將冷但舒適的左邊界所對(duì)應(yīng)的人體整體EHT 與PMV 標(biāo)尺中的冷（-2）相對(duì)應(yīng)，定義為冷但舒適狀態(tài)；將熱但舒適區(qū)域的右邊界所對(duì)應(yīng)的人體整體EHT與PMV標(biāo)尺中的暖（+2）相對(duì)應(yīng)，定義為熱但舒適狀態(tài)。折算結(jié)果為：熱感覺(jué)適中對(duì)應(yīng)的PMV值及EHT值分別為0和25.3 ℃；熱但舒適邊界對(duì)應(yīng)的PMV 值及EHT 值分別為+2 和29.2 ℃；冷但舒適邊界對(duì)應(yīng)的PMV 值及EHT 值分別為-2 和21.5 ℃。

1.4 近似模型及驗(yàn)證

在CFD樣本計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（radial basis functions，RBF）方法建立設(shè)計(jì)因素與目標(biāo)因素之間關(guān)系的近似模型。RBF模型具有很強(qiáng)的逼近復(fù)雜非線性函數(shù)的能力，考慮到車內(nèi)熱環(huán)境及人體生理調(diào)節(jié)的復(fù)雜程度，采用該模型可以對(duì)樣本點(diǎn)的仿真結(jié)果具有較好的擬合度。另外，RBF 模型相比于響應(yīng)面模型、正交多項(xiàng)式模型和克里金模型等，其算法具有較好的泛化能力，同時(shí)具有學(xué)習(xí)速度快及較強(qiáng)的容錯(cuò)能力［23］。

以表1中的設(shè)計(jì)因素為輸入，分別得到以EHT、PMV、人體對(duì)流換熱量、人體輻射換熱量、人體平均皮膚溫度、人體顯熱換熱量及人體總換熱量等不同參數(shù)為輸出的近似模型，所得到的近似模型對(duì)60個(gè)樣本點(diǎn)的擬合確定系數(shù)R2都在0.99～1.00 的范圍內(nèi)。為了驗(yàn)證近似模型的預(yù)測(cè)精度，在樣本空間外、設(shè)計(jì)因素范圍內(nèi)重新均勻抽取6個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果作為近似模型的預(yù)測(cè)精度驗(yàn)證依據(jù)，所選6個(gè)樣本點(diǎn)的具體參數(shù)如表4所示。

圖4 為近似模型預(yù)測(cè)精度的驗(yàn)證結(jié)果。從圖4可以看出，除了PMV 近似模型之外，其余近似模型的預(yù)測(cè)精度誤差均值都在10%以內(nèi)。PMV 近似模型，由于其輸出值的量級(jí)較小，預(yù)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果差0.3左右就會(huì)導(dǎo)致誤差的百分比達(dá)到100%以上，所以該模型預(yù)測(cè)精度的驗(yàn)證效果不能簡(jiǎn)單依據(jù)誤差百分比來(lái)進(jìn)行評(píng)判，應(yīng)參考誤差絕對(duì)值?？傮w而言，所建立的各近似模型的預(yù)測(cè)精度較好。

表4 近似模型驗(yàn)證用樣本點(diǎn)Tab.4 Sample points for approximate model validation

圖4 近似模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Validation results of approximate models

2.1 送風(fēng)參數(shù)

通過(guò)所建立的EHT 及PMV 近似模型，采用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法（NLPQL）進(jìn)行送風(fēng)參數(shù)的設(shè)計(jì)。NLPQL 算法是將目標(biāo)函數(shù)以二階泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，將約束條件線性化，通過(guò)解二次規(guī)劃得到下一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，然后根據(jù)兩個(gè)可供選擇的優(yōu)化函數(shù)執(zhí)行一次線性搜索，該算法的特點(diǎn)是較為穩(wěn)定。設(shè)定太陽(yáng)高度角為60°，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為800 W?m-2，根據(jù)該算法，本文對(duì)不同熱舒適設(shè)計(jì)需求下的空調(diào)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。表5給出了基于PMV及EHT評(píng)價(jià)方法的送風(fēng)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果。由表5 可知，隨著熱舒適設(shè)計(jì)需求由偏冷向偏熱的轉(zhuǎn)變，空調(diào)的送風(fēng)角度增加。在基于PMV方法的設(shè)計(jì)結(jié)果中，送風(fēng)角度的增幅較大，而EHT方法所對(duì)應(yīng)的送風(fēng)角度基本維持在15°左右。送風(fēng)角度的不同主要是由于EHT評(píng)價(jià)方法考慮了人體各部位的不同熱敏感度，而PMV評(píng)價(jià)方法并沒(méi)有這方面的考量。對(duì)比送風(fēng)溫度可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱舒適設(shè)計(jì)需求由偏冷向偏熱轉(zhuǎn)變，空調(diào)送風(fēng)溫度明顯增加，且PMV對(duì)應(yīng)的送風(fēng)溫度的增幅更大，在偏冷或適中狀態(tài)下，PMV 對(duì)應(yīng)的送風(fēng)溫度低于EHT 的對(duì)應(yīng)值，但在偏熱狀態(tài)下，則正好相反。在同一熱舒適設(shè)計(jì)需求下，兩種設(shè)計(jì)方法得到的送風(fēng)速度的區(qū)別并不明顯，而隨著設(shè)計(jì)需求向偏熱的轉(zhuǎn)變，兩者的送風(fēng)速度差異變大。綜合設(shè)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)溫度與送風(fēng)速度對(duì)人體的熱感覺(jué)的確起到了較為關(guān)鍵的作用?；贓HT 評(píng)價(jià)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果相較PMV評(píng)價(jià)方法而言，所設(shè)計(jì)出的空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)更偏向高風(fēng)溫及高風(fēng)速。

表5 送風(fēng)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.5 Design results of air supply parameters

2.2 人體生理參數(shù)

依據(jù)表5 送風(fēng)參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果，利用所建立的近似模型，進(jìn)一步計(jì)算了不同熱舒適設(shè)計(jì)需求下，人體表面的換熱量及皮膚溫度。圖5為人體表面的換熱量對(duì)比。規(guī)定人體向外界環(huán)境散發(fā)的熱量為正，從外界環(huán)境中吸收的熱量為負(fù)。從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在熱舒適設(shè)計(jì)需求為舒適但偏熱的狀態(tài)下，EHT設(shè)計(jì)法對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱量大于PMV 設(shè)計(jì)法所對(duì)應(yīng)的值。結(jié)合表5 可知，兩個(gè)評(píng)價(jià)方法對(duì)應(yīng)的空調(diào)送風(fēng)速度相差較大，EHT設(shè)計(jì)方法所對(duì)應(yīng)的送風(fēng)速度較大。在熱舒適設(shè)計(jì)需求為舒適但偏冷的狀態(tài)下，兩種方法對(duì)應(yīng)的空調(diào)送風(fēng)速度相差很小，但送風(fēng)溫度相差較大，導(dǎo)致PMV設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱大于EHT 方法所對(duì)應(yīng)的值。在熱舒適設(shè)計(jì)需求適中的情況下，EHT方法對(duì)應(yīng)的對(duì)流及輻射換熱均略高于PMV方法對(duì)應(yīng)的值，因而兩者的顯熱交換量基本相等。潛熱交換量方面，適中和偏冷但舒適的設(shè)計(jì)需求下，兩種方法對(duì)應(yīng)值相差不大，但在偏熱但舒適的設(shè)計(jì)需求下，PMV 方法的對(duì)應(yīng)值明顯大于EHT 方法的對(duì)應(yīng)值，說(shuō)明此時(shí)PMV方法設(shè)計(jì)出來(lái)的熱環(huán)境讓人更容易出汗。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及太陽(yáng)高度角維持不變，3類熱舒適設(shè)計(jì)需求下的輻射換熱變化很小，所以3 類需求下顯熱交換量的不同主要是由于對(duì)流換熱的不同而導(dǎo)致。

圖6為基于兩種不同評(píng)價(jià)方法所設(shè)計(jì)的車內(nèi)熱環(huán)境下，人體表面總輻射換熱量與對(duì)流換熱量的比值對(duì)比。從圖6 可以看出，隨著設(shè)計(jì)需求由冷但舒適變?yōu)闊岬孢m，人體表面輻射換熱占比在不斷增加。EHT 設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)的輻射換熱占比的增幅小于PMV 方法的對(duì)應(yīng)值。在偏冷及適中的熱設(shè)計(jì)需求下，EHT 方法對(duì)應(yīng)的輻射占比大于PMV 方法的對(duì)應(yīng)值，但在偏熱的熱設(shè)計(jì)需求下，EHT 方法對(duì)應(yīng)的輻射占比小于PMV方法的對(duì)應(yīng)值，這是由于在該需求下，兩者對(duì)應(yīng)的輻射換熱量相差不大，但PMV方法對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱量較小導(dǎo)致的。圖7為基于兩種不同評(píng)價(jià)方法所設(shè)計(jì)的車內(nèi)熱環(huán)境下，人體平均皮膚溫度的對(duì)比。在熱設(shè)計(jì)需求偏冷的情況下，EHT方法對(duì)應(yīng)的平均皮膚溫度更高，隨著熱設(shè)計(jì)需求向偏熱轉(zhuǎn)變，PMV方法對(duì)應(yīng)的平均皮膚溫度的增幅更大，最終導(dǎo)致在偏熱的熱設(shè)計(jì)需求下，PMV 方法對(duì)應(yīng)平均皮膚溫度比EHT 方法的對(duì)應(yīng)值高1.19 ℃。

圖8為3種不同熱舒適設(shè)計(jì)需求下，兩種設(shè)計(jì)方法得到的人體各節(jié)段皮膚溫度的對(duì)比。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，在熱舒適設(shè)計(jì)需求偏冷的情況下，EHT 方法對(duì)應(yīng)的各節(jié)段皮膚溫度均大于PMV方法的對(duì)應(yīng)值，且身體上半部分的差異比下半部分的差異大。結(jié)合表5可以發(fā)現(xiàn)，這與EHT 設(shè)計(jì)方法的高送風(fēng)溫度有關(guān)，由于兩者的送風(fēng)角度均向上，因此主要區(qū)別在上半身。在偏熱的設(shè)計(jì)需求下，由于風(fēng)速較小但風(fēng)溫較大，PMV 方法對(duì)應(yīng)的皮膚溫度均大于EHT 方法的對(duì)應(yīng)值，PMV方法溫度最低的部位則由手變成了上臂，這是由30°的俯仰角導(dǎo)致的。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著設(shè)計(jì)需求的變化，PMV方法相對(duì)于EHT方法，手部溫度有著更大的變化。說(shuō)明送風(fēng)角度直接決定了氣流的走向，對(duì)人體周圍的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)有較大的影響。

圖5 不同評(píng)價(jià)方法的換熱量對(duì)比Fig.5 Comparison of heat flux of different evaluation methods

圖6 輻射換熱量與對(duì)流換熱量之比Fig.6 Comparison of radiation proportion

圖7 平均皮膚溫度對(duì)比Fig.7 Comparison of t s,mean

2.3 人體局部熱舒適性

圖9 為不同熱舒適設(shè)計(jì)需求下，人體各節(jié)段的局部EHT值。結(jié)合圖3的EHT人體熱舒適分區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)，在3個(gè)不同熱舒適設(shè)計(jì)需求下，人體頭部和手部的EHT值均比其余部位小，這意味著在同一需求下這兩個(gè)部位的熱感覺(jué)偏冷。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱舒適設(shè)計(jì)需求在偏冷或者適中狀態(tài)下，PMV 及EHT兩種方法對(duì)應(yīng)的局部EHT值在人體下半身的節(jié)段上差別不大，但是在上半身各節(jié)段的EHT值差別較大。對(duì)于上半身節(jié)段，PMV 方法對(duì)應(yīng)的EHT值偏離舒適區(qū)中線更遠(yuǎn)。從圖9c可以看出，熱舒適設(shè)計(jì)需求偏熱時(shí)，PMV 方法對(duì)應(yīng)各節(jié)段EHT 值均大于EHT方法，并且人體上半身的大部分節(jié)段處于不舒適狀態(tài)。綜合3 個(gè)不同熱舒適設(shè)計(jì)需求，可以看出，對(duì)于同一熱舒適設(shè)計(jì)需求，PMV 設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)的各節(jié)段局部EHT 值偏離舒適區(qū)中線的距離更大，舒適度更差。

2.4 空調(diào)冷負(fù)荷

為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，設(shè)空調(diào)為全新風(fēng)外循環(huán)狀態(tài)，空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算以空調(diào)出風(fēng)口及車艙出風(fēng)口的焓差為計(jì)算依據(jù)。圖10a 為太陽(yáng)高度角為60°，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為800 W?m-2環(huán)境下，基于兩種評(píng)價(jià)方法所設(shè)計(jì)出的熱舒適狀態(tài)適中時(shí)所對(duì)應(yīng)的空調(diào)冷負(fù)荷?？梢钥闯?，兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)應(yīng)的空調(diào)冷負(fù)荷基本相等。在偏冷但熱舒適的設(shè)計(jì)需求下，PMV方法對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷稍大，這主要由于PMV方法對(duì)應(yīng)的空調(diào)送風(fēng)溫度較小導(dǎo)致的。在偏熱但熱舒適的設(shè)計(jì)需求下，EHT方法對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷稍大，此時(shí)兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)應(yīng)的送風(fēng)溫度差別較小，但EHT方法對(duì)應(yīng)的送風(fēng)速度明顯大于PMV 方法的對(duì)應(yīng)值。圖10b 為適中但熱舒適需求下空調(diào)冷負(fù)荷與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的關(guān)系?？梢钥闯?，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增大，空調(diào)冷負(fù)荷也以穩(wěn)定的速度隨之增加。當(dāng)輻射強(qiáng)度在700～800 W?m-2之間時(shí)，基于兩種方法設(shè)計(jì)的熱環(huán)境的空調(diào)冷負(fù)荷基本相等，而在其他范圍內(nèi)，EHT 方法對(duì)應(yīng)的空調(diào)冷負(fù)荷均小于PMV 方法的對(duì)應(yīng)值。這是由于當(dāng)太陽(yáng)輻射大于800 W?m-2時(shí)，兩者對(duì)應(yīng)的送風(fēng)速度接近，但是EHT方法對(duì)應(yīng)的送風(fēng)溫度更高，故其空調(diào)冷負(fù)荷更小。當(dāng)太陽(yáng)輻射小于700 W?m-2時(shí)，此時(shí)EHT方法雖然有著更大的送風(fēng)速度，但是兩者的送風(fēng)速度差異較小，送風(fēng)溫度的差異較大，最終導(dǎo)致了EHT方法對(duì)應(yīng)的空調(diào)冷負(fù)荷小于PMV方法的對(duì)應(yīng)值。

圖8 不同評(píng)價(jià)方法的各節(jié)段皮膚溫度對(duì)比Fig.8 Comparison of segment temperature of different evaluation methods

圖9 不同評(píng)價(jià)方法的各節(jié)段EHT對(duì)比Fig.9 Comparison of EHT of each segment of different evaluation methods

圖10 不同評(píng)價(jià)方法的空調(diào)冷負(fù)荷Fig.10 Comparison of air-conditioning cooling load of different evaluation methods

3 結(jié)論

（1）隨著熱舒適設(shè)計(jì)需求由偏冷向偏熱狀態(tài)轉(zhuǎn)變，PMV 方法主要靠同時(shí)改變空調(diào)送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度和送風(fēng)角度來(lái)滿足乘員熱舒適性指標(biāo)要求，而EHT方法則更多依賴送風(fēng)速度的改變，送風(fēng)角度和送風(fēng)溫度的變化均小于前者。同一熱舒適設(shè)計(jì)需求下，基于EHT 評(píng)價(jià)方法的設(shè)計(jì)方法，更偏向高風(fēng)溫及高風(fēng)速的空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)。

（2）依據(jù)EHT 方法設(shè)計(jì)出來(lái)的車內(nèi)熱環(huán)境，人體皮膚溫度隨熱舒適設(shè)計(jì)需求的變化較小。在偏熱但舒適的設(shè)計(jì)需求下，PMV方法設(shè)計(jì)出來(lái)的熱環(huán)境讓人更容易出汗。

（3）在同一熱舒適設(shè)計(jì)需求下，PMV 方法對(duì)應(yīng)的各節(jié)段局部EHT值偏離舒適區(qū)中線的距離更大。由此可見(jiàn)，基于EHT 評(píng)價(jià)方法的熱環(huán)境設(shè)計(jì)較PMV評(píng)價(jià)方法更容易滿足乘員熱舒適的要求。

作者貢獻(xiàn)說(shuō)明：

趙蘭萍：理論指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，文章結(jié)構(gòu)搭建及調(diào)整，文字表達(dá)優(yōu)化。

鄭振鵬：近似模型建立，數(shù)值計(jì)算，文章內(nèi)容撰寫。

徐 鑫：仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

楊志剛：實(shí)驗(yàn)及計(jì)算資源提供。