章明超，鄒佳慶，周 健，鄒 鉞

（1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620；2.上汽集團(tuán)技術(shù)中心，上海201804）

汽車熱舒適性一方面會(huì)直接影響駕駛員的行車安全，另一方面，還會(huì)嚴(yán)重影響汽車的能耗，對(duì)于電動(dòng)汽車，甚至影響其續(xù)駛里程。汽車熱舒適性已經(jīng)成為車主、汽車廠商和研究人員的重要關(guān)注點(diǎn)。

研究人員對(duì)汽車熱舒適性的研究主要集中在冷卻或升溫的瞬態(tài)過(guò)程。在早期汽車空調(diào)開發(fā)中，一方面，由于汽車氣密性和空調(diào)性能的不足，汽車短時(shí)間內(nèi)難以達(dá)到熱舒適性要求；另一方面，乘員對(duì)汽車熱舒適性的期望主要是縮短冷卻或升溫時(shí)間，因此，汽車測(cè)試規(guī)范主要強(qiáng)調(diào)汽車空調(diào)冷卻、升溫的瞬態(tài)過(guò)程。隨著汽車設(shè)計(jì)和空調(diào)性能的優(yōu)化，大部分汽車都能在較短的時(shí)間內(nèi)完成冷卻或升溫的瞬態(tài)過(guò)程。ZHOU Xiaojie 等的研究表明，車內(nèi)空氣溫度在空調(diào)系統(tǒng)開啟后的15 min內(nèi)迅速下降，在2 h 后汽車的熱環(huán)境也沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，大部分汽車行程的主要過(guò)程并不是冷卻、升溫的瞬態(tài)過(guò)程或穩(wěn)定過(guò)程，而是處于瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)之間的中間過(guò)程。該過(guò)程的車內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化比較緩慢，人體短時(shí)間內(nèi)不會(huì)因溫度變化而產(chǎn)生不舒適感，同時(shí)也不是溫度基本恒定的穩(wěn)態(tài)過(guò)程，本文將這種中間過(guò)程稱為亞穩(wěn)態(tài)過(guò)程。該過(guò)程中的空氣溫度最大變化率小于1.5 ℃/min，此時(shí)使用PMV 指標(biāo)評(píng)價(jià)汽車熱舒適性具有較高的準(zhǔn)確性?？諝鉁囟茸畲笞兓嗜缡剑?）所示。

計(jì)算空氣溫度變化率時(shí)，取1 min 為間隔，即計(jì)算每分鐘內(nèi)空氣溫度變化，取其中最大值則為空氣溫度最大變化率。當(dāng)車內(nèi)空氣溫度最大變化率低于1.5 ℃/min 時(shí)則認(rèn)為汽車處于亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分汽車行程都超過(guò)15 min，長(zhǎng)時(shí)間駕駛的情況也很普遍，比如大城市通勤、交通堵塞、長(zhǎng)途駕駛和汽車駕駛員等，因此，汽車熱環(huán)境大部分時(shí)間處于亞穩(wěn)態(tài)。

汽車熱舒適的研究方法包括數(shù)值模擬、暖體假人測(cè)量和傳感器測(cè)量等。數(shù)值模擬采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）來(lái)模擬汽車乘員艙熱流場(chǎng)從而獲得環(huán)境參數(shù)。暖體假人可以模擬真實(shí)人體結(jié)構(gòu)并測(cè)量人體多個(gè)位置的環(huán)境參數(shù)。但是，數(shù)值模擬的可信度需要試驗(yàn)驗(yàn)證，暖體假人價(jià)格昂貴、安裝復(fù)雜，這些方法的不足都限制了其工程實(shí)用性。相對(duì)于汽車，建筑中的熱舒適性研究方法已經(jīng)較為成熟，采用標(biāo)準(zhǔn)的熱舒適測(cè)量?jī)x器測(cè)量得到環(huán)境參數(shù)，使用PMV 指標(biāo)即可評(píng)價(jià)熱舒適性，該評(píng)價(jià)方法已被收錄到標(biāo)準(zhǔn)中并被廣泛使用。本文將建筑中成熟的測(cè)試方法運(yùn)用到汽車熱環(huán)境的簡(jiǎn)化測(cè)試中，并使用PMV 來(lái)預(yù)測(cè)駕駛員整體熱感覺(jué)。PMV 指標(biāo)是基于穩(wěn)態(tài)均勻熱環(huán)境而提出的，用于汽車瞬態(tài)不均勻熱環(huán)境時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，但使用PMV 指標(biāo)仍具有較大的價(jià)值和意義。一方面，汽車亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境不均勻性并無(wú)瞬態(tài)時(shí)顯著，使用PMV 指標(biāo)評(píng)價(jià)熱舒適性仍具有較高的準(zhǔn)確性，另一方面，相對(duì)于使用等效溫度評(píng)價(jià)（通常通過(guò)暖體假人測(cè)量得到），該方法能夠較大地簡(jiǎn)化測(cè)試的復(fù)雜度。

PMV 在評(píng)價(jià)稍偏離熱中性下熱環(huán)境的熱舒適性時(shí)，仍然會(huì)存在誤差，針對(duì)該誤差較為主流和權(quán)威的解釋為熱適應(yīng)性?；跓徇m應(yīng)理論，研究人員提出了許多修正模型，其中運(yùn)用較為廣泛的有FANGER 等提出的基于期望因子修正的ePMV模型和YAO Runming 等建立的以黑箱理論為基礎(chǔ)的aPMV 模型。雖然這些修正模型主要用于建筑行業(yè)，但是汽車熱環(huán)境中同樣存在熱適應(yīng)性。

綜上所述，研究人員對(duì)汽車熱舒適性的研究主要集中在瞬態(tài)過(guò)程，然而實(shí)際行車過(guò)程中，尤其在長(zhǎng)時(shí)間駕駛情況下，汽車熱環(huán)境更多的是處于亞穩(wěn)態(tài)過(guò)程，而對(duì)汽車亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下熱舒適性的研究卻不多見(jiàn)。借鑒建筑中成熟的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)汽車亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)化測(cè)試，對(duì)汽車駕駛員熱感覺(jué)進(jìn)行預(yù)測(cè)并與主觀調(diào)查得到的實(shí)際熱感覺(jué)進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)預(yù)測(cè)誤差，通過(guò)熱適應(yīng)性理論來(lái)修正預(yù)測(cè)結(jié)果，并研究汽車熱適應(yīng)性在不同季節(jié)的表現(xiàn)。本文為汽車亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境的簡(jiǎn)化測(cè)試和駕駛員的熱感覺(jué)預(yù)測(cè)與修正提供了參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)介紹

本試驗(yàn)分3 個(gè)季節(jié)進(jìn)行，分別是夏季、冬季、過(guò)渡季節(jié)（秋季）。因?yàn)轳{駛員在不同季節(jié)中對(duì)汽車熱環(huán)境期望不一樣，所以不同季節(jié)汽車亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果也會(huì)存在差異，需要研究季節(jié)差異性。夏季試驗(yàn)于6 月進(jìn)行，秋季試驗(yàn)于11 月進(jìn)行，冬季試驗(yàn)于1 月進(jìn)行。各季節(jié)試驗(yàn)時(shí)間的選取是根據(jù)氣象劃分法為依據(jù)，因此都具有季節(jié)代表性。各季節(jié)試驗(yàn)都在東華大學(xué)室外停車場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間都集中在10 點(diǎn)到15 點(diǎn)之間。各季節(jié)試驗(yàn)工況詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各季節(jié)試驗(yàn)工況

按照美國(guó)暖通空調(diào)工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55—2010對(duì)車內(nèi)3 個(gè)高度（1.1 m，0.6 m，0.1 m）的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，分別對(duì)應(yīng)于頭部、胸腹部和腳部，確保儀器安放位置能夠代表3 個(gè)部位環(huán)境參數(shù)的特點(diǎn)。比如受試者頭部和腳部基本不會(huì)受到太陽(yáng)直射，太陽(yáng)直射主要集中在軀干和大腿部分，因此黑球溫度探頭的安放位置應(yīng)基本能體現(xiàn)太陽(yáng)輻射對(duì)受試者三類部位的影響，測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。試驗(yàn)儀器布置在汽車副駕駛，受試者坐在駕駛位置，試驗(yàn)方案的前提是主、副駕駛位置熱環(huán)境完全相同，但汽車乘員艙內(nèi)熱環(huán)境為高度非均勻熱環(huán)境，由于太陽(yáng)輻射、風(fēng)口設(shè)置等原因，主、副駕駛位置熱環(huán)境并不相同。因此，每次試驗(yàn)前都會(huì)調(diào)整汽車朝向正對(duì)太陽(yáng)使主、副駕駛位置受到的太陽(yáng)輻射相同。夏季太陽(yáng)輻射比較穩(wěn)定，基本可保證每組試驗(yàn)受試者受到相同太陽(yáng)輻射；秋季太陽(yáng)輻射不是非常穩(wěn)定，會(huì)受到云層的干擾，保證受試者受到近似相同的太陽(yáng)輻射；冬季太陽(yáng)輻射較少，為了保證每組受試者測(cè)試環(huán)境近似相同，直接在沒(méi)有陽(yáng)光照射的情況下測(cè)量。此外，測(cè)量同時(shí)調(diào)整汽車空調(diào)出風(fēng)口，開啟空調(diào)同步溫控功能，保證主、副駕駛位置溫控一致。由于汽車熱環(huán)境仍然具有非均勻性，因此，有必要進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)先對(duì)汽車主、副駕駛位置熱環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，并討論其差別大小，測(cè)量季節(jié)選擇夏季，測(cè)點(diǎn)位置選擇頭部位置。

圖1 儀器測(cè)點(diǎn)位置

1.2 客觀測(cè)量

本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)熱舒適測(cè)量?jī)x器，一組完整的熱舒適度測(cè)試系統(tǒng)只需3 個(gè)探頭即可測(cè)量出4 個(gè)環(huán)境參數(shù)，即微風(fēng)速探頭、黑球溫度探頭和相對(duì)濕度探頭。為了比較主、副駕駛位置熱環(huán)境差異，預(yù)試驗(yàn)時(shí)，在主、副駕駛頭部位置布置測(cè)點(diǎn)測(cè)量4 個(gè)環(huán)境參數(shù)，并取服裝熱阻為0.110 m·K/W，活動(dòng)水平為1.2 met，計(jì)算出主、副駕駛PMV。測(cè)量時(shí)間為90 min，測(cè)量次數(shù)為3 次。正式試驗(yàn)時(shí)，由于汽車空間較小，僅使用1 個(gè)相對(duì)濕度探頭即可，微風(fēng)速儀和黑球溫度探頭分別布置在頭部、胸腹部、腳部3 個(gè)位置，如圖2 所示。試驗(yàn)時(shí)，儀器放置在副駕駛測(cè)量環(huán)境參數(shù)，同時(shí)受試者坐在主駕駛進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，問(wèn)卷調(diào)查員坐在汽車后排記錄結(jié)果。各測(cè)量?jī)x器的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2，所有這些參數(shù)的測(cè)量都滿足了BS EN ISO 7726-2001中的最高要求。通過(guò)表格統(tǒng)計(jì)受試者服裝熱阻和活動(dòng)水平，預(yù)先輸入這兩個(gè)個(gè)人參數(shù)后，儀器會(huì)自動(dòng)采集4 個(gè)環(huán)境參數(shù)，采集頻率為10 Hz，每1 min 計(jì)算一次PMV 等熱舒適指數(shù)。

圖2 車內(nèi)測(cè)試儀器布置

表2 測(cè)量?jī)x器的技術(shù)參數(shù)

其中，黑球溫度探頭直徑為150 mm，其響應(yīng)時(shí)間一般在20～30 min，即該黑球溫度在20～30 min內(nèi)才可以追蹤到輻射溫度變化的90%。建筑內(nèi)輻射溫度一般相對(duì)穩(wěn)定，黑球溫度探頭能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量平均輻射溫度。但是，在汽車中，輻射溫度波動(dòng)較大，使用該黑球溫度會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。在設(shè)計(jì)黑球溫度探頭的過(guò)程中，一方面應(yīng)該增大黑球溫度直徑，這樣可以減小風(fēng)速和空氣溫度測(cè)量效應(yīng)而增大平均輻射溫度的測(cè)量準(zhǔn)確度；另一方面，黑球溫度直徑過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間的變長(zhǎng)，這兩個(gè)要求是相互沖突的，所以需要找出平衡點(diǎn)，一般公認(rèn)的黑球溫度探頭直徑為150 mm。因此，本試驗(yàn)仍使用標(biāo)準(zhǔn)的黑球溫度探頭來(lái)測(cè)量亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的平均輻射溫度。此外，黑球溫度探頭用來(lái)分析其全球空間內(nèi)的平均輻射溫度，對(duì)于頭部、腳部等大部分暴露在空氣中的部位，該測(cè)量方法較為準(zhǔn)確。然而，對(duì)于軀干和大腿等大面積與座椅接觸的部位，黑球溫度接收到的輻射具有明顯的方向性，因此，在分析這些部位的平均輻射溫度時(shí)會(huì)有一定的誤差，所以應(yīng)該避免選取這些部位作為整體熱感覺(jué)的測(cè)量代表點(diǎn)。

1.3 主觀調(diào)查

根據(jù)EN ISO 14505-3-2006，至少需要8 位人員進(jìn)行熱舒適性評(píng)價(jià)，因此本試驗(yàn)夏季有12 位受試者，秋季有19 位受試者，冬季有14 位受試者參與測(cè)試，受試者均為東華大學(xué)學(xué)生。不同季節(jié)的基本信息見(jiàn)表3～5。

表3 夏季受試者基本信息

表4 秋季受試者基本信息

由表3～5 可知，各季節(jié)受試者年齡、身高、體重及BMI的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)都較為接近，所以不存在個(gè)體間的顯著差異，這與選擇的群體全部為東華大學(xué)學(xué)生有關(guān)。

表5 冬季受試者基本信息

受試者的服裝熱阻根據(jù)ISO 7730規(guī)定的表格確定，成套服裝熱阻可以通過(guò)單件服裝熱阻求得：

式中：為成套服裝熱阻，m·K/W；為單件服裝熱阻，m·K/W；為第件單件服裝；為單件服裝數(shù)量。

由于軀干會(huì)大面積接觸到汽車座椅及靠背，所以需要考慮其附加熱阻，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730，取附加熱阻為0.023 m·K/W。統(tǒng)計(jì)得到各季節(jié)人員服裝熱阻值見(jiàn)表6。

表6 各季節(jié)人員服裝熱阻值 m2·K/W

因?yàn)轳{駛員在實(shí)際駕駛過(guò)程中新陳代謝率要明顯大于靜坐狀態(tài)，所以出于對(duì)安全性的考慮，沒(méi)有進(jìn)行駕駛測(cè)試。本試驗(yàn)要求受試者在試驗(yàn)時(shí)做一些任務(wù)（比如心算）以保證受試者的精力處于集中狀態(tài)，從而模擬真實(shí)駕駛過(guò)程，根據(jù)熱環(huán)境的人類工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730中的參考值，將此時(shí)的人體代謝率取為1.2 met。

本試驗(yàn)采用的是EN ISO 14505-3-2006中的7 點(diǎn)熱感覺(jué)指標(biāo)，見(jiàn)表7。試驗(yàn)前，為了讓受試者熟悉該評(píng)價(jià)尺度，會(huì)提供一些顏色和熱感覺(jué)的詞語(yǔ)（如黃色、暖和等），并讓他們根據(jù)該7 點(diǎn)熱感覺(jué)指標(biāo)進(jìn)行打分以達(dá)到熟悉熱感覺(jué)尺度的目的，試驗(yàn)時(shí)，每3 min 進(jìn)行一次熱感覺(jué)調(diào)查并讓受試者選出最能代表他們當(dāng)時(shí)熱感覺(jué)的詞語(yǔ)。

表7 七點(diǎn)熱感覺(jué)指標(biāo)

1.4 試驗(yàn)流程

在夏季進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)來(lái)研究主、副駕駛位置熱環(huán)境差異，即在主、副駕駛頭部位置布置測(cè)點(diǎn)測(cè)量環(huán)境參數(shù)。試驗(yàn)開始20 min前，打開空調(diào)，讓汽車經(jīng)過(guò)降溫的瞬態(tài)過(guò)程而進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)過(guò)程，即空氣溫度變化率峰值低于1.5 ℃/min?？諝鉁囟茸兓士梢酝ㄟ^(guò)軟件采集的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。夏季開啟制冷模式，車內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度為20 ℃，實(shí)際空氣溫度以儀器測(cè)量為準(zhǔn)，夏季空調(diào)設(shè)定溫度每15 min 提高1 ℃，試驗(yàn)持續(xù)90 min，預(yù)試驗(yàn)測(cè)量次數(shù)為3 次。正式試驗(yàn)時(shí)，受試者提前40 min到達(dá)休息室，讓他們先了解試驗(yàn)?zāi)康模缓蟛杉拘畔ⅲ挲g、身高、體重和服裝熱阻），最后在休息室內(nèi)靜坐休息30 min 并熟悉主觀調(diào)查問(wèn)卷（如根據(jù)7 點(diǎn)熱感覺(jué)指標(biāo)來(lái)給詞語(yǔ)打分）。夏季休息室內(nèi)的空氣溫度一直保持在（25±2）℃，相對(duì)濕度保持在（50±10）%；秋季休息室內(nèi)的空氣溫度一直保持在（21±2）℃，相對(duì)濕度保持在（50±10）%；冬季休息室內(nèi)的空氣溫度一直保持在（16±2）℃，相對(duì)濕度保持在（50±10）%，各季節(jié)休息室都一直維持在穩(wěn)定的中性熱環(huán)境。試驗(yàn)開始20 min前，打開空調(diào)，讓汽車進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)過(guò)程。夏季開啟制冷模式，具體流程與預(yù)試驗(yàn)一致；秋季由于輻射，汽車內(nèi)溫度還是比較高，先開啟制冷模式，初始空調(diào)設(shè)定溫度為20 ℃。由于秋季車外熱負(fù)荷較小，車內(nèi)溫度變化過(guò)于緩慢，為了獲得一個(gè)有效的溫度范圍，設(shè)定溫度改為每6 min 提高1 ℃。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)制冷后車內(nèi)空氣溫度難以上升，因此在30 min 時(shí)開啟制熱模式，空調(diào)溫度設(shè)定為20 ℃，每6 min 提高1 ℃；冬季則打開制熱模式，空調(diào)溫度設(shè)定為16 ℃，設(shè)定溫度每6 min 提高1 ℃。上述空調(diào)設(shè)定溫度及其變化時(shí)間都是根據(jù)車外熱環(huán)境進(jìn)行調(diào)整后的結(jié)果，目的是保證車內(nèi)熱環(huán)境處于亞穩(wěn)態(tài)的同時(shí)能有一個(gè)有效的溫度范圍。由于休息室離試驗(yàn)場(chǎng)地較近，可以避免受試者受到外界環(huán)境的干擾。受試者進(jìn)入汽車前，研究者會(huì)詢問(wèn)受試者當(dāng)時(shí)的熱感覺(jué)，以保證每組受試者進(jìn)入汽車前有相同的熱感覺(jué)，并保證當(dāng)時(shí)車內(nèi)熱環(huán)境處于相對(duì)一致的狀態(tài)。試驗(yàn)開始時(shí)，受試者進(jìn)入汽車，坐在主駕駛模擬駕車。每3 min 進(jìn)行一次熱感覺(jué)調(diào)查，問(wèn)卷調(diào)查員坐在汽車后排記錄結(jié)果并觀察測(cè)量數(shù)據(jù)，以保證實(shí)際空氣溫度最大變化率不超過(guò)1.5 ℃/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 乘員艙熱環(huán)境

預(yù)試驗(yàn)中，夏季主、副駕駛頭部空氣溫度測(cè)量結(jié)果如圖3 所示。由圖可知，由于汽車熱環(huán)境的不均勻性，汽車主、副駕駛頭部空氣溫度存在一定差異，但是兩者之間的差值并不顯著，平均差值為1 ℃，差值基本都小于3 ℃。

圖3 夏季主、副駕駛頭部空氣溫度測(cè)量結(jié)果

計(jì)算夏季主、副駕駛頭部位置的PMV，如圖4所示。由圖可知，主、副駕駛頭部位置的PMV 也存在一定差異，其中，平均差值為0.27，差值基本都小于1。由圖3～4 可知，汽車在亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下，主、副駕駛位置熱環(huán)境差異較小，能夠滿足工程要求。

圖4 夏季主、副駕駛頭部位置的PMV

夏季試驗(yàn)中，車內(nèi)空氣溫度測(cè)量結(jié)果如圖5 所示。由圖可知，各部位空氣溫度與空調(diào)設(shè)定溫度有一定差距，這是因?yàn)檐囃鉄嶝?fù)荷較大，車內(nèi)空氣溫度難以達(dá)到設(shè)定值，其中胸腹部空氣溫度與設(shè)定溫度較為接近，直吹頭部會(huì)因?yàn)榇碉L(fēng)感太強(qiáng)導(dǎo)致不舒適，所以出風(fēng)方向選擇為胸腹部方向。隨著空調(diào)設(shè)定溫度的升高，頭部、胸腹部和腳部的空氣溫度都逐漸升高，在90 min 內(nèi)，頭部溫度變化最大約為13 ℃，空氣溫度最大變化率為1.03 ℃/min，車內(nèi)熱環(huán)境處于亞穩(wěn)態(tài)。

圖5 夏季車內(nèi)空氣溫度測(cè)量結(jié)果

秋季試驗(yàn)中，車內(nèi)空氣溫度測(cè)量結(jié)果如圖6 所示。由圖可知，制冷階段，各部位空氣溫度與空調(diào)設(shè)定溫度較為接近，這是因?yàn)榍锛拒囃鉄嶝?fù)荷較小，車內(nèi)空氣溫度可以達(dá)到空調(diào)設(shè)定溫度值且難以進(jìn)一步升高，制熱階段，車內(nèi)空氣溫度會(huì)進(jìn)一步升高。隨著設(shè)定溫度的升高，頭部、胸腹部和腳部空氣溫度都逐漸升高，和夏季一致，在60 min內(nèi)，頭部溫度變化最大約為10 ℃，空氣溫度最大變化率為0.31 ℃/min，車內(nèi)熱環(huán)境處于亞穩(wěn)態(tài)。

圖6 秋季車內(nèi)空氣溫度測(cè)量結(jié)果

冬季試驗(yàn)中，車內(nèi)空氣溫度測(cè)量結(jié)果如圖7 所示。由圖可知，各部位空氣溫度與設(shè)定溫度較為接近，空調(diào)初始設(shè)定溫度為16 ℃，這是為了避免車內(nèi)空氣溫度升高過(guò)快。隨著設(shè)定溫度的升高，頭部、胸腹部和腳部的空氣溫度都逐漸升高，腳部上升最快，這是由于冬季吹暖風(fēng)主要從腳部吹出，在60 min 內(nèi)，腳部溫度變化最大約為14 ℃，空氣溫度最大變化率為0.62 ℃/min，車內(nèi)熱環(huán)境處于亞穩(wěn)態(tài)。

圖7 冬季車內(nèi)空氣溫度測(cè)量結(jié)果

2.2 整體熱感覺(jué)的測(cè)量代表點(diǎn)

由2.1 節(jié)可知，各季節(jié)汽車乘員艙的空氣溫度變化都較緩慢，空氣溫度最大變化率都低于1.5 ℃/min，可以視為亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境。但是，乘員艙內(nèi)還存在一定的垂直溫差，頭部、胸腹部和腳部哪個(gè)位置更適合作為整體熱感覺(jué)測(cè)量代表點(diǎn)還需要研究。在夏季主觀試驗(yàn)中，僅對(duì)受試者進(jìn)行了整體熱感覺(jué)的調(diào)查，但在秋、冬試驗(yàn)中，補(bǔ)充了對(duì)受試者局部熱感覺(jué)的調(diào)查，分別對(duì)3 個(gè)位置的熱感覺(jué)與整體熱感覺(jué)作相關(guān)性分析，得出局部熱感覺(jué)與整體熱感覺(jué)的相關(guān)系數(shù)（，）。計(jì)算公式如式（3）所示。

式中：為局部熱感覺(jué)；為整體熱感覺(jué)；為身體第部位；為樣本數(shù)量。

用式（3）計(jì)算得到頭部、胸腹部和腳部的熱感覺(jué)與整體熱感覺(jué)之間的相關(guān)系數(shù)，見(jiàn)表8。

表8 整體與局部熱感覺(jué)的相關(guān)系數(shù)

由表8 可知，總體上，頭部的熱感覺(jué)與整體熱感覺(jué)相關(guān)性最高，所以可以選擇頭部作為整體熱感覺(jué)的測(cè)量代表點(diǎn)。需要指出，大多數(shù)情況下，車艙內(nèi)人體頭部的位置被車艙部件遮擋，幾乎不受太陽(yáng)輻射的直射影響，而在晴朗天氣下，車艙內(nèi)一般都是頭部以下的部位會(huì)受到太陽(yáng)輻射的影響，但是相對(duì)于裸露的頭頸部，頭頸部以下的部位被服裝遮擋，太陽(yáng)直射的影響會(huì)削弱，此時(shí)頭部仍可作為整體熱感覺(jué)的測(cè)量代表點(diǎn)。

2.3 整體熱感覺(jué)預(yù)測(cè)

根據(jù)2.2 節(jié)分析，本文選擇頭部位置為整體熱感覺(jué)的代表點(diǎn)，并使用PMV 指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)整體熱感覺(jué)， 將預(yù)測(cè)的結(jié)果與熱感覺(jué)投票（Thermal Sensation Votes，TSV）的結(jié)果進(jìn)行比較。由于需要將受試者的TSV進(jìn)行平均從而降低主觀性，所以需要保證受試者處于同一熱工況下，而除了空氣溫度，輻射溫度和風(fēng)速也會(huì)影響人體熱感覺(jué)，所以使用操作溫度來(lái)代替空氣溫度以保證受試者處于同一熱工況。ASHRAE 55—2010中對(duì)操作溫度的定義為：在一個(gè)假想的具有均勻溫度的黑色外殼內(nèi)產(chǎn)生的對(duì)流和輻射換熱之和應(yīng)等于實(shí)際情況下非均勻環(huán)境中的換熱量，該溫度被稱為操作溫度。操作溫度可以反映空氣溫度和平均輻射溫度的綜合效應(yīng)。由于換熱系數(shù)較為復(fù)雜，ASHRAE 55—2010給出了不同風(fēng)速下操作溫度的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：為操作溫度，℃；為隨風(fēng)速變化的函數(shù)（表9）；為空氣溫度，℃；為平均輻射溫度，℃。

表9 A與風(fēng)速V的關(guān)系

根據(jù)溫度頻率法（Bin 法），以操作溫度每1 ℃為間隔，得到PMV 與整體熱感覺(jué)和操作溫度的線性回歸方程并繪制成圖。夏季預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8 所示。由圖可知，當(dāng)PMV 處于-0.5～0.5 時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果與熱感覺(jué)投票TSV的誤差較小，當(dāng)熱環(huán)境偏離中性時(shí)，PMV 會(huì)過(guò)高地估計(jì)熱不舒適性，這是由于夏季人對(duì)熱環(huán)境形成了適應(yīng)性。

圖8 夏季車內(nèi)PMV與TSV的對(duì)比曲線

PMV 和TSV 與的線性回歸方程如式（5）～（6）所示。

式中：R為線性回歸決定系數(shù)。

此處的中性溫度是指TSV 取0 時(shí)的環(huán)境溫度。PMV 預(yù)測(cè)的中性溫度為28.1 ℃，TSV 實(shí)際的中性溫度為28.2 ℃，兩者近似相等，表明PMV 在熱環(huán)境處于中性時(shí)能較好地預(yù)測(cè)整體熱感覺(jué)。

秋季預(yù)測(cè)結(jié)果如圖9 所示，由圖可知，在秋季，PMV能較好地預(yù)測(cè)整體熱感覺(jué)。

圖9 秋季車內(nèi)PMV與TSV的對(duì)比曲線

PMV 和TSV 與的線性回歸方程如式（7）～（8）所示。

PMV 預(yù)測(cè)的中性溫度為22.2 ℃，TSV 實(shí)際的中性溫度為22.0 ℃，兩者近似相等。

冬季的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖10 所示，由圖可知，當(dāng)車內(nèi)熱環(huán)境偏冷時(shí)，PMV 會(huì)過(guò)高地估計(jì)不舒適性，這是因?yàn)槎救藢?duì)冷環(huán)境形成了適應(yīng)性。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，受試者的熱感覺(jué)反而比測(cè)量值PMV 大，這是因?yàn)槿舜┑姆b熱阻較大，對(duì)偏熱環(huán)境產(chǎn)生脫適應(yīng)的現(xiàn)象。由于冬季主要為冷環(huán)境，所以對(duì)偏冷環(huán)境進(jìn)行修正。

圖10 冬季車內(nèi)PMV與TSV的對(duì)比曲線

PMV 和TSV 與的線性回歸方程如式（9）～（11）所示：

PMV 預(yù)測(cè)的中性溫度為19.3 ℃，TSV 實(shí)際的中性溫度為19.0 ℃，兩者近似相等。

2.4 修正PMV模型

由2.3 節(jié)可知，盡管PMV 可以作為預(yù)測(cè)汽車整體熱舒適性的指標(biāo)，但會(huì)產(chǎn)生一些誤差，尤其是在夏季和冬季，其中主要的誤差來(lái)源于熱適應(yīng)性?；跓徇m應(yīng)理論，研究人員提出了許多修正模型，其中運(yùn)用較為廣泛的有ePMV 模型和aPMV 模型。本文分別使用ePMV模型和aPMV模型來(lái)修正PMV模型。兩個(gè)模型對(duì)應(yīng)的公式如下：

式中：為期望因子；為自適應(yīng)系數(shù)。

可以通過(guò)最小二乘法來(lái)求解期望因子和自適應(yīng)系數(shù)，求解公式為：

由式（14）和式（15）求出的結(jié)果見(jiàn)表10，由表可知，計(jì)算得到的期望因子與FANGER 等推薦的0.7～0.9 并不相同，期望因子由溫暖氣候占全年時(shí)長(zhǎng)和空調(diào)在該地區(qū)普及程度決定，但是中國(guó)幅員遼闊，不同地域的氣候和空調(diào)使用頻率都相差很大，因此，該推薦值并不完全適用于中國(guó)各地域各季節(jié)。JI 等在上海夏季的自然通風(fēng)建筑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中得到的期望因子為0.64，與本文夏季計(jì)算值相等。在GB/T 50785—2012中，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)推薦的自適應(yīng)系數(shù)PMV≥0 時(shí)為0.21，PMV＜0 時(shí)為-0.49，本文計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)推薦值較為接近。本文期望因子和自適應(yīng)系數(shù)是基于現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)，雖然與標(biāo)準(zhǔn)推薦值較為接近，但是不同地區(qū)的車輛能否借用還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

表10 夏冬季節(jié)修正系數(shù)

將得到的期望因子和自適應(yīng)系數(shù)分別代入模型，如圖11～12所示。

圖11 夏季修正PMV與TSV的對(duì)比曲線

圖12 冬季修正PMV與TSV的對(duì)比曲線

由圖11～12 可知，ePMV 模型和aPMV 模型都能提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，為了比較預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，采用平均絕對(duì)誤差（Mean Absolute Error，MAE）和絕對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）來(lái)衡量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。MAE 和SD 的計(jì)算公式為：

式中：TSV為各種預(yù)測(cè)熱感覺(jué)；TSV為實(shí)際熱感覺(jué)；為第個(gè)樣本；為樣本數(shù)量。

MAE 越小則預(yù)測(cè)越準(zhǔn)確，SD 越小則預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性越高。分別用MAE 和SD 來(lái)評(píng)價(jià)PMV 模型、ePMV 模型和aPMV 模型預(yù)測(cè)的誤差，見(jiàn)表11。由表可知，兩個(gè)修正模型都能顯著提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，但aPMV 模型有過(guò)度修正的傾向，ePMV具有最高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

表11 各模型預(yù)測(cè)誤差比較

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了汽車亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下駕駛員的熱舒適性，并分析了其在夏季、冬季和過(guò)渡季節(jié)（秋季）下的表現(xiàn)，主要結(jié)論如下。

（1）汽車主、副駕駛位置熱環(huán)境差異較小，能夠滿足試驗(yàn)前提。隨著空調(diào)設(shè)定溫度的升高，車內(nèi)空氣溫度逐漸上升，但速度較為緩慢，空氣溫度最大變化率都低于1.5 ℃/min，各季節(jié)汽車乘員艙熱環(huán)境都處于亞穩(wěn)態(tài)。

（2）頭部熱感覺(jué)與整體熱感覺(jué)的相關(guān)系數(shù)最高，胸部次之，腳部最低，秋季分別為0.91、0.94和0.78，冬季分別為0.87、0.80 和0.79。因此，汽車亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下頭部可作為整體熱感覺(jué)的測(cè)量代表點(diǎn)。

（3）各季節(jié)PMV 和TSV 關(guān)于操作溫度的線性回歸擬合程度都很高，都為0.9 以上。夏季PMV和TSV 得到的中性溫度分別為28.1 ℃和28.2 ℃，但在偏熱環(huán)境下PMV 會(huì)高估熱不舒適性；秋季PMV 和TSV 得到的中性溫度分別為22.2 ℃和22.0 ℃，PMV 能夠較好地預(yù)測(cè)整體熱感覺(jué)；冬季PMV 和TSV 得到的中性溫度分別為19.3 ℃和19.0 ℃，在偏冷環(huán)境下高估了熱不舒適性，偏熱環(huán)境下低估了熱不舒適性。

（4）PMV 會(huì)高估熱不舒適性，主要原因是人對(duì)環(huán)境的熱適應(yīng)性，通過(guò)使用期望因子和自適應(yīng)系數(shù)來(lái)修正PMV，得到夏季期望因子為0.64，冬季為0.71，夏季自適應(yīng)系數(shù)為0.25，冬季為-0.52。計(jì)算值與參考值相差較小，修正后的模型能提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為熱適應(yīng)性在汽車領(lǐng)域的運(yùn)用提供了參考，但不同地區(qū)的車輛能否借用該結(jié)論還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

（5）本文指出了車內(nèi)熱環(huán)境大部分時(shí)間處于亞穩(wěn)態(tài)，并針對(duì)亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境提供了簡(jiǎn)化的測(cè)試方案，為汽車亞穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下駕駛員熱舒適性預(yù)測(cè)和修正提供了參考。