飞机客舱热舒适影响因素分析

姬雨初，李 泽

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

舒适的客舱环境将会提高乘客的乘机体验，然而现阶段飞机地面作业过程中，工作人员只能粗略地根据其感受到的客舱温度和当时天气环境来决定采取相应的供气模式，此种操作容易导致客舱温度偏低或偏高，无法满足乘客对飞机客舱热舒适的要求，进而影响航空公司效益及地面空调的推广应用[1-3]。

在热舒适的研究过程中，有许多指标被用来评价热舒适性，常用的评价指标有预测平均投票数（PMV,predicted mean vote）和标准有效温度（SET, standard effective temperature）。其中PMV 由Fanger[4]提出并被收录于ISO7730 标准中，其考虑了环境和人体自身双重因素的影响；SET 被美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）收录，但其存在低温时高估空气湿度和高温时无法体现湿度作用的缺点。所以结合飞机在地面客舱的环境情况[5]和《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》（GB/T 18049-2000），选取PMV 作为飞机客舱热舒适的评价指标。

1 PMV指标模型构建

Fanger[4]通过对大量数据进行分析，并结合人体热平衡方程，提出了PMV指标，即一种综合性的热舒适评价指标，它综合考虑了客舱环境因素（客舱温度、客舱平均辐射温度、客舱相对湿度、客舱空气流速）和乘客物理因素（人体服装热阻和新陈代谢）等因素的影响[6]。在PMV模型中，各种不同因素均考虑在内，与现实客舱内部环境情况相吻合，因此其被越来越多的研究者接受并推广应用，同时PMV模型也是目前最为全面、综合的热舒适环境指标，已被国际标准收录。

1.1 人体热平衡

人体热平衡是建立PMV模型的基础，正常情况下乘客是处在一个产热与散热的动态平衡过程中。在一定条件下，人体可以通过自身体温调节机制来对外界环境的突然改变做出反映，从而使自身始终处于热平衡状态，维持人体正常生存需求。

乘客与客舱环境时刻进行着热交换，其基本方式为对流、蒸发与辐射，而整个热交换过程始终符合热力学第一定律，故建立方程为

其中：S为乘客人体蓄热，当S ＞0 时，乘客自身散热小于自身产热量，当S ＜0 时，乘客自身散热大于自身产热量，当S = 0 时，乘客处于动态平衡过程；M为乘客新陈代谢（W/m2）；W为乘客对环境做的机械功（W/m2）；C为人体表面对客舱空气的对流散热量（W/m2）；R为乘客和环境的辐射散热量（W/m2）；E为乘客蒸发散热量（W/m2）。

1）乘客新陈代谢

乘客新陈代谢可表示为

其中：RQ为呼吸熵，即单位时间内乘客从口中呼出的二氧化碳与其吸入氧气的摩尔数比；VO2为单位时间在0 ℃、101.325 kPa 条件时氧气的消耗体积（mL/s）；AD为乘客皮肤表面积（m3）。

2）乘客与客舱环境的对流散热量

乘客与客舱环境的对流散热量可表示为

其中：fcl为乘客乘机所穿衣服的面积数，tcl为衣服外表温度（℃），Icl为服装热阻（m2·K/W）；Va为客舱风速，（m/s）；hc为对流换热系数（W/（m2·K））；ta为客舱温度（℃）；tr为客舱平均辐射温度（℃）。

3）乘客与客舱环境的辐射散热量

乘客与客舱环境的辐射散热量可表示为

其中：着为乘客人体表面的发射率；feff是有效表面积的修正系数与乘客姿态有关；啄为黑体辐射系数，啄=5.67×10-8W/m·k。

4）乘客蒸发散热量

客舱中乘客的蒸发散热量是维持在正常人体需求基础之上，过高或过低都会影响人体健康。乘客蒸发散热量可表示为

其中：Cres为乘客在乘坐过程中由于呼吸而损失的热量（W/m2）；Eres为乘客在乘机过程中呼吸损失的潜热量（W/m2）；Edif为皮肤扩散蒸发损失（W/m2）；Ersw为乘客调节出汗消耗的热量（W/m2）；Pa为乘客所处客舱的水蒸气分压力（kPa）。

1.2 PMV 计算公式

PMV模型是由多种因素构成的一个全面、综合的有关客舱环境的热舒适模型，建立在乘客与客舱环境均处于热平衡状态下。同时，PMV 代表了群体对客舱冷热状态的平均反映，而非单独个人的冷热情况，更具有普适性。PMV 成立的前提是：①乘客本身处于热平衡状态，即自身产生热量等于其本身与客舱环境之间进行的热量交换；②乘客皮肤的平均温度处于与客舱环境舒适相对应的水平；③乘客在客舱环境下的排汗率为最佳状态[7-8]。

当上述3个假设条件成立时，可得S=0，即M-

其中：L为中间变量，其计算公式为

由于乘客与乘客之间存在差异，不同人对客舱环境热舒适可能有不同感受，且PMV指标不能代表所有乘客的感受，因此Fanger[4]提出用预测不满百分率（PPD，predicted percent dissatisfied）来衡量乘客对当前客舱热环境的不满意情况，二者函数关系为

其中：当PMV在区间[-1，1]时，有10%的乘客对客舱环境不满意，同时有90%的乘客对客舱环境表示满意，因此，PPD 可对乘客满意度做出衡量，如图1所示[9]。

图1 PMV与PPD曲线图Fig.1 PMV vs PPD

2 环境影响参数对PMV的影响分析

2.1 客舱环境影响参数的确定

由式（6）推导过程可知PMV= f（W，M，Icl，ta，tr，Pa，Va），其中Pa由客舱相对湿度计算，各环境影响参数对PMV指标的影响是主要研究内容。而在飞机地面作业过程中，由于客舱PMV指标是由众多因素构成的综合评价模型，计算过程比较复杂。为方便研究，结合飞机客舱环境特点与实际客舱测量数据，对PMV 方程进行适当简化。针对夏季飞机制冷情况，根据客舱环境特点[10-11]和ISO7730 标准对PMV 方程简化如下：①乘客登机后，大部分时间处于静坐和轻微活动状态，同时客舱内不允许乘客随意走动，故客舱内乘客所做机械功设为0 W/m2，新陈代谢率取70 W/m2；②夏季乘客穿着多为薄长裤、短袖衬衫，其服装热阻取0.6 m2·K/W，则简化后的PMV 方程为

其中：φ为客舱相对湿度。

实验前期测量了A320 客舱温度、客舱相对湿度、客舱风速，结果如表1所示。选取客舱内的两个点进行测量，然后将测点1（位于前舱门口）和测点2（位于客舱中部）所测数据的均值作为基准值，计算后的客舱辐射温度均值为24.91 ℃，客舱湿度均值为54.13%，客舱风速均值为0.20 m/s。

根据表1 及参考民用飞机客舱环境设计参数和《中等热环境PMV和PPD 指数的测定及热舒适条件的规定》，各环境影响参数基准值选取如表2所示。

表1 实际测量数据Tab.1 Actual measured data

表2 各参数基准值的选取Tab.2 Basic value selection

2.2 不同客舱环境影响参数对PMV指标的影响

2.2.1 客舱温度与PMV的关系

客舱温度对热舒适PMV的影响至关重要，因为乘客对客舱温度的变化比较敏感，而人体只有当温度处于一定范围才能正常生活，客舱温度过高或者过低都会破坏乘客的生理平衡，客舱温度与热舒适PMV指标的关系如图2所示。

由图2（a）可知，在客舱内温度一定的情况下，随着客舱空气流速的变化，客舱内PMV的值也在不断变化。客舱温度小于26 ℃时，随着客舱风速的变大，舱内PMV 值逐渐变小；客舱温度大于26 ℃时，舱内PMV 值随客舱空气流速的增大而变大。

由图2（b）可知，在客舱内温度一定情况下，随着随着舱内辐射温度的不断升高，客舱内PMV 值随之增大。当客舱平均辐射温度从22 ℃增加到26 ℃，PMV值变化量为1.00。

由图2（c）可知，在客舱温度一定情况下，随着客舱内相对湿度增加，客舱内PMV 值逐渐上升，当客舱相对湿度从30%增加到60%时，PMV的变化量大约为0.29。夏季时，客舱湿度的持续增加，舱内空气对乘客的热作用就会慢慢变强。这是由于舱内湿度持续增加，致使客舱空气中水蒸汽分压力变大，乘客出汗量和汗水蒸发量减少，从而使人体保持良好的热舒适性。

由图2 分析可知，客舱温度与乘客的热舒适性呈明显的线性关系。随着客舱内温度的逐渐增大，PMV值呈线性方式增大。

图2 不同条件下客舱温度与PMV 关系Fig.4 Cabin temperature vs PMV under different humidities

2.2.2 客舱空气流速与PMV的关系

当客舱空气流速作用于乘客时，通过对流和蒸发作用使得乘客感觉凉爽，同时也可以带走客舱空气中的部分热量，使人体达到舒适，因此合理利用客舱空气流速，可以减少客舱能耗。客舱空气流速与热舒适指标PMV的关系如图3所示。

由图3（a）可知，在客舱内气流速度一定的情况下，增加客舱内相对湿度，也会使客舱PMV 值升高，当客舱相对湿度从40%增加到80%，PMV的变化量约为0.3。

由图3（b）可知，在客舱内气流速度一定的情况下，客舱PMV 值随客舱内辐射温度的逐渐升高而缓慢增大。当客舱平均辐射温度从23 ℃增加到25 ℃，PMV的变化量约为0.6。

图3 不同条件下客舱空气流速与PMV 关系Fig.7 Cabin wind speed vs PMV under different temperatures

由图3（c）可知，在客舱内气流速度一定的情况下，随着客舱温度的升高，客舱PMV 值也随之增大。当客舱温度从23 ℃增加到25 ℃时，PMV 值的变化量随风速增大而增大。当客舱内气流速度为1 m/s 时，PMV的变化量为1.37。

由图3 分析可知，客舱空气流速与飞机客舱内乘客的热舒适性呈明显非线性关系。随着客舱环境中风速的不断变大，PMV 值变得越来越小。

2.2.3 客舱空气湿度与PMV的关系

客舱空气湿度是通过影响乘客皮肤表面的蒸发以及排汗过程来影响人体的舒适性，因此，当湿度高时，人体的排汗及蒸发就少；反之，当客舱湿度较低时，人体排汗及其自身的蒸发就会增多，使得乘客有干燥的感觉。湿度会对乘客的热平衡产生一定影响，其过高或者过低都会对人体整个系统产生不良影响，客舱空气湿度与热舒适指标PMV的关系，如图4所示。

图4 不同条件下客舱湿度与PMV 关系Fig.4 Cabin humidity vs PMV under different conditions

由图4（a）可知，在保持客舱中相对湿度不变情况下，增加客舱内空气流速会使PMV 值升高，当客舱风速从0.1 m/s 增加到0.3 m/s，PMV 变化量约为0.53。

由图4（b）可知，在保持客舱中相对湿度不变情况下，PMV 值会随舱内辐射温度的逐渐变高而增大。当舱内辐射温度从24 ℃变到28 ℃，在PMV 值的变化量约为0.98。

由图4（c）可知，在保持客舱中相对湿度不变情况下，客舱温度变化也会对客舱内PMV 值有影响。当舱内辐射温度从22 ℃变为26 ℃时，PMV 值的变化量约为0.48。

由图4 可知，客舱相对湿度对舱内乘客的热感觉影响并不明显。随着客舱内空气流速的变大，PMV 值的整体变化量较小。

3 结语

通过对热舒适评价指标PMV 建模，分析了客舱各环境因素对热舒适评价指标PMV的影响，可得以下结论：

1）客舱温度、客舱平均辐射温度、客舱相对湿度、客舱空气流速对PMV的影响各不相同，仿真结果表明，客舱温度依然是影响客舱热舒适的最大因素之一，其次为客舱的空气流动速度，而由于飞机在地面作业过程中为短时间停靠，客舱相对湿度较为稳定，故其对客舱热舒适影响较小；

2）客舱PMV的变化不是单一因素作用的结果而是4个客舱环境因素共同作用的结果，可通过控制PMV来控制客舱热舒适，使其保持PMV=0 时（此时有95%的乘客对客舱环境感到满意）比现有单纯以固定制冷/热对飞机进行持续供冷/热的供气模式更高效；

3）通过对影响客舱热舒适环境因素（客舱温度、客舱湿度、客舱空气流速）的调控可形成不同组合，都可达到PMV=0，这就可以在不影响热舒适的情况下，通过调节各环境因素将地面空调运行能耗减到最低。

研究内容可用于更高效、节能的飞机地面空调供气模式设计及优化，也为后期进一步改善飞机客舱热舒适提供了参考。