基于控制稳定性的汽车自动空调舒适性评价方法研究

黄宪波 余明明 严杰 袁正

摘 要：文章提出了一种基于汽车自动空调控制稳定性的乘员热舒适性试验方法，考察环境温度、日照和车速等关键参数变化的情况下，汽车自动空调系统是否能够持续控制乘员舒适性。首先将人体划分为不同的热感区域，然后通过人体局部热感觉对乘员整体热舒适的影响测试，确定了头部和足部是人体热感觉最为敏感的部位。通过大量试验数据分别拟合头部和足部温度与气流速度的配合曲线，以维持乘员持续舒适。最后设计一套汽车自动空调热舒适性测试方法，并按照此方法对两款车型进行测试，证明此方法的有效性。

关键词：控制稳定性;整体热舒适;局部热感觉

中图分类号：U463.85+1  文献标识码：A  文章编号：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

自動空调，顾名思义为通过自动方式控制空调的出风模式、内外循环、冷热风门开度等参数的系统，系统输入主要包括车内外环境温度、湿度、日照强度、车速及发动机负荷或者动力电池电量（EV车型）。目前国内外大多数整车企业或者国家标准对自动空调的评价主要集中在车的性能评价层面，比如自动空调的制热或者制冷控制性，都是考察车内温度水平变化状态，很少结合车内乘员的感受，这样可能会导致虽然车内温度达到要求，但是乘员还是无法达到比较舒适的状态，最典型的是乘员周围环境温度比较适中，但是气流速度比较小，乘员感觉较闷热。

所有针对车辆自动空调系统测试都应该回归到能够为车内乘员提供舒适稳定的环境为目标，本文通过理论和试验测试，针对对车内乘员热舒适影响最大的头部、手部和足部，建立环境温度与环境风速的舒适拟合曲线，并根据车内乘员热舒适控制稳定性要求建立一套热舒适测试流程，最后通过两款车型的测试验证此热舒适测试流程的有效性。

1 人体部位划分方法

本文论述的人体热舒适计算模型是基于UC Berkeley 热舒适模型建立的，UCB热舒适模型的特点在于：一是根据不均匀环境将热感觉细分为局部热感觉与整体热感觉的对应联系。二是建立了热感觉与热舒适之间的联系。因此为了有效评估车内乘员热舒适状态，需要将人体划分为局部区域，根据局部热感觉状态计算整体热舒适状态。

参考ISO14505-2《热环境的人类工效学-车辆热环境的评估》局部区域划分方法，将人体划分为16个部位^[1]，具体如图1及表1。

2 人体热敏感部位确定

2.1 热感觉定义

本方法定义的人体热感觉量表如表2，当热感觉在-1～1分是可接受的范围。

2.2 热舒适定义

通过热环境影响达到满足的精神状态。并被评估主观评价。当热舒适评分在0分以上为可接受范围，分数越高代表乘员越舒适。

2.3 热敏感区域识别

虽然理论上人体整体热舒适状态是由16个局部位置的热感觉状态综合作用的结果，但是通过大量的测试数据表明，在不同环境条件下（0℃～25℃），真正影响乘员热舒适状态的是那些热感觉超出-1～1分数范围的部位，这些部位也就是对应环境条件下的敏感部位，而其他部位就是非敏感部位。只要能够控制敏感部位的热感觉状态，也就能够控制乘员整体热舒适状态。

较低环境温度下（15℃以下），开启自动空调后，车内乘员各个部位热感觉变化趋势如表3。可以看出，热感觉在-1～1范围以外的部位主要集中在头部、足部和臀部，其中臀部由于与座椅表面直接接触，只有通过座椅加热才能够得到改善，不纳入热感觉敏感部位。因此低温条件下热敏感部位主要为足部和头部。其中足部主要在于长时间热不起来导致的偏凉，头部主要在于长时间开启空调后从凉变热，由于这两个部位的热敏感性，导致整体热舒适始终无法达到0分以上。

从表3还可以看出，较低环境温度下，汽车空调系统要控制车内乘员持续保持舒适，需要重点控制足部和头部的热感觉状态。针对足部需要尽快达到-1分以上状态，而头部需要持续保持1分以下。

常温及稍高环境温度下（15℃以上），开启自动空调后，车内乘员各个部位热感觉变化趋势如表4。可以看出，热感觉在-1～1范围以外的部位主要集中在头部、足部和背部，其中背部由于与座椅表面直接接触，只有通过座椅通风才能够得到改善，不纳入热感觉敏感部位。因此常温及稍高环境温度条件下热敏感部位同样主要为足部和头部。其中足部主要在于长时间温度偏高导致足部闷热，头部主要在于外界环境温度变化（日照出现或增强、环境温度升高等）后，车内温度控制不住，导致头部越来越热。由于这两个部位的热敏感性，导致整体热舒适始终无法达到0分以上。

从表4还可以看出，在中高温环境条件下或者外界环境温度变化情况下，汽车空调系统要控制车内乘员持续保持舒适，也是需要重点控制足部和头部的热感觉状态。针对足部，有鞋子的热阻，需要控制温度长时间在中低水平才能够保持舒适。而头部需要通过检测车外及车内环境变化及时对空调风口风速和风温进行调整，保证头部热感觉不高于1分。

3 环境温度与风速的舒适拟合曲线

通过上一节得到，不同环境温度下，人体整体热感觉和整体热舒适主要由足部和头部这两个热敏感部位决定的。因此在进行车内空调系统策略设计过程中，需要充分考虑乘员足部和头部位置的热状态。

热舒适的评价指标PMV的定义公式如下：

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為人体热负荷，人体产热量与为了维持人体舒适所必须向外界散出的热量之间的差值

M为人体新陈代谢产热率，W/m²

W为人体的活动量，人体不同活动强度下对外输出的机械效率，W/㎡

pa为空气中的水蒸气分压力，kPa

ta为人体周围的空气温度

^–tr为周围环境的平均辐射温度

由于车内所有乘员都是相对静止的，因此新陈代谢率和人体热负荷一定。将式1中的PMV对Pa取偏导：

人体静态新陈代谢量在40～50W/m²，带入到式2中，结果在0.08～0.1之间。也就是说空气中的水蒸气分压力变化1kPa，对PMV的影响最多在0.1以内。另外式1中的0.0014M（34-t_a）的数值在公式中占比很小，因此认为人体的显热散热量不变，则人体的热舒适感不变。

在人体新陈代谢率不变的情况下，人体的显热散热量与人体皮肤表面的温度和风速有直接关系，在一定范围内，相同的环境温度，皮肤表面的气流速度越大，则人体显热散热量越大，反之亦然。因此为了维持人体热舒适的稳定不变，必须维持人体显热散热量不变，也就是控制环境温度和皮肤表面气流速度始终处于一定的配合关系。

车内人员的头部一般为裸露状态，也就是无服装热阻，直接与暴露在环境中。通过测试得到头部保持相同的热舒适状态，不同环境温度对应的气流速度关系，如表5。

将表5数据进行回归拟合，得到图2所示的拟合曲线图，黑色线条代表理想舒适曲线。

车内人员的足部一般为鞋子全裹状态，但是鞋子的材料和厚度会有所不同，这里已一版冬季服装的热阻1.4CLO为代表。通过测试得到足部保持相同的热舒适状态，不同环境温度对应的气流速度关系，如表6。

将表6数据进行回归拟合，得到图3所示的拟合曲线图。

4 自动空调热舒适测试方法

4.1 环境条件及行驶工况设置

基于控制稳定的整车自动空调评价，主要是针对自动空调控制性进行评价，需要考虑外界环境条件（环境温度、日照、车速等）变化时，自动空调系统是否可以持续控制车内乘员保持舒适。因此环境条件需要设置为变化状态，同时考虑日照对车内舒适性影响。

由于中低温度和中高温度环境在全国范围基本都存在，因此行驶工况使用中国工况CLTC^[3]。工况中包含城市、城郊和高速部分，可以达到验证车速变化对车内舒适性影响的目的。

具体的测试工况如表7，工况图如图3。

4.2 测试流程

（1）设置环境模拟试验仓温度为相对较低的水平（乘员有制热需求），使车辆浸泡一段时间。

（2）关闭车门车窗，直到车内头部平均温度和风口平均温度趋于稳定（10min内变化在±1℃）。

（3）评价人员进入环境模拟试验仓内，并在环境仓内浸泡15min左右同时进入车内，迅速关闭车门。

（4）启动车辆、开启空调，空调温度设置为中间值附近，此时为试验开始。

（5）在试验开始后先通过调节空调系统参数使车内乘员达到比较舒适的状态。

（6）第一个循环结束后稳速行驶一段时间，期间开启日照，其他环境条件不变，开始第二个循环试验。第二个循环结束后，稳速行驶一段时间，期间将环境温度设置为常温并稳定，其他环境条件不变，继续第三个循环试验，直到高温环境的试验工况完成。以此类推，完成所有环境条件测试。

4.3 测试项目

经过大量的调研、实车评价显示。车内乘员热感觉的需求主要有两方面。一个是车内乘员热感觉稳定性控制，一个是车内乘员全身热感觉的一致性。

车内乘员热感觉稳定性：考核当外界环境条件、车速变化时，车内乘员热感觉变化是否在可接受范围。理想状态是乘员持续保持舒适。

车内乘员全身热感觉一致性：考核整个评价过程中，乘员身体16个位置热感觉是否比较接近且处于可接受状态。

5 实际测试结果

国内自主品牌某SUV车型常温自动空调舒适性评价结果如图4和表8。

从图4可以看出，此SUV车型在环境温度、日照和车速变化过程中，主驾头部温度始终保持在24～27℃范围之间，乘员一直处于较舒适状态（≥1分）。具体热感觉评分如表8。

从表8可以看出，当环境温度从中低温度变化到高温整个过程中，乘员头部热感觉始终处于-0.5～0分之间，乘员头部感觉舒适。足部热感觉始终处于1分以内，稍暖但是没有使乘员感觉不舒适。

另外某合资车企SUV车型常温自动空调舒适性评价结果如图5和表9。

从图5可以看出，此SUV车型在环境温度从中低温变化到常温时，主驾头部温度从27℃左右逐渐上升到30℃，主驾的从舒适状态变化到不舒适（-1分）。通过调节设定温度使乘员重新达到舒适（1.5分）状态后，在环境温度从常温变化到高温过程中，再次出现头部温度上升到30℃的情况，舒适性再次变化到不舒适（-0.5）。具体热感觉评分如表9。

从表9可以看出，当环境温度从中低温度变化到常温之

后，头部热感觉从1分变化到2分，偏热。足部热感觉从1分上升到1.5分，也是逐渐变热。导致乘员从舒适状态逐渐变化到不舒适。另外，头部和足部热感觉分数（≥1.5分）明显高于其他部位，车内热感觉均匀性同样表现较差。

从上述两款车型热舒适性试验结果对比来看，此试验方法可以有效验证出整车自动空调控制稳定性问题及热感觉均匀性问题。同时通过此试验方法，可有效对比不同车型车内热舒适性控制性能的优劣。

6 结论

本文根据人体热舒适理论及实车评价数据，提出不同环境温度场景下，车内乘员热感觉敏感区域为足部和头部。并根据气流速度和环境温度的舒适配合关系，提出头部和足部位置热感觉理想状态下的气流速度与温度关系曲线。并根据上述的研究结果提出一套能够结合乘员主观感受与客观温度数据的自动空调舒适性评价方法。通过设置不同環境温度、日照和车速，考察自动空调在不同场景下的乘员舒适性控制性能。经过两款车型实际验证，本方法可以有效测试出不同环境条件下自动空调控制性能的问题，并准确对比不同车型常温自动空调热舒适性控制性能优劣。

参考文献

[1] ISO14505热环境的人类工效学-车辆热环境的评估.

[2] 热舒适条件下环境风速和温度最佳组合的实验研究.人类工效学， 1998年3月.

[3] GB/T36146.1-2019中国汽车行驶工况第1部分：轻型汽车.