摘要：对车辆座舱的热舒适研究现状进行了回顾。首先介绍了车内热舒适的影响因素，并从 环境参数和个体参数２个方面进行了系统性的梳理。随后从热舒适评价的角度介绍了较为常用 的车辆座舱热舒适评价模型，并回顾了车辆座舱热舒适的数值和试验研究方法。最后基于以上所 述，从未来座舱的智能化热舒适角度出发，对热舒适涉及的要点进行了分析并提出了相关的建议。

引言

随着人们在车辆（私人或公共交通）上花费的 时间大幅增加，车辆乘员的热舒适性变得越来越重 要［１］。舒适的车辆气候控制不仅有助于减 轻 驾 驶 员的压力，而且还可以保证良好的能见度，避免雾 化现象，从而有助于更安全的驾驶。与建筑环境不 同的是，座舱空调的出风口非常靠近乘员的身体， 从通风口流出的空气将显著影响乘员的热舒适性， 其他诸如复杂的座舱内部形状以及人体的存在也 会使座舱的空调系统产生的气流更具动态性，加上 太阳辐射的影响，车辆座舱内的温度分布往往呈现 较不均匀的空间分布特性［２－３］。为 了 确 保 车 辆 用 户获得最佳和舒适的环境，准确理解人和座舱环境 之间的相互作用至关重要。本文综述了汽车热舒 适方面的一些研究，包括车辆座舱热舒适的影响因 素和评估模型，并总结了现有的汽车热舒适的仿真 和实验研究方法。

1 车辆座舱热舒适的影响因素

1.１ 环境因素

1.1.1 空气温度

空气温度一般被定义为人体周围空气的平均 温度。以夏季工况下对热舒适的要求为例，室内空 气温度应维持在２３～２８℃之间［４］。由于座舱空气 温度的不均匀分布，测量空气温度时应关注温度在 水平和竖直方向上的梯度分布。一般而言，座舱底 部（脚踝高度）的空气温度预计将高于客舱顶部（头 部高度）。文献规定头部和踝关节的竖直空气温差 应控制在３℃以内。在相同的外部条件下，空气温 度将受到座舱空间大小、车身及座舱材料的影响， 这些因素在车辆的设计环节应被充分考虑。

1.1.2 相对湿度

相对湿度定义为空气中的水蒸气量与空气在 特定温度 和 压 力 下 可 保 持 的 水 蒸 气 量 的 比 率［５］。相对湿度在３０％～７０％之间为较舒适的状态。当 相对湿度超过７０％时将影响汗液的蒸发过程，进 而引起闷热并使乘员感到不适。当相对湿度低于 ３０％时，会 引 起 干 燥 感，对黏膜有不良影响［６］。Ａｌａｈｍｅｒ等人评估了车内温度和相对湿度的时间 和空间的变化过程，并监测了驾驶员前额、手和脚 等部位皮 肤 温 度 的 变 化［７－８］。研 究 结 果 表 明 应 将 相对湿度随干球温度变化对人体舒适度的影响纳 入其中。试验结果表明，随着车内干球温度改变， 相对湿度可以通过减少排热来提高空调效率，同时 改善人体舒适感。

1.1.3 空气流速

空气速度定义为身体暴露在空气中的平均速 度［９］。人体对空气运动非常敏感，特 别 是 在 颈 部、 头部和脚部等部位。因此，控制空气的速度和流向 非常重要。车辆空调和通风系统的工作原理是通 过驾驶室内的可调节通风口驱动空气的流动。这 种气流会引起局部和整体流动条件的变化，从而改 变乘员身体的热量损失。一些研究侧重于了解空 气如何流经不同类型的通风口，以及如何通过被动 控制空气流动以改善人们的舒适度［１０－１２］。

1.1.4 太阳辐射

研究表明［１３－１４］太阳辐射会影响车内乘员的热 舒适水平。与太阳辐射相关的参数为平均辐射温 度，环境的平均辐射温度定义为假想的黑色外壳的均匀温度，该温度将导致与实际外壳相同的热量损 失。透过汽车玻璃入射的太阳辐射是导致车厢温 度高的主要原因，并可能导致热感觉的变化。当车 辆暴露在阳光或阴影下或改变方向时，驾驶员和乘 客在驾驶条件下吸收的太阳辐射会发生巨大变化。

1.2 个体因素

个人的热舒适感知会受到个人身体状况的影 响。这些因素包括如性别和年龄，以及许多生理变 量，例如身体成分、健康水平，这些变量可能会随着 时间或根据情况而变化［１５］。

1.2.1 年龄

从生理学的角度来看，从童年到老年的体温调 节能力发生了实质性的变化。这些能力包括如出 汗、颤抖和控制皮肤血流的能力，以及感觉功能的 变化，都可 能 会 导 致 热 感 觉 的 不 同［１５］。在 目 前 的 研究结论中，与年龄相关的首选温度／舒适温度差 异的证据尚不清楚，因此很难从现有数据中得出明 确的结论。然而似乎存在的共识是，身体的衰老会 带来新陈代谢的减慢及活动水平的降低，这可能会 导致老年人更喜欢较高的温度。

1.2.2 性别

男女之间体温调节差异的生理基础是多方面 的。例如，女性具有更大的体表面积（允许通过皮 肤进行更大的热量损失）、不同的身体成分（更高的 脂肪量和更少的肌肉量）和更低的代谢率。一些研 究指出，女性对温度波动更敏感，舒适区更小，并且 比男性更容易对环境不满［１６－１８］。

1.2.3 身体成分

身体成分是人体体温调节的一个重要参数。例如，皮下脂肪层增加了隔热性，减弱了通过皮肤 的换热，这有助于在寒冷的环境中保持身体核心温 度［１９］。几项早期的生理学研究报告称［２０－２２］，在热 暴露和 运 动 时，肥胖个体的体温高于瘦个体。然 而，也有研究表明，体脂百分比对热量损失和／或体 温没有影响［２３］。

1.2.4 代谢率

在所有生理参数中，代谢率是唯一纳入 ＰＭＶ 模型作为输入参数的参数。代谢率不仅与活动水 平有关，还与其他生理参数和环境条件相关，如身 体成分、饮食、身体健康状态等。代谢率对人体热 感觉、舒适度和室内温度偏好均具有很大的影响。一项在医院进行的实地研究［９］表 明，健 康 程 度 越高，人们对温度的偏好就越低，反之，那些感觉虚弱 和活力不足的人更喜欢温暖的环境。

1.2.5 衣物隔热

人类可以通过穿衣服来保持皮肤和大气之间 的热平衡，进 而 帮 助 人 体 进 行 温 度 调 节［２４－２５］。热 舒适性与织物保持皮肤温度和转移身体产生的汗 液的能力有关。人体各部位皮肤温度不同，乘员可 以通过添加或移除衣物的方式适应车辆环境。

2 车辆座舱热舒适的评价模型

2.1 ＰＭＶ－ＰＤＤ 模型

ＰＭＶ－ＰＤＤ 模型由 Ｆａｎｇｅｒ教授提出［２６］，该模 型假设在热舒适状态下，人体与环境之间的热传递 将保持平衡。他分析了可能影响热舒适状态的最 重要变量，并将它们引入人体热平衡方程，得到了 预计平均热感觉指数（ＰＭＶ）和预计不满意者的百 分数（ＰＤＤ），即著名的 ＰＭＶ－ＰＤＤ 模 型。Ｆａｎｇｅｒ 提出的热舒适模型已经使用了４０多年，能够预测 稳态均匀环境下的人体舒适状态。

2.2 等效均匀温度（ＥＨＴ）

ＥＨＴ 是 Ｗｙｏｎ 使用暖体假人评价车内热环 境时提出的人体热舒适评价指标［２７］，其定义是：设 定一个理想等 效 均 匀 环 境，空 气 流 速 为０，空 气 温 度等于平均辐射温度，在衣着量和代谢强度相同的 情况下，如果非均匀环境下身体某一部位的干热损 失与其在该均匀环境下的干热损失相等，就称均匀 环境下的空气温度为非均匀环境下该部位的 ＥＨＴ。ＥＨＴ 综合了风速、风温、壁面温度、太阳辐 射及人体与固体接触面导热等众多环境参数的影 响，物理意义清晰［２８］。此外，研究表明利用各身体 节段局部ＥＨＴ 对研究车内热环境这种非均匀热 条件下的人体热舒适性十分适当有效。

2.3 ＵＣＢ模型

除了研究均匀热条件下的热舒适性，许多研究 者研究了 非 均 匀 环 境 条 件 下 的 预 测 热 舒 适 模 型。加州大学伯克利分校（ＵＣＢ）模型是最著名的非均 匀热条件下热舒适模型，该模型考虑了人类生理和 心理反应之间关于暴露环境的动态相互作用，因此 可以应用于瞬态环境（如车辆驾驶室）。在结合生 理模型的基础上，Ｚｈａｎｇ等人进一步提出了估计局 部和整体人 体 热 感 觉 和 舒 适 度 的 心 理 模 型［２９－３０］。这２个基于可控室内实验的模型多年来已被广泛 用于评价非均匀环境下的热舒适性［３１］。

2.4 机器学习模型

近年来，机器学习方法由于其优秀的非线性拟 合能力和自学习能力等特点引起了研究人员的广 泛关注［３２］。Ｗａｒｅｙ等 人［３３］研 究 了 几 种 机 器 学 习 方法，目的是从整个客舱的传感器估计客舱乘客的 等效温度。研究首先开发了一个车辆座舱的数值 模型，并系统地生成了一个涵盖影响乘员热舒适性 的所有约束条件的数据集，如环境温度、太阳位置、 车辆方向、车辆速度及车窗玻璃属性等。通过对任 何边界条件的组合，机器学习算法能够灵活地实现 对乘员热舒适性的预测。

3 车辆座舱热舒适的研究方法

3.1 车辆热舒适数值仿真研究

3.1.1 虚拟座舱模型

人类的微环境受到体表和周围环境之间对流 和辐射热传递的高度影响，正确的湍流建模是获得 可重复和可靠结果的关键之一［３４］。受到计算机水 平的限 制，从 Ｎ－Ｓ方程出发对湍流进行直接数 值 模拟（ＤＮＳ），难以解决工程中遇到的复杂湍流问 题，在 这 种 情 况 下，求解雷诺平均的 Ｎ－Ｓ 方 程 （ＲＡＮＳ）方法成为解决工程问题比较有效、切实可 行的手段［３５］。对 于 座 舱 建 模，常 用 有 Ｋ－ε 模 型 和 低雷诺数的Ｋ－ε模型。但 ＲＡＮＳ模型的缺陷在于 有时候精度 不 足。与 ＲＡＮＳ模 型 相 比，大 涡 模 拟 （ＬＥＳ）提供了更多的传热传质的动态细节，但是所 依赖的计算资源使得该方法仍然不适用于人体尺 度的研究。也有一些研究人员采用的是分离涡模 拟（ＤＥＳ）方法。通过对 ＤＥＳ、ＬＥＳ和 ＲＡＮＳ模 型 的比 较 研 究 表 明，ＤＥＳ有可能成为一种精确的 湍 流模型。然而，该方法还需要进一步研究，才能广 泛应用于汽车室内环境的模拟［３５］。

3.1.2 虚拟人体模型

虚拟人体模型的建立是进行热舒适仿真研究 的关键［３６］。虚拟人体模型从早期经过简化的二维 模型开始，逐步过渡到更接近真实情况的三维模 型。单纯考虑形状的虚拟人体模型不具有像人体 那样能够对微环境作出反应的温度调节功能，因此 研究人员开发了更复杂的人体热生理模型［３７－４０］。人体热生理模型是人体的数学表示，包括：１）被动 系统，模拟人体及其周围环境的物理和动态热传递 （通过热平衡方程或生物热方程）；２）主动系统，模 拟人体对血管收缩、血管舒张、颤抖的生理调节反应，以维持核心温度的稳定性。人体热生理模型不 仅可以表示人体与环境的换热参数，还可以提取一 些如等效温度的热舒适指数。热生理模型可以根 据复杂程度进一步划分为单节点模型、双节点模型 和多节点模型。单节点模型和双节点模型都局限 于统一的环境，而多节点模型考虑了人体的组成结 构和热生理特性，模拟了人体内部和表面的传热过 程。越复杂的模型越适合应用于复杂环境下人体 热反应的模拟。

3.1.3 座舱模型与虚拟人体模型的 ＣＦＤ耦合

一些热舒适指数（ＰＭＶ、通风率ＤＲ）可以很容 易地从计算流体力学数据中提取出来，将座舱模型 与虚拟人体模型进行 ＣＦＤ耦合具有很广阔的应用 前景［４１－４２］。对于 ＣＦＤ求解器来说，了解人体对非 均匀和瞬态环境的热响应对热边界条件的设置非 常重要。ＣＦＤ与热人体模型耦合过程主要包括身 体节段与环境之间的传热特性以及详细的局部微 环境参数，确保模拟的准确性和效率是模型耦合的 首要任务。

3.2 车辆热舒适试验研究

3.2.1 基于真实受试者反馈的热舒适试验

考察人类在真实环境中的热感受至关重要。数值模拟方法往往由于计算能力及建模精度的限 制，造成模拟结果与实际结果并不一致，因此，在试 验条件允许的情况下，基于真实受试者主观反馈的 车辆座舱热舒适评估是有必要的。

3.2.2 假人模型

由于高昂的成本和伦理限制，人体试验要求很 高，而且受试者内部和受试者之间的差异性往往难 以解释。在舒适性的研究中，需要大量的受试者来 达到足够的统计学意义。为了减少这种负担，有研 究使用了假人来进行标准化的人体热舒适研 究［４３］。文献［４４］讨论了热人体模型的使用与实际 人体实验对象的比较，并测试了不同的场景。结果 表明，假人模型可以提供准确的人体热感觉预测。

3.2.3 新型传感器的应用

传统的侵入式测量，包括问卷调查、环 境 参 数 和人体生理参数的监测，已被广泛使用，并与物联 网（ＩｏＴ）、人工智 能（ＡＩ）和 机 器 学 习（ＭＬ）等 技 术 集成在一起。目前出现了一些新型的传感器，例如眼镜、手表等，这些可穿戴设备一定程度上避免了 潜在的异物感，但仍具有一定的侵入性。目前有研究已经开始尝试使用红外热成像技术来实现非接触式测量［４５］。红外热像仪的热成像测量是非接触 性和相对前沿的成像方法，利用红外热像探测器可 以实时测量座舱内表面、衣服表面和人体可见身体 部位的温度［４６－４７］。这种实验方法克服了传统单点 温度测量技术和视觉观察方法的局限性，在未来的 汽车座舱中，这种新型的测量方式有望获得大面积 的应用。

４ 结论

在汽车中达到可接受的热舒适水平的关键是 了解热环境，人体温度调节及乘员对热舒适的感 知。与一般建筑环境不同的是，车辆座舱内部的热 环境受许多环境参数的影响，如通风口送风参数、 车体内外壁的表面温度及太阳辐照度等。当驾驶 员打开空调系统时，车内温度和相对湿度会迅速变 化。由于座舱空间的局限性和复杂性，此时的气流 也将变得不均匀和瞬变。此外，个体因素也会很大 程度上影响乘员的热体验。因此，在车辆座舱的热 舒适设计阶段，应充分考虑这些因素对舒适性的影响。

在车辆座舱环境的热舒适度评估方面，目前还 没有通用的国际标准，学术界对车辆热舒适的多数 研究方法也参照了建筑环境的研究方法。此外，热 舒适研究的数值方法和实验方法也存在诸多优缺 点，合理充分利用２种方法以兼顾成本和设计精度 非常重要。最后，相关研究人员需要开发新的热舒 适指数和模型，探索新型传感器在车辆座舱中的应 用，以更适应未来座舱智能化热环境管理的需求。

许伟康,赵小山,何星磊.车辆座舱热舒适的研究进展[J].暖通空调,2022,52(S1):441-446.

作者单位：上汽通用五菱汽车股份有限公司；上海光裕汽车空调压缩机有限公司