利用耦合的热生理学与热舒适性模型，确定车辆驾驶舱内驾驶员身体各部位的中性热环境条件

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Identifying Neutral Thermal Conditions of Driver Body Segments in Vehicle Cabins Using a Coupled Thermophysiological and Thermal Comfort Model

本研究开发了耦合热生理学与热舒适模型，量化分析车辆驾驶舱非均匀热环境下不同身体部位的热中性条件，为HVAC系统节能设计提供依据。关键发现包括不同部位热中性值的差异及季节影响。

　　

朴俊硕|林庆民| Chun忠允|金相勋

韩国首尔汉阳大学建筑工程系

摘要

车辆内部常常出现高度不对称且不均匀的热环境，这可能导致驾驶员感到不适。因此，了解驾驶员不同身体部位的热中性特性对于实现车辆暖通空调（HVAC）系统的节能设计和控制至关重要。本研究开发了一个结合了生理学和热舒适性的模型，以确定驾驶员在车内各身体部位的中性热状态。通过分析实际车辆内部测量得到的各种不均匀热环境数据，定量研究了各部位热量损失、皮肤温度及热反应之间的关系。即使在相同的操作温度下，由于衣物隔热性能、代谢率、热传导系数和皮肤温度的差异，不同身体部位之间的热量损失也存在显著差异。根据身体部位和季节的不同，达到中性热感觉所需的最优热量损失范围为37.1 W/m2至124.0 W/m2。这些最优值为针对特定身体部位的热管理提供了定量依据，并为车辆暖通空调系统及个人舒适系统的设计和控制提供了实用指导。

引言

车辆内部环境在水平和垂直方向上均表现为高度不对称和不均匀的热环境，辐射和对流热交换对乘客不同部位的影响也不均[1]。这种热不均匀性会导致乘客因身体各部位皮肤温度差异而感到不适[2]。此外，虽然在整个车内提供均匀的热环境可能不会显著提升舒适度，反而可能增加暖通空调系统的能耗[3]。因此，要有效控制车辆暖通空调系统（包括个人舒适系统），就必须全面了解在非均匀热条件下不同身体部位的热反应和舒适度变化。

目前已开发出多种舒适度模型（如预测平均评分法PMV）来预测热感觉或舒适度。然而，大多数模型假设热环境是稳定且均匀的，因此无法准确评估车辆内部常见的非均匀热环境[4,5]。为了解决这一问题，研究人员提出了新的模型来预测瞬态或非均匀热条件下的热反应[6, [7], [8]]。例如，加州大学伯克利分校开发了一种基于大量实验数据的舒适度模型，能够预测人体各部位的热感觉和舒适度[9, [10], [11], [12]]。Nilsson提出了一种基于等效温度概念的热舒适度评估方法[13]，该方法利用单一热值综合了对流和辐射对身体的影响，后来被EN-ISO 14505标准采纳[14]。

这些舒适度模型在预测乘客在受控热环境下的热反应（如热感觉和舒适度）方面取得了显著成果[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]。然而，这些模型仅能说明乘客在特定热环境下的反应情况，无法直接揭示确保各身体部位达到中性热状态所需的条件。为了优化车辆暖通空调系统的设计，必须明确每个身体部位的中性热状态。所谓的中性热状态是指能够使该部位保持中性热感觉和可接受舒适度的最佳热量损失率。多部位舒适度模型有助于确定乘客各部位的中性热状态[9,10]。基于这些信息，可以设计并操作加热方向盘、扶手、加热或通风座椅等个人舒适系统，为身体各部位提供或移除适量的热能，同时实现能耗的最小化。

本研究旨在确定驾驶员在车内各身体部位的中性热状态。研究使用了经过先前实验验证的65节点模型[15,16]，并结合热舒适度模型来预测不同非均匀热条件下的局部热感觉和舒适度。通过分析热量损失与热反应之间的关系，确定了各身体部位的中性热状态，并将其与Nilsson的热舒适度图表进行对比以评估其适用性。这些发现有助于提升乘客舒适度，同时支持车辆暖通空调系统的节能设计和控制。

模型介绍

车辆内部环境在水平和垂直方向上都表现出高度不对称和不均匀的特性，辐射和对流热交换对乘客不同部位的影响差异显著[1]。这种热不均匀性会导致身体各部位皮肤温度差异，从而引起不适[2]。此外，即使在整个车内提供均匀的热环境，也不一定能提高舒适度，反而可能增加暖通空调系统的能耗[3]。因此，有效控制车辆暖通空调系统（包括个人舒适系统）需要全面了解在非均匀热条件下不同身体部位的热反应和舒适度变化。

虽然已有多种舒适度模型（如预测平均评分法PMV）可用于预测热感觉或舒适度，但大多数模型假设热环境是稳定且均匀的，因此无法准确评估车辆内部常见的非均匀热环境[4,5]。为了解决这一问题，研究人员提出了新的模型来预测瞬态或非均匀热条件下的热反应[6], [7], [8]]。例如，加州大学伯克利分校开发的模型基于在瞬态和非均匀热条件下的实验数据，能够预测人体各部位的热感觉和舒适度[9, [10], [11], [12]]。Nilsson提出的热舒适度图表基于等效温度概念，可以同时评估身体各部位和整体的热舒适度[13]。等效温度利用单一热值综合了对流和辐射的影响，该方法已被EN-ISO 14505标准采纳[14]。

这些模型在预测乘客在受控热环境下的热反应（如热感觉和舒适度）方面取得了良好效果[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]。然而，这些模型仅能说明乘客在特定热环境下的反应情况，无法直接揭示确保各身体部位达到中性热状态所需的条件。为了优化车辆暖通空调系统的设计，必须明确每个身体部位的中性热状态。中性热状态是指能够使该部位保持中性热感觉和可接受舒适度的最佳热量损失率。多部位舒适度模型有助于确定乘客各部位的中性热状态[9,10]。据此可以设计并操作加热方向盘、扶手、加热或通风座椅等个人舒适系统，为身体各部位提供或移除适量的热能，同时实现能耗的最小化。

本研究旨在确定驾驶员在车内各身体部位的中性热状态。研究使用了经过验证的65节点模型[15,16]，并结合热舒适度模型来预测不同非均匀热条件下的局部热感觉和舒适度。通过分析热量损失与热反应之间的关系，确定了各身体部位的中性热状态，并将其与Nilsson的热舒适度图表进行对比以评估其适用性。这些发现有助于提升乘客舒适度，同时支持车辆暖通空调系统的节能设计和控制。

模型细节

生理学与热舒适度模型的结合

Stolwijk开发了最具影响力的多部位生理学模型，用于评估极端热环境对人体的影响[17]。该模型将人体划分为六个部分（头部、躯干、手臂、手部、腿部和脚部），每个部分再细分为四层（核心层、脂肪层、肌肉层和皮肤层），第25个节点用于表示血液流动。模型还包括一个称为“主动系统”的体温调节机制

热量损失与皮肤温度

图1显示了在不同操作温度下各身体部位的热量损失情况。随着操作温度的升高，热量损失呈线性减少。即使在相同的操作温度下，不同身体部位之间的热量损失也存在显著差异，不过这种差异在较高温度下有所减弱。直接暴露在环境中的手部的热量损失是骨盆的三倍多

讨论

如图1所示，即使在相同的操作温度下，不同身体部位之间的热量损失也存在显著差异。这些差异可归因于局部热传导系数[25]、衣物隔热性能[21]、代谢率[22]和皮肤温度[27]的差异，这些因素共同影响了各部位的热平衡。这些结果与以往的研究结果一致

结论

本研究通过结合65节点生理学模型和热舒适度模型，确定了驾驶员在车内各身体部位的中性热状态。主要研究结果如下：

•

该耦合模型能够预测驾驶员座椅在不同非均匀热环境下的热量损失、皮肤温度和热反应。

车辆乘客可能处于高度不均匀的热环境中，

作者贡献声明

朴俊硕：撰写内容——审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、资金申请、数据整理、概念构思。林庆民：数据整理。Chun忠允：方法论设计、概念构思。金相勋：数据收集、概念构思。