乘员热舒适性模拟

在汽车、飞机、公共汽车和火车上乘员的热舒适性话题变得越来越重要。一方面,它是中高档汽车的重要卖点。另一方面,在任何运输方式下,它通常都是客户满意度的一个基本方面。虽然热舒适的环境往往不会被有意识地察觉到,但一个不舒服的环境肯定会被注意到。

提高客舱内舒适性的新方法正在不断研究中。对特殊材料和涂层进行检测,以确定其是否适合减少极端环境条件带来的负面影响。与物理实验相比,通过仿真分析它们对客舱内的热环境的影响可以大大降低成本。同时测试不同热边界所需的时间也大大减少了。

确定客舱内的热边界条件是一方面,另一方面是将这些与人的热物理感觉结合起来,以获得关于乘员舒适度感知的反馈。基于Dusan Fiala博士的博士论文,我们提供了一个广受好评的假人热模型FIALA-FE模型。该模型补充了一系列的舒适性模型,可以对乘员的舒适感进行详细的分析。

乘员的热舒适性评级

身体活动水平

每个人都会产生内热。在模拟中,人体产生的热量被集中到一个称为"活动水平”的值中。活动水平可以被认为是主体所做工作或行动强度的指标。它的单位是MET,是活动代谢等价物。正常情况下,静止状态下的基础活动水平在0.8~1.0 MET之间。对于繁重的体力劳动和正常的体育活动,可以达到最高10 MET。在一个乘员舱模拟中,通常为司机指定为1.2 MET,为其他乘员指定为1.0 MET。

显示典型活动下的代谢等效水平的示意图
典型活动及其代谢当量(MET)
显示代谢等效水平读数的视图
显示演奏乐器时代谢等效水平的示意图
显示在计算机上工作时的代谢等效水平的示意图
显示园艺工作代谢等效水平的示意图
显示骑车代谢等效水平的示意图
显示爬楼梯代谢等效水平的示意图
显示跳绳代谢等效水平的示意图
显示跑步代谢等效水平的示意图
典型活动及其代谢当量(MET)

衣物的影响

显示多层衣服叠加的图像

人体及其周围的环境可以被看作是一个热力系统。根据穿着的衣服,人体与周围环境的绝热程度不同。隔热效果的关键是包裹在服装层内的一层薄薄的空气。与羊毛或任何其他织物等固体材料不同,空气是非常差的导热材料,因此会有比较高的绝热效率。必须要考虑到的是,这种被包裹的空气层是在接触区域被挤出的,例如当一个人坐在座位上的时候,就减少了人体与座椅等接触区域的衣物的绝热效果。另一方面,座椅本身可以被认为是一个虚拟的额外服装层。在极端情况下,接触区域的绝热非常有效,根本不会从人体中向外散热,最终导致坐在座椅上的人出汗。
THESEUS‑FE允许用户自由地改变假人的衣物。代表夏季和冬季衣物的典型组合随软件一起提供,并随时可以调用

短期和长期的热舒适性

显示座椅和假人接触区域的图像
座椅和车身之间的接触区域

在实际应用中,许多舒适性模型都是基于准平衡的观点。这意味着短期的舒适性会被忽视。这方面的一个例子是,在坐下来后的短时间内,在座椅接触区域中会感觉到冷却的效果。从长远来看,由于上面讨论的高绝热性,人体热量堆积,可能会导致开始出汗。

热中性

一个热力系统处于中性状态就是说这个热力系统与周围环境处于热平衡状态。对于人体来说,这意味着所有内部产生的代谢热量完全转移到周围的情况,并且出汗和颤抖等生理调节机制被关闭。

显示虚拟人类热模型热中性状态的典型温度结果和其他数量的示意图
热中性和相关人体温度值的示例结果

评估舒适度的指标

PMV指标

舒适指数PMV代表“预测平均投票”,来源于真实世界的试验,试验对象在不同的热环境下对自己的舒适感进行评分。该方法是由Fanger提出的,结果是在一个从冷(-3)到热(+3)的7分制范围内给出的。热中性的点被设置为PMV值为零。人体(或其表面)的温度在PMV=0时随时间保持稳定。

  • PMV < 0:
    在较冷的条件下,传递到环境中的热量多于体内产生的热量。人体温度下降。在极端条件下,人体产生热生理学的颤抖反应,以增加内热的生产。
  • PMV > 0:
    在温暖的环境中,传递到环境中的热量比体内产生的热量少。人体温度上升。最终,人体通过出汗作为冷却调节机制做出反应。

关于这种舒适性价值的详细信息可以在许多标准中找到, 例如ASHRAE 55 和DIN EN ISO 7730。

总体舒适性

最简单的统计方法是将PMV=0的情况视为最优情况。每一次偏离这种状态都或多或少意味着不舒服。Fanger的另一个指数PPD(表示“不满意的人的百分比”)可以用来分析平均舒适度。考虑到不同人群的舒适感是不一致的,甚至在PMV=0时,至少会有接近5%的人对热环境感到不满意。
在THESEUS‑FE中可以使用的另一种方法是使用人类的平均皮肤温度来估计总体舒适性。两种模型分别是是TS(热感觉)和DTS(动态热感觉)指数。

评价总体舒适度的测量变量

显示作用与人体的各种环境影响及其热调节机制的示意图
作用于人体的边界条件,包括其自身的调节机制

为判断局部舒适性,可以使用局部皮肤温度值(或其时间倒数)。或者,也可以利用从皮肤传递到周围环境的热流。
在THESEUS‑FE的模拟中,假人与其周围环境之间的热流分为四个部分:

  • 对流热流(附近空气与皮肤或衣物之间的对流)
  • 短波辐射(如太阳辐射)产生的热交换
  • 长波辐射产生的热交换,即假人与汽车机舱之间的热交换
  • 接触区域内的热流

这些热流在很大程度上取决于假人的表面温度。对于裸露的身体部位(如手),这等于皮肤温度。对于穿着衣服的身体部位来说,要使用的是衣服本身的温度。

等效温度

在评估一个人的热舒适性时经常使用的另一个值是所谓的“等效温度”。简单地说,它是一个人“实际感觉”的温度。引入这一数量的一个原因是,从模拟本身获得的热流对大多数人来说意义不大。大多数人倾向于根据某种熟悉的温度值来判断热的感觉。等效温度的定义是由以下问题启发的,在一个理想的、空气和壁面温度均质且没有强制空气对流的封闭房间中,需要多大的温度才能在所考虑的身体部位产生相同的热流?然后,这个温度值被定义为有关身体部分的等效温度。

一个坐着的人的典型热舒适结果图像
基于等效温度的五点量表的局部舒适模型的结果

局部舒适性模型

THESEUS‑FE支持多个模型来评估局部舒适度。一个著名的例子是来自加州大学伯克利分校的Zhang模型,它基本上是对身体不同部位的局部皮肤温度进行评估。与此形成对比的是,ISO 14505的指数使用了局部的等效温度,并区分了夏装和冬装。基于等效温度的局部舒适模型的优点是,任何身体部位的每个局部舒适指数都可以很容易地追溯到其表面的热流。这大大简化了理解在特定情况下舒适或不适的原因的过程。

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