空调客车内气流分布的人体热舒适性研究

向立平^{1, 2}，王汉青³

(1. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 湖南科技大学 能源安全与工程学院，湖南 湘潭，411201；

3. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲，412008)

摘  要：采用k-ε湍流模型和贴体坐标，应用整体求解法计算车室内气固耦合传热问题，应用Monte Carlo法分析计算太阳辐射在车室内固体表面引起的附加热流变化，研究空调客车室内空气流动速度和温度分布规律及热舒适评价指标(Predicted mean vote-predicted percentage of dissatisfied, 即V_P和P_D)分布状况。研究结果表明：靠窗侧座椅区V_P绝对值较小，但P_D较大，有吹冷风感, 从热舒适性出发，空调送风速度不应大于2 m/s；车室内靠走廊座椅区和走廊区的V_P的绝对值小于0.5，而P_D小于10%，能满足大部分乘客的热舒适性要求；车厢前部区域温度偏高，对人体热舒适不利。

关键词：空调客车；气流组织；温度场；热舒适

中图分类号：TU111.19         文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)05-1194-05

Thermal comfort based on air distribution in air-conditioning vehicle

XIANG Li-ping^{1, 2}, WANG Hang-qing³

(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha, 410083,China;

2. School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan, 411201, China;

3. School of Civil Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou, 412008, China)

Abstract: Using body fitted coordinate and k-ε turbulence model, the indoor air/solids fluid flow and heat transfer conjugated problems were resolved with the method. The effect of solar radiation was taken into accout by means of the Monte Carlo method and this auxiliary heat flow on the faces of the indoor solids is the source term of the energy equation. The airflow field and temperature field in the chamber were numerically simulated. The results indicate that V_P (Predicted mean vote) index in window seat zone is a little smaller and P_D (Predicted percentage of dissatisfied) index is a little larger, passengers feel a cold bit. The absolute value of V_P index in the aisle and aisle seat zone is less than 0.5, P_D index is less than 10%, which can agree with passenger’s thermal comfort. The temperature around the front of vehicle is higher than that of other zones, which hurts passenger’s thermal comfort.

Key words: air conditioning vehicle; air organization; temperature field; thermal comfort

随着我国经济的飞速发展，人们的生活水平不断提高。为满足人们对汽车舒适性的要求，绝大部分汽车已配置空调系统。空调客车气流组织的任务是组织车内的空气流动，使空气的温度、湿度、流速等指标符合人体的舒适性要求。合理的气流组织能使车内保持合适的温度、速度范围，很好地符合人体的舒适感觉，从而降低司机及乘客旅途的疲劳程度，提高汽车的安全性。国外一些研究人员开展了这方面的工作，但大多研究集中于轿车的空气温度场及车内和外界热交换热辐射等内容^[1-7]。国内研究者主要针对列车车厢内流场、温度场及热舒适进行研究，对客车空调热舒适性研究较少^[8-10]。为此，本文作者在考虑人体散热和太阳辐射对流场和温度场影响，通过耦合求解，计算车室内的空气流动速度和温度分布，并参考研究建筑物热舒适的方法，根据空调客车的特点及ISO7730标准，以热舒适评价指标V_P和P_D分析车室内人体的热舒适性。

1  模型的建立

1.1  空调客车物理模型的简化

研究的对象是有49个座位的豪华空调客车。空调客车车室内部结构复杂，为此建立典型的简化客车结构如图1所示。其几何参数为：车室内长11.05 m，宽2.5 m，高2.79 m；玻璃窗为普通玻璃，厚度为5 mm；左右对称布置12排乘员座椅。风道位于车顶左右两侧，送风口沿风道长度方向均匀布置。回风口位于车顶中央，通过走廊集中回风。

图1  空调客车车室简化模型图

Fig.1  Diagram of air conditioning vehicle

1.2  数学模型

空调客车室内的气流运动属于紊流运动，在紊流的工程计算中，k-ε两方程模型的应用最广泛，并取得了较好的结果^[11]。选用k-ε两方程对该问题进行数值模拟。在假设和简化的基础上，建立含连续性方程、动量方程、紊流动能方程(k方程)、紊流动能耗散方程(ε方程)、能量方程等在内的一套封闭的方程组，其通用形式为：

空调客车室内热舒适性、评价指标采用PMV-PPD表示，预测平均值V_P和预测不满意度P_D的计算公式为^[12-14]：

T_cl，f_cl和h_c的计算公式为：

2  边界条件和数值求解方法

在数值计算中，空调车室的边界条件，特别是热边界条件的建立是关键。整个车厢按定员考虑，人体散热量按116 W/人计算，将这些热量均匀分布在座位上方，对于太阳辐射影响，采用Monte Carlo法^[15]对太阳透射辐射能在车室内表面的分配比例进行计算，从而得出太阳透射辐射在空调车室内各表面引起的附加热流变化，以此2项作为能量方程的附加源项。

送风口边界条件：W=2 m/s，u=v=0(W为送风口垂直方向的气流，u和v为相互垂直的两水平方向的气流速度)；t_in=18 ℃，k=0.02，ε=0.008。

出风口边界条件：为压力出口边界，出口压力为0.1 MPa；k和ε自由滑动。

车室内气固交界面存在气固耦合传热，固体表面之间还存在着辐射换热，以及太阳透射过玻璃后在固体表面的投射能量，因此，气固表面温度梯度符合下式：

车体综合传热系数K=1.16 W/(m²?℃)；车室外综合温度T=303 K；车顶及车辆侧壁面、车室地板、行李架符合无滑移边界条件，即u_i=0。

由于空调客车结构复杂，“热桥”、“热穿热桥”的存在使车厢导热呈复杂的三维特征。根据客车的特点，对车厢体分区，包含“热桥”区域的网格及临近网格采用圆弧热流法^[16]求解其当量热系数，通过人为增大其导热率的方法，来反映“热桥”造成的影响。

为较好地逼近车室内复杂的结构，采用贴体坐标划分计算网格，为节省计算机内存和计算时间，在壁面处采用壁面函数法处理。应用有限差分法和交错网格离散控制微分方程，采用应用压力修正法即SIMPLE算法求解离散控制方程。对流项采用迎风差分格式，将扩散项与对流项的影响系数分离，使方程绝对稳定；把相邻节点的影响系数表示成对流分量与扩散分量之和，将对流部分归入源项。

3  模拟结果与分析

对空调客车内的流场、温度场和热舒适性的数值计算，获得了如下比较理想的结果。图2和图3所示为送风速度v=2.0 m/s时，x=6.86 m的断面(距车前挡玻璃内侧长4.19 m的回风口处)和x=9.14 m的断面(距车前挡玻璃内侧长1.91 m的送风口处)流场分布。图4和图5所示为x=6.86 m和9.14 m断面处的温度等值线分布，x=6.86 m和9.14 m断面处V_P和P_D分布分别如图6~9所示。

送风口的位置对空调客车室内流场、温度场及热舒适性指标V_P和P_D的影响较大。如图3所示，流场具有很强的对称性，各对称面的气流流线几乎相同；送出的冷射流轴心速度垂直向下，扩散角度很小，在两侧座椅处产生较大流动涡旋，空气流动强度较大。由于两侧座椅距送风口很近，温度较低，风速较高，V_P较低，P_D较大，乘客有吹风感。

图2  x=6.86 m的断面速度矢量分布

Fig.2  Velocity vectors for section of x=6.86 m

图3  x=9.14 m的断面速度矢量分布

Fig.3  Velocity vectors for section of x=9.14 m

图4  x=6.86 m的断面温度分布

Fig.4  Temperature field for section of x=6.86 m

图5  x=9.14 m的断面温度分布

Fig.5  Temperature field for section of x=9.14 m

图6  x=6.86 m的断面V_P分布

Fig.6  V_P for section of x=6.86 m

图7  x=9.14 m的断面V_P分布

Fig.7  V_P for section of x=9.14 m

图8  x=6.86 m的断面P_D分布

Fig.8  P_D for section of x=6.86 m

图9  x=9.14 m的断面P_D分布

Fig.9  P_D for section of x=9.14 m

太阳辐射和人体散热对车室内温度场和人体热舒适性影响较大。靠窗两侧的座椅区域受太阳辐射和送风口的作用，冷射流与热空气相混合，冷空气不断下移，而热空气逐渐上移，两侧座椅上区的空气温度比车室中部温度稍低，但有吹风感，导致该区域P_D较大。除靠窗侧座椅区域有一部分区域P_D＞10%外，其他大部分区域P_D＜10%，按照ISO—7730规定P_D＜10%，乘客感觉舒适。乘客从头到脚的温差在1.3 ℃内，在相应的温度变化范围大约偏离最佳舒适温度1.5 ℃以内^[13]。车厢前部挡风玻璃受到的阳光辐射面积大，使车室内靠前窗部分温度较高，应该增加送风口，以加大送风量。如图5所示，由于座位区人员集中，人体热量均匀分布在座椅上方的假设与真实人体热量分布有所偏差，造成座椅区温度高达30.4 ℃。

送风速度对空调客车室内流场分布有一定影响，当风速为2 m/s时，靠窗乘客所在区域V_P为-1.2~-0.1，而靠窗侧座椅区域P_D最大值达29.5%，根据ISO—7730规定，这送风参数对车室内大部分乘客来说是不满意的，说明乘客有吹风感。整个流场具有很强的对称性，射入的冷气流在车室内扩散开，扩散的气流受到壁面和座椅的阻挡而改变流向，座椅上部区流速较大，座椅下部区流速较小，从乘客的热舒适性考虑，空调送风速度不宜超过2 m/s。

回风口对空调客车内流场影响较大。由图2可知，距回风口越近，流动强度越强，速度流线偏向回风口，风速逐渐趋近于回风口速度，回风口处风速约高达4.64 m/s；回风速度较大，必然导致风机噪声增加，从而影响乘客的乘车舒适性，应该适当加大回风口面积。

空调客车室内靠走廊侧座椅和走廊乘员活动区域的V_P最低为-0.3，最大为0.5，根据ISO—7730，可以满足乘客的热舒适要求。靠窗侧座椅区域的V_P最低为-1.6，人体有吹冷风感。

4  结  论

a. 对空调客车室内空气三维紊流流动和传热的数值计算，可以正确预测流场和温度场的分布情况，并根据流场和温度场预测车室内V_P和P_D分布情况，为空调车室内气流组织的优化设计提供指导，从而缩短设计周期，节省人力、物力与财力，获得满意的空调效果。

b. 空调的送风口对空调客车室内流场、温度场以及热舒适性指标V_P和P_D分布影响较大，送风速度对两侧座椅区的空气流动强度有较大影响，从热舒适性出发，空调送风速度不应大于2 m/s。

c. 太阳辐射和人体散热对车厢内流场影响不大，但对车内温度场和热舒适性影响较大。在太阳辐射的作用下，车室内靠窗区域温度较高，因靠近送风口，从而该区域内乘客头部以下V_P较小，但P_D较大，说明该区乘客有吹冷风感。车室内靠走廊座椅区和走廊区的V_P的绝对值小于0.5，而P_D小于10%，能满足大部分乘客的热舒适性要求。

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收稿日期：2008-11-26；修回日期：2009-03-03

基金项目：国家自然科学基金资助项目(10775047)；湖南省科技计划重点项目(2007FJ2006)

通信作者：向立平(1977-)，男，湖南衡阳人，博士研究生，从事汽车空调仿真控制与节能、人体热舒适研究；电话：13047226876；E-mail: elephantxlp@163.com