座舱热舒适性 CFD——保持热量的好帮手

作者 Andrea Matrisciano

告诉我您的 HVAC 习惯，我会揭晓您是
哪种类型的 HVAC 工程师。

根据 ASHRAE 55 标准（由美国采暖、制冷与空调工程师协会发布），热舒适性被定义为“表达对热环境满意度的心理状态”。

那么，让我向您讲述一个有关“心理状态”的小轶事，以一个住在巴塞罗那的意大利人参观德克萨斯州的办公室为例。

他们说，这是一场心理游戏。

我上一次出差是在德克萨斯州，当时是 9 月份。这是一次特别愉快的旅行，因为我终于可以做两件我期待已久的事情。

首先，我真正见到了许多来自世界各地的组员，大家一起坐在同一个房间里。是的，一个合适的办公会议室，有一张很长的桌子和一台巨大的电视，是不是很熟悉？其次，我尝试了正宗的德克萨斯风味烟熏牛腩。这两种经历都超出了我本已很高的期望，让我比平时更快乐地飞回西班牙，尽管比几天前起飞时重了几公斤。

这次旅行另一个让我完全惊讶的方面是办公室、酒店、餐厅和汽车舱外部和内部温度增量。在巨大的（对于欧洲标准）停车场上，最热的夏天酷热难当；当我进入任何建筑物或汽车时，突然又感觉，至少对我来说，就像斯堪的纳维亚半岛温和的春日（16 摄氏度或 60 华氏度）。

更有趣的事情，可能只有我，在观察房间里每个人对房间热条件的反应。对于空调 (A/C) 设置，我的主观“精神状况”几乎只是对没有带一件保暖的毛衣表示遗憾。然而，其他同事尽管穿着比我少的衣服，但还是部分或完全满意。

在这一点上，我非常清楚我必须如何度过返回欧洲的飞行时间。不，我不是在看复仇者联盟电影，而是打开 Simcenter STAR-CCM+ 2310，将新开发的人体舒适度模型无缝耦合到我的座舱热管理仿真中，在某种程度上，更好地了解我自己的心理状况（也许吧？）。

皮肤深处的秘密

在我的职业生涯中，我有幸与众多优秀的工程团队合作，帮助他们为广泛的应用开发前沿的热和流体动力学解决方案。因此，我认为，当涉及到将人类和皮肤温度计算添加到已经非常复杂的多物理场虚拟模型中时，它只是另外几组简单的热传导方程。毋庸置疑，我很快意识到我低估了这项任务，至少可以这么说。

人体本身就是一个异常复杂的系统。预测人体对环境变化的响应需要多个子模型，并与流体、能量和辐射求解器紧密耦合。因此，2011 年，Fiala 等人在 Int J Biometeorol (2012) 56:429-441 中提出了人类热传导和温度调节模型 – 由于其保真度，直到今天此模型仍然是最先进的。该模型能够在人体模型水平上评估皮肤温度，前提是根据特定约定（即头部、胸部、手臂、腿部等）对身体进行划分。Fiala 模型包含许多用于求解生物传热方程、代谢发热和血液循环物理的关键子模型。此外，单独的子模型负责计算整个人体矩阵中与环境的热交换。流体侧（即空调、辐射加热器辐射）和固体侧（即加热座椅、加热方向盘）的影响与用户自定义的衣物层的热阻和蒸发阻力一起考虑在内。最后，还包括一个体温调节子模型，用于预测中枢神经系统的基本反应（一个心理游戏，还记得吗？）血管收缩、皮肤血流扩张、颤抖和汗水排泄是根据既定和统计学相关测量数据解释的反应。

热门消息是，所有这些都刚刚在 Simcenter STAR-CCM+ 2310 中实施并发布。这有多凉爽？

获胜的舒适指数

现在显而易见的是，所描述的 Fiala 模型可以非常准确地预测皮肤温度，它实际上被认为是行业标准，尤其是在车辆座舱仿真中。然而，仅通过皮肤温度水平来量化舒适度仍然不够。人体舒适度与其他工程量（例如曳力系数）不同，这主要是由于人体的本质非常主观且不断变化。因此，科学界提出了几种不同的指标模型来可靠地量化人体舒适感，并为工程师提供强大的指标以最终评估座舱设计。在 Simcenter STAR-CCM+ 2310 中，全局 Fiala 动态热觉 (DTS) 和预测不满意百分比 (PPD) 舒适指数模型与基于 Rommelfanger 等人提出的公式的局部等效均匀温度 (EHT) 模型一起均可使用。

“全局”是指提供单一指标来量化乘客的舒适性，而局部模型则提供更详细的舒适性图（见右图），其中计算每个身体部位的指标。

这些模型（DTS、PPD 和 EHT）将 Fiala 热和温度调节模型提供的解决方案作为输入，并计算舒适指数。DTS 是一个无量纲数字，遵循 ASHRAE 标准提议的 7 点标度。负的 DTS （-3.0 至 -1.0）表示人体模型感觉寒冷，反之亦然。接近零的值表示乘客感到舒适。PPD 是一个统计指数，它提供了在给定条件下会感到不满意的人数百分比的估计值。同样在这种情况下，越接近 0%，乘客感到舒适的可能性就越大。
相反，局部 EHT 指数是物理温度。它们确定相关身体部位处于可接受的热损失水平内的程度。值越高表示热损失越低，而值越低表示热损失越高。局部 EHT 值与感知热感之间的关系是通过在各种热条件下对测试的受试者进行 1 小时测量来确定的。上述测量是 DIN EN ISO 14505 标准的一部分，该标准使 EHT 成为许多行业广泛接受的舒适度衡量标准（Rommelfanger 等人）。

HVAC 工程师的遗留问题 – 太冷有多冷？

有了所有这些很棒的新模型，我忍不住尝试一下我们的电动汽车 (EV) 乘用车座舱几何形状。我们所处的电气化时代 (E-era) 给汽车工程师带来了无数高度复杂的挑战。其中包括处理在鱼缸中游泳的不安分的锂离子灵魂（半引用），和看不见但难以忍受的高音调恶魔，最终到尊贵的热力学第一定律（又名，能量管理）。

无论现代电动汽车多么大肆宣传、华丽或功能齐全，它们都会经历一个循环，即电池中存储的每一千瓦时化学能都会转化为动能和热量，直到没有任何东西可以转换。正如多项研究（比如 Buhmann 等人）所示，对于普通消费者来说，决定购买电动汽车成败的最重要规格之一是实际续航里程。这意味着 OEM 设计的车辆必须采用尽可能智能的能量管理策略，才能充分利用每一千瓦时的化学能源。由于供暖、通风和空调 (HVAC) 可能会消耗大量能量来让乘客保持舒适状态，因此客舱舒适性研究已成为解决这一挑战的关键部分。

作为第一次尝试，受到德克萨斯州之行的启发，我考虑了一个稳态夏季场景（室外温度为 38 C – 100 F），并在 85% 风扇速度（质量流率为 0.04 kg/s）下模拟了多个 HVAC 温度 (16 C – 26 C)。

Fiala 热和温度调节模型以及各种舒适指数清晰地捕捉了太阳辐射的影响以及通风口的强制约定。在这些条件下，动态热感和预测不满意百分比表明，22 C 的 HVAC 温度是整体舒适性和能量消耗之间的最佳折中方案。这基于以下假设：HVAC 能源成本随着外部空气和空调空气之间温差的增加而增加。

此外，得益于 EHT 模型提供的详细舒适性图，我可以清楚地看到地板通风口的位置和质量流率会导致驾驶员的右脚和小腿明显不适。这一系列的测试还告诉我，我和仿真中不那么健谈的人体模型朋友实际上有一些共同点。我们的心理状况是一致的，即夏天坐在电动汽车驾驶室（或德克萨斯州的办公室）中，空调设置为 16 摄氏度很可能会导致不舒服的状态。

凛冬场景——终极平衡之举

鉴于到目前为止通过模型（以及我的人体模型朋友）获得的信心，我决定设置一组更复杂的案例，假设一个冬天的场景。

根据大量研究（例如 Leoncini 等人的研究），冬季是迄今为止电动汽车车辆热管理系统 (VTMS) 最具挑战性的条件。与可以从大量废热中受益的内燃机 (ICE) 动力车辆相比，电动汽车的车厢升温只能来自 VTMS，当然还有电池。此外，如果温度降至冰点以下，还需要消耗额外的能量来加热电池组本身，以避免潜在的灾难性故障。Iora 等人发现，冬季车厢和电池加热所需的辅助电力可能会使车辆续航里程减少多达 44%。Hao 等人对真实世界可用数据（近 200 辆电动汽车）的深入分析还表明，当环境温度低于 10 C 时，环境温度每变化 5 摄氏度，电池的耗电量就会增加 2.3 kWh/100 km。

这些数字清楚地表明了 HVAC 工程师面临的平衡举措到底有多么错综复杂。为了解决舒适性问题，除了传统的空调和加热座椅/方向盘解决方案外，原始设备制造商正在探索战略性地放置辐射加热板。这种电加热器旨在提供局部热量，以减少空调能量消耗并更快地优化局部乘客舒适度（还记得我的人体模型朋友非常寒冷的右小腿吗？）