孔舒婷 張曉彤 陳健 廖春暉*

重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

太陽輻射嚴(yán)重影響著汽車內(nèi)部的熱環(huán)境，降低太陽輻射對(duì)車內(nèi)熱環(huán)境的影響對(duì)提高乘員熱舒適性和降低汽車能耗有著重要作用。在夏季炎熱高溫的環(huán)境下，汽車作為一種特殊的封閉圍護(hù)結(jié)構(gòu)，不斷地接受太陽輻射后，車內(nèi)溫度會(huì)迅速升高，給車內(nèi)人員帶來極大的熱不舒適感。雖然在行車過程中通過車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的制冷可以使車內(nèi)保持在一個(gè)較舒適的溫度環(huán)境，但是汽車在靜置狀態(tài)下接受太陽暴曬后的車內(nèi)高溫不僅會(huì)給乘員帶來強(qiáng)烈的熱沖擊，過高的車內(nèi)溫度還容易帶來內(nèi)部物品的老化、車內(nèi)物品自燃、爆炸等危害[1]。此外，良好的車內(nèi)熱環(huán)境不僅能夠提高乘員的熱舒適性，也有利于提高駕駛的安全性，而且還能減少汽車能耗[2]，因此，改良汽車內(nèi)部的熱環(huán)境十分必要。

目前，對(duì)汽車內(nèi)部熱環(huán)境及熱舒適性的研究，在研究方法上主要是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和仿真模擬，研究?jī)?nèi)容主要集中在車內(nèi)溫度場(chǎng)與流場(chǎng)，乘員動(dòng)態(tài)熱響應(yīng)上[3-5]。本文采用實(shí)測(cè)的方法，通過改變?nèi)v轎車前擋風(fēng)玻璃的隔熱率，研究太陽輻射下汽車前擋風(fēng)玻璃特性變化對(duì)車內(nèi)熱舒適的影響，為汽車玻璃選型及貼膜提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試基本情況

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)選取三輛相同型號(hào)的未貼膜的汽車，該車型的乘坐空間大小和內(nèi)部構(gòu)造與家用汽車相近，具有一定的代表性。實(shí)驗(yàn)用車車身為白色，車內(nèi)座椅為米白色。

實(shí)驗(yàn)用膜為兩塊隔熱率不同的前擋膜，隔熱率是指太陽能被玻璃，玻璃膜復(fù)合層反射的部分和被吸收的向外部輻射的部分的太陽能之和占總太陽能的百分比。通過市場(chǎng)調(diào)研，最終選擇了隔熱率分別為30%和70%的前擋膜。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與時(shí)間

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取為重慶市沙坪壩區(qū)昆侖駕校內(nèi)的一片空地，周圍無遮擋物遮擋，避免了遮擋物遮擋太陽輻射對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。通過前期對(duì)室外氣候的觀察并考慮各種因素的影響，將實(shí)驗(yàn)時(shí)間選為13:05-14:35，此時(shí)的室外氣候條件能夠很好地滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)試的要求。重慶位于北緯30°左右，夏季重慶地區(qū)大氣透明度等級(jí)為6，根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012[6]，在13:00-15:00 時(shí)，夏季北緯30°太陽總輻射照度最大的方向?yàn)檎戏较?。故?shí)驗(yàn)中3 輛汽車前擋風(fēng)玻璃均朝正南方向停放，且汽車間相互無遮擋，如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)主要儀器：TRM-GPS3 手持網(wǎng)絡(luò)氣象站、HOBO/UX100-011 溫濕度記錄儀、四通道熱電偶溫度記錄儀，所采用的儀器及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 各儀器參數(shù)表

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究汽車前擋風(fēng)玻璃特性變化對(duì)車內(nèi)熱舒適的影響，本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了三個(gè)工況：工況①-前擋風(fēng)玻璃不貼膜。工況②-前擋風(fēng)玻璃貼有隔熱率為30%的膜。工況③-前擋風(fēng)玻璃貼有隔熱率為70%的膜。

實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)連續(xù)的階段：升溫階段和降溫階段，模擬大部分城市夏季用車的真實(shí)情況。

升溫階段：該階段從13:05 開始，14:05 結(jié)束，共60分鐘，測(cè)試太陽輻射下汽車內(nèi)部熱環(huán)境的變化過程。該階段汽車門窗以及車內(nèi)空調(diào)都處于關(guān)閉狀態(tài)，汽車僅受自然環(huán)境下的熱負(fù)荷。

降溫階段：該階段從14:05 始，14:35 結(jié)束，共30分鐘，測(cè)試處于熱舒適狀態(tài)的乘員進(jìn)入該汽車乘坐空間，啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)后，車內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)及乘員熱響應(yīng)的變化。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)包括環(huán)境氣溫，前擋風(fēng)玻璃內(nèi)外壁面溫度，車內(nèi)空氣溫度，座椅溫度，空調(diào)出風(fēng)口溫度及風(fēng)速，乘員皮膚溫度及主觀熱感覺評(píng)價(jià)。

①環(huán)境氣溫

實(shí)驗(yàn)中，將HOBO 溫濕度記錄儀懸掛在試驗(yàn)場(chǎng)地旁的陰涼區(qū)域，以避免太陽直射輻射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，每隔2s 記錄一次空氣溫度。

②前擋風(fēng)玻璃內(nèi)外壁面溫度

前擋風(fēng)玻璃內(nèi)外壁面溫度由四通道熱電偶溫度儀自動(dòng)記錄，每隔2 s 記錄一次。實(shí)驗(yàn)中，在內(nèi)外壁面上分別選取兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，用其溫度的平均值來代表整個(gè)內(nèi)外壁面的平均溫度，具體的測(cè)點(diǎn)選取由預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。為了減小太陽直射輻射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，用錫箔紙將熱電偶探頭固定在玻璃壁面上。

③車內(nèi)空氣溫度

為了反映車內(nèi)空氣溫度對(duì)乘員的影響，將空氣溫度的測(cè)點(diǎn)布置在乘員乘坐時(shí)的胸部前方，如圖2 所示，每隔2 s 記錄一次。

圖2 空氣溫度測(cè)點(diǎn)布置

④座椅溫度

由于汽車結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，座椅溫度僅測(cè)試駕駛座及駕駛座后方的座位。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將測(cè)點(diǎn)布置在坐墊中部及靠背中部，如圖3 所示，并用其溫度的平均值來代表整個(gè)座椅的溫度，每隔2 s 記錄一次。在降溫階段，乘員已坐進(jìn)車內(nèi)，因此，座椅溫度僅在升溫階段測(cè)試，降溫階段不進(jìn)行座椅溫度的測(cè)試。

圖3 座椅測(cè)點(diǎn)布置

⑤乘員皮膚溫度

乘員皮膚溫度的測(cè)定從降溫階段開始，這時(shí)，處于熱舒適狀態(tài)的6 名乘員分別進(jìn)入3 輛汽車中，每輛車2 名乘員，其中1 名乘員坐在駕駛座，另外1 名乘員坐在駕駛座后方的座位上，啟動(dòng)汽車內(nèi)部空調(diào)，開始制冷。乘員皮膚溫度由四通道熱電偶溫度記錄儀記錄，測(cè)點(diǎn)包括頭部，上肢和下肢。由于人體的對(duì)稱性，僅對(duì)人體右半部分的皮膚溫度進(jìn)行測(cè)量，每隔2 s 記錄一次。

⑥主觀熱感覺評(píng)價(jià)

由于汽車乘坐空間熱環(huán)境的不均勻性，采用ASHRAE 七點(diǎn)熱感覺標(biāo)度來評(píng)價(jià)乘員的局部和全身的熱感覺。實(shí)驗(yàn)中，通過問卷的形式來評(píng)價(jià)乘員頭部、軀干、上肢、下肢的局部熱感覺和全身熱感覺，每隔1 min 評(píng)價(jià)一次。為了減少其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高實(shí)驗(yàn)的成功率，實(shí)驗(yàn)選取了6 名身體健康、體型相近、對(duì)同一熱環(huán)境的熱感覺相差不大的男乘員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。6 名男乘員均來自暖通專業(yè)，均對(duì)ASHRAE七點(diǎn)熱感覺標(biāo)度有過深入的學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，6 名乘員均身著長(zhǎng)褲和短袖襯衫，服裝熱阻約為0.57clo，進(jìn)入乘車空間前，在接近人體熱舒適的房間中休息，這時(shí)，乘員只能靜坐或進(jìn)行極輕度勞動(dòng)，不能進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

⑦空調(diào)出風(fēng)口溫度及風(fēng)速

實(shí)驗(yàn)前，用手持網(wǎng)絡(luò)氣象站對(duì)汽車空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，并把三輛車的空調(diào)出風(fēng)口溫度及風(fēng)速都調(diào)至25 ℃，4.3 m/s（三擋），減小其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

①將3 輛實(shí)驗(yàn)用車停至陰涼處，將準(zhǔn)備好的2 張不同的隔熱率膜分別貼在其中2 輛車的前擋風(fēng)玻璃上。實(shí)驗(yàn)中，為了減小側(cè)擋風(fēng)玻璃對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，用錫箔紙將側(cè)擋風(fēng)玻璃遮住，防止太陽輻射通過側(cè)擋風(fēng)玻璃進(jìn)入車內(nèi)。按1.3.2 節(jié)中相關(guān)要求將3 輛車的空調(diào)出風(fēng)口溫度及風(fēng)速調(diào)至一致。

②按照相關(guān)操作說明，對(duì)各儀器進(jìn)行校正。校正完成后，按1.3.2 節(jié)中的相關(guān)要求布置測(cè)點(diǎn)和儀器。

③打開3 輛車的車門，對(duì)車內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，使3 輛車在實(shí)驗(yàn)開始前保持相同的熱環(huán)境狀態(tài)。

④13:05 時(shí)，將3 輛車按1.1.2 節(jié)中的相關(guān)要求停到指定位置，關(guān)閉所有車窗，車門及空調(diào)，開始升溫階段的測(cè)試。60 分鐘后，6 名處于熱舒適狀態(tài)的乘員進(jìn)入車內(nèi)，打開空調(diào)系統(tǒng)，按照1.3.2 節(jié)中的相關(guān)要求，進(jìn)行降溫階段的測(cè)試。

⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉空調(diào)，整理儀器。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 預(yù)實(shí)驗(yàn)

為了提高實(shí)驗(yàn)的成功率，并找出前擋風(fēng)玻璃上代替平均壁面溫度的測(cè)點(diǎn)，在正式實(shí)驗(yàn)前，首先進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)。預(yù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟與1.3.3 節(jié)一致，其中，壁面溫度測(cè)點(diǎn)的布置如圖4 所示。

圖4 前擋風(fēng)玻璃測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在正式試驗(yàn)中，將外壁面的測(cè)點(diǎn)布置在圖4 中的1 和5 位置，內(nèi)壁面的測(cè)點(diǎn)布置在圖4 中的1 和2 位置。

2.2 車內(nèi)熱環(huán)境特點(diǎn)分析

2.2.1 玻璃壁面溫度

對(duì)比不同工況下的前擋風(fēng)玻璃壁面溫度的變化情況，如圖5 所示，可以發(fā)現(xiàn)，在升溫階段，隨著隔熱率的上升，內(nèi)外壁面溫度反而上升。在升溫階段結(jié)束時(shí)，工況③下的前擋風(fēng)內(nèi)外壁面溫度最高，其中內(nèi)壁面達(dá)到了61 ℃，外壁面達(dá)到了56 ℃。這主要是由于實(shí)驗(yàn)用隔熱膜是通過在膜中添加紅外線吸收劑或金屬材質(zhì)，提高吸收紅外線和反射紅外線的能力來達(dá)到隔熱的效果的。隔熱率越高，膜能夠吸收的熱量就越多，溫度就越高，傳給內(nèi)外壁面的熱量也就越多。

圖5 前擋風(fēng)玻璃壁面溫度對(duì)比

在降溫階段，不同工況下的前擋風(fēng)玻璃內(nèi)外壁面溫度降至同一水平時(shí)的平均時(shí)間為工況③＜工況①＜工況②。當(dāng)內(nèi)外壁面溫度均降至45 ℃時(shí)，工況①、②、③所需的降溫平均時(shí)間分別為22.5 min、24 min、15 min。因此，工況③下的前擋風(fēng)玻璃壁面溫度下降得最快，而工況②下降得最慢，其原因主要是隔熱膜中添加的某些紅外線吸收劑或金屬材質(zhì)，使得膜的導(dǎo)熱系數(shù)升高，且30%的隔熱膜吸熱能力較小，當(dāng)吸熱達(dá)到飽和時(shí)，不僅不能起到隔熱的效果，多余的熱量還會(huì)溢出，導(dǎo)致溫度降低速率下降。

在降溫階段結(jié)束時(shí)，三個(gè)工況下的前擋風(fēng)內(nèi)外壁面平均的溫度都相差不大，因此，汽車貼膜只能在一定程度上提高玻璃壁面的降溫速率，且不能選擇隔熱率過低的膜，否則會(huì)因吸熱能力過低反而減小降溫的速率。

2.2.2 座椅溫度

圖6 是汽車在太陽輻射下升溫時(shí)內(nèi)部座椅的溫度變化情況，由于汽車車身及前排座椅對(duì)太陽輻射的遮擋作用，在三種工況下，前排座椅的平均溫度均高于后排座椅，且最大溫差可達(dá)5 ℃左右。對(duì)比三種工況下的座椅溫度，無論是前排座椅還是后排座椅，座椅溫度在整個(gè)升溫階段內(nèi)都是工況①＞工況②＞工況③，說明提高前擋風(fēng)玻璃的隔熱率，可以降低車內(nèi)的座椅溫度。在升溫階段結(jié)束時(shí)，工況③下的前排座椅溫度比工況①下的低1.5 ℃左右，后排座椅溫度低3 ℃左右。

圖6 座椅溫度對(duì)比

2.2.3 空氣溫度

圖7 是三種工況下汽車前后艙氣溫的變化情況。在升溫階段，無論是前艙還是后艙，空氣溫度都是工況①＞工況②＞工況③，但工況①下的空氣溫度與工況②下的相差非常小，小于1 ℃，說明30%的隔熱膜隔熱效果較差，70%的隔熱膜對(duì)降低車內(nèi)氣溫有一定的作用。在升溫階段結(jié)束時(shí)，70%的隔熱膜可使前艙氣溫下降約5 ℃，后艙氣溫下降約8 ℃。因此，提高前擋風(fēng)玻璃的隔熱率，可以降低升溫階段的車內(nèi)空氣溫度，減小乘員進(jìn)入車內(nèi)時(shí)受到的熱沖擊強(qiáng)度。

圖7 汽車前后艙溫度對(duì)比

在降溫階段，無論是前艙還是后艙，空氣溫度都是工況②＞工況③＞工況①，降溫階段結(jié)束時(shí)，工況②和工況③下的空氣溫度相差不大，約為1 ℃，但工況①下的車內(nèi)氣溫卻比其他兩個(gè)工況低10 ℃左右，且其降溫速率在整個(gè)降溫階段中都過快，推測(cè)其原因可能是乘員進(jìn)入乘坐空間后，由于熱沖擊較大，熱不舒適感較強(qiáng)，擅自調(diào)大了空調(diào)的風(fēng)速。因此，在降溫階段，通過貼膜來改善車內(nèi)的熱環(huán)境作用比較小，遠(yuǎn)不及空調(diào)帶來的影響，但在降低空調(diào)能耗上有一定的作用。

2.3 人體熱舒適分析

2.3.1 皮膚溫度

圖8 是不同工況下各乘員的皮膚溫度變化曲線。由于前排乘員距離空調(diào)出風(fēng)口更近，受空調(diào)低溫氣流的影響比后排乘員大，在皮膚溫度趨于穩(wěn)定時(shí)，無論是上肢、下肢還是頭部，后排乘員的皮膚溫度都要高于前排乘員，最大溫差可達(dá)5 ℃，出現(xiàn)在工況③下前后排乘員的頭部。隨著前擋風(fēng)玻璃隔熱率的增大，前后排乘員相同部位的溫差減小，說明貼膜可以改善汽車內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻性。

對(duì)比不同工況下乘員的皮膚溫度，可以看到，無論是上肢、下肢還是頭部，乘員局部皮膚溫度都是工況②＞工況①＞工況③。工況②與工況③相比，對(duì)于前排乘員，其上肢溫度要高6.5 ℃左右，頭部溫度要高15 ℃左右，下肢溫度要高6 ℃左右。因此，提高汽車前擋風(fēng)玻璃的隔熱率，可以一定程度上降低乘員的皮膚溫度。分析發(fā)現(xiàn)，工況②下的乘員皮膚溫度要比工況①時(shí)更高，這與2.2.3 中空氣溫度的變化是一致的，很可能是乘員手動(dòng)調(diào)大了空調(diào)出風(fēng)速度導(dǎo)致的。

2.3.2 主觀熱感覺

首先分析同一個(gè)乘員局部熱感覺與整體熱感覺的關(guān)系，在本實(shí)驗(yàn)中，以工況①下的前排乘員和后排乘員為代表進(jìn)行分析，如圖9 所示。對(duì)于前排乘員，軀干的熱感覺與整體的熱感覺最接近，對(duì)于后排乘員，頭部的熱感覺與整體的熱感覺最接近。因此改善前排乘員軀干的熱感覺和后排乘員頭部的熱感覺，可以較大程度上改善乘員的整體熱感覺。

圖9 工況①下前后排乘員局部熱感覺對(duì)比

圖10 是不同工況下乘員整體熱感覺的對(duì)比，分析可知，各乘員達(dá)到熱中性狀態(tài)的時(shí)間為：工況③下的前排乘員=工況①下的前排乘員＜工況①下的后排乘員＜工況③下的后排乘員，而工況②下車內(nèi)的乘員直到降溫階段結(jié)束時(shí)，都還未達(dá)到熱中性。可以看到，由于工況①的降溫階段乘員手動(dòng)調(diào)大了空調(diào)風(fēng)速，工況①車內(nèi)前后排乘員達(dá)到熱中性狀態(tài)的平均時(shí)間為11.5 min，要稍短于工況③的13.5 min，說明提高前擋風(fēng)玻璃的隔熱率雖然對(duì)改善車內(nèi)的熱舒適有一定的作用，但其作用遠(yuǎn)低于空調(diào)制冷的作用。

圖10 不同工況下乘員整體熱感覺對(duì)比

3 結(jié)論

1）汽車前擋風(fēng)玻璃貼膜，反而會(huì)使升溫階段前擋風(fēng)玻璃壁面溫度升高，但可以在一定程度上加快降溫的速率。降溫過程中，當(dāng)壁面溫度趨于穩(wěn)定時(shí)，不同隔熱率的膜最終使壁面達(dá)到的溫度基本上相同。

2）提高前擋風(fēng)玻璃的隔熱率，可以減小乘員進(jìn)入車內(nèi)時(shí)受到的熱沖擊強(qiáng)度，縮短達(dá)到熱舒適狀態(tài)的時(shí)間，提高熱舒適性。但其對(duì)熱舒適的改善程度與空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)的改變相比太小，不過可以在一定程度上降低空調(diào)的能耗，起到節(jié)能的效果。

3）對(duì)于升溫階段，提高前擋風(fēng)玻璃的隔熱率可以較好的改善車內(nèi)的熱環(huán)境。但對(duì)于降溫階段，由于空調(diào)制冷的影響，前擋風(fēng)玻璃隔熱率的提高對(duì)車內(nèi)熱環(huán)境和乘員熱舒適的改善作用較小。