姬雨初，李 澤

（中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300）

舒適的客艙環(huán)境將會提高乘客的乘機體驗，然而現(xiàn)階段飛機地面作業(yè)過程中，工作人員只能粗略地根據(jù)其感受到的客艙溫度和當時天氣環(huán)境來決定采取相應(yīng)的供氣模式，此種操作容易導致客艙溫度偏低或偏高，無法滿足乘客對飛機客艙熱舒適的要求，進而影響航空公司效益及地面空調(diào)的推廣應(yīng)用[1-3]。

在熱舒適的研究過程中，有許多指標被用來評價熱舒適性，常用的評價指標有預測平均投票數(shù)（PMV,predicted mean vote）和標準有效溫度（SET, standard effective temperature）。其中PMV 由Fanger[4]提出并被收錄于ISO7730 標準中，其考慮了環(huán)境和人體自身雙重因素的影響；SET 被美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會（ASHRAE）收錄，但其存在低溫時高估空氣濕度和高溫時無法體現(xiàn)濕度作用的缺點。所以結(jié)合飛機在地面客艙的環(huán)境情況[5]和《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》（GB/T 18049-2000），選取PMV 作為飛機客艙熱舒適的評價指標。

1 PMV指標模型構(gòu)建

Fanger[4]通過對大量數(shù)據(jù)進行分析，并結(jié)合人體熱平衡方程，提出了PMV指標，即一種綜合性的熱舒適評價指標，它綜合考慮了客艙環(huán)境因素（客艙溫度、客艙平均輻射溫度、客艙相對濕度、客艙空氣流速）和乘客物理因素（人體服裝熱阻和新陳代謝）等因素的影響[6]。在PMV模型中，各種不同因素均考慮在內(nèi)，與現(xiàn)實客艙內(nèi)部環(huán)境情況相吻合，因此其被越來越多的研究者接受并推廣應(yīng)用，同時PMV模型也是目前最為全面、綜合的熱舒適環(huán)境指標，已被國際標準收錄。

1.1 人體熱平衡

人體熱平衡是建立PMV模型的基礎(chǔ)，正常情況下乘客是處在一個產(chǎn)熱與散熱的動態(tài)平衡過程中。在一定條件下，人體可以通過自身體溫調(diào)節(jié)機制來對外界環(huán)境的突然改變做出反映，從而使自身始終處于熱平衡狀態(tài)，維持人體正常生存需求。

乘客與客艙環(huán)境時刻進行著熱交換，其基本方式為對流、蒸發(fā)與輻射，而整個熱交換過程始終符合熱力學第一定律，故建立方程為

其中：S為乘客人體蓄熱，當S ＞0 時，乘客自身散熱小于自身產(chǎn)熱量，當S ＜0 時，乘客自身散熱大于自身產(chǎn)熱量，當S = 0 時，乘客處于動態(tài)平衡過程；M為乘客新陳代謝（W/m2）；W為乘客對環(huán)境做的機械功（W/m2）；C為人體表面對客艙空氣的對流散熱量（W/m2）；R為乘客和環(huán)境的輻射散熱量（W/m2）；E為乘客蒸發(fā)散熱量（W/m2）。

1）乘客新陳代謝

乘客新陳代謝可表示為

其中：RQ為呼吸熵，即單位時間內(nèi)乘客從口中呼出的二氧化碳與其吸入氧氣的摩爾數(shù)比；VO2為單位時間在0 ℃、101.325 kPa 條件時氧氣的消耗體積（mL/s）；AD為乘客皮膚表面積（m3）。

2）乘客與客艙環(huán)境的對流散熱量

乘客與客艙環(huán)境的對流散熱量可表示為

其中：fcl為乘客乘機所穿衣服的面積數(shù)，tcl為衣服外表溫度（℃），Icl為服裝熱阻（m2·K/W）；Va為客艙風速，（m/s）；hc為對流換熱系數(shù)（W/（m2·K））；ta為客艙溫度（℃）；tr為客艙平均輻射溫度（℃）。

3）乘客與客艙環(huán)境的輻射散熱量

乘客與客艙環(huán)境的輻射散熱量可表示為

其中：著為乘客人體表面的發(fā)射率；feff是有效表面積的修正系數(shù)與乘客姿態(tài)有關(guān)；啄為黑體輻射系數(shù)，啄=5.67×10-8W/m·k。

4）乘客蒸發(fā)散熱量

客艙中乘客的蒸發(fā)散熱量是維持在正常人體需求基礎(chǔ)之上，過高或過低都會影響人體健康。乘客蒸發(fā)散熱量可表示為

其中：Cres為乘客在乘坐過程中由于呼吸而損失的熱量（W/m2）；Eres為乘客在乘機過程中呼吸損失的潛熱量（W/m2）；Edif為皮膚擴散蒸發(fā)損失（W/m2）；Ersw為乘客調(diào)節(jié)出汗消耗的熱量（W/m2）；Pa為乘客所處客艙的水蒸氣分壓力（kPa）。

1.2 PMV 計算公式

PMV模型是由多種因素構(gòu)成的一個全面、綜合的有關(guān)客艙環(huán)境的熱舒適模型，建立在乘客與客艙環(huán)境均處于熱平衡狀態(tài)下。同時，PMV 代表了群體對客艙冷熱狀態(tài)的平均反映，而非單獨個人的冷熱情況，更具有普適性。PMV 成立的前提是：①乘客本身處于熱平衡狀態(tài)，即自身產(chǎn)生熱量等于其本身與客艙環(huán)境之間進行的熱量交換；②乘客皮膚的平均溫度處于與客艙環(huán)境舒適相對應(yīng)的水平；③乘客在客艙環(huán)境下的排汗率為最佳狀態(tài)[7-8]。

當上述3個假設(shè)條件成立時，可得S=0，即M-

其中：L為中間變量，其計算公式為

由于乘客與乘客之間存在差異，不同人對客艙環(huán)境熱舒適可能有不同感受，且PMV指標不能代表所有乘客的感受，因此Fanger[4]提出用預測不滿百分率（PPD，predicted percent dissatisfied）來衡量乘客對當前客艙熱環(huán)境的不滿意情況，二者函數(shù)關(guān)系為

其中：當PMV在區(qū)間[-1，1]時，有10%的乘客對客艙環(huán)境不滿意，同時有90%的乘客對客艙環(huán)境表示滿意，因此，PPD 可對乘客滿意度做出衡量，如圖1所示[9]。

圖1 PMV與PPD曲線圖Fig.1 PMV vs PPD

2 環(huán)境影響參數(shù)對PMV的影響分析

2.1 客艙環(huán)境影響參數(shù)的確定

由式（6）推導過程可知PMV= f（W，M，Icl，ta，tr，Pa，Va），其中Pa由客艙相對濕度計算，各環(huán)境影響參數(shù)對PMV指標的影響是主要研究內(nèi)容。而在飛機地面作業(yè)過程中，由于客艙PMV指標是由眾多因素構(gòu)成的綜合評價模型，計算過程比較復雜。為方便研究，結(jié)合飛機客艙環(huán)境特點與實際客艙測量數(shù)據(jù)，對PMV 方程進行適當簡化。針對夏季飛機制冷情況，根據(jù)客艙環(huán)境特點[10-11]和ISO7730 標準對PMV 方程簡化如下：①乘客登機后，大部分時間處于靜坐和輕微活動狀態(tài)，同時客艙內(nèi)不允許乘客隨意走動，故客艙內(nèi)乘客所做機械功設(shè)為0 W/m2，新陳代謝率取70 W/m2；②夏季乘客穿著多為薄長褲、短袖襯衫，其服裝熱阻取0.6 m2·K/W，則簡化后的PMV 方程為

其中：φ為客艙相對濕度。

實驗前期測量了A320 客艙溫度、客艙相對濕度、客艙風速，結(jié)果如表1所示。選取客艙內(nèi)的兩個點進行測量，然后將測點1（位于前艙門口）和測點2（位于客艙中部）所測數(shù)據(jù)的均值作為基準值，計算后的客艙輻射溫度均值為24.91 ℃，客艙濕度均值為54.13%，客艙風速均值為0.20 m/s。

根據(jù)表1 及參考民用飛機客艙環(huán)境設(shè)計參數(shù)和《中等熱環(huán)境PMV和PPD 指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》，各環(huán)境影響參數(shù)基準值選取如表2所示。

表1 實際測量數(shù)據(jù)Tab.1 Actual measured data

表2 各參數(shù)基準值的選取Tab.2 Basic value selection

2.2 不同客艙環(huán)境影響參數(shù)對PMV指標的影響

2.2.1 客艙溫度與PMV的關(guān)系

客艙溫度對熱舒適PMV的影響至關(guān)重要，因為乘客對客艙溫度的變化比較敏感，而人體只有當溫度處于一定范圍才能正常生活，客艙溫度過高或者過低都會破壞乘客的生理平衡，客艙溫度與熱舒適PMV指標的關(guān)系如圖2所示。

由圖2（a）可知，在客艙內(nèi)溫度一定的情況下，隨著客艙空氣流速的變化，客艙內(nèi)PMV的值也在不斷變化。客艙溫度小于26 ℃時，隨著客艙風速的變大，艙內(nèi)PMV 值逐漸變?。豢团摐囟却笥?6 ℃時，艙內(nèi)PMV 值隨客艙空氣流速的增大而變大。

由圖2（b）可知，在客艙內(nèi)溫度一定情況下，隨著隨著艙內(nèi)輻射溫度的不斷升高，客艙內(nèi)PMV 值隨之增大。當客艙平均輻射溫度從22 ℃增加到26 ℃，PMV值變化量為1.00。

由圖2（c）可知，在客艙溫度一定情況下，隨著客艙內(nèi)相對濕度增加，客艙內(nèi)PMV 值逐漸上升，當客艙相對濕度從30%增加到60%時，PMV的變化量大約為0.29。夏季時，客艙濕度的持續(xù)增加，艙內(nèi)空氣對乘客的熱作用就會慢慢變強。這是由于艙內(nèi)濕度持續(xù)增加，致使客艙空氣中水蒸汽分壓力變大，乘客出汗量和汗水蒸發(fā)量減少，從而使人體保持良好的熱舒適性。

由圖2 分析可知，客艙溫度與乘客的熱舒適性呈明顯的線性關(guān)系。隨著客艙內(nèi)溫度的逐漸增大，PMV值呈線性方式增大。

圖2 不同條件下客艙溫度與PMV 關(guān)系Fig.4 Cabin temperature vs PMV under different humidities

2.2.2 客艙空氣流速與PMV的關(guān)系

當客艙空氣流速作用于乘客時，通過對流和蒸發(fā)作用使得乘客感覺涼爽，同時也可以帶走客艙空氣中的部分熱量，使人體達到舒適，因此合理利用客艙空氣流速，可以減少客艙能耗?？团摽諝饬魉倥c熱舒適指標PMV的關(guān)系如圖3所示。

由圖3（a）可知，在客艙內(nèi)氣流速度一定的情況下，增加客艙內(nèi)相對濕度，也會使客艙PMV 值升高，當客艙相對濕度從40%增加到80%，PMV的變化量約為0.3。

由圖3（b）可知，在客艙內(nèi)氣流速度一定的情況下，客艙PMV 值隨客艙內(nèi)輻射溫度的逐漸升高而緩慢增大。當客艙平均輻射溫度從23 ℃增加到25 ℃，PMV的變化量約為0.6。

圖3 不同條件下客艙空氣流速與PMV 關(guān)系Fig.7 Cabin wind speed vs PMV under different temperatures

由圖3（c）可知，在客艙內(nèi)氣流速度一定的情況下，隨著客艙溫度的升高，客艙PMV 值也隨之增大。當客艙溫度從23 ℃增加到25 ℃時，PMV 值的變化量隨風速增大而增大。當客艙內(nèi)氣流速度為1 m/s 時，PMV的變化量為1.37。

由圖3 分析可知，客艙空氣流速與飛機客艙內(nèi)乘客的熱舒適性呈明顯非線性關(guān)系。隨著客艙環(huán)境中風速的不斷變大，PMV 值變得越來越小。

2.2.3 客艙空氣濕度與PMV的關(guān)系

客艙空氣濕度是通過影響乘客皮膚表面的蒸發(fā)以及排汗過程來影響人體的舒適性，因此，當濕度高時，人體的排汗及蒸發(fā)就少；反之，當客艙濕度較低時，人體排汗及其自身的蒸發(fā)就會增多，使得乘客有干燥的感覺。濕度會對乘客的熱平衡產(chǎn)生一定影響，其過高或者過低都會對人體整個系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，客艙空氣濕度與熱舒適指標PMV的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同條件下客艙濕度與PMV 關(guān)系Fig.4 Cabin humidity vs PMV under different conditions

由圖4（a）可知，在保持客艙中相對濕度不變情況下，增加客艙內(nèi)空氣流速會使PMV 值升高，當客艙風速從0.1 m/s 增加到0.3 m/s，PMV 變化量約為0.53。

由圖4（b）可知，在保持客艙中相對濕度不變情況下，PMV 值會隨艙內(nèi)輻射溫度的逐漸變高而增大。當艙內(nèi)輻射溫度從24 ℃變到28 ℃，在PMV 值的變化量約為0.98。

由圖4（c）可知，在保持客艙中相對濕度不變情況下，客艙溫度變化也會對客艙內(nèi)PMV 值有影響。當艙內(nèi)輻射溫度從22 ℃變?yōu)?6 ℃時，PMV 值的變化量約為0.48。

由圖4 可知，客艙相對濕度對艙內(nèi)乘客的熱感覺影響并不明顯。隨著客艙內(nèi)空氣流速的變大，PMV 值的整體變化量較小。

3 結(jié)語

通過對熱舒適評價指標PMV 建模，分析了客艙各環(huán)境因素對熱舒適評價指標PMV的影響，可得以下結(jié)論：

1）客艙溫度、客艙平均輻射溫度、客艙相對濕度、客艙空氣流速對PMV的影響各不相同，仿真結(jié)果表明，客艙溫度依然是影響客艙熱舒適的最大因素之一，其次為客艙的空氣流動速度，而由于飛機在地面作業(yè)過程中為短時間?？?，客艙相對濕度較為穩(wěn)定，故其對客艙熱舒適影響較?。?/p>

2）客艙PMV的變化不是單一因素作用的結(jié)果而是4個客艙環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，可通過控制PMV來控制客艙熱舒適，使其保持PMV=0 時（此時有95%的乘客對客艙環(huán)境感到滿意）比現(xiàn)有單純以固定制冷/熱對飛機進行持續(xù)供冷/熱的供氣模式更高效；

3）通過對影響客艙熱舒適環(huán)境因素（客艙溫度、客艙濕度、客艙空氣流速）的調(diào)控可形成不同組合，都可達到PMV=0，這就可以在不影響熱舒適的情況下，通過調(diào)節(jié)各環(huán)境因素將地面空調(diào)運行能耗減到最低。

研究內(nèi)容可用于更高效、節(jié)能的飛機地面空調(diào)供氣模式設(shè)計及優(yōu)化，也為后期進一步改善飛機客艙熱舒適提供了參考。