基于人體舒適性的自動空調控制性研究

余明明 黃憲波 袁正 嚴杰

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州511434）

主題詞：自動空調控制性 舒適性 低溫環(huán)境模擬

1 前言

當今汽車工業(yè)發(fā)展迅速，汽車產業(yè)已經進入了“井噴式”發(fā)展時代。數據顯示，全國汽車的保有量，在2019 年底已經突破2.6 億輛，私家車的保有量也突破了2 億輛。根據調查，人們對汽車性能的關注不再僅僅局限于動力性和經濟性，對于舒適性的要求也越來越高。而當前，自動空調系統(tǒng)雖然越來越多的作為基礎配置應用在汽車上，以提升車內舒適性，但是實際用車中，真正使用自動空調的人群卻很少。在整車開發(fā)驗證階段，為保障汽車空調的采暖和制冷能力，往往會進行整車最大制熱性能和最大制冷性能驗證，而驗證所用的環(huán)境條件、工況曲線、包括空調模式設置都是確定的、單一的，汽車最終還是需要作為商品進入用戶生活中去，用戶在實際用車時并不會按照預設的“工況”去使用自動空調。因此，在完成最大性能驗證基礎上，進一步了解用戶實際用車環(huán)境，生理、心理需求，開發(fā)出更懂用戶的智能空調尤為重要?；谌梭w舒適性的自動空調控制性評價研究就是以滿足用戶舒適性需求為目標，結合自動空調控制理論，建立自動空調控制性的開發(fā)指標和參考目標值，通過設計預防，改善自動空調的控制性，實現未來汽車車內舒適性的提升。

2 人體舒適性理論

ASHRAE（美國采暖、制冷與空調工程師學會）將熱舒適定義為：Thermal comfort is defined as that condi?tion of mind in which satisfaction is expressed with the thermal environment[1]。熱舒適表示在環(huán)境中人體保持熱感覺良好的狀態(tài)。而這樣的解釋包含生理和心理雙重因素，當人體通過皮膚進行對流換熱、呼吸換熱、輻射換熱、蒸發(fā)換熱等物理換熱形式時，人體生理產生對周圍環(huán)境的冷熱感覺，即熱感覺（如圖1）。如冬天冷、夏天熱等，此類熱感覺最終作用在人體心理上產生對所處環(huán)境的熱舒適體驗，即熱舒適[2]。如舒適度“非常舒適愉悅的”或者是“讓人不舒適難受的”，如圖2所示，本文中熱感覺分在-1～1之間為熱舒適可接受狀態(tài)。

圖1 舒適性理論

圖2 熱感覺、熱舒適量

人是恒溫動物，體溫通常維持在35～37 ℃左右，人體通過血液流動、血管的舒張、收縮以及肌肉的顫栗和皮膚表皮的出汗，來保持自身的舒適狀態(tài)。而人體同外界環(huán)境物理換熱方式有以下3種：

（1）皮膚導熱：皮膚與服裝接觸時因溫差作用而產生傳熱，換熱驅動主要與服裝溫度即對應車內環(huán)境空氣溫度相關。

（2）皮膚對流換熱：皮膚與周圍氣流接觸時，同時發(fā)生導熱和對流的傳熱過程，換熱驅動主要與空氣溫度相關。

（3）皮膚輻射換熱：皮膚與周圍環(huán)境各表面間相互輻射產生凈換熱，主要與各表面溫度相關。

用戶在低溫用車環(huán)境下，影響人舒適性的因素，主要為導熱、對流換熱，即人員所處環(huán)境的空氣溫度。因此，可以通過測試手段測量獲得乘員不同部位所處環(huán)境的空氣溫度，進行人員的舒適性評價工作。

3 車用自動空調控制理論

自動空調主要由空調系統(tǒng)零部件、自動空調控制器軟硬件、自動空調舒適性標定構成（圖3）。

圖3 自動空調控制器及控制元件

車內人員所處環(huán)境溫度的智能控制方式，主要是TAO（Temperature Air Output）控制，TAO 是使車內溫度保持在設定溫度的鼓風機空氣溫度，根據車內各類傳感器信號計算而來：

式中，TSET 為設定溫度，TR 為車內溫度、TAM 為車外溫度、TS為太陽輻射強度，A、E為常數。

表現在執(zhí)行機構上，當設定溫度TSET 變化，信號反饋至冷暖混合風門伺服電機、鼓風機風量調速模塊、模式伺服電機處，根據預設標定邏輯進行響應調節(jié)，最終實現車內溫度TR的變化。

相比傳統(tǒng)的自動空調控制器標定，自動空調舒適性的標定是在原始自動空調控制器標定基礎上以滿足人體舒適性需求，因此自動空調舒適性標定即為冷暖混合風門伺服電機、模式伺服電機、鼓風機風量與TAO值的標定。

設定溫度TSET 變化，TAO 值變化，冷暖混合風門開度調節(jié)，鼓風機風量調節(jié)（圖4），出風溫度變化，進而引起車內溫度TR 改變，TR 改變后TAO 值再次改變使TR逐漸趨近于設定溫度TSET。

圖4 自動空調控制性示意

4 低溫環(huán)境自動空調控制性研究

4.1 汽車自動空調低溫環(huán)境控制性研究

低溫環(huán)境，汽車開啟自動空調后車內溫度變化如圖5。

如圖5 所示，車輛在AUTO 模式，設定溫度25 ℃條件下，車內溫度會呈現先升高再逐漸微調至穩(wěn)定的趨勢，與自動空調控制理論一致。

圖5 某車型自動空調AUTO 25℃下車內溫度曲線

圖5測試過程中乘員熱感覺變化記錄如表1。

表1 車內人員熱感覺與均溫

根據熱舒適理論圖2的熱感覺量圖，在35～50 min溫度穩(wěn)定階段，均溫在30 ℃左右，此時乘員熱感覺分在1.5～2 分，溫暖并有細微出汗感覺，人員并不舒適。同理，若穩(wěn)定溫度在較低的數值，使乘員熱感覺低于-1分，人員同樣不舒適。因此根據舒適性理論，穩(wěn)定階段車內人員若想保持在舒適狀態(tài)，則穩(wěn)定溫度要處在合適的區(qū)間內。

同樣，當上述穩(wěn)定溫度無法使車內人員保持舒適，從用戶心理需求的角度，期望對自動空調設定溫度進行下調或者上調操作。

針對調節(jié)自動空調設定溫度的動作，通過實際車輛摸底，發(fā)現有以下2個問題出現。

（1）調節(jié)設定溫度后空調響應過量，用戶瞬時感受出現偏涼或偏熱現象（以下調過量如圖6）。

表2 中可以清楚看到，當人員熱感覺偏熱（2 分）進行下調設定溫度后，頭部溫度約30 s內下降了10 ℃以上，頭部溫度最低約19 ℃，雖然下降后進行了回調但瞬時車內人員仍感覺到偏涼沖擊。

（2）瞬時溫度過高同樣會引起瞬時熱感覺偏熱問題，因此自動空調標定需要針對調節(jié)響應瞬時的溫度谷值或峰值進行標定量的約束。

圖6 某車型頭部溫度變化截?。ㄆ珶嵩O定溫度下調）

表2 設定溫度下調人員頭溫與熱感覺變化

針對調節(jié)設定溫度響應過量的問題，在研究過程中，發(fā)現部分車型存在調節(jié)設定溫度之后反應緩慢，且當車內溫度再次穩(wěn)定后，車內人員反饋沒有明顯變化。

如圖5，當時間處于約55 min時，車內人員在自動空調上實際進行了下調1 ℃至AUTO 24 ℃的操作，但車內均溫在緩慢（約5 min）下降2 ℃之后，再次呈現上揚至穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后頭部均溫相比調節(jié)前下調不到1 ℃。

由此，自動空調在調節(jié)設定溫度后，再次穩(wěn)定后車內溫度應與設定前存在一定的溫差，以滿足于車內人員對“變化”的需求。

4.2 自動空調低溫環(huán)境控制性指標總結

綜合以上研究，總結自動空調在控制方面需要在標定階段重點關注的指標，即車內初次穩(wěn)定溫度、車內2 次穩(wěn)定溫度、調節(jié)瞬時車內溫度最大值和最小值及溫度調節(jié)響應時間。

4.2.1 車內初次穩(wěn)定溫度T1

根據章節(jié)2 中影響人體舒適性的換熱理論，當人處于低溫環(huán)境下，人體換熱的主要方式是皮膚熱傳導和皮膚的熱對流，而這2 種換熱方式主要與人員所處環(huán)境的空氣溫度和空氣流速有關。在低溫環(huán)境下，用戶穿較厚衣服，且車輛多為吹腳出風，用戶對空氣流速感知不足，因此在用戶用車時，影響用戶舒適性的主要因素為用戶所處車內環(huán)境的空氣溫度。

在用戶初設空調溫度TSET 下，乘員希望車內空氣溫度能控制在人體舒適溫度范圍，以使此時人體熱感覺評分能處于-1～+1分之間，熱舒適分在0分以上。

圖7 低溫環(huán)境自動空調控制性曲線

由此得自動空調控制的第1 項指標：車內溫度初次穩(wěn)定時的溫度，如圖7所示T1，而乘員對T1的期望是在此T1下，乘員可處于舒適的溫度范圍。

4.2.2 車內2次穩(wěn)定溫度T2

實際用車過程中，用戶初設溫度TSET，存在車內初次穩(wěn)定溫度T1下，人員熱感覺大于1 或小于-1 的情況，希望通過調低/調高設定溫度1 ℃，實現車內溫度降低/升高至乘員舒適的溫度目的。同時，為了保證自動空調針對用戶的調節(jié)需求，當調節(jié)設定溫度后，車內溫度應該相對調節(jié)前向著人體的舒適溫度區(qū)間而變化。

4.2.3 調節(jié)瞬時車內溫度最大值Tmax/最小值Tmin

當用戶因為熱感覺偏涼或熱感覺偏熱，熱舒適未達到心理需求時，上調/下調設定溫度1 ℃，自動空調混合風門作動，瞬時提升/降低出風口溫度，為了保障此過程受影響的空氣溫度不會對人體產生瞬時偏熱/偏涼的沖擊，對瞬時車內溫度最大值Tmax和最小值Tmin增加指標限制（如圖7所示）。

4.2.4 響應時間t

響應時間（如圖7中所示）指從調節(jié)設定溫度點開始計時到車內2次穩(wěn)定時刻的時間，從用戶角度，響應時間越短，說明自動空調有更快的調節(jié)響應[3]。

4.3 自動空調低溫環(huán)境控制性指標應用

根據4.2 中的控制性指標，選取不同車型（含合資車和自主品牌車共27 臺次）進行評價，通過總結舒適性評分較高車型數據，總結可供設計參考的參考目標值，如表3所示。

表3 自動空調控制性參考目標

同時，根據表中參考目標對舒適性表現不足的車輛進行標定優(yōu)化和驗證，車內人員熱感覺在穩(wěn)定階段以及調節(jié)設定溫度后，熱感覺可保持在0～1 分左右，如圖8。

圖8 某車型自動空調標定優(yōu)化后結果

參照控制性指標對車型自動空調標定進行控制和優(yōu)化，在預設AUTO 25 ℃條件下，以及分別調節(jié)設定溫度變化25 ℃→23 ℃→24 ℃，期間車內人員熱感覺變化可控制在1 分內，且維持-1～1 分的人體舒適的熱感覺區(qū)間。

5 結束語

通過本次低溫環(huán)境下結合人體舒適性需求的自動空調控制性研究，得到了用戶在低溫環(huán)境下對自動空調使用的典型痛點和相應的需求，并以此建立了一套涵蓋初次穩(wěn)定溫度、調節(jié)設定溫度響應瞬時最大值/最小值、調節(jié)后二次穩(wěn)定溫度以及調節(jié)設定溫度響應時間的低溫自動空調的控制性指標，在此基礎上對車型進行了優(yōu)化和驗證，不僅對車型開發(fā)階段的自動空調標定基準進行了補充，同時根據研究過程中優(yōu)秀同級車型控制性能的參考應用，驗證車型自動空調控制性得到了提升。

自動空調的開發(fā)和驗證不同于最大性能對性能上限的關注，需要更多的結合人體舒適性需求去開發(fā)和標定，只有更多的從人的需求轉化為車的需求，才能開發(fā)出用戶喜愛的車型。