在强烈的夏季太阳辐射下，车辆内部热环境及其乘员热响应的时空特性

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Spatiotemporal Characteristics of the Vehicle-Cabin Thermal Environment and Occupant Thermal Responses under Strong Summer Solar Radiation

本研究通过实车实验分析夏季强太阳辐射下车辆舱内热环境及人体舒适度，对比有无遮阳帘情况，发现舱内多物理场存在显著空间不均匀性，最大头-脚等效湿热温差达8.5°C，遮阳帘有效降低平均等效湿热温度22°C，优化热分层结构，提出以头为冷源、脚为暖源的分区控制策略，为智能座舱精准温控提供理论支撑。

　　

杨旭新|赵瑞|于娟|张德寅|林博荣|马凯月|张曦|夏海峰

清华大学建筑学院，北京100084，中国

摘要

为了研究在强烈夏季太阳辐射下车辆内部的热环境及人体热舒适度，本研究在具有可控太阳辐射和模拟驾驶速度的气候室中进行了实际车辆实验。通过对比分析，在有无遮阳板的两种情况下，研究了乘客周围4×16个位置处的物理环境参数（空气温度、空气流速、热流/太阳辐射以及等效均匀温度（EHT）的变化。比较了这些参数的时空分布模式以及人体的主观热反应（如TSV、DSV等）。结果表明，车内多物理场存在显著的不均匀性。头部与脚部的EHT最大温差达到了8.5°C，不同身体部位的平均空气流速差异高达0.31 m/s。前臂区域承受的太阳辐射强度最高，达到78 W/m2。使用遮阳板后，平均EHT降低了22°C，并重新形成了“脚部温暖、头部凉爽”的热分层结构，更符合人体舒适度要求。特别需要注意的是头部（37.6%）和前臂（30.3%）对整体热感知的综合影响。基于这些发现，为测试对象——一位中国年轻男性——绘制了局部热舒适度地图，显示出从头部（26.5°C）到下肢（31.6°C）的局部热中性EHT梯度。据此提出了“冷却头部、放松下肢约束”的分区热控制策略。研究结论为下一代智能车辆内部精确环境控制系统的设计提供了理论基础和数据支持。

引言

全球气候变化和城市热岛效应导致夏季热浪频发[1]，给热环境带来了严峻挑战。新能源汽车的快速发展正在将车厢从单纯的交通工具重新定义为工作和休闲的“第三生活空间”。为了适应这一变化，现代车辆越来越多地采用大型全景玻璃车顶，以提高开放性和视野。然而，这种设计也增加了夏季的太阳辐射热量吸收，不仅导致热不适，还通过降低警觉性和认知表现、增加疲劳和错误的风险[2][3][4][5]，从而影响驾驶安全。此外，暖通空调（HVAC）系统需要消耗更多能量来排除多余的热量，这可能使电动汽车的续航里程焦虑加剧[6]。

车辆内部是一个由空气温度、湿度、气流和辐射交换共同作用的多物理微气候系统。在强太阳辐射下——尤其是在大面积玻璃车顶的车厢中——这些因素会变得高度不均匀且随时间变化，通常表现为垂直热分层和乘客周围的局部辐射热点。尽管已有大量研究探讨了车厢热管理和气流组织[7][8][9][10]，但多因素热传递分析一致表明，太阳辐射是主导车内热条件时空不均匀性的主要且变化较大的热源[11][12]。这种不均匀性给热舒适度评估和控制带来了挑战，因此需要采取被动措施（如遮阳）和基于需求的局部策略[13][14][15][16][17]。

因此，可靠的热舒适度评估是车厢设计和控制的核心。常用的指标包括PMV[20]、SET*[21]和EHT[19]，这些指标源自ASHRAE标准55[18]和ISO 14505[19]。然而，PMV和SET*主要是针对稳定且空间均匀的环境开发的，可能不适用于瞬态、不均匀且以辐射为主的车厢条件[22][23]。Alkaabi[5]的研究表明，EHT与TSV之间的吻合度显著高于PMV与TSV之间的吻合度。此外，局部舒适度理论强调了不同部位对舒适度的不同贡献：Zhang等人[24]报告称头部（37.6%）和前臂（30.3%）的贡献率远高于四肢（0.3–0.6%）。因此，基于多部位皮肤温度的热感觉模型已被开发出来[25]，最新综述也指出，全局指标往往无法捕捉到非对称辐射条件下的局部不适和认知表现下降[26][27]。

为了更真实地评估车厢热舒适度，研究人员进行了多种实验，包括实际驾驶[25]和停车状态[28]、HVAC运行模式[29]以及局部冷却/加热设备[30]的研究。一些研究使用人工气候室来控制边界条件并隔离影响热感觉的具体因素。Taniguchi等人[31]提出通过面部温度实时预测乘客的热需求，为自动HVAC控制提供了简化的传感方案。在此基础上，Guan等人[32,33]为美国人群开发了考虑生理和心理因素的瞬态热感觉模型。最近，Li等人[34]开发了考虑动态车厢环境和多点皮肤温度的热感觉模型。现场研究进一步证明了夏季太阳辐射引起的显著瞬变性和不均匀性。Zhou等人[25]测量了车厢内空气和表面温度以及驾驶员的皮肤温度和TSV，发现开启HVAC后15分钟内车厢热环境迅速变化，垂直和水平温差超过6°C，显示出强烈的不均匀性和瞬变性。Lyu等人[35]在动态室外车厢环境中进一步证明了环境变化与多部位皮肤温度反应之间的强关联性，强调了高分辨率、时间分辨评估的必要性。随着传感技术的进步和对个体热舒适度差异理解的加深，基于生理信号的对象评估方法应运而生[36][37]。然而，准确、高分辨率的车厢环境量化仍然是关键前提，因为必须精确识别不同位置的热舒适度需求，以设计出既舒适又节能的车厢。此外，关于温暖环境中空气流动的研究表明，增加局部空气流速可以在一定程度上缓解热感觉，扩大可接受的舒适范围，这表明热感和气流感知之间存在密切关联[38][39]。

总之，在强太阳辐射下理解车内热舒适度仍存在关键空白，限制了精确热管理策略的发展：（1）测量数据稀少且变量有限（通常仅测量空气温度），难以解析温度、气流和辐射的耦合时空演变以及分层和“热点”形成的机制；（2）直接使用国际标准（如ISO 14505中的0.6 clo）而不考虑地域差异，可能会高估穿着典型夏季服装的中国乘客的舒适度阈值；（3）身体各部位对整体热感和气流感知的定量贡献尚不明确，限制了生理导向的精确控制；（4）被动措施（如遮阳板）的评估往往仅停留在报告温度/HVAC负荷减少的效果上[40][41]，缺乏关于身体各部位暴露程度和局部反应的详细证据。

为填补这些空白，本研究量化了强太阳辐射下夏季车辆内部热环境的时空不均匀性，并将其与乘客的热反应联系起来。我们进行了有遮阳板和无遮阳板的对照实验，在与乘客相关的位置同步测量关键参数（温度、空气流速和辐射），并结合主观热评估。所得的高分辨率数据集有助于表征热分层和局部热点，为中国的新能源汽车提供了改进热管理策略的证据，展示了低成本被动措施如何补充主动HVAC控制的效果。

实验设置与条件

为了比较遮阳板对车内热环境和乘客热反应的影响，我们设计了两种实验条件：有遮阳板和无遮阳板。每种条件重复四次，共计进行了八次实验。每次实验同时测试三名参与者，总共24名参与者。

实验车辆为大众Jetta VS7，其车身尺寸为4624×1841×1624毫米（长×宽×高）。天窗的玻璃面积为

车厢环境的时间变化

本节比较了两种条件下车厢内EHT的时空演变情况，如图4所示。

在初始阶段（0–15分钟），有遮阳板的条件下的平均EHT略高（45.96°C），两种条件之间的差异逐渐减小至约3.3°C。其中一个原因是，尽管两种条件下都采用了相同的预上车自然通风协议，但在通风期结束时车厢内仍存在轻微的温度差异。

对单区HVAC控制的实际意义

本研究的主要目的是为个性化、舒适且节能的热管理建立理论和实验基础，而非设计具体的控制算法。尽管实验是在固定的“最大冷却、最高风扇速度”设置下进行的，但研究结果为传统单区HVAC系统提供了实际指导。尽管如此，量化得到的时空不均匀性、局部影响权重和热舒适度数据仍具有实际应用价值。

结论

本研究在强烈的夏季太阳辐射下进行了实际车辆实验，以表征车厢微环境的空间不均匀性和乘客的热响应特征。主要发现如下：

(1)

车内存在显著的不均匀性。温度场表现出明显的垂直分层，头部与脚部的最大温差为8.5°C，背部和臀部的局部热点温度达到35–36°C。

CRediT作者贡献声明

杨旭新：撰写——初稿、方法论、数据分析、概念构建。赵瑞：软件开发、方法论、概念构建。于娟：项目监督、行政管理。张德寅：软件开发、数据分析。林博荣：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金筹集。马凯月：数据可视化。张曦：项目行政管理。夏海峰：资源协调。