《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Evaluation of Localized Radiant Heating Effectiveness and Physiological Response in an Electric Vehicle Cabin
编辑推荐：
本研究通过生理模型验证了局部辐射加热（LRH）在电动汽车中的有效性，比较加热开启与关闭时16个体表的皮肤温度变化，提出LRH驱动的加热区、辅助区及受限区的分类方法，为优化能源效率与舒适设计提供依据。
Mohammad F.B. Suhaimi|Woo Geun Kim|Chung-Won Cho|Jung Kyung Kim|Hyunjin Lee
韩国首尔城北区贞陵路77号国民大学机械工程系，邮编02707
摘要
电动汽车在冬季的续航里程会减少，因为加热、通风和空调系统需要消耗大量电池电量。传统的空气加热仍然是常见的解决方案，但在低温环境下效率较低。局部辐射加热（LRH）提供了一种有针对性的替代方案，可以减少能源消耗，尽管在现实驾驶舱条件下关于身体各部位生理升温的定量证据仍然有限。本研究基于生理学原理，利用经过验证的热生理学模型来评估LRH的效果。实验中测量到的皮肤温度变化与参考数据之间的均方根误差阈值控制在1.0°C以内（测量时间窗口为40分钟）。通过关闭辐射加热器并重新运行模型，生成了对应的参考数据。LRH效果表现为开启加热器与关闭加热器时各身体部位的皮肤温度差异，这有助于分离辐射加热的直接生理作用。局部辐射加热在身体远端部位产生了可检测到的升温效果。分析采用了多种指标来量化升温幅度、超过0.5°C生理感知阈值的持续时间以及反映辐射热传递效率的加权投影比。综合这些指标，可以将身体各部位分为受LRH驱动的区域、辅助受LRH影响的区域以及受限制的区域，从而揭示辐射热传递与局部生理反应的综合效应。该框架为识别电动汽车驾驶舱内的有效加热区域提供了生理学基础，并为未来的研究奠定了基础——这些研究将结合主观舒适度指标来确定关键加热区域的设计参数，同时考虑舒适度、能源消耗和成本等多目标优化。
引言
在寒冷气候条件下维持电动汽车（EV）的热舒适度仍然是提高能源效率和用户体验的重要挑战。传统的加热系统依赖于正温度下的加热、通风和空调（HVAC）操作，这会从牵引电池中消耗大量能量，导致冬季续航里程减少32%-60%[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。随着电动汽车的普及，特别是在冬季严酷的地区，寻找既能减少能源消耗又能确保乘客热舒适度的加热策略变得至关重要[7]。
一种有前景的方法是局部辐射加热（LRH），它能够直接向选定的身体部位提供长波红外辐射。与基于对流空气的系统不同，即使在驾驶舱温度较低的情况下，LRH也能提供热舒适度，从而降低HVAC系统的能耗[8,9]。最新研究表明，这种局部加热策略可以显著降低加热负荷。例如，Gopi等人[8]报告称，在将驾驶舱设定温度从25°C降至18°C并使用下肢辐射加热器时，HVAC能耗减少了45%；Liew等人[9]通过优化辐射加热器设计也获得了类似的节能效果。这些发现为LRH的效果评估提供了背景。在大多数乘用车中，加热通过仪表盘通风口、脚部出风口和后排座椅管道等空气传导装置实现，此外还有座椅和方向盘加热器等导热设备。这些系统虽然能加热空气或接触表面，但在驾驶舱温度较低时，对暴露在外的皮肤区域的直接加热效果有限。
LRH并不旨在取代传统的HVAC系统。气流和潜热交换对于维持整体驾驶舱舒适度仍然至关重要，而辐射加热器主要影响暴露部位的皮肤温度。因此，LRH的作用是补充性的，它提供有针对性的加热，从而减少所需的HVAC负荷，而不是作为独立的加热系统。
大多数以往的LRH效果评估都侧重于主观热感受和舒适度指标[8,[10], [11], [12], [13]]。尽管这些指标对乘客满意度很重要，但由于生理、文化和心理因素的影响，不同个体之间的感受差异很大[14,15]。舒适度评估还受到乘客期望和热历史的影响[3,8,10,[14], [15], [16]]，这使得它们不太适合量化LRH的直接物理效应。虽然皮肤温度变化可以反映生理升温，但相同的温度变化在不同身体部位可能产生不同的感知效果。因此，本研究关注生理反应而非主观舒适度，并将感知指标的整合作为未来的研究方向。
为了解决这一问题，研究将皮肤温度作为更客观的生理指标，该指标反映了通过辐射、对流和传导在身体表面发生的净热量交换[15,[17], [18], [19], [20]]。皮肤温度直接控制热量传递，对局部热刺激非常敏感，是评估局部加热效果的有效指标。基于Stolwijk模型[21]以及Tanabe等人[18]和Lai与Chen[22]后续改进的热生理学模型表明，局部皮肤温度对于预测非均匀环境中的热负荷至关重要。现在，使用实测皮肤温度对模型进行验证已成为热舒适度建模的标准做法[15,17,23,24]。
本研究采用以生理学为基础的框架，来分析LRH对不同身体部位的加热效果。分析使用了一组生理指标来表征可测量的升温情况和辐射热传递效率，并结合加热器使用情况对身体各部位进行分类。
为了便于实际应用，研究还根据各部位的LRH诱导升温效果对其进行了排序，从而确定在当前驾驶舱和加热器配置下哪些部位受益最大。在低温环境下，升温效果明显的部位可能是高效的加热目标，而反应较弱的部分可能反映了几何结构或体温调节的限制。
这种排序方法使设计团队能够根据生理效益而非直觉或对称性来优先选择加热器的位置。与传统的HVAC分区方法不同，该方法基于数据驱动的见解来指导加热器的布置、表面材料的选择和自适应加热策略。这些生理学见解也有助于未来开发基于实时乘客需求的混合加热系统（结合辐射加热和对流加热）[7]。
本研究的主要贡献是提出了一个针对电动汽车驾驶舱的LRH效果评估框架，该方法利用综合测量和建模得到的生理反应数据。这为改进局部辐射加热的应用提供了实用方法，并为个性化热控制、智能驾驶舱系统和节能车辆设计的发展提供了支持。
方法概述
分析框架结合了实验测量和热生理学模拟，以分离和量化局部辐射加热引起的生理升温效果。图5总结了整个工作流程。在驾驶舱温度为19°C的情况下，测量了开启加热器时的皮肤温度，并使用经过验证的多部位热生理学模型生成了关闭加热器时的参考数据。关闭加热器的情况是通过移除辐射输入来实现的。
热生理学模型验证
利用第2.1节描述的边界输入数据，将模拟得到的皮肤温度与开启加热器时的测量结果进行了比较，涵盖了16个身体部位。图6展示了平均测量值和模拟值及其对应的均方根误差（RMSE）。该比较评估了模型在乘客进入驾驶舱后皮肤温度瞬态变化的再现能力。一些部位初期温度下降的现象反映了乘客移动时发生的冷却效应。
讨论
车辆驾驶舱内的局部辐射加热受到与室内研究不同的限制。室内LRH系统通常在开放且均匀的空间中进行评估，此时辐射加热器可以全面覆盖身体，乘客的姿势也可以自由改变。相比之下，电动汽车驾驶舱空间紧凑且不对称，辐射加热的覆盖范围受到仪表盘、方向盘、玻璃和座椅的限制，同时方向性HVAC气流也会引入额外的边界条件。
结论
本研究通过结合实测皮肤温度和匹配的关闭加热器模拟结果，解决了对电动汽车驾驶舱内局部辐射加热效果进行客观评估的需求。与以往仅关注舒适度或能源消耗的辐射加热研究不同，本研究提供了一种基于生理学的评估方法，用于分离由LRH引起的局部升温效果。通过结合开启加热器时的测量数据和关闭加热器时的参考数据，本研究获得了对身体各部位的详细分析结果。
< />
Mohammad F.B. Suhaimi：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据收集、数据分析、概念构建。
Woo Geun Kim：方法设计、数据整理。
Chung-Won Cho：方法设计、资金筹集、数据整理。
Jung Kyung Kim：项目监督、数据分析、概念构建。
Hyunjin Lee：撰写修订稿、数据分析、资金筹集、概念构建。
本研究的支持数据可向相应作者索取。
关于科学写作中生成式AI的声明
在撰写本文过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来提升文本的语言表达和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
< />
Mohammad F.B. Suhaimi：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据收集、数据分析。
Woo Geun Kim：方法设计、数据整理。
Chung-Won Cho：方法设计、资金筹集、数据整理。
Jung Kyung Kim：项目监督、数据分析、概念构建。
Hyunjin Lee：撰写修订稿、数据分析、资金筹集、概念构建。
