加热和通风座椅如何影响驾驶体验：一项车辆案例研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：How do heated and ventilated seats affect the driving experience: A vehicle case study

　　

摘要

在经过长时间极端室外环境热暴露后，车辆乘员在座舱空调系统的瞬态调节期间不可避免地会经历热不适。集加热与通风功能于一体的主动座椅已成为座舱空调日益重要的补充手段。然而，主动座椅运行对室外热暴露后乘员热舒适度的影响尚未得到充分量化。本研究利用环境舱模拟车辆室外浸泡条件，开展人体受试者实验，期间收集了环境参数、生理反应和主观感知数据。结果表明：(1) 座椅加热提供了约150 W/m2的显热增益，而座椅通风使与座椅接触的体部皮肤湿度降低了0.5～0.6。(2) 座椅加热的有益效果在整个暴露期间基本持续存在，而座椅通风带来的改善主要集中在初始阶段。两种系统均能使接触体部的热感觉在10分钟内恢复至中性范围，热舒适度最大改善幅度超过一个标度单位。(3) 提出了一种基于激活函数形式的局部热感觉模型，能够以均方根误差（RMSE）低于一个标度单位的精度，从皮肤温度快速预测局部热感觉，并进一步间接估算整体热感觉和热舒适度。本研究为座舱个性化热舒适干预和节能加热策略提供了实验依据和设计参考。

引言

汽车电动化是优化能源结构和减少碳排放的有效途径。在众多因素中，续航里程是制约电动汽车商业发展的关键约束之一，直接影响消费者的购买决策[1]。在非推进负荷中，空调系统是最耗能的组件之一。在缺乏可回收发动机废热的情况下，冬季座舱加热可使续航里程降低20%～59%[2]。然而，这种高能耗的空气处理策略在热环境调节方面仍存在明显局限性。例如，单一的强制对流换热模式容易导致座舱内气流分布不均匀，且无法充分应对不同体段不对称的热暴露和舒适度需求[3,4]。因此，优化乘客舱环境控制技术对于提高能效和人体热舒适度具有重要意义。

个人舒适系统（PCS）旨在向特定座椅区域提供精确的加热或冷却，从而减少对未占用区域的无效能量传递。作为车辆暖通空调（HVAC）系统的有效补充，PCS可在维持热舒适的同时拓宽座舱背景温度的允许范围，从而减少车体热损失和系统总负荷[5]。近期研究拓展了PCS的类型。车载液冷服可向可能产生热不适的体部区域提供高效冷却，但冷源的布置及对用户潜在额外穿着负担的考量需兼顾[6,7]。将辐射面板集成到车辆结构中，可在不牺牲内部空间的前提下增强座舱热调节的灵活性。虽然它们确实具有系统级节能潜力[8]，但高效加热所需的表面温度和响应速度必须予以考虑[9]。相比之下，座椅加热和通风功能与现有车辆结构更为兼容，仍然是最广泛适用的个性化座舱热调节形式，有望在未来协调乘员热感知与车辆HVAC运行的智能控制系统中充当关键执行器。

此前，加热和通风座椅已在稳态和受控气候舱条件下进行了广泛研究，背景温度对座椅性能的影响也已得到确认。座椅加热的改善效果主要出现在16°C以下的寒冷条件下，而在接近中性的18°C条件下则变得微不足道[10,11]。在15～20°C的环境中，加热座椅的有益效果通常仅出现在初始升温阶段，接触表面温度的持续上升会对热舒适度产生负面影响[12]。这种不适感可能与性别[12]、个体敏感性[13]和接触压力有关，这凸显了分区加热和群体特异性控制的重要性[14]。座椅通风可在18～29°C的背景温度范围内为乘员提供舒适条件[15]。然而，在低于28°C的接近中性环境中，其改善效果变得不那么明显，而在32°C以上则变得无效[16,17]。等温送风所关联的窄工作范围限制了通风座椅的应用。因此，一些研究引入了热电冷却技术以实现更显著的改善[18]。座椅性能对背景温度的依赖性可作为未来多座舱设备协同控制的理论基础。然而在实际中，瞬态环境温度会影响乘员对热感觉的判断。在相同的瞬时环境温度下，根据温度变化的方向（升温或降温），热感觉可能相差约半个标度单位[19]。由于车辆场景中快速温度瞬态不容忽视，在动态环境条件下评估主动座椅的性能是必要的。

个性化座椅相对较大的调节面积足以对多个体段的热感觉产生间接影响。目前共识是，热感觉的变化在接触区域最为显著，改善幅度取决于背景温度和座椅本身的性能[10,12]。相比之下，四肢和头部距离座椅较远。一些研究发现，受热的体段可能通过热传导或血液循环向相邻体段传热，但这需要足够高的加热功率以确保适当的影响范围[20]。Yang等人[10]报告了相反的结果，座椅加热增加了躯干的温暖感觉，从而使四肢的寒冷感觉更加明显。其他研究将这些体段的热感觉变化归因于外部因素，如受试者无意识地把手部移近热源取暖，从而升高了手部的热感觉[21]。在通风座椅测试中，Watanabe等人[16]观察到参与者感知到头部和四肢周围有轻微气流，这可能间接起到了冷却作用。现有研究主要关注均匀背景温度下座椅对人体的独立作用效果。然而，HVAC系统产生的非均匀气流场导致不同体部面临差异化的对流和接触边界条件。例如，夏季的吹面模式会带来局部高风速和过度冷却，而远离直接气流的区域无法获得有效冷却[22]。送风模式的变化也会导致差异化的热舒适体验[23]。因此，在这种不对称传热场景下，人体整体和局部热舒适特性需要进一步揭示。

相应地，车辆座舱乘员热舒适模型的开发日益强调对瞬态、非对称热环境的适应性。一种经典的建模方法是将人体划分为多个计算体段，实现分区数据输出[24]。一些生理模型可作为环境参数与热感觉之间的桥梁，利用局部皮肤温度闭合预测回路[25,26]。这一计算逻辑也可嵌入CFD工作流程中，因为模拟环境场提供了更丰富的细节[27]。由于这些模型的逻辑基于将客观量转化为主观反应，其构建和验证依赖于能够同步关联热环境、人体生理反应和主观感知的综合数据集。此类数据集的扩展对于某些模型的二次开发也至关重要。例如，针对车载局部辐射末端，在原Berkeley局部感觉模型中引入了考虑短期暴露历史的计算项[28]。然而，现有的实际车辆实验数据很少包含座椅接触边界条件的测量，以及主动座椅启动后全面的时间序列、多体段支持数据。这种缺失限制了场景的可迁移性和热舒适模型的进一步发展。

总体而言，以往研究已探讨了座椅加热和通风对局部热感觉和热舒适度的影响，以及座椅性能与背景温度之间的关系，为座椅设计和运行提供了有价值的参考数据。然而，乘员舱在充分暴露于室外之后的加热或冷却瞬态过程，以及HVAC系统引起的非均匀环境特征，尚未得到充分考虑。这限制了包含接触边界条件的座舱热舒适模型的构建。此外，乘员在进入座舱前会经历室外暴露而非气候舱中的中性适应，这将显著影响瞬态过程。因此，本研究聚焦于车辆HVAC在热浸泡后开启的动态期间，研究加热和通风座椅对皮肤温度和主观反馈的影响。本研究的目标如下：

- 通过系统的环境数据收集，刻画车辆座舱内的对流和接触边界条件。
- 分析乘员在室外热暴露后进入车辆时主动座椅对其热舒适度的影响。
- 建立人体皮肤生理参数与热感觉/热舒适度之间的定量关系。
- 比较常规气候舱与本研究所考察的瞬态、非均匀座舱场景中主动座椅性能之间的差异。

章节摘要

设施与设置

人体受试者实验在中国汽车技术研究中心（CATARC）宁波的汽车环境舱中进行。该舱配备两个房间，分别为中性间和暴露间，其中空气温度可独立控制（精度：±1°C）。由于硬件限制，暴露间的辐射温度和相对湿度无法主动调节。相对湿度的实时监测显示……

空气温度和风速的动态变化

图3展示了从HVAC假人测试中获得的车辆座舱内空气温度和风速分布，选取了若干代表性体部进行展示。在冬季条件下，座舱温度在前20分钟内迅速升高，随后稳定在15～17°C。在后座（乘客区域）的一些区域，空气温度达到约20°C，包括右前臂下部和双脚，这可能是由于……

主动座椅如何补充HVAC系统

图15总结了参与者进入车辆座舱后达到热中性状态所需的时间，以TCV=0作为判定标准。在冬季条件下，由于座椅存在显著的冷储热效应，人体需要20～40分钟才能进入舒适区，而骨盆需要超过30分钟。座椅加热将缓解整体身体和接触区域寒冷不适所需的时间缩短至约10分钟，这一点尤其……

结论

本研究系统考察了座椅加热和通风在两种季节暴露下的HVAC瞬态过程中对乘员热舒适度的影响。收集了环境参数、人体生理反应和主观感知数据，并用于分析时间和空间特征。研究结果阐明了座椅加热和通风的作用机制，以及它们与车辆空调系统的相互作用。主要发现总结如下……

作者贡献声明

Linye Song：数据整理、调查研究、初稿撰写。Haifeng Xia：资源提供、监督指导。Shuming Zhang：数据整理、调查研究。Yingqi Zeng：数据整理、调查研究。Yongchao Zhai：项目管理、监督指导。Yunpeng You：资金获取。Maohui Luo：方法论设计、监督指导。Xiang Zhou：资金获取、资源提供、监督指导。

Linye Song | Haifeng Xia | Shuming Zhang | Yingqi Zeng | Yongchao Zhai | Yunpeng You | Maohui Luo | Xiang Zhou

同济大学建筑与城市规划学院，上海，200092，中国