A4-01 · 基础理论与共性技术 / 热舒适性科学
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一课题可并存多讲师版本
课程大纲
学完能做什么
- 能写出人体热平衡方程，并逐项估算给定工况下的产热与各路散热量级
- 能用 met/clo 把乘员活动量与衣着折算成模型输入
- 能算出操作温度 t_o，并解释它为什么比空气温度更能代表人的感受
- 能判断血管舒缩/出汗/寒颤三级调节各自在什么工况下起作用
- 能解释手脚、头部的局部冷热感与全身感觉的差异来源
内容大纲
- 人体是台恒温机器
- 壳-芯模型：核心温约 37℃、皮肤温约 33~34℃ 的分层
- 1 met = 58.15 W/m²，成人体表约 1.8 m² → 静息产热在百瓦量级
- 坐姿乘员机械功 W≈0，产热≈全部代谢（商用车驾驶操作另论）
- 蓄热率 S≠0 才是瞬态问题：pull-down / warm-up 的本质
- 六项热平衡逐项拆
- 干热损失 C+R：常温静坐时占比最大的一项
- 皮肤蒸发 E_sk：含无感蒸发与出汗两部分
- 呼吸损失 C_res + E_res：低温干燥环境下不可忽略
- 接触传导：座椅接触面在车里比在房间里重要得多
- met 与 clo：把人翻译成边界条件
- met 取值：驾驶 / 静坐 / 后排休息的差别
- clo：冬装衣着热阻约为夏装的 **2~4 倍**（夏季 0.3~0.6 clo vs 冬季车内 1.0~1.5 clo；最极端组合 5~8 倍，**仍不到一个数量级**）（1 clo = 0.155 m²·K/W）
- 座椅包裹与安全带减少有效散热面积，需做 clo 等效修正
- DuBois 体表面积公式与个体差异（身高体重的影响）
- 儿童的高温侧对称面：表体比大只解释了「更早觉得冷」；高温下儿童的体温调节储备（汗腺发育、出汗能力、体液储备）弱于成人，核心温上升更快、失代偿更早——这是车内滞留致害的时间尺度远短于成人直觉的生理根源（耐受时限判据见 A4-09，滞留场景的热管理处置见 C6-04；具体时限以权威医学口径为准）
- 体温调节三板斧
- 血管舒缩：改变壳层热阻，第一道调节，无代谢代价
- 出汗：E_sk 的上限由环境水蒸气分压与衣着透湿阻决定
- 寒颤：产热 M 可成倍上升，但出现即已是失控前兆
- 手脚末梢：调节幅度最大，也最先向主观感觉“报警”
- 本课的边界：三级调节讲到寒颤为止；寒颤之后的失代偿段（允许暴露时间、核心温变化速率、失温与热应激进程）不在本课范围，在 A4-09 展开
- 落到座舱
- 为什么冬天吹脚：脚部先冷 + 热气上浮的自然补偿
- 为什么夏天吹面：头部对流散热效率高、主观增益大
- 座椅接触面既不能对流也不能辐射 → 背部/臀部闷热的物理根源
- 改玻璃/内饰壁温（t̄_r）比改 t_a 更快改变感受
关键公式
S = M − W − (C + R + E_sk) − (C_res + E_res)
人体热平衡：S=0 为稳态；瞬态工况看 S 的符号与大小，这就是舒适问题的守恒方程
A_D = 0.202·m^0.425·H^0.725
DuBois 体表面积（m 单位 kg、H 单位 m），成人约 1.8 m² 量级；把 met 换算成瓦要靠它
1 met = 58.15 W/m²；1 clo = 0.155 m²·K/W
代谢率与衣着热阻的当量定义；PMV 的两个直接输入，查表来源见 ISO 8996 / ISO 9920
t_o = (h_c·t_a + h_r·t̄_r)/(h_c + h_r)
操作温度；h_c≈h_r 时约等于 (t_a+t̄_r)/2，是人真正“感到”的温度而非仪表读的温度
C + R = (t_sk − t_o)/(I_cl + 1/(f_cl·h))
干热损失：衣着热阻 I_cl（m²·K/W ＝ 0.155×clo 值）与外表面换热热阻 1/(f_cl·h) 串联，f_cl 为衣着面积系数（ISO 7730）。忽略衣着即退化为 h·(t_sk − t_o) 的裸体式——着衣乘员照此算会高估干热损失（t_sk−t_o=8.5K、h≈8 时，1.5 clo 冬装被高估约 2.9 倍）
E_sk = w·(p_sk,s − p_a)/R_e,t
皮肤蒸发散热；w 为皮肤湿润度，环境湿度高时分子塌陷、蒸发能力上限被压死
关键概念
核心温皮肤温壳-芯模型代谢率 met衣着热阻 clo操作温度 t_o平均辐射温度 t̄_r蓄热率 S血管舒缩皮肤湿润度无感蒸发呼吸显热与潜热
推荐工具与标准
pythermalcomfort / CBE Thermal Comfort Tool（热平衡与舒适指标计算） CoolProp（湿空气物性、水蒸气分压 p_a） 皮肤温热电偶阵列 + 数采（人体试验多点贴片） 本站冷媒工况计算器（座舱湿空气状态点）
ISO 8996（代谢率的确定） ISO 9920（衣着热阻的估算） ISO 7726（热环境物理量的测量仪器与方法） ISO 7730（热环境人类工效学：PMV/PPD 与局部不满意率）
工程案例
冬季 −10℃ 冷启动，PTC 十分钟把座舱空气拉到 22℃，乘员仍喊冷：玻璃与内饰还在 0℃ 附近，t̄_r 远低于 t_a，操作温度只有十几度，再叠加出风口气流的对流损失。先抬 t̄_r（座椅/方向盘/辐射面）比死追 t_a 有效。
动手做
交付物 · 给定冬夏两个座舱工况：① 用 DuBois 算体表面积、把 met 折成产热瓦数；② 逐项估 C+R、E_sk 与呼吸损失，定出蓄热率 S 的符号；③ 算操作温度，判断该先动 t_a 还是 t̄_r。交付：热平衡分项表 + 结论页。
常见误区
- 用空气温度代表乘员感受、忽略 t̄_r：冬季冷玻璃、夏季热内饰能把操作温度和 t_a 拉开好几 K
- 把机械功 W 当显著项：坐姿乘员 W≈0，产热≈全部代谢，把 W 算进去会低估产热
- 只把湿度当“锦上添花”：它决定 E_max 上限，高湿时汗蒸发不掉，蓄热率直接转正
- 忽略座椅接触面：那块体表既不能对流也不能辐射，是背部闷热的物理根源，不是风量问题
- 把房间的 clo/met 缺省值直接套到车上：座椅包裹、安全带、驾驶操作都改 clo 与有效散热面积
- 把裸体式 C+R≈h·(t_sk−t_o) 套到着衣乘员上——漏掉串联的衣着热阻 I_cl，冬装工况干热损失高估近 3 倍，会把已回暖座舱的积热判成偏冷
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