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基于汽车座椅的热舒适性和燃油经济性评价
杰森·拉斯特拜德
国家可再生能源实验室
摘要：
汽车附属负荷对传统和先进的车辆的燃油经济性都有显著的影响。改善经调节温湿度的空气的传递方法能用较少的能量消耗来有效的提高热舒适性，减少空调需求和燃料使用。由于接触面积大且靠近乘客，汽车座椅非常适合高效传递经空调调节的空气。通常一个座椅作为一个热绝缘体,增加皮肤温度和减少汗水的蒸发降温。给座椅通风只消耗很低的能量，而且在增加蒸发降温的时候会消除这种绝缘效果。依靠通风座椅，美国能源部的国家可再生能源实验室（NREL）已经应用了实验测试和建模量化的结合来改进热舒适和潜在的燃料节省。可以使用热舒适性的改善减少4%的A / C的热容,使预计的A/ C燃料的消耗在环保局规定的高速公路循环周期内减少2.8%，城市循环周期内减少 4.5%。当空调系统打开时，总的车辆燃油消耗将减少0.3%到0.5%。对于单个汽车而言很小，但是这种潜在的燃料节省对一个国家层面来说，有重要意义。
引言：
正在运行的空调系统（A/C）是目前汽车发动机最大的附属负荷，影响燃油经济性和尾气排放。对一辆传统的汽车而言，A/C的使用可以在一个标准周期内（加利福尼亚ARB。循环试验）减少21%-24% 的汽车燃油经济性。在一个标准驱动周期内，汽车测试表明氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）会分别增加13%-66%和60%-120%[1]。在先进的高效率车辆上，这些影响会更大在国家层面，空调系统的燃油使用量的多少的影响是很巨大的。最近的一项研究估计美国使用264亿升（70亿加仑）的汽车空调汽油；相当于美国进口原油的9.5%油[ 2 ]。
国家可再生能源实验室的支持一种分三部分的减少A / C使用燃料的方法：减少热负荷，改善空调交互的空气，以提高热舒适性，提高设备的效率。本文专注于通过使用先进的汽车座椅概念进行高效的交互。改进空调送风方式是用小的能量成本提高热舒适性的有效途径。这减少了空调系统的需求，从而减少了燃料的使用。为了评估气候控制的交付方法，
汽车气候控制实验室（VCCL）是发展到允许快速且可重复的乘员对在一个受控的，非对称的，热的先进的气候控制系统的热舒适评价；允许研究人员估计影响热舒适性与燃油经济性。
汽车座椅非常适合高效传递经空调调节的空气。通常一个座椅作为一个热绝缘体,增加皮肤温度和减少汗水的蒸发降温。给座椅通风只消耗很低的能量，而且在增加蒸发降温的时候会消除这种绝缘效果。网状座椅的使用不会消耗没有额外的能量，并有类似的好处。这两种技术都得到了评价。提高局部热损失和更好地针对热舒适的身体段花更多的精力，可以抵消较高的客舱温度的影响。当有效的传递方法使热舒适在较高的客舱温度中等效，空调负载会降低，可实现节省燃油。
实验与建模相已经结合用于估计这些先进的汽车座椅技术对热舒适性和燃油经济性的潜在影响。
实验方法：
回顾
国家可再生能源实验室（NREL）下的汽车气候控制实验室（VCCL）开发了模拟浸泡，冷却的车辆乘客舱（图1）。一辆小型车的车厢，从A柱到C柱，使用963瓦特/平方米plusmn; 23%的全方位的太阳模拟器热浸泡3.5小时。在此期间，平均居室环境控制为31.6°Cplusmn; 0.4°C和30%plusmn; 5%RH。主体进入热浸透的房间，站了30秒，然后进行一分钟的踏步锻炼，以模拟步行到汽车。这个主体进入了热浸透的汽车，并采取了预冷热舒适和感觉投票。这个空调系统开始45秒后，主体进入车辆，在该时间的第一冷却时间采取投票。在测试期间，热舒适性和感受投票每两分钟进行一次。测试中，会测量表面和空气温度，太阳辐射，湿度和A/C通风罩处的进风速度。
有超过80个测量温度的地点，测量房间和客舱情况。同心圆筒辐射防护罩用于乘客车厢空气温度的测量。八个热电偶被缝在驾驶员座椅的表面上，用于之测量它和成员之间的温度。表面温度探头采用热环氧树脂，靠近接触点的大的热梯度被最小化。在冷却完成并假定为常数之后，客舱内部速度和A/C入口速度剖面特点是安装了整流罩。
图1：汽车气候控制实验室（VCCL）
实验室组件
太阳模拟器，图1中的“a”，有963 W/m2 plusmn; 23% 的平均辐射，如图2所示。
图2：太阳模拟器辐照度为963瓦/平方米plusmn; 23%
平均辐射是用一种用太阳辐射光谱[3, 4]的ASTM标准来确定的。在图3种，金属卤化物灯被用来近似模拟太阳光谱。虽然不如氙气灯精确，复杂性和成本问题使金属卤化物灯的最佳选择。
图3：金属卤化物光谱分布与标准太阳光谱的比较
光的准直是没有解决的，因为模拟器的主要目的是热负荷。汽车的前面被照亮，因为这是这项研究的主要兴趣领域，限制成本和复杂性是很必要的。太阳模拟器的设计，通过测量的辐射一盏灯的轮廓，然后由叠加建模，结合多个配置文件估计完成阵列。这允许确定的估计灯数、大小、距离和间距。程序类似于肯尼和戴维森[ 5 ]。总计使用了1000个八瓦灯，四个穿过顶部和底部。四，400瓦灯被用来在光分布的填充孔中心。在建设后，阵列间距参数进行了调整实验，以细化灯泡的分布和计数的变化。一个4.5英寸（11.43-cm）的网格间距测量最终阵列辐射穿过挡风玻璃照明平面的宽度与高度。
空调模拟使用实际系统，并由一个电动马达驱动，即图1“b”。电机是运行在一个恒定的2300转，近似一辆小汽车在US06驱动周期内发动机的平均转速的。在整个蒸发器的空气侧内测量在热力学状态的变化，以允许热量计算的影响，就像在分析部分中讨论中一样。为了防止过冷和蒸发器冻结，采用蒸发器出口温度死区控制，使平均稳态排气出口温度8.2 Cordm; plusmn;0.4 Cordm;。预制管道连接罩口4英寸（10.16-cm）直径的管。一个直径为11.5的入口长度后，在垂直和水平方向的横向测定流速通过管0.5英寸（1.27厘米）增量。热线风速仪的校准NIST可追溯到plusmn;3%，在适当位置用实验夹具支撑探针，在图1中“C”所示，以尽量减少的变化。
如图1中的'D',设计一个风力模拟装置，并建造在挡风玻璃上，校正由于缺乏再辐射和环境空气运动的过热。风模拟对车辆温度的影响如图4所示。再辐射效应是一个固有的短期来室内的测试，像鲁先生和Malaney[6]讨论的那样。
图:4：VCCL下有风模拟和无风模拟的比较
平均稳态室温控制为31.6plusmn; 0.4°C，应注意房间内存在较大的空间变化。房间的平均相对湿度为30%plusmn; 5%，采用PID控制。热电偶将用哈特科学7103微浴校准到plusmn;0.15°C并且参考探头将通过整个数据采集系统校准到NIST标准。日射强度计由NREL的计量部门校准到plusmn;2.5%，而且湿度传感器用NIST可溯源校准到plusmn;2%。
热舒适性和使用舒适度，采用的是类似于ASHRAE七点量表，是由加州伯克利发展的[ 7 ]。使用范围从非常冷（1）到非常热（9）和舒适度范围从非常不舒服（1）到非常舒适（9），如图5所示的感觉范围。
图5：伯克利大学的热感觉和舒适尺度[ 7 ]
舒适度有一个突破，在中间迫使受试者是“只是不舒服”或“只是舒适”。应该注意的是，和大规模使用不同，加州大学伯克利的目前的规模是转移以零为中心。整体，头部，胸部，背部，手臂，腿和脚的热感觉和舒适投票没有区别的左和右。0.5的增量被使用，受试者不被允许回顾以前的选票。标准测试服装包括棉短袖POLO衫，卡其裤子、袜子和鞋。
实验室的性能
为了检查乘客舱浸泡温度的真实感，浸泡数据要和以往的现场户外车辆测试相比较。图6中的结果显示出良好的相关性和相似的温度分布。虽然类似的，但是模拟的并不是相同的环境条件，并且车辆的几何形状是显然的不同，注意这一点是很重要的。
图6：汽车气候控制实验室风模拟器基线与十万实验的比较
除了现实主义，对引线的冷却时间的重复性进行了验证。图7显示了5个测试使用相同的设置的平均和标准偏差的结果，但不是同一天的。
图7：汽车气候控制实验室的样品基线的降温，Std. Dev. Bars对每5个测试点的5个平均测试结果
一个现有的汽车座椅被改装为通风，如图8所示。在座椅靠背和座椅底部安装了2个风扇。在风机出口之间使用一个粗隔垫，以防止流阻，并允许初始扩散。一个好的扩散层能在通过多孔座套的时候进一步扩散气流。在最大流量下，四个风扇一起消耗了9瓦的功率。
图8：通风座椅示意图
该网的背面，轻质量的原型试验座椅来自汽车整车厂。座椅的背面是由由张紧的低质量的多孔织物构成的。座椅的底部类似于一个标准的汽车座椅。
分析
A/C功率计算
空调系统的排热建模为一维稳定流动。干燥的空气和水蒸汽被视为理想气体。动能和势能变化假设可以忽略不计。一个控制面被定义在一个A/C蒸发器，给一个整体的能量平衡[ 8 ]：
Qac=mairevap∆hair,evap-mwater,condhwater,cond(1)
有：
Qac=通过空调系统从空气流中除去的热量[千瓦]
m =质量流率[千克/秒]
air,evap =空气流经蒸发器的水，cond=空气中凝结的水
计算的焓：
h=hair whg[kJ/kg dry air] (2)
有：
h = 焓
Cp = 1.005 kJ/(kg-°C)
w = 特定湿度
v = 水分蒸发量
g =在相同温度下的饱和水蒸气
见参考[ 8 ]进一步讨论这些近似。
水的质量平衡是：
具体湿度计算：
有：
P =绝对大气压力[kpa]
Pv = 入口为empty;in PSat,in 且出口为PSat,out [kPa]
empty;= 相关湿度
在冷却过程中，未测量出口湿度。这是假设在凝结，出口和入口湿度相等。一旦冷凝开始，出口特定的湿度被假定等于饱和湿度。也就是说，一旦冷凝开始，出口相对湿度被假定为100%。冷凝发生在饱和湿度中，，根据蒸发器出口温度，降低到低于入口湿度。
这一假设的测试表明，错误是小的，并限制在短暂的冷却时间短。此外，该错误是可重复的，从而在很大程度上在比较中去除了错误。
从平均测量的速度和内径来计算质量流量率。应该指出的是，使用标准的热线风速仪测量速度；因此，在标准条件下的空气密度来计算质量流量。
通过调节蒸发器的空气流量来控制空调的热去除。
燃料的使用
平均计算的A / C电源的使用作为一个稳定的负载在顾问copy;软件车辆超过EPA的城市和公路循环。一个“复合”的紧凑型车模型选择适当的匹配的车辆的大小的测试的空调系统。这个模型是由三大畅销的紧凑型轿车销售来使用我们的加权平均分的特点：公民牌，福克斯，和卡弗利尔[ 9 ]。假设一个系统的性能系数（缔约方会议）为1.8，包括压缩机的效率损失[ 10 ]。带效率和发电机效率（座椅功率）分别假设为95%和85%。包括一个通风座椅的功率。
结果
冷却的测试是一个基线和通风的座位上2个减少空调的设置进行的。平均冷却乘员座椅接触温度如图9所示。96%热在座椅接触温度为3.5°plusmn; 0.9°C的基础上，采用多个测试平均稳态下的座椅接触温度，去除能力，并具有较高的通风位置。在90%的热容量，多个测试平均温度降低，如图9所示。温降减少，可以归因于从车身上的升高的客舱温度的热损失减少从车身上的升高的客舱温度。
图9：平均降低的驾驶员座椅接触温度
在背部的温度下降，是因为在背部热舒适性的大幅改善。图10显示的是在使用具有96%热容量的空调系统的通风座椅时，要达到更高的背部热舒适度的时间缩短了。一旦背部的热舒适性达到高峰，舒适度开始下降，最终导致过冷的背面。
图10：用通风座椅改进的平均热舒适
应该指出的是，背部在投票表的排名第四，所以，在这个环节里，座位和A / C系统已经在第一次冷却投票开始之前大约15-20秒之前就启动了。这个时滞可以解释最初的投票差异。
在一定程度上改善后热舒适性影响整体热舒适性是不明确的。图11显示的是近似相同的水平或更好的热舒适性，使用带空调系统的通风座椅使热容量减少了4%。在这图10和图11中，热舒适的峰达到，然后热舒适开始下降。这一下降的第一部分是由于热舒适性的性质。在热条件的变化是必要的，以实现上述“只是舒适”的反应。也就是说，在感觉“很舒服”之前，你需要感到不舒服。一旦热状态的瞬态变化完成，人返回到一个“只是舒适”的条件。由于人的热损失的速度随着客舱温度下降继续增加，他们开始得到过冷，从而降低舒适性投票。
热容量减少的4%导致使用通风座椅时的等效热舒适，导致平均稳态呼吸温度增加1ordm;Cplusmn;0.7ordm;C，如图12所示的结果。
图11：利用通风座椅，在在减少负载的情况下保持整体热舒适性，在减少负载通风座椅
图12：和更暖和的驾驶员呼吸温度等效的热舒适性
在这个测试中使用的通风座椅，但是，还没有被优化。由于对整体热舒适性的影响和座椅设计改进有信心，相信更大的客舱温度将会展示出来。
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