综述：预测人体与车辆中加热且通风的座椅接触时的局部皮肤温度

《ENERGY AND BUILDINGS》：Predicting local skin temperatures of the human body in contact with a heated and ventilated seat in a vehicle

热舒适性评估及多段模型优化在车辆加热通风座椅中的应用。通过实验验证模型在极端温度环境下预测局部和整体皮肤温度的准确性，最大误差2.1℃。

　　

朴俊硕|林京民|春忠允|赵忠元

韩国首尔汉阳大学建筑工程系

摘要

加热和通风座椅可以迅速缓解乘客的热不适感，同时也有助于降低车辆暖通空调（HVAC）系统的能耗。为了优化座椅的控制，估算乘客的热舒适度和感觉至关重要，这包括乘客与座椅接触部位的情况。乘客的局部和整体热舒适度及感觉可以通过身体各部位的局部和平均皮肤温度来推断。在本研究中，对多段模型进行了改进，以便估算坐在加热和通风座椅上的乘客的局部和平均皮肤温度。该改进模型通过在汽车气候舱中模拟极端高温和低温条件下的实验进行了验证，共有39名受试者参与了实验。实验结果证实，即使在高度瞬变且不对称的热环境中，该模型也能准确预测受试者的局部和平均皮肤温度，最大误差仅为2.1℃。该模型有助于开发车辆加热和通风座椅的运行策略。

引言

乘客在车内经常面临不舒适的热环境，尤其是在初始升温或降温阶段。在这种条件下，车厢温度可能超过50.0℃或降至-10.0℃[1]、[2]。尽管暖通空调系统会被激活以满足乘客的热需求，但其处理加热或冷却负荷的能力有限。结合个人舒适系统的任务环境调节方法已被提出，以改善初始升温阶段的熱环境[3]、[4]、[5]。这些方法还旨在在有效满足乘客热需求的同时最小化能源消耗。

在各种个人舒适系统中，加热和通风座椅是最广泛采用的系统[6]。座椅的靠背和坐垫直接与乘客接触，通过加热或通风来满足乘客的热需求。先前的研究已经证实了这种座椅在满足乘客热需求方面的有效性[7]、[8]。当座椅被激活时，与仅依靠暖通空调系统相比，夏季的车厢温度可以设置得更高，冬季则可以设置得更低[9]、[10]。这些座椅可以减少车辆暖通空调系统用于加热或冷却整个车厢的能耗[11]。

优化座椅的控制需要了解乘客的热感觉和舒适度，尤其是在座椅的接触区域。热感觉和舒适度可以通过局部和整体皮肤温度来预测[12]、[13]。已经开发了几种热生理模型，如Fiala、Tanabe和加州大学伯克利分校的模型，用于模拟人在不对称和瞬变热环境下的热反应[14]、[15]、[16]。多段模型结合了体温调节机制，能够捕捉人体的局部和整体生理反应。

Karim等人提出了一种一维动态模型，用于预测与加热和通风座椅接触部位的皮肤温度、热流和热感觉[1]、[17]。尽管一维方法存在一定的误差，但它表明可以使用相对较少的参数来预测皮肤温度和热流。Fojtlín等人将一维热传递模型整合到Fiala的热生理框架中，以估算与加热和通风座椅接触的身体部位的局部皮肤温度[18]，预测的局部皮肤温度与实验测量结果吻合良好。然而，在这些测量中，座椅周围的热环境是在受控舱内保持均匀的。因此，该模型无法识别与座椅不接触的身体部位因瞬变和非均匀热条件引起的局部皮肤温度变化。

本研究旨在改进多段模型，使其能够预测坐在加热和通风座椅上的乘客的局部和整体皮肤温度。改进模型模拟了人体与周围车厢环境之间的热交换，包括接触和非接触部位。为了验证该模型，在汽车气候舱中模拟了极端冬季和夏季条件下的实验，共有39名受试者参与了实验。

实验程序和材料

实验在车辆的加热和冷却条件下进行。加热实验从2021年11月持续到2022年1月，冷却实验则在2022年7月至8月进行。每个实验程序包括两个阶段。在第一阶段，使用暖通空调假人监测驾驶员座椅的局部热环境。监测到的数据被用作输入数据，输入到热生理模型中以预测局部皮肤温度

驾驶员座椅的热环境

在加热和冷却实验期间，驾驶员座椅周围的热环境是瞬变且不均匀的。图4显示了测试车辆暖通空调系统运行过程中，从系统启动到稳态条件时驾驶员座椅周围局部环境空气温度的变化情况。从暖通空调假人获得的数据被替换为每个对应部位的平均值，从而得到了15个身体部位的代表性测量结果（不包括

讨论

车辆驾驶员座椅的热环境高度不对称，不仅从头部到脚部垂直方向如此，身体左右两侧也是如此。局部热环境还会在较长时间内发生瞬变。此外，由于真实人体的热羽流效应，身体各部位的微环境可能比图4和图5所示的条件更为复杂。热羽流显著改变了

结论

在本研究中，开发了一个多段人体模型，用于预测坐在加热和通风座椅上的乘客的局部和平均皮肤温度。该改进模型通过39名受试者的加热和冷却实验进行了验证。实验结果表明，当车辆暴露在极端高温或低温条件下时，驾驶员会经历超过27.5℃的快速局部温度变化，以及非均匀的热环境

作者贡献声明

朴俊硕：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，概念化。林京民：方法论，数据整理。春忠允：验证，资源获取，概念化。赵忠元：资源获取，方法论，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的国家研究基金会（NRF）（项目编号：RS-2024-00334360、RS-2025-00512834）以及贸易、工业与能源部（MOTIE）资助的技术创新计划（项目编号：20011377）的支持。