2014年博资考-生资格考试

大型商用客机座舱热舒适的影响因素及评价方法研究清华大学博士生资格考试报告人崔惟霖导师朱颖心教授2014.11.20目录CONTENTS研究背景文献综述研究内容研究进展研究总结研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience3我国正向航空大国快速迈进《关于建设民航强国的战略构想》提到，2030年，中国航空运输市场将跃居世界第一；中国航空市场未来20年至少需要2000架大型客机，国际市场至少需要2万架，国产大型客机可以帮助实现我国国民经济的产业转型舒适性是民航飞机发展的重要方向

目前国际航空运输市场竞争激烈，现代民航飞机向大运力、低消耗、高舒适性和高安全性方向快速发展；安全、经济、舒适已经成为民用航空市场竞争的三大法宝。研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience4温总理指出要造大飞机，要造成功的大飞机，

要造世界上最先进的大飞机C919的目标确保安全性、提高经济性

改善舒适性、注重环保性民航客机设计层次市场的激烈竞争促使飞机设计重点由飞机结构、安全性设计，转移到目前的座舱舒适性设计研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience5国外抢先进行了舒适性的相关研究欧洲座舱环境测试平台ACE欧洲低压环境测试设施FTF主体为A300机身，可容纳40人进行实验，可模拟多项实际环境条件，包括温度、风速、低湿度、振动、噪声、冷热辐射、空气质量等等高空环境模拟舱+A310座舱，容量80人，可在地面实现高空飞行环境，开展了庞大的理想座舱环境ICE研究计划建立了先进的研究平台研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience6我国由于大飞机产业起步较晚，有关舒适性的研究几乎为空白，更进一步，真正体现一个国家航空话语权的是适航标准及其审定和验证技术现行航空适航条例及相关文件：《美国联邦航空法规FAR-25》《欧洲联合适航条例JAR-25》《ASHRAEHandbookChapter10Aircraft》《运输类飞机适航标准CCAR-25-R3》《公共交通工具卫生标准》研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience7适航标准在热舒适性方面存在的问题问题一：对热舒适指标关注不够飞行期间座舱CO2浓度不得超过海平面当量体积的0.5%（5000ppm），舒适状态下必然远低于该浓度在主要适航条例FAR/JAR及CCAR-25-R3中，没有给出对热舒适影响重要的参数温度、湿度和风速的控制标准问题二：部分参数制定脱离实际《公共交通工具卫生标准GB9673》规定客舱内相对湿度范围40-60%，目前技术条件下不可能达到问题三：各标准之间缺乏统一性，参数标准的制定缺乏足够理论支撑比如ASHRAE与GB9673中关于座舱设定温度的规定，前者为24℃，后者为夏季（24-28℃）、冬季（18-20℃），差别较大部分照搬了建筑相关标准，准确性有待商榷飞机与建筑环境有着显著的不同，体现在舒适性上尤为明显，故在标准的制定上应基于大量的数据或者严格的模型，方能令人信服只有尽快的开展相关的研究，我国才能有足够的设计、审定、验证技术来满足未来有关舒适的适航标准要求，才能在未来适航标准制定或修改上与欧美谈判，成为航空强国目录CONTENTS研究背景文献综述研究内容研究进展研究总结文献综述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience9座舱热舒适研究的历史发展上机测试1999-2000机舱热舒适的工作开始收到重视，收集数据的方式主要依靠上机实测，包括环境参数测试以及乘客问卷调查，其中最具代表性的工作为Rankin和Haghighat分别开展的上机测试工作综述2001-2006实测工作进展不大，转而涌现了较多客舱相关的文献综述，定位大都为“健康和舒适”,研究者的目光开始向舒适性扩展，代表有Nagda和Hinninghofen等等实验室研究2006-now地面实验设施显著改善，甚至可模拟高空飞行环境，因此，实验室研究由于条件可控和实施方便等因素得到了长足发展，低湿度和空气质量成为研究的主流文献综述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience10上机测试-环境参数Haghighat等对43架客机座舱的环境参数（温湿度、CO2浓度）进行测试，与ASHRAE标准进行比较发现：湿度水平远低于标准，CO2浓度普遍高于标准FariborzHaghighatetal..Measurementofthermalcomfortandindoorairqualityaboard43flightsoncommercialairlines.IndoorandBuiltEnvironment.1999.文献综述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience11上机测试-问卷调查WilliamL.Rankinetal..PassengerComfortandtheEffectofAirQuality.AirQualityandComfortinAirlinerCabins,ASTMSTP1393,AmericanSocietyforTestingandMaterials,WestConshohocken,PA,2000.Rankin等人对71架客机的3600名乘客进行问卷调查，指出：座椅舒适性、飞行稳定性和空气品质是影响乘客舒适性的三个主要因素；眼鼻干燥发痒是最频繁出现的症状；飞行时间长度对舒适性和不适症状影响显著文献综述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience12综述文献-湿度的影响NirenL.Nagda,MichaelHodgson.LowRelativeHumidityandAircraftCabinAirQuality.IndoorAir.2001.Nagda等人收集了关于座舱湿度的大量零散数据，指出：人体不能感知到低湿度环境往往被误认为低湿度没有影响，机舱内低湿度的影响要在3h或更长的时间尺度内才会显现。文献综述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience13实验室研究-温度与新风量PeterStrom-Tejsenetal..Occupantevaluationof7-hourexposuresinasimulatedaircraftcabin–part2:thermaleffect.In:ProceedingsofIndoorAir2005.SumeeParketal..Localandoverallthermalcomfortinanaircraftcabinandtheirinterrelations.BuildingandEnvironment.2011.温度的研究涉及方面：冷热偏好、局部热舒适文献综述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience14实验室研究-湿度与新风量GunnarGrunetal..Lowhumidityintheaircraftcabinenvironmentanditsimpactonwell-being-Resultsfromalaboratorystudy.BuildingandEnvironment.2012.P.Strom-Tejsenetal..Passengerevaluationoftheoptimumbalancebetweenfreshairsupplyandhumidityfrom7-hexposuresinasimulatedaircraftcabin.湿度的研究涉及方面：湿度范围的影响、湿度与新风量的取舍文献小结TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience15文献研究存在的问题时效性：重要文献时间跨度较大，无法体现座舱热舒适的改善系统性：客观因素较多，主观评价较少，很多重要参数影响未考虑，对座舱热舒适的了解极其有限座舱均匀性季节性乘客行为……方法性：未涉及座舱热舒适的评价方法研究目录CONTENTS研究背景文献综述研究内容研究进展研究总结课题研究内容TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience17123以现场调查为基础，深入了解座舱乘客热舒适，对关键因素的影响予以分析关键因素：环境参数变化规律、季节、座舱均匀度、局部热舒适、乘客行为座舱特殊环境参数对热舒适影响的实验研究（低压）主观（热感觉投票）客观（人体生理参数、传热传质特性）建立基于低压的座舱热舒适评价模型并实现其应用座舱热舒适设计参数的优化方法及舒适性范围确定座舱设计方法中的反向设计参数的确定方法目录CONTENTS研究背景文献综述研究内容研究进展研究总结课题进展TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience19中国大型客机热舒适现场调查完成冬夏季及过渡季四次大规模调查低压热舒适的实验室研究完成三个代表性实验基于低压的座舱热舒适评价模型完成模型建立提出座舱热舒适参数的优化方法及范围提出座舱反向设计中热舒适指标的确定方法并给出指标完成度85%完成度95%完成度95%现场调查基本情况介绍TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience20现场调查：开展了50条左右国内/国际航班热舒适环境测试及乘客问卷调查四次大规模集中测试2012年秋季，14架737，1000份问卷2013年春季，10架737，700份问卷2013年冬季，4架737,4架A320,600份问卷2013年夏季，6架737,4架A320,700份问卷座舱环境参数TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience21飞机座舱热环境的特点：飞机座舱是一个空气温度可手动调节，压力和相对湿度剧烈变化的高人员密度的半封闭空间温度设定值对热舒适有重要影响乘客热感觉TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience22座舱温度设定并不合适冬季：微热（+1），31%；较热（+2），7%春季：微热（+1），26%；较热（+2），0%局部热舒适TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience23局部热舒适分级部位1（超过80%乘客舒适）前臂腹部胸部上臂2（70%-80%乘客舒适）颈部小腿大腿3（低于70%乘客舒适）背部头部脚头、背的局部热舒适情况较差，直接影响整体热舒适行为与舒适TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience24毛毯使用情况喷嘴使用情况乘客的行为调节较为活跃行为与舒适TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience25乘客调节原因：对座舱环境不满意调节效果：未达到令人满意的程度未调节调节热感觉湿感觉未调节调节小结TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience26对座舱热舒适有了更深入的了解座舱环境参数的变化规律乘客热舒适状况及与各关键影响因素的关系确定下一步的工作内容压力对热舒适的影响（需要在座舱热舒适评价方法中体现）合适座舱温度范围的确定（涉及到热舒适参数优化方法，建立在评价方法基础上）实验1：压力与热感觉TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience27主要结论：压力降低，TSV值下降，中性温度升高实验2：压力与人体生理参数TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience28主要结论：压力降低，呼吸商、CO2产生量显著上升，代谢率上升但在80kPa以上不显著，HRV趋于下降实验3：压力与人体传热传质TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience29主要结论：干工况：压力降低散热减少（对应中性及偏冷环境）湿工况：压力降低散热增加（对应偏热环境）实验3：压力与人体传热传质TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience30主要结论：hc实验与理论符合较好he理论值偏高实验小结TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience31一定程度了解了压力变化对热舒适的影响主观热感觉客观生理参数人体传热传质特性根据实验不足实验无法解释热感觉的变化传热传质实验过于简单，且无法体现散热项之间的耦合确定下一步的工作内容建立合适的模型将压力影响的传热传质特性与人体生理调节相结合模型建立TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience32已有模型的再组合人体的二节点模型皮肤层：与周围环境换热，受压力直接影响核心层：主要与皮肤层换热，压力影响呼吸散热结合考虑压力影响的散热项多参数的变化规律TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience33tsk

CREmaxEskCreswEres基于人体蓄热率的热舒适参数优化方法TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience34热量盈亏(达到热平衡过程中E与M之差)tsk和tcr变化(由身体承担此热量的调节)冷热感受器冷热不舒适感在冷和热的环境下，人体的热不舒适是由达到热平衡过程中产生的热量盈亏造成的区别于传统PMV模型中的蓄热率16℃1clo32℃1cloStage1Stage2人体生理调节阶段产热量M和散热量E渐趋于统一热平衡阶段产热量M和散热量E相等舒适温度范围的确定TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience35仿照PMV模型，选取人体的蓄热率为中间指标进行评价-3-2-10+1+2+3冷凉微凉中性微暖暖热舒适区间-0.5+0.5PMV-0.5+0.5蓄热率(W/㎡)-7.72+7.72计算适合飞机座舱环境的热舒适区间RH(%)温度下限中性温度温度上限夏季0.6clo75kPa2025.52728.5126.127.629.1冬季1.4clo75kPa2022.124.226.3122.724.826.9在座舱内影响人体热舒适的环境参数中，压力、相对湿度不可随意调节，风速基本属于无感区域，辐射温度与空气温度十分接近，空气温度是可控的，所以改善机舱热舒适的关键之一为：空气温度设定值选取一定条件约束下的舒适区(可扩展)TsinghuaUniversityDe