2014年博資考-生資格考試

大型商用客機(jī)座艙熱舒適的影響因素及評價(jià)方法研究清華大學(xué)博士生資格考試報(bào)告人崔惟霖導(dǎo)師朱穎心教授2014.11.20目錄CONTENTS研究背景文獻(xiàn)綜述研究內(nèi)容研究進(jìn)展研究總結(jié)研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience3我國正向航空大國快速邁進(jìn)《關(guān)于建設(shè)民航強(qiáng)國的戰(zhàn)略構(gòu)想》提到，2030年，中國航空運(yùn)輸市場將躍居世界第一；中國航空市場未來20年至少需要2000架大型客機(jī)，國際市場至少需要2萬架，國產(chǎn)大型客機(jī)可以幫助實(shí)現(xiàn)我國國民經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型舒適性是民航飛機(jī)發(fā)展的重要方向

目前國際航空運(yùn)輸市場競爭激烈，現(xiàn)代民航飛機(jī)向大運(yùn)力、低消耗、高舒適性和高安全性方向快速發(fā)展；安全、經(jīng)濟(jì)、舒適已經(jīng)成為民用航空市場競爭的三大法寶。研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience4溫總理指出要造大飛機(jī)，要造成功的大飛機(jī)，

要造世界上最先進(jìn)的大飛機(jī)C919的目標(biāo)確保安全性、提高經(jīng)濟(jì)性

改善舒適性、注重環(huán)保性民航客機(jī)設(shè)計(jì)層次市場的激烈競爭促使飛機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)由飛機(jī)結(jié)構(gòu)、安全性設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)移到目前的座艙舒適性設(shè)計(jì)研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience5國外搶先進(jìn)行了舒適性的相關(guān)研究歐洲座艙環(huán)境測試平臺ACE歐洲低壓環(huán)境測試設(shè)施FTF主體為A300機(jī)身，可容納40人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可模擬多項(xiàng)實(shí)際環(huán)境條件，包括溫度、風(fēng)速、低濕度、振動、噪聲、冷熱輻射、空氣質(zhì)量等等高空環(huán)境模擬艙+A310座艙，容量80人，可在地面實(shí)現(xiàn)高空飛行環(huán)境，開展了龐大的理想座艙環(huán)境ICE研究計(jì)劃建立了先進(jìn)的研究平臺研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience6我國由于大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)起步較晚，有關(guān)舒適性的研究幾乎為空白，更進(jìn)一步，真正體現(xiàn)一個國家航空話語權(quán)的是適航標(biāo)準(zhǔn)及其審定和驗(yàn)證技術(shù)現(xiàn)行航空適航條例及相關(guān)文件：《美國聯(lián)邦航空法規(guī)FAR-25》《歐洲聯(lián)合適航條例JAR-25》《ASHRAEHandbookChapter10Aircraft》《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25-R3》《公共交通工具衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience7適航標(biāo)準(zhǔn)在熱舒適性方面存在的問題問題一：對熱舒適指標(biāo)關(guān)注不夠飛行期間座艙CO2濃度不得超過海平面當(dāng)量體積的0.5%（5000ppm），舒適狀態(tài)下必然遠(yuǎn)低于該濃度在主要適航條例FAR/JAR及CCAR-25-R3中，沒有給出對熱舒適影響重要的參數(shù)溫度、濕度和風(fēng)速的控制標(biāo)準(zhǔn)問題二：部分參數(shù)制定脫離實(shí)際《公共交通工具衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB9673》規(guī)定客艙內(nèi)相對濕度范圍40-60%，目前技術(shù)條件下不可能達(dá)到問題三：各標(biāo)準(zhǔn)之間缺乏統(tǒng)一性，參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定缺乏足夠理論支撐比如ASHRAE與GB9673中關(guān)于座艙設(shè)定溫度的規(guī)定，前者為24℃，后者為夏季（24-28℃）、冬季（18-20℃），差別較大部分照搬了建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確性有待商榷飛機(jī)與建筑環(huán)境有著顯著的不同，體現(xiàn)在舒適性上尤為明顯，故在標(biāo)準(zhǔn)的制定上應(yīng)基于大量的數(shù)據(jù)或者嚴(yán)格的模型，方能令人信服只有盡快的開展相關(guān)的研究，我國才能有足夠的設(shè)計(jì)、審定、驗(yàn)證技術(shù)來滿足未來有關(guān)舒適的適航標(biāo)準(zhǔn)要求，才能在未來適航標(biāo)準(zhǔn)制定或修改上與歐美談判，成為航空強(qiáng)國目錄CONTENTS研究背景文獻(xiàn)綜述研究內(nèi)容研究進(jìn)展研究總結(jié)文獻(xiàn)綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience9座艙熱舒適研究的歷史發(fā)展上機(jī)測試1999-2000機(jī)艙熱舒適的工作開始收到重視，收集數(shù)據(jù)的方式主要依靠上機(jī)實(shí)測，包括環(huán)境參數(shù)測試以及乘客問卷調(diào)查，其中最具代表性的工作為Rankin和Haghighat分別開展的上機(jī)測試工作綜述2001-2006實(shí)測工作進(jìn)展不大，轉(zhuǎn)而涌現(xiàn)了較多客艙相關(guān)的文獻(xiàn)綜述，定位大都為“健康和舒適”,研究者的目光開始向舒適性擴(kuò)展，代表有Nagda和Hinninghofen等等實(shí)驗(yàn)室研究2006-now地面實(shí)驗(yàn)設(shè)施顯著改善，甚至可模擬高空飛行環(huán)境，因此，實(shí)驗(yàn)室研究由于條件可控和實(shí)施方便等因素得到了長足發(fā)展，低濕度和空氣質(zhì)量成為研究的主流文獻(xiàn)綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience10上機(jī)測試-環(huán)境參數(shù)Haghighat等對43架客機(jī)座艙的環(huán)境參數(shù)（溫濕度、CO2濃度）進(jìn)行測試，與ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：濕度水平遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)，CO2濃度普遍高于標(biāo)準(zhǔn)FariborzHaghighatetal..Measurementofthermalcomfortandindoorairqualityaboard43flightsoncommercialairlines.IndoorandBuiltEnvironment.1999.文獻(xiàn)綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience11上機(jī)測試-問卷調(diào)查WilliamL.Rankinetal..PassengerComfortandtheEffectofAirQuality.AirQualityandComfortinAirlinerCabins,ASTMSTP1393,AmericanSocietyforTestingandMaterials,WestConshohocken,PA,2000.Rankin等人對71架客機(jī)的3600名乘客進(jìn)行問卷調(diào)查，指出：座椅舒適性、飛行穩(wěn)定性和空氣品質(zhì)是影響乘客舒適性的三個主要因素；眼鼻干燥發(fā)癢是最頻繁出現(xiàn)的癥狀；飛行時間長度對舒適性和不適癥狀影響顯著文獻(xiàn)綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience12綜述文獻(xiàn)-濕度的影響NirenL.Nagda,MichaelHodgson.LowRelativeHumidityandAircraftCabinAirQuality.IndoorAir.2001.Nagda等人收集了關(guān)于座艙濕度的大量零散數(shù)據(jù)，指出：人體不能感知到低濕度環(huán)境往往被誤認(rèn)為低濕度沒有影響，機(jī)艙內(nèi)低濕度的影響要在3h或更長的時間尺度內(nèi)才會顯現(xiàn)。文獻(xiàn)綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience13實(shí)驗(yàn)室研究-溫度與新風(fēng)量PeterStrom-Tejsenetal..Occupantevaluationof7-hourexposuresinasimulatedaircraftcabin–part2:thermaleffect.In:ProceedingsofIndoorAir2005.SumeeParketal..Localandoverallthermalcomfortinanaircraftcabinandtheirinterrelations.BuildingandEnvironment.2011.溫度的研究涉及方面：冷熱偏好、局部熱舒適文獻(xiàn)綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience14實(shí)驗(yàn)室研究-濕度與新風(fēng)量GunnarGrunetal..Lowhumidityintheaircraftcabinenvironmentanditsimpactonwell-being-Resultsfromalaboratorystudy.BuildingandEnvironment.2012.P.Strom-Tejsenetal..Passengerevaluationoftheoptimumbalancebetweenfreshairsupplyandhumidityfrom7-hexposuresinasimulatedaircraftcabin.濕度的研究涉及方面：濕度范圍的影響、濕度與新風(fēng)量的取舍文獻(xiàn)小結(jié)TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience15文獻(xiàn)研究存在的問題時效性：重要文獻(xiàn)時間跨度較大，無法體現(xiàn)座艙熱舒適的改善系統(tǒng)性：客觀因素較多，主觀評價(jià)較少，很多重要參數(shù)影響未考慮，對座艙熱舒適的了解極其有限座艙均勻性季節(jié)性乘客行為……方法性：未涉及座艙熱舒適的評價(jià)方法研究目錄CONTENTS研究背景文獻(xiàn)綜述研究內(nèi)容研究進(jìn)展研究總結(jié)課題研究內(nèi)容TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience17123以現(xiàn)場調(diào)查為基礎(chǔ)，深入了解座艙乘客熱舒適，對關(guān)鍵因素的影響予以分析關(guān)鍵因素：環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律、季節(jié)、座艙均勻度、局部熱舒適、乘客行為座艙特殊環(huán)境參數(shù)對熱舒適影響的實(shí)驗(yàn)研究（低壓）主觀（熱感覺投票）客觀（人體生理參數(shù)、傳熱傳質(zhì)特性）建立基于低壓的座艙熱舒適評價(jià)模型并實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用座艙熱舒適設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化方法及舒適性范圍確定座艙設(shè)計(jì)方法中的反向設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法目錄CONTENTS研究背景文獻(xiàn)綜述研究內(nèi)容研究進(jìn)展研究總結(jié)課題進(jìn)展TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience19中國大型客機(jī)熱舒適現(xiàn)場調(diào)查完成冬夏季及過渡季四次大規(guī)模調(diào)查低壓熱舒適的實(shí)驗(yàn)室研究完成三個代表性實(shí)驗(yàn)基于低壓的座艙熱舒適評價(jià)模型完成模型建立提出座艙熱舒適參數(shù)的優(yōu)化方法及范圍提出座艙反向設(shè)計(jì)中熱舒適指標(biāo)的確定方法并給出指標(biāo)完成度85%完成度95%完成度95%現(xiàn)場調(diào)查基本情況介紹TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience20現(xiàn)場調(diào)查：開展了50條左右國內(nèi)/國際航班熱舒適環(huán)境測試及乘客問卷調(diào)查四次大規(guī)模集中測試2012年秋季，14架737，1000份問卷2013年春季，10架737，700份問卷2013年冬季，4架737,4架A320,600份問卷2013年夏季，6架737,4架A320,700份問卷座艙環(huán)境參數(shù)TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience21飛機(jī)座艙熱環(huán)境的特點(diǎn)：飛機(jī)座艙是一個空氣溫度可手動調(diào)節(jié)，壓力和相對濕度劇烈變化的高人員密度的半封閉空間溫度設(shè)定值對熱舒適有重要影響乘客熱感覺TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience22座艙溫度設(shè)定并不合適冬季：微熱（+1），31%；較熱（+2），7%春季：微熱（+1），26%；較熱（+2），0%局部熱舒適TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience23局部熱舒適分級部位1（超過80%乘客舒適）前臂腹部胸部上臂2（70%-80%乘客舒適）頸部小腿大腿3（低于70%乘客舒適）背部頭部腳頭、背的局部熱舒適情況較差，直接影響整體熱舒適行為與舒適TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience24毛毯使用情況噴嘴使用情況乘客的行為調(diào)節(jié)較為活躍行為與舒適TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience25乘客調(diào)節(jié)原因：對座艙環(huán)境不滿意調(diào)節(jié)效果：未達(dá)到令人滿意的程度未調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)熱感覺濕感覺未調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)小結(jié)TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience26對座艙熱舒適有了更深入的了解座艙環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律乘客熱舒適狀況及與各關(guān)鍵影響因素的關(guān)系確定下一步的工作內(nèi)容壓力對熱舒適的影響（需要在座艙熱舒適評價(jià)方法中體現(xiàn)）合適座艙溫度范圍的確定（涉及到熱舒適參數(shù)優(yōu)化方法，建立在評價(jià)方法基礎(chǔ)上）實(shí)驗(yàn)1：壓力與熱感覺TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience27主要結(jié)論：壓力降低，TSV值下降，中性溫度升高實(shí)驗(yàn)2：壓力與人體生理參數(shù)TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience28主要結(jié)論：壓力降低，呼吸商、CO2產(chǎn)生量顯著上升，代謝率上升但在80kPa以上不顯著，HRV趨于下降實(shí)驗(yàn)3：壓力與人體傳熱傳質(zhì)TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience29主要結(jié)論：干工況：壓力降低散熱減少（對應(yīng)中性及偏冷環(huán)境）濕工況：壓力降低散熱增加（對應(yīng)偏熱環(huán)境）實(shí)驗(yàn)3：壓力與人體傳熱傳質(zhì)TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience30主要結(jié)論：hc實(shí)驗(yàn)與理論符合較好he理論值偏高實(shí)驗(yàn)小結(jié)TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience31一定程度了解了壓力變化對熱舒適的影響主觀熱感覺客觀生理參數(shù)人體傳熱傳質(zhì)特性根據(jù)實(shí)驗(yàn)不足實(shí)驗(yàn)無法解釋熱感覺的變化傳熱傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)過于簡單，且無法體現(xiàn)散熱項(xiàng)之間的耦合確定下一步的工作內(nèi)容建立合適的模型將壓力影響的傳熱傳質(zhì)特性與人體生理調(diào)節(jié)相結(jié)合模型建立TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience32已有模型的再組合人體的二節(jié)點(diǎn)模型皮膚層：與周圍環(huán)境換熱，受壓力直接影響核心層：主要與皮膚層換熱，壓力影響呼吸散熱結(jié)合考慮壓力影響的散熱項(xiàng)多參數(shù)的變化規(guī)律TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience33tsk

CREmaxEskCreswEres基于人體蓄熱率的熱舒適參數(shù)優(yōu)化方法TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience34熱量盈虧(達(dá)到熱平衡過程中E與M之差)tsk和tcr變化(由身體承擔(dān)此熱量的調(diào)節(jié))冷熱感受器冷熱不舒適感在冷和熱的環(huán)境下，人體的熱不舒適是由達(dá)到熱平衡過程中產(chǎn)生的熱量盈虧造成的區(qū)別于傳統(tǒng)PMV模型中的蓄熱率16℃1clo32℃1cloStage1Stage2人體生理調(diào)節(jié)階段產(chǎn)熱量M和散熱量E漸趨于統(tǒng)一熱平衡階段產(chǎn)熱量M和散熱量E相等舒適溫度范圍的確定TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience35仿照PMV模型，選取人體的蓄熱率為中間指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)-3-2-10+1+2+3冷涼微涼中性微暖暖熱舒適區(qū)間-0.5+0.5PMV-0.5+0.5蓄熱率(W/㎡)-7.72+7.72計(jì)算適合飛機(jī)座艙環(huán)境的熱舒適區(qū)間RH(%)溫度下限中性溫度溫度上限夏季0.6clo75kPa2025.52728.5126.127.629.1冬季1.4clo75kPa2022.124.226.3122.724.826.9在座艙內(nèi)影響人體熱舒適的環(huán)境參數(shù)中，壓力、相對濕度不可隨意調(diào)節(jié)，風(fēng)速基本屬于無感區(qū)域，輻射溫度與空氣溫度十分接近，空氣溫度是可控的，所以改善機(jī)艙熱舒適的關(guān)鍵之一為：空氣溫度設(shè)定值選取一定條件約束下的舒適區(qū)(可擴(kuò)展)TsinghuaUniversityDe