2014年博資考-生資格考試

大型商用客機座艙熱舒適的影響因素及評價方法研究清華大學博士生資格考試報告人崔惟霖導師朱穎心教授2014.11.20目錄CONTENTS研究背景文獻綜述研究內(nèi)容研究進展研究總結(jié)研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience3我國正向航空大國快速邁進《關于建設民航強國的戰(zhàn)略構(gòu)想》提到，2030年，中國航空運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，國際市場至少需要2萬架，國產(chǎn)大型客機可以幫助實現(xiàn)我國國民經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型舒適性是民航飛機發(fā)展的重要方向

目前國際航空運輸市場競爭激烈，現(xiàn)代民航飛機向大運力、低消耗、高舒適性和高安全性方向快速發(fā)展；安全、經(jīng)濟、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，要造成功的大飛機，

要造世界上最先進的大飛機C919的目標確保安全性、提高經(jīng)濟性

改善舒適性、注重環(huán)保性民航客機設計層次市場的激烈競爭促使飛機設計重點由飛機結(jié)構(gòu)、安全性設計，轉(zhuǎn)移到目前的座艙舒適性設計研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience5國外搶先進行了舒適性的相關研究歐洲座艙環(huán)境測試平臺ACE歐洲低壓環(huán)境測試設施FTF主體為A300機身，可容納40人進行實驗，可模擬多項實際環(huán)境條件，包括溫度、風速、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研究計劃建立了先進的研究平臺研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience6我國由于大飛機產(chǎn)業(yè)起步較晚，有關舒適性的研究幾乎為空白，更進一步，真正體現(xiàn)一個國家航空話語權(quán)的是適航標準及其審定和驗證技術(shù)現(xiàn)行航空適航條例及相關文件：《美國聯(lián)邦航空法規(guī)FAR-25》《歐洲聯(lián)合適航條例JAR-25》《ASHRAEHandbookChapter10Aircraft》《運輸類飛機適航標準CCAR-25-R3》《公共交通工具衛(wèi)生標準》研究背景TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience7適航標準在熱舒適性方面存在的問題問題一：對熱舒適指標關注不夠飛行期間座艙CO2濃度不得超過海平面當量體積的0.5%（5000ppm），舒適狀態(tài)下必然遠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、濕度和風速的控制標準問題二：部分參數(shù)制定脫離實際《公共交通工具衛(wèi)生標準GB9673》規(guī)定客艙內(nèi)相對濕度范圍40-60%，目前技術(shù)條件下不可能達到問題三：各標準之間缺乏統(tǒng)一性，參數(shù)標準的制定缺乏足夠理論支撐比如ASHRAE與GB9673中關于座艙設定溫度的規(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標準，準確性有待商榷飛機與建筑環(huán)境有著顯著的不同，體現(xiàn)在舒適性上尤為明顯，故在標準的制定上應基于大量的數(shù)據(jù)或者嚴格的模型，方能令人信服只有盡快的開展相關的研究，我國才能有足夠的設計、審定、驗證技術(shù)來滿足未來有關舒適的適航標準要求，才能在未來適航標準制定或修改上與歐美談判，成為航空強國目錄CONTENTS研究背景文獻綜述研究內(nèi)容研究進展研究總結(jié)文獻綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience9座艙熱舒適研究的歷史發(fā)展上機測試1999-2000機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實測，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分別開展的上機測試工作綜述2001-2006實測工作進展不大，轉(zhuǎn)而涌現(xiàn)了較多客艙相關的文獻綜述，定位大都為“健康和舒適”,研究者的目光開始向舒適性擴展，代表有Nagda和Hinninghofen等等實驗室研究2006-now地面實驗設施顯著改善，甚至可模擬高空飛行環(huán)境，因此，實驗室研究由于條件可控和實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綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience10上機測試-環(huán)境參數(shù)Haghighat等對43架客機座艙的環(huán)境參數(shù)（溫濕度、CO2濃度）進行測試，與ASHRAE標準進行比較發(fā)現(xiàn)：濕度水平遠低于標準，CO2濃度普遍高于標準FariborzHaghighatetal..Measurementofthermalcomfortandindoorairqualityaboard43flightsoncommercialairlines.IndoorandBuiltEnvironment.1999.文獻綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience11上機測試-問卷調(diào)查WilliamL.Rankinetal..PassengerComfortandtheEffectofAirQuality.AirQualityandComfortinAirlinerCabins,ASTMSTP1393,AmericanSocietyforTestingandMaterials,WestConshohocken,PA,2000.Rankin等人對71架客機的3600名乘客進行問卷調(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綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience12綜述文獻-濕度的影響NirenL.Nagda,MichaelHodgson.LowRelativeHumidityandAircraftCabinAirQuality.IndoorAir.2001.Nagda等人收集了關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)境往往被誤認為低濕度沒有影響，機艙內(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)。文獻綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience13實驗室研究-溫度與新風量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、局部熱舒適文獻綜述TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience14實驗室研究-濕度與新風量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、濕度與新風量的取舍文獻小結(jié)TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience15文獻研究存在的問題時效性：重要文獻時間跨度較大，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方法研究目錄CONTENTS研究背景文獻綜述研究內(nèi)容研究進展研究總結(jié)課題研究內(nèi)容TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience17123以現(xiàn)場調(diào)查為基礎，深入了解座艙乘客熱舒適，對關鍵因素的影響予以分析關鍵因素：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)對熱舒適影響的實驗研究（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模型并實現(xiàn)其應用座艙熱舒適設計參數(shù)的優(yōu)化方法及舒適性范圍確定座艙設計方法中的反向設計參數(shù)的確定方法目錄CONTENTS研究背景文獻綜述研究內(nèi)容研究進展研究總結(jié)課題進展TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience19中國大型客機熱舒適現(xiàn)場調(diào)查完成冬夏季及過渡季四次大規(guī)模調(diào)查低壓熱舒適的實驗室研究完成三個代表性實驗基于低壓的座艙熱舒適評價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計中熱舒適指標的確定方法并給出指標完成度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飛機座艙熱環(huán)境的特點：飛機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定值對熱舒適有重要影響乘客熱感覺TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience22座艙溫度設定并不合適冬季：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鍵影響因素的關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，建立在評價方法基礎上）實驗1：壓力與熱感覺TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience27主要結(jié)論：壓力降低，TSV值下降，中性溫度升高實驗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趨于下降實驗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（對應中性及偏冷環(huán)境）濕工況：壓力降低散熱增加（對應偏熱環(huán)境）實驗3：壓力與人體傳熱傳質(zhì)TsinghuaUniversityDepartmentofBuildingScience30主要結(jié)論：hc實驗與理論符合較好he理論值偏高實驗小結(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)實驗不足實驗無法解釋熱感覺的變化傳熱傳質(zhì)實驗過于簡單，且無法體現(xiàn)散熱項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(達到熱平衡過程中E與M之差)tsk和tcr變化(由身體承擔此熱量的調(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進行評價-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計算適合飛機座艙環(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，所以改善機艙熱舒適的關鍵之一為：空氣溫度設定值選取一定條件約束下的舒適區(qū)(可擴展)TsinghuaUniversityDe