人體舒適的案例
精華 | 基于TAITherm軟件進行人體熱舒適性分析
在整車的產品開發過程中，熱舒適性作為重要的評價指標已經被越來越多的整車廠所重視。這一指標的存在可以更好的服務于空調系統設計開發過程。
影響人體熱舒適性的因素有多方面，對環境而言，除了空氣的溫度、濕度和流速外，還有環境對人體的平均輻射溫度；對人體而言，有人體的代謝產熱量和衣著熱阻。人在環境中的冷熱感覺是這六大因素對人體共同作用的結果。
熱舒適度評價標準
早期的熱舒適度標準，如預期平均投票數(PMV，Fanger 1970)、預測不滿意百分數(PPD，Fanger 1982)、當量均勻溫度(EHT，Wyon et al. 1989)、標準有效溫度(SET，Gagge 1986)和動態熱感知(DTS，Fiala et al. 2003)等均是基于環境的評價標準，而Berkeley舒適度模型（Zhang et al. 2009）是基于人體生理機能的熱舒適度評價標準，并考慮局部舒適度對整體熱舒適度的影響，更加適合艙體等氣流不均的密閉空間。
如何在空調系統的設計過程中借助仿真分析獲得人體熱舒適性的評價指標？進而作為空調系統好壞的評價標準。在此過程中既能完成出風口布局優化設計，也為車身隔熱設計獲得支撐數據；既考慮外界環境包括太陽光照射的影響，又考慮人體自身生熱影響；并評估空調系統在規定時間內將艙內溫度降到規定溫度的能力。本文將通過基于專業熱設計軟件TAITherm進行人體熱舒適性分析的案例對上述問題給出答案。
展開 可調節腰椎支撐座椅舒適性非人體測試方案
四、數據量化分析體系
（一）靜態性能評價指標
（二）動態性能評價指標
（二）方案有效性驗證
選取 3 款市售可調節腰椎支撐座椅進行對比測試，將非人體測試結果與 100 人主觀評價數據進行相關性分析，結果顯示：壓力分布指標與主觀舒適度的相關系數 r=0.82（P＜0.01），動態響應指標相關系數 r=0.78（P＜0.01），證明該方案能有效反映人體主觀感受，可替代傳統人體測試。
六、未來技術拓展
多物理場耦合測試：引入熱仿真模塊，模擬冬季座椅加熱、夏季通風等功能對腰部支撐舒適性的影響，構建溫度 - 壓力 - 力學多物理場測試系統。
數字孿生應用：基于測試數據建立座椅舒適性數字孿生模型，實現虛擬環境下的支撐方案快速迭代，預計可將新座椅研發周期再縮短 40%。
智能測試系統：開發 AI 驅動的測試方案自動生成系統，根據座椅設計參數智能推薦測試工況，實現從 “被動測試” 向 “主動優化” 的技術跨越。
通過北京沃華慧通測控技術的深度賦能，非人體化舒適性測試方案打破了傳統測試的局限性，為汽車座椅行業提供了標準化、高效率、可復制的技術路徑，推動座椅舒適性從 “經驗設計” 邁向 “科學定義” 的新階段，為用戶帶來真正符合人體工程學的駕乘體驗。
展開 TAITherm座艙熱管理與續航里程
冬夏季座艙溫控是能耗大戶，因此新能源汽車在設計座艙熱管理系統時，必須均衡考慮座艙舒適性與續航里程。
基于人體熱舒適度的座艙熱管理方案設計
隨著用戶對座艙熱舒適性方面的要求日益提高，單純通過空調降溫、采暖過程中溫度變化對人體舒適度進行間接評價已經無法滿足開發需求，因此需要基于準確的人體生理模型和更直觀的熱舒適度評價標準，指導座艙熱管理系統開發。
熱舒適度建模
TAITherm綜合考慮如性別、胖瘦和膚色等人體生理特性，人體新陳代謝、血液流動、出汗、呼吸、運動量等生理機能，以及較完善的環境條件，基于改進Fiala生理模型分析人體體溫調節功能及整體熱感覺。
圖1 座艙內人體熱舒適性影響因素
熱舒適度評價標準
TAITherm采用Berkeley模型對人體整體和局部的熱感覺和熱舒適度進行評價，該方法被廣泛認為是更科學的人體熱舒適度研究方法。Berkeley評價模型等級設定如下圖所示，Sensation熱感知表示人感受到熱或冷的程度，Comfort熱舒適度表示人感覺好或壞的程度。
圖2 Berkeley舒適度模型評價指標
專業熱設計軟件TAITherm，基于詳細的生理模型提供人體熱舒適度分析方案，輸出PMV、PPD、DTS以及Berkeley等舒適度評價指標，為座艙熱管理系統設計開發提供依據。
應用案例
本節主要通過兩個案例展示基于人體舒適度評價對冬季采暖方案和車身隔熱方案設計進行優化。
案例一
基于人體熱舒適度對不同采暖方案效果和能耗進行評估，對混合采暖方案能量分配進行優化，在保證人體舒適度的前提下，降低座艙熱管理系統的功耗，緩解里程縮短。
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圖1
在圖2中是PMV是平均熱感覺指標我們可以根據等值圖以及以下指標表格（圖3）可以判斷出人體周圍整體感覺微暖。
圖2
圖3
流體仿真
流體仿真
下圖中可以看到其他人體舒適度相關的參數。
TAITherm—專業熱管理工具
? 科學的人體熱舒適性評價
TAITherm的人體舒適度模塊允許用戶在仿真環境中設置虛擬假人，基于Fiala人體調節模型，考慮人體的典型生理結構，模擬人體自身生熱及其新陳代謝受外界環境的影響，并采用Berkeley熱舒適性模型即美國冷暖空調工程師協會標準，對假人的整體和身體各部位的局部熱感覺和人體舒適度水平進行評價，該方法被廣泛認為是人體熱舒適度科學研究方法。
? 適用于瞬態熱過程模擬
可以模擬熱分析對象在以分鐘、小時甚至以天為單位的長時間內的熱狀況，準確捕捉其在長時間內的熱特征，避免因為僅僅進行了穩態工況分析而造成的過設計或者欠設計情況的出現。
? 豐富的外部接口
TAITherm可導入Nastran等格式的網格模型，與Fluent、Star-CCM+、OpenFoam等CFD工具有直接接口，并與一維分析工具GT、Matlab、AMESim等工具有接口，實現1D-3D耦合下系統仿真，與三維結構分析工具ABAQUS有接口，可實現熱應力計算。
? COTHERM自動控制耦合流程
TAITherm與CFD工具耦合是在保證求解精度的情況下求解效率高的熱仿真分析方案。CFD工具的優勢在于流場計算，TAITherm則是國內外應用廣泛的熱分析工具，其特點是熱輻射和熱傳導求解準確、求解時間短，適用于穩態和瞬態工況的熱仿真，當仿真存在復雜流場的熱過程時則需要耦合CFD工具為其提供對流換熱邊界條件，COTHERM使耦合流程自動化，既解放了人力，同時可以提高電腦資源利用率，節省時間成本。
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? 科學的人體熱舒適性評價
TAITherm 的人體舒適度模塊允許用戶在仿真環境中設置虛擬假人，基于Fiala 人體調節模型，考慮人體的典型生理結構，模擬人體自身生熱及其新陳代謝受外界環境的影響，并采用Berkeley 熱舒適性模型即美國冷暖空調工程師協會標準，對假人的整體和身體各部位的局部熱感覺和人體舒適度水平進行評價，該方法被廣泛認為是人體熱舒適度研究方法。
? 適用于瞬態熱過程模擬
可以模擬熱分析對象在以分鐘、小時甚至以天為單位的長時間內的熱狀況，捕捉其在長時間內的熱特征，避免因為僅僅進行了穩態工況分析而造成的過設計或者欠設計情況的出現。
? 豐富的外部接口
TAITherm 可導入Nastran 等格式的網格模型，與Fluent、StarCCM+、OpenFoam 等CFD 工具有直接接口， 并與一維分析工具GT、Simulink、AMESim 等工具有接口，實現1D-3D耦合下系統仿真，與三維結構分析工具ABAQUS 有接口，可實現熱應力計算。
? COTHERM 自動控制耦合流程
TAITherm 與CFD 工具耦合是在保證求解精度的情況下求解效率很高的熱仿真分析方案。CFD 工具的優勢在于流場計算，TAITherm 則是國內外應用廣泛的熱分析工具，其特點是熱輻射和熱傳導求解、求解時間短，適用于穩態和瞬態工況的熱仿真，當仿真存在復雜流場的熱過程時則需要耦合CFD 工具為其提供對流換熱邊界條件， COTHERM 使耦合流程界面化，既解放了人力，同時可以夜以繼日的利用電腦資源，節省時間成本。
展開 TAITherm專業熱管理工具
熱舒適模塊
TAITherm人體舒適度模塊采用改進的人體調節模型和熱舒適度評估方法，對人體舒適度進行全方面評價。
實現座艙局部送風、采暖設備優化選型，實現多種熱舒適營造方案優化分析，提升座艙舒適性。
配備物理假人交互參數輸入接口，替代主觀人體測試，為舒適性設計優化提供量化參考，加快產品迭代。
結合人體組織損傷指標CEM43，評估局部設備熱安全問題。
電池模塊
TAITherm的電池模塊采用了熱/電耦合多物理場解決方案，用于純電動汽車和混合動力汽車電池熱管理設計。
TAITherm的電池模塊可快速分析電池充、放電過程中電池電壓和溫度場變化，評估電池包的散熱方案，預測電池壽命等。
可結合舒適性模塊平衡電動車電池與座艙降溫能耗需求，優化整車熱管理控制策略。
排氣模塊
TAITherm排氣模塊可根據排氣管流入口流量和溫度，基于排氣系統的三維幾何模型自動計算不同部件的對流換熱系數、三元催化器的生熱量等，結合一維標準管道流動模型完成排氣系統表面溫度的預測。
針對混動車型模擬機艙、底盤溫度分布及其對電池包的散熱影響，評估整車熱害風險。
CoTherm模塊
CoTherm模塊支持多工具耦合仿真優化。提供多種成熟的耦合模板，可復用性強、開放程度高。
支持多種3D CFD工具、一維系統工具以及與FMU模型的耦合分析。
一三維除霧仿真，考慮座艙內人體水分源，預測車窗起霧/除霧過程，計算最佳循環比例。保證駕駛安全的同時最大限度提高乘員熱舒適性。
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座艙熱管理與人體舒適度開發咨詢服務
乘用車內的人體熱舒適性直接影響乘客的體驗和安全。為了滿足熱舒適性需求，空調等熱舒適營造系統產生了大量能耗。該能耗占比不容忽視，進而導致了車輛的里程焦慮。經緯恒潤結合一三維耦合、假人測評、主觀測評等手段，采用豐富的舒適性評價指標，指導人體熱舒適性及系統能耗方案權衡設計與優化，幫助用戶制定高效、節能的智能座艙熱舒適方案。
奧運場館風環境分析與建筑云
近年來，隨著“綠色奧運，科技奧運”理念的提出，在運動員向著“更高、更快、更強”的目標拼搏，打破一項又一項世界紀錄的同時，奧運場館的設計建設也要求越來越高，除了外觀的觀賞性以外，也越來越注重環保以及人體舒適性要求。
這其中最重要的一部分就是場館內風環境的分析，奧運場館內因為是進行體育競技的場所，風環境會對比賽有著很大的影響，尤其是羽毛球等室內比賽以及百米賽跑等競速比賽；同時風環境還對場館內熱環境有著決定性的影響，空氣流通及溫度分布情況極大的影響了場館內的人體舒適度。為了對場館內風環境有著更好的控制，奧運場館中都必須安裝機械通風裝置，比如空調、通風機等，而如何更好的節省機械通風裝置所消耗的能源，更好的利用自然通風等，都需要對場館內空間結構進行詳細分析，對空間分布及通風裝置位置進行優化。
南京天洑開發的建筑云仿真系統，基于CFD（計算流體力學）仿真技術，能夠對室外及室內場館的風環境及熱環境進行詳細分析，得出在場館內任意位置的氣體流動及溫度分布情況，從而能夠指導場館的空間結構設計，以及通風裝置的位置選取。下面將介紹幾個典型案例：
建筑云仿真系統
1.某綜合體育館內部風環境分析
綜合體育管一般具有空間較大，觀眾人員密集且一般集中在場館底部；空調負荷大，空氣流通容易出現死區；空氣流通及溫度分布受日照影響較大等特點。
某綜合體育館內部模型
通過CFD技術對場館內氣體流動情況進行分析，分析不同位置的氣流及溫度分布情況，則可以的送風系統的設計進行指導，并進行對比分析。
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▎座艙熱管理與人體舒適度開發咨詢服務
乘用車內的人體熱舒適性直接影響乘客的體驗和安全。考慮到車輛的里程焦慮和性能過剩，熱舒適營造系統的能耗不容忽視，為此以人體熱舒適性為核心的座艙熱管理解決方案應運而生。
· 內置人體生理模型，綜合考慮環境天氣、車輛底盤熱害、座艙域與乘員等熱負載，結合主觀測評和高精度的HVAC假人測評方法，提升座艙熱舒適性評估準確性
· 豐富的舒適性評價指標，如Berkeley熱舒適評價模型、PMV、PPD、EQT等等，有效指導車身結構及相關系統設計，提升座艙熱舒適性能
· 一三維耦合及優化技術，有效指導座艙舒適性及系統能耗的權衡設計與優化，為以舒適性為目標的智能控制器設計提供有效輸入
▎熱管理系統集成化開發咨詢服務
整車熱管理系統是保證三電系統及座艙在極端工況下正常運行的關鍵。高精度的系統仿真模型可以為前期的選型、后期的系統更迭及優化、熱管理控制算法優化提供準確可靠的參考，大大縮短了研發周期。集成了整車動力學系統、整車熱管理系統、熱管理控制系統的高度集成模型可用于選型、校準、優化，可替換的車輛動力學模型更是為不同車型的研發提供了便捷。
展開 【CATIA】設計CAE | 達索系統百世慧?
快速評估 HVAC 系統設計對住客舒適性的影響。
快速評估不同控制策略在動態建筑物 HVAC 系統中的行為。
人體熱感
對建筑物居民和汽車乘客的熱感舒適度進行建模和分析：
無需費時耗資的協同仿真分析，即可確定人體舒適度。
通過對不同區域和空調系統的同時動態仿真來評估人體舒適度。
可使用先進的工程技術，并且能夠利用人體舒適度特定模型，從而節省時間。
高分子電解質膜燃料電池
對高分子電解質膜 (PEM) 燃料電池組進行建模和模擬，以實現預設計、控制策略評估或損耗分析：
通過預測冷卻劑溫度和質量流率要求來提高電池效率。
減少預估極化曲線的溫度依賴性的物理測試次數。
減少隔膜老化問題：制定控制規律，確保在載荷突變時有充足的空氣或氫氣流。
結合多領域 Modelica 庫，預測混合動力汽車搭載的整個燃料電池的性能。
工業過程仿真
執行控制系統分析、測試新的控制概念、優化啟動和關閉過程、分析不同的故障情景并確定某些組件的尺寸：
包含不同工廠中常用的多種常規工藝設備：泵、熱交換器、閥門、管道和接頭、儲罐、加壓容器。
所有介質屬性計算均在介質中完成，因此通過使用不同的介質，可根據完整的 IF97 水方程式來修正或計算密度。
更復雜的模型還可包含一些可替換的部分，以閥門的壓力流量方程式為例，您可以在計算中使用氣蝕等各種細節，也可以在此類關系不具備關鍵意義時，將其替換為簡單的線性方程式。
氣動系統
設計氣動系統并預測其在多種工業應用中的行為：
提供氣體模型以及與 Modelica Standard Library 介質的接口。
使用 ISO1219 標準化圖標的動畫式零部件的完整列表，包括閥門、儲罐、致動器、管道、傳感器和氣動源。
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北美最高建筑—紐約世貿中心結構分析
此外，還進行了一系列的風洞試驗，以確定颶風情況下的風效應以及滿足人體舒適度時的風荷載的精確測量。針對設計的不同階段，在Rowan Williams Davies & Irwin風洞實驗室進行了高頻測力試驗和氣彈模型試驗，同時也考慮了塔尖的空氣動力效應。風洞試驗也考慮到了周邊環境的影響，甚至包括后續建成的2、3、4號塔樓。最大的風荷載加速度會對人體舒適度產生影響，同時，颶風設計的重現周期為1000年一遇。
2013年12月，1WTC建造完成，2014年晚些時候將對外開放。該塔樓采用了多種創新的工程解決方案，是由眾多設計和施工團隊為了同一個目標，在幾年間親密合作，不懈努力，打造出的曼哈頓地區的地標性建筑，體現了國家精神和專業價值。
塔樓設計風荷載為1000年一遇，依據IBC2003
展開 游樂設施工程仿真解決方案
3.2 過山車人體舒適性研究
過山車座椅是過山車中將乘員與過山車聯系在一起的重要部件，它直接關系到乘員乘坐舒適性和安全性。
為了提高過山車座椅的動態舒適性，對座椅進行動力學仿真分析十分必要。以過山車座椅為研究對象，用多體動力學軟件Adams 仿真座椅動態運動過程。
過山車人體舒適性仿真分析和試驗結果均有助于編寫舒適性評價方法。
3.2.01 人體建模參考標準
備注：尺寸單位 （mm）
3.2.02 人體舒適性仿真模型
? 人體按照90%百分數坐姿尺寸建立幾何（75kg）
? 考慮人體關節運動（脊椎采用三段模型、Adams-球副）
? 考慮人體關節剛度阻尼（Adams-六向力）
? 考慮人體與安全帶、座椅的接觸碰撞（Adams-接觸力）
? 人體模型：16個部件，47個自由度。
3.2.03 輸入工況
過山車單環工況：半徑10m，總長82.83m。
3.2.04 過山車輸入運動規律
? 過山車速度：Max_Velocity=56.55km/h
? 加速度：Max_Accelaration=24.674m/s^2
? 工況歷時：T=6.547s
3.2.05 人體加速度
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展開 THESEUS-FE飛機成員艙熱舒適性分析
對于座艙內熱環境，THESEUS-FE可以采用假人模型進行座艙熱舒適性分析。同時，THESEUS-FE Coupler模塊可實現傳熱—CFD協同仿真。不依賴于第三方軟件，Coupler可實現THESEUS-FE和CFD求解器Star-CCM+或OpenFOAM之間的雙向耦合仿真，最為精確地仿真流體對結構的對流效應和結構溫度對流動的影響。使用該技術可得到極高精度的發動機艙熱管理分析和座艙熱舒適性分析結果，與實測結果吻合程度非常高。
本案例是采用Star-CCM+與THESEUS-FE雙向耦合，分析飛機乘員艙內的熱舒適性。
算例使用THESEUS-FEtigong的假人模型—FIALA-FE。假人模型融合了最先進的熱生理學研究成果，可以非常準確的預測人體對熱環境的反應進而對熱舒適性進行評估。FIALA-FE可模擬真人的復雜生理反應，包括血液流動、呼吸等代謝反應，以及出汗、寒噤等生理現象。FIALA-FE假人模型完全集成在THESEUS-FE求解器中，可以輸出局部或者整體的熱舒適性指標。
算例使用Star-CCM+的流體分析結果與Theseus-FE傳熱分析軟件相結合，提高計算精度。
具體計算方法如下：
l使用StarCD的流體分析結果與Theseus-FE傳熱分析軟件相結合，提高計算精度。
lTHESEUS-FE計算結構壁面溫度；包含輻射模型、熱傳導和蒸發換熱。
lStarCD計算室內氣體的濕度、速度和溫度。
最終艙壁溫度計算結果：
根據熱舒適性指標評價人體舒適性：
THESEUS-FE飛機成員艙熱舒適性分析.pdf
展開 THESEUS-FE功能簡介
動脈中血流運輸熱量使人體保持溫暖狀態；在寒冷的環境中，血管收縮增加動脈阻力降低血流速度，維持體溫，從而使更少的熱量到達皮膚；而在更溫暖的環境，血管擴張降低動脈阻力使更多的熱量通過皮膚散發。熱舒適性模型從生理學的角度評估人體對環境的感知：寒冷、自然、炎熱，舒適或不舒適。全局舒適性模型針對整體熱狀態，局部舒適性模型針對身體特定部位，如與座椅接觸的背部，受日光照射的面部等。
5.烤漆分析
Theseus-FE4.0版本新增加OVEN烤漆模塊功能，專門用來模擬汽車在烘房內的溫度變化。Oven模塊的用途是快速模擬汽車上油漆和膠黏劑的烘干過程。Oven模塊中可包含多個車身加熱段，稱之為Oven sectors。烤漆過程中，還可模擬墻壁上噴管Nozzles向車身噴射熱空氣的影響。
6.電泳分析
Theseus-FE的E-Coating模塊，能夠采用有限元方法，進行電泳過程的仿真分析，得到待測點的涂層厚度以及電勢、電流密度的分布。電泳最基本的物理原理為帶電荷的涂料粒子與它所帶電荷相反的電極相吸。采用直流電源，金屬工件浸于電泳漆液中通電后，陽離子涂料粒子向陰極工件移動，繼而沉積在工件上，在工件表面形成均勻連續的涂膜。
Theseus-fe功能簡介.pdf
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