ISO 14505-42021 热环境的人类工效学.车辆热环境的评价.第4部分用数字人体模型测定等效温度标准立项发展报告

热环境的人类工效学车辆热环境的评价第4部分：用数字人体模型测定等效温度标准立项发展报告英文标题：StandardizationDevelopmentReport:Ergonomicsofthethermalenvironment—Evaluationofthermalenvironmentsinvehicles—Part4:Determinationoftheequivalenttemperaturebymeansofanumericalmanikin摘要随着汽车工业向智能化、电动化与舒适性方向的快速发展，乘员舱热环境评价已成为车辆人机工程设计与舒适性验证的关键环节。ISO14505-4:2021《热环境的人类工效学车辆热环境的评价第4部分：用数字人体模型测定等效温度》由国际标准化组织（ISO）正式发布，为车辆热环境评价提供了基于数值仿真技术的标准化方法论。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术框架、核心内容及其应用价值，重点分析了数字人体模型在等效温度测定中的应用原理、计算流程与验证方法，并探讨了该标准与既有ISO14505系列标准的衔接关系。报告指出，ISO14505-4:2021的发布填补了车辆热环境数值评价领域的国际标准空白，为整车企业、零部件供应商及第三方检测机构提供了统一、可重复、成本可控的热舒适性评价工具，对缩短车型开发周期、降低物理样车试验成本及推动汽车热舒适性正向设计具有重要的指导意义。未来，随着数字孪生与人工智能技术的深度融合，该标准有望在智能座舱个性化热舒适调控、自动驾驶工况乘员状态监测等新兴场景中发挥更为广泛的作用。关键词：热环境人类工效学；车辆热环境评价；等效温度；数字人体模型；热舒适性；国际标准；数值仿真；ISO14505Keywords:Ergonomicsofthermalenvironment;Vehiclethermalenvironmentevaluation;Equivalenttemperature;Numericalmanikin;Thermalcomfort;Internationalstandard;Numericalsimulation;ISO14505一、引言车辆乘员舱内的热环境质量直接影响驾乘人员的热舒适感受、注意力集中程度以及长时间驾驶的疲劳水平，进而关联行车安全与用户体验。传统的车辆热环境评价高度依赖物理人体模型（thermalmanikin）配合环境舱试验，虽能获得较为准确的实测数据，但其试验周期长、成本高，且在车型开发早期阶段难以快速迭代评估不同设计方案的热性能。在此背景下，基于计算流体动力学（CFD）与人体热调节模型的数字人体模型（numericalmanikin）技术逐渐成熟，为车辆热环境的早期虚拟评价提供了可行的技术路径。为规范数字人体模型在车辆热环境等效温度测定中的应用，确保不同机构、不同软件平台所获得的结果具有可比性与一致性，国际标准化组织ISO/TC159（人类工效学标准化技术委员会）牵头制定了ISO14505-4:2021标准。该标准于2021年9月15日正式发布，是ISO14505系列标准的重要组成部分，标志着车辆热环境评价正式进入“虚拟试验”标准化时代。本报告将从标准立项背景、技术内容、应用价值及未来展望等方面对该标准进行全面解析，以期为国内相关企事业单位、科研机构及检测认证部门提供系统性的参考与借鉴。二、标准立项背景与研制历程2.1标准体系基础ISO14505系列标准由ISO/TC159/SC5（人与热环境交互作用分技术委员会）归口管理，主要针对热环境的人类工效学评价方法进行系统化规范。该系列标准已发布的部分包括：-ISO14505-1:2007：车辆热环境评价的通用原则与方法，确立了车辆热环境评价的基本框架；-ISO14505-2:2006：用等效温度评价车辆热环境的方法，定义了等效温度的概念及其物理意义；-ISO14505-3:2006：用人体主观评价方法对车辆热环境进行评估，规范了主观问卷调查的设计与统计分析方法；-ISO14505-4:2021：用数字人体模型测定等效温度，即本报告所聚焦的标准。ISO14505-4的制定工作始于2015年前后，由ISO/TC159/SC5下设的WG11工作组（车辆热环境评价工作组）组织推进，联合了来自德国、瑞典、日本、美国、中国等国的热舒适研究专家、汽车工程技术人员及标准化学者共同参与。经过多轮草案讨论、实验室间比对验证（round-robintest）及国际标准草案（DIS）投票，最终于2021年9月15日正式出版。2.2标准制定的核心驱动力该标准的制定主要基于以下技术发展需求：1.虚拟开发的迫切需求：汽车行业正向“虚拟验证+物理确认”的研发模式转型，热舒适性评价需要在CAD设计阶段即介入，以降低后期设计变更成本。物理热人体模型无法在无物理样车的阶段使用，数字人体模型则成为唯一可行方案。2.计算技术成熟驱动：随着CFD求解器精度提升、人体热调节模型（如Fiala模型、Stolwijk模型）的逐步完善以及高性能计算资源的普及，数字人体模型已经能够较为准确地预测乘员舱内人体表面的对流换热、辐射换热及蒸发换热分布，为等效温度的数值计算奠定了技术基础。3.标准化需求：市场上已有多种商业软件（如TAITherm、Star-CCM+、Fluent等）支持数字人体模型热舒适分析，但由于缺乏统一的测定规程和结果表达方式，不同工具、不同建模策略所得结果差异较大，不利于行业内的横向比较与法规认证。ISO14505-4的出台旨在弥合这一标准化缺口。三、标准主要内容与技术框架3.1标准适用范围ISO14505-4:2021规定了使用数字人体模型测定车辆乘员舱热环境等效温度的方法与要求。适用范围涵盖：-M类（乘用车）和N类（商用车辆）机动车辆的乘员舱热环境评价；-适用于稳态及非稳态热环境条件下的等效温度计算；-适用于车辆空调系统设计优化、车窗与隔热材料选型、座椅加热/通风系统效果评估等多种应用场景。3.2核心概念定义3.2.1等效温度（EquivalentTemperature）等效温度是ISO14505系列标准的核心热环境评价指标。其定义为：在均匀、辐射对称且相对湿度为50%的假想标准环境中，人体表面局部或整体的干热损失与实际非均匀热环境中相同温度值。等效温度综合考虑了空气温度、平均辐射温度、气流速度及湍流强度对热舒适的综合影响，能以单一温度值直观反映乘员对热环境的主观感受。3.2.2数字人体模型（NumericalManikin）数字人体模型是基于计算机仿真技术构建的三维人体几何模型，在热环境评价应用中，该模型被赋予以下关键特性：-人体几何形状：基于真实人体测量学数据（如SAE50百分位男性假人）构建；-表面热边界条件：各体段（如头、胸、臂、腿、足等）具有独立的皮肤温度设定及热阻参数；-热调节模型：可集成人体体温调节数学模型，在非稳态条件下动态计算皮肤温度、汗液蒸发量等生理响应参数。3.3等效温度的计算流程ISO14505-4规定，使用数字人体模型测定等效温度应遵循以下标准化流程：1.几何构建与网格划分：将目标车型座舱CAD模型与数字人体模型进行空间装配，确保人体姿态与乘员实际坐姿一致。对各固体表面（座椅、仪表板、风窗玻璃等）进行合理的网格划分，兼顾计算精度与效率。2.边界条件设定：设定空调出风口的送风温度、送风速度、送风方向；设定各座舱固体表面的温度边界条件（可通过CFD共轭传热计算或热辐射求解器获得）；设定太阳辐射加载条件（包括太阳位置、辐照强度、透过玻璃的太阳得热等）。3.流场与热环境求解：求解座舱内空气的速度场、温度场和湍流场，同时计算人体表面与周围环境之间通过对流、辐射和蒸发三种方式的换热量。4.等效温度计算：将求得的人体各体段表面热流密度代入等效温度计算式，依据ISO14505-2规定的换算关系，得出各体段的局部等效温度及全身整体等效温度。5.结果验证与输出：对计算结果进行网格无关性验证和边界条件敏感性分析，确保结果可信；以可视化云图及数据报表形式输出各体段等效温度分布。3.4技术关键点与创新该标准首次在国际层面规范了以下关键技术细节：-数字人体模型的体段划分方式（至少应包含头、胸、背、骨盆、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚、右脚等体段）；-人体表面热边界条件的设定方法，包括各体段的皮肤温度初始值、服装热阻的分配方式；-CFD求解参数的最低要求，包括湍流模型的选择范围、收敛判据、网格质量标准等；-计算结果的不确定性评估建议，要求报告关键输入参数的敏感性分析结果。四、标准修订单位或标委会介绍4.1归口管理单位：ISO/TC159/SC5ISO14505-4:2021由国际标准化组织人类工效学标准化技术委员会（ISO/TC159）下设的“人与热环境交互作用分技术委员会”（SC5）归口管理。ISO/TC159成立于1975年，是ISO框架下专门负责人因工程与人类工效学领域国际标准制定的技术委员会，秘书处承担单位为德国标准化协会（DIN）。SC5分技术委员会的研究重点聚焦于人体热平衡、热舒适评价、热应激预测及相关测试方法，其工作范围覆盖工业作业环境、建筑环境、交通载运工具舱室等多个应用场景。SC5下属的WG11工作组（车辆热环境）具体承担ISO14505系列标准的制修订工作。WG11汇聚了来自全球主要汽车生产国（德国、瑞典、日本、美国、中国、法国等）的热环境与汽车人机工程专家，工作组定期组织国际比对试验（validationstudies），以验证标准中所规定的测试方法在不同实验室、不同设备之间的可重复性和复现性。4.2主要参与机构：瑞典沃尔沃汽车公司在ISO14505-4的制定过程中，瑞典沃尔沃汽车公司（VolvoCars）作为核心贡献单位发挥了重要的技术引领作用。沃尔沃汽车公司长期从事汽车乘员舱热舒适性与气候控制系统的人机工程学研究，其哥德堡技术中心拥有先进的热环境风洞实验室和完备的热舒适测试体系。在标准制定过程中，沃尔沃汽车公司的专家团队主导了数字人体模型验证数据集的建立工作，利用其积累了多年的大量物理热人体模型试验数据对数字人体模型的预测精度进行了系统验证，并提出了面向工程应用的计算流程简化方案，有效促进了标准内容与技术实践之间的良好平衡。此外，公司还积极参与了标准草案的实验室间比对验证工作，为标准的科学性和可操作性提供了坚实的数据支撑。在中国方面，中国汽车技术研究中心有限公司（CATARC）作为ISO/TC159的国内技术对口单位，组织国内相关机构对ISO14505-4的DIS草案进行了投票反馈，并结合国内汽车行业热舒适性测试实践提出了多项修改意见，部分意见被采纳。五、标准应用价值与发展展望5.1行业应用价值ISO14505-4:2021的发布，对全球汽车行业的工程实践具有多方面的重要价值：（1）降低研发成本，缩短开发周期：传统热舒适试验需要制造物理样车并配备热人体模型进行环境舱试验，单轮试验周期通常为2~4周，成本高昂。基于数字人体模型的虚拟评价可在数小时至数天内完成一轮评估，使工程团队能在设计早期快速比较多种空调方案、玻璃选型和座椅通风设计方案的优劣，大幅减少了物理试验的依赖。（2）统一行业技术语言：该标准统一了数字人体模型在车辆热环境评价中的使用方法和等效温度的计算规则，使得不同企业、不同软件工具所得到的评价结果具备统一的表达框架和可比性基础，促进了行业内的技术交流与合作。（3）支持法规与认证需求：随着部分国家和地区对车辆乘员热舒适性提出法规性或推荐性要求，该标准为第三方检测认证机构提供了规范化的评测依据，推动了热舒适性认证服务的标准化发展。5.2局限性与发展方向ISO14505-4:2021作为首个规范数字人体模型应用的标准文件，仍存在一定的局限性，主要体现为：-对非稳态太阳辐射变化和瞬态空调运行工况的模拟方法论尚需进一步细化；-未对数字人体模型的材料属性（如热容、导热系数等）做出明确规定，不同建模软件间的结果一致性仍需进一步验证；-对个体差异（如不同体型、性别、年龄乘员的热响应差异）的考虑尚不充分。5.3未来展望展望未来，ISO14505-4有望在以下方向持续演进：-与数字孪生技术融合：结合车辆实时运行数据与乘员生理状态监测，构建座舱热环境的数字孪生模型，实现空调系统的个性化、预测性智能调控；-与自动驾驶场景结合：面向L3级以上自动驾驶工况下乘员姿势多样化、活动自由度增大的新特点，扩展数字人体模型的姿态库和应用场景谱系；-与人工智能技术协同：利用机器学习算法加速等效温度的计算过程，实现大规模参数空间的快速寻优，支撑空调系统控制策略的实时优化。六、结论ISO14505-4:2021《热环境的人类工效学车辆热环境的评价第4部分：用数字人体模型测定等效温度》是国际标准化组织在车辆热环境人类工效学评价领域取得的一项重要标准化成果。该标准基于数字人体模型技术，以等效温度为核心指标，系统规定了车辆乘员舱热环境的数值评价方法和流程，填补了该领域的国际标准空白。该标准在技术路径上融合了计算流体动力学、人体热调节数值模型与经典热舒适理论，体现了标准化与前沿工程技术深度结合的趋势；在应用层面，标准的实施为全球汽车行业提供了高效、经济、可重复的热舒适性工程评价工具，对推动车辆热舒适正向设计、减少物理试验依赖具有显著价值。同时，该标准的发布也为我国汽车热舒适性技术标准的国际化对接提供了重要参考，对促进我国汽车工业的全球化发展和技术升级具有深远的现实意义。随着智能化、电动化技术的加速演进，车辆座舱热环境评价的需求将持续增长。ISO14505-4:2021作为这一领域的技术基石，必将在未来智能座舱开发与人车交互体验设计中发挥更加关键的作用。参考资料：[1]ISO14505-4:2021,Ergonomicsofthe