一种用于大型客舱环境舒适度评价的模拟实验系统的制作方法

本实用新型涉及一种实验系统，更具体的说，是涉及一种用于大型客舱环境舒适度评价的模拟实验系统。

背景技术：

现如今，越来越多的人乘坐飞机旅行，包括那些身体不健康或存在潜在病患、对客舱环境敏感的人群。全球乘坐飞机乘客流量估计每年超过十亿人次。由于乘客遇到的是一个人员密度高、低湿度、低气压、空气中含有污染物(如臭氧、一氧化碳、各种有机化合污染物和生物制剂)的客舱环境，他们会要求更为舒适和清洁的环境。在这样一个有多空气参数共同作用的环境下，如何整体评价客舱内热舒适及空气品质，确定空气环境评价指标，以更好的飞机环控系统设计来保障座舱环境是一个急待解决的重要问题。

在美国ASHRAE Standard-161对大型客机座舱热环境的标准中，对舱内目标温度范围为18.3℃-23.9℃，温度的标准没有明确说明如何考虑乘客的种群不同以及不同衣着水平。而在相同的环境参数条件下，乘客的热舒适显然是与人群类型和衣着状态有关的。不同种族、性别、年龄等的人群对热舒适的要求是不同的，国外做过以国外受试人群为对象的机舱环境热舒适的主观热舒适实验，但是中国乘客的机舱环境热舒适基础研究数据目前还是空白。不仅如此，机舱内乘客热舒适还是影响整体舒适性的一个重要因素。座舱空气品质同样是影响乘客乘坐舒适性以及健康性重要因素，由于乘客暴露于特殊的机舱环境中，人员对舱内空气品质的抱怨要比建筑中更明显，经常会出现头痛、疲劳、眼睛干涩等症状。此外，机舱内的噪声往往明显高于人们日常生活中所接触的正常声音声压级，因此机舱声环境也会对乘客的生理和心理造成非常不利的影响，包括头晕、耳鸣、心慌以及心情烦躁等症状。

现阶段国内外关于机舱环境舒适度的评价实验多数只对影响乘客整体舒适度的某一个因素进行展开研究，在这种模拟环境下的温度场、浓度场、声场等客观实验结果，并不能反映出在真实飞行情况下乘客所处的多因素耦合环境，因此其实验所获得的主客观评价结果的真实性有待商榷。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于大型客舱环境舒适度评价的模拟实验系统，可以同时营造并监控与真实客机在飞行过程中舱内相一致的温度场、CO₂浓度场和声场，以此作为受试者对大型客舱内各环境因素舒适度影响权重主客观评价的基础。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

本实用新型的一种用于大型客舱环境舒适度评价的模拟实验系统,包括恒温室，其特征在于，所述恒温室内设置有底部排风的实验模拟舱，所述实验模拟舱顶部和设置于恒温室内的空调系统通过送风管道相连通，所述实验模拟舱内设置有温度传感器、二氧化碳浓度传感器、噪声传感器、一号二氧化碳气瓶、音响和缠绕有电阻丝的暖体假人，所述温度传感器、二氧化碳浓度传感器和噪声传感器均连接实时数据监控系统，所述一号二氧化碳气瓶顶部串联连接有第一减压阀和第一电磁流量计，所有电阻丝均与一个开关相连接；

所述恒温室内设置有二号二氧化碳气瓶，所述二号二氧化碳气瓶顶部串联连接有第二减压阀和第二电磁流量计，所述第二电磁流量计输出端与送风管道相连通；

所述空调系统、第一电磁流量计、音响、第二电磁流量计和开关均连接设置于恒温室内的控制系统。

所述实时数据监控系统包括依次连接的显示器、数据采集模块和信息调理模块，所述信息调理模块连接温度传感器、二氧化碳浓度传感器和噪声传感器，所述实时数据监控系统设置于恒温室内。

所述二号二氧化碳气瓶的容量大于一号二氧化碳气瓶的容量。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本实用新型在同一控制系统中实现了多环境参数统一控制，使实验操作更简单便捷，对实验系统的控制能力更强，实验所花费的时间成本更小；

(2)本实用新型在同一显示器界面中，可以在实验模拟舱外实时监测舱内各环境参数而不会对实验产生由于实验人员的干扰而造成的误差

(3)本实用新型中，CO₂气瓶出口处的减压阀在释放气体之前先将气体加热，保证了液体液化产生的低温气体被加热到室温，另外电磁流量计也可以精确控制气体流量从而精确控制气体的浓度同时还可以方便、快速改变气体流量，可适用于较广泛的工况；

(4)本实用新型中，可调频音响可以播放与真实机舱环境频谱特性一致的噪声，更准确地模拟出真实飞行过程中机舱内的声环境；

(5)本实用新型中可控制和测量的参数为温度、CO₂浓度和噪声频率与声压级，测量种类较多，变化范围较广，传感器移动摆放较为方便，可以测量多个位置的环境参数并实时监测；

(6)本实用新型基于机舱实验平台，原理较为简单，成本较低，同时也可以单独用于其他实验平台来为主客观评价实验提供实验基础

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中控制系统的工作流程示意图。

附图标记:1实验模拟舱；2空调系统；3送风管道；4温度传感器；5二氧化碳浓度传感器；6噪声传感器；7一号二氧化碳气瓶；8音响；9电阻丝；10暖体假人；11二号二氧化碳气瓶；12第一减压阀；13第一电磁流量计；14第二减压阀；15第二电磁流量计；16控制系统；17显示器；18数据采集模块；19信息调理模块；20恒温室；21开关。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型可在舱内同时营造并实时监控与真实客机飞行过程中各项参数包括温湿度、噪声、空气品质(CO₂浓度)相一致的环境工况，该环境可用于模拟乘客对其环境舒适度评价并对各影响因素所占影响权重进行打分。

如图1所示，本实用新型的一种用于大型客舱环境舒适度评价的模拟实验系统,包括恒温室，所述恒温室20内设置有实验模拟舱1、实时数据监控系统、控制系统16、二号二氧化碳气瓶11和空调系统2。

所述实验模拟舱1内部设置有温度传感器4、二氧化碳浓度传感器5、噪声传感器6、一号二氧化碳气瓶7、大功率可调频音响8、暖体假人10。所述温度传感器4、二氧化碳浓度传感器5和噪声传感器6均连接实时数据监控系统。所述实时数据监控系统主要包括依次连接的显示器17、数据采集模块18和信息调理模块19，所述信息调理模块19连接温度传感器4、二氧化碳浓度传感器5和噪声传感器6，所述实时数据监控系统主要功能是完成对环境参数数据的信号采集放大、转换、存储查询以及分析处理和输出。所述一号二氧化碳气瓶7采用4L液态CO₂气瓶，所述一号二氧化碳气瓶7顶部串联连接有第一减压阀12和第一电磁流量计13。所述暖体假人10设置为四十二个，每个暖体假人10分别缠绕有电阻丝9，所有的电阻丝9并联连接，共同与一个设置于恒温室20内部的开关21相连接，所述开关21连接控制系统16。

所述实验模拟舱1底部排风，顶部通过送风管道3与空调系统2相连通。所述二号二氧化碳气瓶11的容量大于一号二氧化碳气瓶7的容量，所述二号二氧化碳气瓶11可采用40L液态CO₂气瓶，所述二号二氧化碳气瓶11顶部串联连接有第二减压阀14和第二电磁流量计15，所述第二电磁流量计15输出端通过塑料软管与送风管道3相连通。所述空调系统2、第一电磁流量计13、音响8、第二电磁流量计15均连接控制系统16，所述控制系统16采用计算机。

本实用新型通过精确控制实验模拟舱1内温度、CO₂浓度以及噪声声压级使实验模拟舱1内模拟出不同水平的环境工况，以此来使实验模拟舱1内受试者在不同环境工况下做出各因素对整体舒适度影响程度的主客观评价。本实用新型基于真实MD82飞机改造的可变热边界条件的7排波音737座舱仿真实验测量平台，在实验舱内实现对大型客机在飞行中的真实温度场、CO₂浓度场和噪声场的实时监控与控制，从而可以营造出一个多环境因素耦合的实验环境为乘客舒适度评价建立实验基础。

温度场的营造：通过调节实验模拟舱1空调系统2的送风温度，开启实验模拟舱1内的暖体假人10的开关21使其模拟真人发热量进行发热，维持一段时间温度场达到相对稳定的状态，在该过程中使用温度传感器4对实验模拟舱1内温度变化情况进行监测。

开启实验模拟舱1的空调系统2，可变频风机的频率为27.5Hz，对应风量1512m³/h，以此满足每人最小新风量10L/s·人。根据ASHRAE 55-2010规定，冬夏季室内热舒适区分别为21.5-25℃和24.5-27.5℃，因此实验过程中冬季和夏季工况分别取室内温度19/22/25℃和22/25/28℃。通过控制系统16调节实验模拟舱1内空调的送风温度，送风温度根据热量平衡公式来计算：

` kF(t_n-t_w)+M₀c_p(t_n-t_s)＝Q₁+Q₂+Q₃ (1)

其中，α表示实验模拟舱1围护结构修正系数；k表示实验模拟舱1围护结构传热系数，kW/(m²·K)；F表示实验模拟舱1围护结构表面积，m²，α kF＝0.316kW/K；t_n表示实验模拟舱1内温度，℃；t_w表示实验模拟舱1外恒温室温度，℃，恒定为18℃；t_s表示实验模拟舱1送风温度，℃；M₀表示空调系统2输送的新风量，kg/s；c_p表示空气焓比热，1.005kJ/(kg·℃)；Q₁表示人员冷负荷，kW，满员工况下将放置42名暖体假人10，其显热散热量为75W，总负荷为3.15kW；Q₂表示设备冷负荷，kW，2kW；Q₃表示照明冷负荷，kW，0.38kW。

在冬季各工况下送风温度分别为14/18/22℃，在夏季各工况下送风温度分别为18/22/26.5℃。

CO₂浓度场的营造：通过控制实验模拟舱1内外的一号二氧化碳气瓶7和二号二氧化碳气瓶11的流量来使实验模拟舱1内CO₂浓度达到稳定的水平，其中较大的二号二氧化碳气瓶11通过塑料软管与实验模拟舱1空调送风管道3连接，以使送入实验模拟舱1内的新风中含有一定浓度的CO₂来平衡实验模拟舱1内浓度，较小的一号二氧化碳气瓶7则用来弥补受试人员人数不足而导致的CO₂源散发量不足，在该过程中使用二氧化碳浓度传感器5对实验模拟舱1内CO₂浓度变化进行监测。

控制系统16在控制空调系统2送风温度的同时也需要对空调系统2与实验模拟舱1内CO₂浓度进行控制。先通过以下公式计算送风管道3内CO₂浓度：

其中，L表示空调系统2送风量，m³/s，恒定为1512m³/h＝0.42m³/s；y₁表示系统开启前实验模拟舱1内CO₂浓度，g/m³；x表示实验模拟舱1内CO₂散发量，g/s，根据标准人员产生CO₂为27.68g/(h·人)，总散发量为27.68*42/3600＝0.323g/s；t表示开启空调系统2时间，s，当因此开启空调系统4min后实验模拟舱1内CO₂浓度趋于稳定；V_f表示实验模拟舱1体积，m³，实际尺寸为34m³；y₂系统稳定后实验模拟舱1内CO₂浓度，g/m³，按要求分为0.989g/m³(500ppm),1.977g/m³(1000ppm),2.966g/m³(1500ppm),3.954g/m³(2000ppm)四个水平；y₀表示送风管道3内CO₂浓度，g/m³。

所述控制系统16控制第一电磁流量计13和第二电磁流量计15来分别改变一号二氧化碳气瓶7和二号二氧化碳气瓶11的流量，通过第一减压阀12和第二减压阀14将一号二氧化碳气瓶7和二号二氧化碳气瓶11中的液态CO₂气化并加热，然后分别通过塑料软管将气体通入实验模拟舱1和送风管道3内。二号二氧化碳气瓶11的流量按以下公式来计算：

其中，L₀表示送风管道3内CO₂浓度，L/min；ρ表示CO₂气体密度，g/L，1.977g/L。

所述一号二氧化碳气瓶7的流量则根据实验模拟舱1内满员情况下CO₂产生量来确定，固定为9.8L/min。为使一号二氧化碳气瓶7散发的CO₂浓度均匀，用三通将第一电磁流量计13输出端的主管分为四个支路分别对应实验模拟舱的左前部、右前部、左后部和右后部四个区域。

噪声场的营造：将真实飞机机舱中的噪音音频导入大功率音响8中，调节频率使实验模拟舱1内播放的噪声音频频谱特性与真实飞行中频谱特性相一致，调节音响8音量使其播放的噪声声压级在要求的范围内连续变化，噪声频谱特性与声压级用噪声传感器6测量。噪声的频率和声压级(响度)也可以通过控制系统16来控制，对照真实机舱噪声频谱调节频率，声压级按照70/75/80dB三个水平来控制。

温度场、CO₂浓度场和噪声场三场的营造过程是同时进行的，包括送风温度、CO₂气瓶流量和噪声频率与声压级的控制被整合在一个控制系统中，通过计算得出其在各水平下相应调节量，以使实验模拟舱1内环境舒适度影响因素充分耦合，另外通过各传感器实时监测到的各环境参数显示在显示器17中，这为受试人员的主客观评价提供了实验基础。

在对实验模拟舱1内温度、CO₂浓度和噪声频谱控制的过程中，也可以根据需要通过控制系统16连续调节送风温度、一号二氧化碳气瓶7和二号二氧化碳气瓶11的流量、噪声声压级，得出适用范围更广的结果。

传感器是本系统实现采集监控的首要环节，它通过检测被测量信息并将其按一定规律转换成所需的信号形式输出，以达到信息传输、显示、记录、处理和存储等要求。该系统采用的传感器主要有温度传感器4、二氧化碳浓度传感器5、噪声传感器6三种，主要实现对实验模拟舱1内温度、CO₂浓度和噪声频谱的实时监测。通过传感器后，信息调理模块19将测量信号通过放大、衰减、滤波等操作转换成采集卡所能够识别的标准信号，从而提高数据采集模块18的可靠性并改善其性能。接着通过数据采集模块18将经过调理后的传感器测量信号转换成数据传输给计算机的通道，本系统采用KL-M4000系列模块，该模块具有高精度和良好的线性，可根据需要灵活选择RS-232或RS-485/422接口，便于现场安装和调试。显示器及数据采集软件将数据采集模块18传递的测量信号还原为相应的温度、CO₂浓度和噪声频谱。本系统采用具有可视化编程环境的Visual Basic进行数据采集软件的编程实现。软件的工作流程如图2所示。

尽管上面结合附图对本实用新型的功能及工作过程进行了描述，但本实用新型并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。