겨울철 전기차 탑승자용 국부 복사 히터 개발을 위한 인체 가온 부위 조합 최적화

Abstract

자동차 산업에서는 전기차로의 전환과 함께 전용 난방 플랫폼인 '국부 복사 난방'이 주목받고 있다. 전기차용 적외선 복사 히터는 넓적다리, 무릎 부위와 발등 위치에 설치될 것으로 예상되어, 본 연구는 겨울철 실외에서의 자동차 탑승과정 및 실내 환경을 조성하고, 세 가지 부위를 여덟 가지 조합 하에서 가온할 때 인체 생리 반응 및 주관적 감각 기반의 탑승자 열 쾌적성 만족을 이루고, 소비 전력량을 최소화할 수 있는 최적 가온 부위 조합 도출을 목적으로 하였다. 나아가 인체 생리 반응과 주관적 감각 간의 상관 관계를 도출하여 탑승자 열 쾌적성 평가 시 주관적 반응을 기반으로 생리 반응 예측에 대한 가능성을 시사하고자 하였다. 건강한 20대 한국인 남성 총 10인이 본 실험에 참여하였다. 매 실험 동안 직장온, 피부온, 의복내 온습도, 체중, 피부수분도, 혈압, 심박변이도를 측정하였고 주관적 감각 항목으로는 한서감, 온열쾌적감, 건조감과 전율이 느껴진 인체 부위, 졸음 정도를 범주형 척도로 응답하게 하였으며 5oC 환경에서 복사 히터 표면온도를 130oC로 유지하기 위한 소비전력량을 조건별로 측정하였다. 평균 피부온은 복사 히터 가온 시와 종료 후 모두 여덟 조건 중 ThighKnee와 All 조건에서 가장 높았다(P < 0.001). 여덟 조건 간 피부수분도의 유의한 차이는 관찰되지 않았으며 하체 부위 위주의 복사 히터 가온에 의해 이마와 손의 피부 수분도가 낮아지지 않음을 확인하였다. 전신 한서감은 복사 히터 가온 시 여덟 조건 중 ThighKnee와 All 조건에서 유의하게 높았으며(P < 0.001), 전신 온열쾌적감은 복사 히터 가온 시 ThighKnee 조건에서 가장 높았다(P < 0.01). 전신 건조감은 복사 히터 가온 종료 직전과 종료 직후에 All 조건에서만 유의하게 높았다(P < 0.05). 복사 히터 가온 시에도 다수의 피험자는 손등과 손바닥에서 전율을 느꼈으며, 히터 종료 후 윗팔과 넓적다리 전면 부위에서 가장 많은 전율을 느꼈음을 확인하였다. 졸음 정도에 대한 조건 간 유의한 차이는 발견되지 않아, 복사 히터 가온이 졸음을 유발하지 않음을 관찰하였다. 더하여 복사 히터 가온 세 부위의 피부온과 전신 한서감, 전신 온열쾌적감 간 유의한 양의 상관이 발견되었으며(all Ps < 0.001), 가온 부위에서의 주관감과 직장온, 평균피부온 간의 상관 역시 관찰되었다. 종합하면, 인체 생리 반응, 주관적 감각, 소비 전력량을 고려한 최적 가온 조합은 넓적다리와 무릎을 가온한 ThighKnee 조건이라는 것을 살펴볼 수 있었다. 해당 조건에서 탑승자는 생리적, 주관적으로 열 쾌적성을 만족할 수 있었으며, 국부 복사 난방으로 인한 건조함을 느끼지 않으면서도 All 조건에 비해 소비 전력량을 35% 감소시킬 수 있었다. 더하여 겨울철 차량 내 환경에서 탑승자가 주관적으로 느끼는 따뜻함과 추움 정도, 쾌적하고 불쾌한 정도를 피부온과 심박변이도를 통해 추정할 수 있음을 확인하였다. 본 결과는 전기차용 적외선 복사 히터 설치를 비롯하여 미래 모빌리티 통합 열관리 시스템 및 웨어러블 디바이스 개발의 기초 자료로서 활용될 수 있을 것이다.

Along with the transition to electric vehicles, 'local radiant heating', a newly developed platform to electric vehicles is being proposed. Radiant heaters are expected to heat the thighs, knees, and feet and present study conducted various combinations of heating body parts during simulation of vehicle boarding and driving process in winter. So, the purpose of present study is to derive the optimal combination of heating parts that can minimize the energy consumption of electric vehicles and the passengers thermal comfort satisfaction based on the physiological and subjective responses. Furthermore, by deriving a correlation between the physiological response and subjective responses, we suggest the possibility of predicting the physiological response based on the subjective response when evaluating the passengers thermal comfort. A total of 10 healthy Korean males in their 20s participated in this experiment. During every experiment, rectal temperature, skin temperature, microclimate, total body weight, skin hydration, blood pressure, and heart rate variability were measured. Thermal sensation, thermal comfort, dryness sensation, shivering and sleepiness scale were collected by likert scale. Mean skin temperature was the highest in the ThighKnee and All conditions among the eight conditions both during and after heating of the radiant heater (P < 0.001). No significant differences were observed in rectal temperature, microclimate, insensible perspiration, skin hydration, blood pressure, and heart rate variability among the eight conditions. Thermal sensation was highest in the ThighKnee and All conditions among the eight conditions when the radiant heater was warmed up (P < 0.001), and the thermal comfort was highest in the ThighKnee condition when the radiant heater was warmed up (P < 0.01). The forearm and the front part of the thigh were selected to the shivering parts in the Thigh and ThighKnee conditions after the radiant heater was turned off. There were no significant differences between conditions for sleepiness scale. A significant positive correlation was found between skin temperature, thermal sensation, and thermal comfort in the all areas heated by the radiant heater (all Ps < 0.001). To sum up, the ThighKnee condition was derived as the optimal heating combination in the present study. Under these conditions, passengers could satisfy the thermal comfort physiologically and subjectively, and can decrease energy consumption around 35%than in All condition. In addition, it was confirmed that core temperature, mean skin temperature, body regional skin temperature and heart rate variability could be estimated based on the subjective responses that the passengers felt in the vehicle environment in winter. The results of present study will be able to contribute to the innovative development of indoor environment