駱雯 王博文 趙詩(shī)雯 趙巖 楊旭

摘 要：本文介紹了空調(diào)服的概念和發(fā)展歷程，并針對(duì)傳統(tǒng)空調(diào)服的缺陷，提出一種新型的節(jié)能環(huán)?？照{(diào)服，通過(guò)在衣服本體內(nèi)排布通風(fēng)管及控制裝置，并在衣服本體外設(shè)置N型及P型半導(dǎo)體熱源及冷源產(chǎn)生裝置，利用通風(fēng)管回路及控制裝置對(duì)衣服本體進(jìn)行制冷或制熱，調(diào)節(jié)空調(diào)服溫度，實(shí)現(xiàn)空調(diào)服內(nèi)溫度的精確控制。此外，新型空調(diào)服不采用任何有毒材料或制冷劑，節(jié)能環(huán)保，具有較大的市場(chǎng)推廣空間。

關(guān)鍵詞：空調(diào)服；熱舒適；控制裝置；環(huán)保

中圖分類號(hào)：TS941.73；TS941.19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）08-0033-02

Design and Research of New Energy-efficient and

Environmental Cooling Vest

LUO Wen WANG Bowen ZHAO Shiwen ZHAO Yan YANG Xu

（Technology and Engineering College of Shenyang University，Shenyang Liaoning 110000）

Abstract： This paper introduced the concept and development course of air conditioning clothes， and put forward a new type of energy-saving and environmental protection air conditioning suit in view of the defects of traditional air conditioning clothes. By laying out air vent and control device in the body of clothes， and setting out N-type and P-type semiconductor heat source and cold source generating device outside the body of clothes， using air vent loop and control device to refrigerate or heat up the body of clothes， adjust the temperature of the cooling vest. Accurate control of the temperature in the air conditioning suit is realized. In addition， the new air conditioning clothing does not use any toxic materials or refrigerants， energy saving and environmental protection， and has a larger market promotion space.

Keywords： cooling vest；thermal comfort；control device；environmental protection

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的日益提高，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高。但是，有很多戶外工作群體需要面對(duì)高溫的室外環(huán)境，如野外勘探人員、消防人員、值勤交警等，還有部分戶外運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者經(jīng)常參加戶外活動(dòng)，如釣魚(yú)愛(ài)好者、徒步旅游者等。如何保證上述人群在極端環(huán)境下持續(xù)進(jìn)行體力活動(dòng)，是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。基于此，人們開(kāi)始研究空調(diào)服?？照{(diào)服可以將各種制冷或制熱設(shè)備安裝在服裝上，為人們戶外提供制冷或制熱的效果，可以讓使用者處于最舒適的狀態(tài)，從而提高工作效率。該設(shè)備可以有效解決對(duì)個(gè)體實(shí)施定點(diǎn)制冷或者制熱的問(wèn)題，讓每個(gè)人都可以結(jié)合自身熱舒適感覺(jué)控制身體的溫度，符合我國(guó)節(jié)能環(huán)保政策[1]。

1 空調(diào)服的發(fā)展

最早的空調(diào)服主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域。當(dāng)宇航員在艙外活動(dòng)時(shí)，所處的太空環(huán)境較為惡劣。為了保護(hù)宇航員的身體免受損傷，艙外航天服采用真空屏蔽隔熱層與空間環(huán)境隔絕，形成密閉的微環(huán)境，航天服內(nèi)有液冷系統(tǒng)，以保持人體的熱平衡，進(jìn)而達(dá)到熱舒適的效果[2]。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美空軍研制生產(chǎn)了一種新型間歇性多人降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由空調(diào)器、過(guò)濾器和背心三部分組成，具體工作過(guò)程為：空調(diào)器產(chǎn)生的冷氣流經(jīng)軟管通入過(guò)濾器，然后再通入防護(hù)服的背心內(nèi)，以起到給人體降溫的作用。該系統(tǒng)可同時(shí)為10名地勤人員供送冷氣[3]。

2 新型空調(diào)服的提出

目前，市面上的一些空調(diào)服仍然只是一些簡(jiǎn)易的設(shè)備，只是在上衣的左右腰間處安裝了小型風(fēng)扇，將室外的空氣吸到衣服內(nèi)，通過(guò)能使汗水蒸發(fā)的汽化熱吸收人體表面的熱量，使人體冷卻，但其制冷效率較低。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種新型智能節(jié)能環(huán)保空調(diào)服。

2.1 系統(tǒng)組成

該空調(diào)服包括衣服本體、冷源和熱源產(chǎn)生盒及控制裝置。其中，衣服本體包括內(nèi)層及外層，內(nèi)層及外層之間布有通風(fēng)管；制冷塊及制熱塊分別為多個(gè)獨(dú)立的P型半導(dǎo)體塊和N型半導(dǎo)體塊，且多個(gè)P型半導(dǎo)體塊和N型半導(dǎo)體塊之間依次電連接。該新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)服通過(guò)在衣服本體內(nèi)排布通風(fēng)管及控制裝置，并在衣服本體外設(shè)置N型及P型半導(dǎo)體熱源及冷源產(chǎn)生裝置，可以利用帕爾貼效應(yīng)，在N型及P型半導(dǎo)體兩端分別實(shí)現(xiàn)制冷及制熱效果，并利用通風(fēng)管回路及控制裝置對(duì)衣服本體進(jìn)行制冷或制熱，調(diào)節(jié)空調(diào)服溫度，實(shí)現(xiàn)空調(diào)服內(nèi)溫度的精確控制，提高制冷和制熱效率。

2.2 制冷方式的選擇

熱電制冷的機(jī)理完全不同于蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷，其是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法。熱電半導(dǎo)體制冷器是基于帕爾貼效應(yīng)開(kāi)發(fā)制冷器件，通過(guò)在熱電制冷器的兩端加載一個(gè)較低的直流電壓，熱量就會(huì)從元件的一端流到另一端。此時(shí)，制冷器的一端溫度就會(huì)降低，而另一端的溫度會(huì)同時(shí)上升。只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端。所以，在一個(gè)熱電制冷器上就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和制熱兩種功能。熱電制冷的主要優(yōu)點(diǎn)有：①環(huán)境良好，不需要使用任何制冷劑，不必?fù)?dān)心制冷劑泄漏和環(huán)境污染的問(wèn)題；②體積小，重量輕，維修方便，可以支持任何種類的工作；③內(nèi)部無(wú)任何運(yùn)動(dòng)部件，因而沒(méi)有振動(dòng)和噪聲危害，可靠性高；④可以在同一元件上完成制熱和制冷兩個(gè)過(guò)程（即可以完成熱循環(huán)），控制靈活[4]。

2.3 制冷量的計(jì)算

為了使其具有更好的實(shí)用性，該系統(tǒng)應(yīng)在滿足系統(tǒng)制冷量需求的前提下盡量選擇小型化，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，空調(diào)服內(nèi)部形成一定的環(huán)形制冷空間，因此，筆者通過(guò)模擬人體為標(biāo)準(zhǔn)的幾何形體計(jì)算環(huán)形制冷空間空氣的體積，進(jìn)而計(jì)算出人體降溫所需的制冷量。在此，筆者選取人的標(biāo)準(zhǔn)身高為180cm，將人體的上下半身軀干簡(jiǎn)化為相應(yīng)的圓柱體，當(dāng)制冷空氣充滿空調(diào)服時(shí)空調(diào)服內(nèi)層與外層的平均間隔為3cm，由此可計(jì)算出環(huán)形制冷空間體積[5]。經(jīng)過(guò)計(jì)算，總體積為3 165cm3。由于人體體積的不規(guī)則性及不同人的體積存在差異，因此，取體積系數(shù)為1.1，則修正后的人體間隙空間體為3 481.5cm3。

由規(guī)范《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883—2002）的相關(guān)規(guī)定可知，室內(nèi)溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使人體產(chǎn)生不舒適感。綜合考慮，將人體夏季舒適溫度選為24℃，外界環(huán)境最高溫度選為40℃[6]。由于空氣密度隨溫度變化范圍不大，取標(biāo)準(zhǔn)狀況時(shí)的密度，即空氣密度為1.29kg/m3，則環(huán)形空間制冷空氣的質(zhì)量為：

[m=ρ×V] （1）

其中，[m]代表環(huán)形空間制冷空氣的質(zhì)量，[ρ]代表空氣密度，[V]代表環(huán)形空間制冷空氣的體積。經(jīng)計(jì)算可得出，[m=ρ×V=1.29kg/m3×3.4815×10-3m3=4.49×10-3kg]?？諝獾谋葻崛轂?.01kJ/（kg·℃），則外界空氣溫度40℃從降到24℃所需熱量為：

[Q=CmΔt] （2）

其中，[Q]代表外界空氣降溫所需制冷量，[C]代表空氣的比熱容，[Δt]代表人體周圍空氣溫差。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得出，[Q]為72.55J。上述所計(jì)算的制冷量是在環(huán)境熱傳遞和人體散熱綜合情況下的制冷量。

3 結(jié)論

該新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)服主要為戶外運(yùn)動(dòng)者和戶外工作群體提供服務(wù)，能為人體提供冷氣或熱氣，以保證人體在極端環(huán)境下的工作效率。其優(yōu)點(diǎn)主要有：①在極端溫度環(huán)境中，為人體提供保護(hù)；②在戶外，作為可穿戴的微型空調(diào)，協(xié)助人體到達(dá)熱舒適狀態(tài)；③在室內(nèi)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的暖通空調(diào)，降低能源消耗。

本項(xiàng)目中的新型節(jié)能環(huán)保空調(diào)服結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、成本低廉、維修方便、實(shí)用性強(qiáng)、制冷效果明顯、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此，具有較大的市場(chǎng)空間。

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