一種新型高效環(huán)保空調(diào)服的提出

孫曉陽

(華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

一種新型高效環(huán)?？照{(diào)服的提出

孫曉陽

(華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

文中回顧了空調(diào)服概念的提出和發(fā)展歷程，著重介紹了Green系統(tǒng)、液體循環(huán)空調(diào)服、PCM空調(diào)服等具有代表性的空調(diào)服，集中論述和比較了各個(gè)系統(tǒng)之間的優(yōu)勢(shì)和不足。在已有空調(diào)服的基礎(chǔ)上，文中提出一種新型空調(diào)服。它利用渦流管制冷的基本原理，由電池組驅(qū)動(dòng)小型空壓機(jī)為渦流管提供壓縮空氣，渦流管產(chǎn)生的冷氣進(jìn)入空調(diào)服，并通過噴深系統(tǒng)噴射到人體軀干的熱敏感部位，達(dá)到高效制冷的目的。與已有的幾種空調(diào)服相比，新型空調(diào)服在調(diào)節(jié)性能、制冷效果、使用時(shí)間等方面都具有優(yōu)勢(shì)。除此之外，新型空調(diào)服不采用任何有毒材料或制冷劑，是一個(gè)較為完善的、綠色環(huán)保的解決方案。文中根據(jù)人體熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出新型空調(diào)服系統(tǒng)所需制冷量，并以此制冷量為基礎(chǔ)，本著便攜、高效的原則，對(duì)空調(diào)服核心部件-渦流管、空壓機(jī)、電池組等提出技術(shù)要求，未來的研究方向?qū)@著部件選型、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證制冷效率、搭建產(chǎn)品平臺(tái)等方面展開。

空調(diào)服；渦流管制冷；制冷量；小型空壓機(jī)；電池組；新產(chǎn)品

0 引 言

空調(diào)服(Cooling Vest)也叫空調(diào)制服、制冷背心、制冷服，是一種能夠?yàn)槿梭w提供冷氣或熱氣的服裝，保證人體在極端環(huán)境下持續(xù)進(jìn)行體力活動(dòng)。大多數(shù)空調(diào)服以制冷為目的，本文探討的空調(diào)服均為制冷空調(diào)服?？照{(diào)服目前廣泛應(yīng)用于各國(guó)軍隊(duì)，美國(guó)和英國(guó)海軍在八、九十年代就批量配備空調(diào)服，以使士兵能夠在炎熱氣候下進(jìn)行訓(xùn)練。民用工業(yè)對(duì)空調(diào)服有大量需求，特別是電力、制造、冶金、建筑等與高溫作業(yè)相關(guān)的行業(yè)，但目前空調(diào)制服在民用行業(yè)上的應(yīng)用還比較少，主要原因在于空調(diào)服無法獨(dú)立地、長(zhǎng)時(shí)間地、穩(wěn)定地向人體提供冷氣?；跍u流管的空調(diào)服制冷效果好，但需要獨(dú)立的空氣壓縮機(jī)為其提供壓縮空氣；以Veskimo公司產(chǎn)品為代表的液體循環(huán)空調(diào)服使用時(shí)間能達(dá)到4小時(shí)以上，但液體制冷效果較差，人體舒適度降低；Steele公司的PCM空調(diào)服(Phase Change Material，相變物質(zhì))利用固體相變吸收大量熱量進(jìn)行制冷，制冷效果出色，但其使用時(shí)間只有2 h左右，而且制冷劑含有輕微的毒性，不利于人體健康和環(huán)保，阻礙了PCM空調(diào)服的廣泛使用。由此看來，目前的空調(diào)服產(chǎn)品各自存在缺陷，無法大范圍推廣。近年來，大容量電池組和設(shè)備小型化技術(shù)的迅速發(fā)展，使得新型空調(diào)服的出現(xiàn)成為可能。

1 空調(diào)服的發(fā)展

1.1 空調(diào)服的提出

二十世紀(jì)五十年代美國(guó)航空航天局(NASA)開始著手進(jìn)行載人太空飛船的研發(fā)項(xiàng)目，其中重要的一環(huán)是研發(fā)太空艙內(nèi)宇航員所穿著的宇航服內(nèi)部的溫度壓力控制系統(tǒng)。F. H. Green[1]在1958年率先提出太空艙和宇航服的換氣-冷卻系統(tǒng)的模型(Green, 1958，以下簡(jiǎn)稱Green系統(tǒng))，Green系統(tǒng)通過一系列換熱器把壓縮空氣冷卻或加熱，然后輸送到太空艙和宇航服內(nèi)。氣體進(jìn)入宇航服之前要先通過“渦流管”，分離出的冷氣和熱氣經(jīng)混合后進(jìn)入宇航服。

Green系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。壓縮空氣(高于常溫)通過入口管道12和閥門13進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過換熱器14后溫度降低。其中一路空氣通過細(xì)管道33進(jìn)入第二個(gè)換熱器36，溫度進(jìn)一步降低后通過管道38進(jìn)入渦流管(如圖2所示)，分離出的冷空氣和熱空氣按照比例混合后達(dá)到適宜溫度，通入太空服，太空服的壓力由閥門62調(diào)節(jié)。Green系統(tǒng)采用的渦流管制冷原理今天已被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和焊接行業(yè)，通過渦流管產(chǎn)生冷氣來降低金屬和焊接母材的表面溫度。

圖1 Green系統(tǒng)原理圖

圖2 Veskimo液體循環(huán)空調(diào)服

Green系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：(1) 整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)，安全可靠，故障率幾乎為零；(2)太空服使用二次換熱器冷卻和渦流管再冷卻裝置，使得空氣溫度非常適宜人體；(3) 整套系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)精確、原料采集方便、綠色無污染。但需要看到的是，Green系統(tǒng)的換熱器設(shè)計(jì)，特別是渦流管制冷技術(shù)沒有被廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的制冷系統(tǒng)當(dāng)中，其缺點(diǎn)也是很明顯的： (1) 換熱器效率不高，需要另外提供冷卻劑，增加了換熱系統(tǒng)的復(fù)雜性；(2) 空氣壓縮機(jī)能耗較高，便攜性差，不適宜應(yīng)用于移動(dòng)制冷裝置。

Green系統(tǒng)中的換熱器、換氣系統(tǒng)和渦流管的設(shè)計(jì)具有獨(dú)創(chuàng)性，只是受限于當(dāng)時(shí)機(jī)電設(shè)備的效率和便攜性而無法實(shí)施。隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，小型高效的熱機(jī)和壓縮設(shè)備逐漸成熟，為人們研發(fā)新型移動(dòng)制冷裝置提供了更多的條件。本文所提出的新型空調(diào)服的即基于Green系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，將在下文中詳細(xì)論述。

2.2 液體循環(huán)空調(diào)服

在1986年的美國(guó)海軍科學(xué)計(jì)劃(Navy Science Assistance Program, NSAP)會(huì)議上，美國(guó)海軍正式提出為士兵開發(fā)“微氣候制冷系統(tǒng)”(Microclimate Cooling System)，并于1987年由Janik[2]對(duì)五種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估。會(huì)議最后確定ILC Dover公司的水冷移動(dòng)作戰(zhàn)服(mobile cooling vest)成為海軍配備的第一代空調(diào)作戰(zhàn)服，也是現(xiàn)代空調(diào)服的前身。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，Veskimo公司在ILC Dover公司的基礎(chǔ)上開發(fā)出新一代液體循環(huán)空調(diào)服，如圖2所示。制服的夾層中蛇形鋪滿微管道(microtube)，水泵由電池驅(qū)動(dòng)，把儲(chǔ)箱中的冰(水)通過黑色塑料管道打入微型管中，經(jīng)循環(huán)后流回儲(chǔ)箱。在溫度40 ℃，濕度50%的環(huán)境下，儲(chǔ)箱中的冰可以正常使用4 h，電池可以使用5～6 h，使用時(shí)間領(lǐng)先同類產(chǎn)品。Veskimo空調(diào)制服不能精確調(diào)節(jié)制服溫度，但可以通過定時(shí)開關(guān)水泵、穿襯衣等方式來調(diào)節(jié)皮膚所感受到的溫度。

McLellan[3]對(duì)液體循環(huán)空調(diào)制服的研究表明，在環(huán)境溫度40 ℃，濕度50%的情況下，空調(diào)制服可以從一個(gè)重體力活動(dòng)者身上吸取100～150 W熱量，使人體對(duì)環(huán)境的耐受度從50 min提高到150 min。在這段時(shí)間內(nèi)，人體體溫(Core Temperature)一直保持在38 ℃以下，心率不超過180次/min。McLellan[3]同時(shí)指出，這一類空調(diào)制服的系統(tǒng)效率不超過50%，因?yàn)楹艽笠徊糠种评淞勘画h(huán)境吸收、消耗掉。要想獲得最高的制冷效率，必須把空調(diào)制服貼身穿著，讓微型管直接和皮膚接觸，但這樣會(huì)造成皮膚局部過冷，長(zhǎng)時(shí)間使用人體會(huì)產(chǎn)生不適感。

2.3 PCM空調(diào)服

PCM空調(diào)服(Phase Change Material)也叫相變物質(zhì)空調(diào)服，這種空調(diào)服在軀干部分配備若干個(gè)冷凍凝膠袋，每個(gè)袋子里裝有750 g左右的冷凍凝膠，總重量5.1 kg，可在兩小時(shí)內(nèi)向士兵輸送冷量，如圖3和圖4所示。這種冷卻服無電池、無水泵、造價(jià)便宜、重量輕、易于更換，經(jīng)NSAP[4]評(píng)估，Steele公司的PCM空調(diào)服產(chǎn)品Steele vest的制冷效果和ILC Dover公司第一代水冷空調(diào)服幾乎相同。Pimental[5]和Heaney[6]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，穿著Steele空調(diào)服的人體暴露在44 ℃(3.3 h)、51 ℃(3 h)和57 ℃(1.5 h)的環(huán)境溫度下時(shí)，體溫分別降低了0.4、0.7和0.8 ℃，效果非常明顯。Bennett[7]、Hagan[8]和Ramirez[9]等人也都報(bào)告了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

PCM空調(diào)服是一種輕便、高效的移動(dòng)制冷服裝，但它也存在不足：(1) 需要定時(shí)更換制冷劑包，換下來的制冷劑包需要再次冷凍后方可使用，這個(gè)冷凍過程需要持續(xù)數(shù)小時(shí)，不適于民用；(2) 制冷劑使用化學(xué)合成物質(zhì)(熔點(diǎn)15～25 ℃)，有微毒，如果用冰作為制冷劑，熔點(diǎn)在0 ℃，會(huì)使人體皮膚感覺過冷。

圖3 PCM空調(diào)服和制冷劑包

圖4 美國(guó)海軍配備PCM空調(diào)服

2.4 手足冷卻系統(tǒng)

與美國(guó)海軍不同，英國(guó)海軍的主要研究方向是通過在冷水中浸泡人員的手和腳來降低人體溫度。這種方法實(shí)行的條件是人員必須定時(shí)休息，以便進(jìn)行浸泡。House[10]對(duì)比了手足浸泡方法和PCM空調(diào)制服的冷卻效果，結(jié)果表明，在2個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)(40 ℃，50% in humidity)，手足浸泡(每30 min浸泡一次)的冷卻效果和PCM空調(diào)制服幾乎一樣(比較人體體溫升高的幅度)，但如果時(shí)間超過2 h，或者不能達(dá)到每30分鐘浸泡一次的頻率，人體體溫則會(huì)快速上升，人員的耐受時(shí)間大大下降。House[10]的結(jié)論是，手足浸泡不需要冷凍設(shè)備和場(chǎng)所，花費(fèi)很低，在短時(shí)間內(nèi)不失為一種有效的辦法。

人體的手足部位對(duì)溫度的變化非常敏感，學(xué)者們已經(jīng)驗(yàn)證過，用冷水連續(xù)浸泡手足能夠有效降低人體體溫。后續(xù)的研究方向?qū)⑾蛑评涫痔缀鸵m子發(fā)展。

3 新型空調(diào)服的提出

上一節(jié)詳細(xì)介紹了空調(diào)服的發(fā)展歷程和目前最流行的幾種空調(diào)服的原理和特點(diǎn)。這些空調(diào)服存在的共同問題是調(diào)節(jié)性能差、人體感受差、使用時(shí)間較短。調(diào)節(jié)性能差指的是空調(diào)制服無法主動(dòng)調(diào)節(jié)制冷量，只能靠液體吸熱或相變物質(zhì)蒸發(fā)來帶走熱量，這樣很容易造成局部溫度過低，人體舒適度下降。另外，無論液體循環(huán)空調(diào)服還是PCM空調(diào)服，其使用時(shí)間不超過4小時(shí)，一般在2～3 h就需要更換制冷劑或電池。為了解決上述不足，我們嘗試提出一種新型空調(diào)服：空氣冷卻空調(diào)服(或氣冷空調(diào)服)。

3.1 制冷原理

氣冷空調(diào)服利用渦流管把壓縮空氣分離成冷空氣和熱空氣，冷空氣通入空調(diào)服中進(jìn)行制冷，熱空氣排放到環(huán)境中。氣冷空調(diào)制服的工作原理圖如圖5所示。系統(tǒng)工作流程如下：電池組驅(qū)動(dòng)小型氣體壓縮機(jī)將空氣壓縮后(6～8 bar)存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣罐中，儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣進(jìn)入渦流管，分離成冷氣流和熱氣流；冷氣流從渦流管冷端流出，進(jìn)入空調(diào)服；在空調(diào)服中布置若干微型管蛇行排列，冷空氣通過微型管與人體進(jìn)行熱交換，最后噴射在人體受熱敏感區(qū)域(前胸、后背、腋下，頭部等)，完成制冷過程。進(jìn)入渦流管的空氣流量可以通過氣罐閥門調(diào)節(jié)，渦流管的冷氣量可由渦流管熱端上的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，渦流管冷端出口和噴射口等處位置設(shè)置熱電偶，監(jiān)控入口和出口的冷空氣溫度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以先把儲(chǔ)罐充滿壓縮空氣，等剩余空氣量不足時(shí)再啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，達(dá)到延長(zhǎng)使用時(shí)間的目的。

圖5 氣冷空調(diào)服原理圖

這種氣冷空調(diào)服的優(yōu)點(diǎn)非常明顯：(1)調(diào)節(jié)性強(qiáng)。氣罐閥門和渦流管均能調(diào)節(jié)氣流，使用者可以根據(jù)個(gè)人感受調(diào)節(jié)冷氣量；(2)制冷劑采用空氣，使用安全可靠，綠色環(huán)保；(3)采用管內(nèi)對(duì)流換熱+噴射降溫兩種方法進(jìn)行冷卻，制冷效果好；(4)儲(chǔ)罐可以預(yù)先儲(chǔ)存壓縮空氣，延長(zhǎng)使用時(shí)間；(5)在寒冷氣候下倒置渦流管，立刻變?yōu)椤芭瘹狻?。以上分析可以看出，氣冷空調(diào)服在調(diào)節(jié)性、安全環(huán)保、制冷效果、使用時(shí)間等方面都具備一定優(yōu)勢(shì)。電池組、壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐等設(shè)備的便攜性至關(guān)重要，在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)在滿足系統(tǒng)出力的前提下盡量選擇小型化、微型化設(shè)備，降低系統(tǒng)整體的重量。

3.2 制冷量

上文所述，在滿足系統(tǒng)制冷量需求的前提下盡量選擇小型化的設(shè)備。因此，需要估算系統(tǒng)所需的制冷量。

McLellan[3]指出，PCM空調(diào)制服和液體冷卻空調(diào)制服能夠提供的制冷量(熱交換量)大約為200 W，其中50%以上的熱量直接耗散到環(huán)境中，所以空調(diào)制服從人體帶走的熱量大約100 W。McLellan同時(shí)指出，在人體從事一般活動(dòng)時(shí)(代謝率小于250 W)，這100 W的制冷量能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保證人體體溫不高于38 ℃，只有當(dāng)人體從事較重活動(dòng)時(shí)(代謝率高于500 W)，空調(diào)制服才不能長(zhǎng)時(shí)間保持體溫正常，體溫將在30 分鐘內(nèi)超過39 ℃警戒線。100 W的制冷量能夠滿足人體正常需要，一個(gè)正常人的體表面積約1.8 m2，那么人體制冷所需要的冷量密度為100 W/1.8 m2= 56 W/m2。

從渦流管冷端流出的冷氣溫度是Tcold，通過微型管與人體充分換熱后，以Tout噴出，則壓縮氣體的能量方程為：

Q=c×m×(Tout-Tcold)

(1)

式中：Q為制冷量(W)；c為空氣的比熱容(kJ/kg·K)；m為冷端空氣的質(zhì)量流量(kg/s)。假設(shè)渦流管冷端氣溫是-5 ℃，即Tcold= -5 ℃，噴出溫度Tout=15 ℃。參考溫度取平均值5 ℃，空氣比熱容c=1.003kJ/kg·K，制冷量取100W。把上述數(shù)值代入式(1)，得到冷端空氣流量m=0.005kg/s。假設(shè)壓縮空氣壓力為0.7MPa(7bars)，則冷端空氣流量為0.000 55m3/s，或32.8L/min。上述計(jì)算結(jié)果表明，冷端輸出的空氣流量32.8L/min(溫度-5 ℃)即可滿足制冷量要求。

3.3 設(shè)備要求

根據(jù)以上分析和便攜性要求，對(duì)渦流管和壓縮機(jī)的要求見表1和2。要求渦流管冷端出口溫降不小于60 ℃，保證在環(huán)境溫度超過50 ℃時(shí)依然能夠分離出-5 ℃的冷空氣。冷端出口最大風(fēng)量32.8L/min，保證100W的換熱量。管長(zhǎng)和質(zhì)量分別不能超過200mm和0.4kg。對(duì)于空氣壓縮機(jī)，最大空氣壓力0.7MPa，配合渦流管進(jìn)口壓力。按照冷端風(fēng)量，選擇最大出氣量40L/min。壓縮氣罐容量一般在8～10L。整套設(shè)備(壓縮機(jī)+儲(chǔ)氣罐)的重量不能超過10kg，最好不超過8kg。

表1 渦流管配置表

表2 壓縮機(jī)配置表

電池組選用高效18650鋰電池，串聯(lián)形成供電電池組。高效18650單顆電壓3.7V，電流3 400mAh，功率12.58W，重量46克。表3給出了電池?cái)?shù)量和供電時(shí)間的關(guān)系，可根據(jù)實(shí)際情況選用。表中提供的供電時(shí)間是按照壓縮機(jī)額定功率計(jì)算得出的，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中壓縮機(jī)不會(huì)一直以額定功率工作，所以實(shí)際供電時(shí)間會(huì)比表格中的時(shí)間更長(zhǎng)。

表3 電池組配置

空調(diào)制服內(nèi)部的微管道布置和Veskimo空調(diào)制服的結(jié)構(gòu)類似。冷氣在微管道中和人體充分換熱，最后在前胸、后背，腋下三個(gè)位置噴出。微管道的材料要具備較高的導(dǎo)熱系數(shù)、相對(duì)較輕的密度，以及無毒、耐腐蝕等特性。

4 結(jié)束語

空調(diào)服的概念最早由Green在1958年提出，目的是解決太空艙和太空服的溫度調(diào)節(jié)問題。在八十年代，美國(guó)海軍提出進(jìn)一步發(fā)展空調(diào)服的要求，此后產(chǎn)生了由Veskimo公司的水循環(huán)空調(diào)服、Steele公司的PCM空調(diào)服為代表的商業(yè)產(chǎn)品，以及英國(guó)海軍參與的手足冷卻系統(tǒng)。這些產(chǎn)品和系統(tǒng)各具特點(diǎn)，但共同的不足是制冷效率不高、調(diào)節(jié)性差、使用時(shí)間短，某些產(chǎn)品的環(huán)保性能較低。

針對(duì)已有空調(diào)服產(chǎn)品的不足，本文提出一種高效環(huán)保的新型空調(diào)服。它采用渦流管制冷的工作原理，把壓縮空氣分離成為熱空氣和冷空氣，冷空氣通入空調(diào)服進(jìn)行制冷。大容量電池組驅(qū)動(dòng)小型空壓機(jī)，為渦流管提供壓縮空氣。冷空氣在空調(diào)服內(nèi)與人體皮膚進(jìn)行對(duì)流換熱，最后被噴射到人體表面熱敏感部位，進(jìn)行二次換熱，總體換熱效率提高，人體舒適度也有所提高。新型空調(diào)服具有調(diào)節(jié)靈活、制冷效果好、使用時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，并且使用環(huán)保材料和制冷劑(空氣)，符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保的要求。

發(fā)展新型空調(diào)服的關(guān)鍵點(diǎn)是如何在保證制冷量的前提下減少產(chǎn)品總重量，增加產(chǎn)品的實(shí)用性和便攜性。選擇能量密度更高的電池組和更輕的空壓機(jī)、儲(chǔ)罐等設(shè)備是方法之一。未來的研究將集中在設(shè)備選擇、高效制冷驗(yàn)證和產(chǎn)品平臺(tái)搭建上。

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The Introduction of a New Effective Cooling Vest

SUN Xiao-yang

(Huaneng Cleaning Energy Research Institute, Beijing 102209, China)

This paper reviews the development of cooling vest, and introduces some typical cooling vest system, such as Green System, circulatory cooling vest and PCM cooling vest. The advantages and disadvantages of those systems are compared and contrasted. Based on existing systems, a new cooling vest is presented, which utilizes the theory of vortex tube, producing compressed air by a small air compressor driven by battery pack. The cold air coming out of the vortex tube goes into the vest, and then spread to the thermal sensitive area of human trunk through high-speed nozzles. Compared to the existing cooling vest products, the new cooling vest adopts non-poisonous material and refrigerants, which is a complete and environmental solution.The overall refrigerating effect of the cooling vest was calculated by using human thermal experiment, and then the specifications of vortex tube, air compressors and battery pack were determined. The future study will focus on the equipment selection, experimentation of cooling effect, product commercialization, etc.

Cooling vest; Vortex tube refrigeration; Refrigerating effect; Air compressor, battery pack; Brand new product

2014-12-28

2015-02-21

孫曉陽，男，華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.04.009

TU831.7

B

1009-3230(2015)04-0033-06