基于熱電制冷技術(shù)的降溫服研究

張 靜

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

2021年8月，國內(nèi)新冠肺炎疫情出現(xiàn)反彈，室外體感溫度超過40 ℃的環(huán)境下，醫(yī)務(wù)人員奮戰(zhàn)在崗位上，用個(gè)人的付出守護(hù)大家的平安。長時(shí)間處于高溫環(huán)境下，人體會產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致體能消耗過度，影響人體健康，嚴(yán)重時(shí)會危及生命。為了確保在高溫環(huán)境下工作人員的健康和工作效率，穿著降溫服已成為一種重要的、新型的解決方式。

近年來，隨著我國冷卻技術(shù)的發(fā)展，不同種類的制冷樣機(jī)相繼出現(xiàn)。熱電制冷是一種以熱電制冷材料即熱電制冷芯片為基礎(chǔ)，延伸出來的一種新型綠色制冷技術(shù)[1]。熱電制冷因結(jié)構(gòu)組成簡單、安全、無污染等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用和市場前景[2]。

1 熱電制冷原理

熱電制冷最基本的元器件是熱電偶對，即由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的結(jié)構(gòu)整體。熱電制冷原理如圖1所示，直流電源供電后會形成回路，在半導(dǎo)體的冷端，電流從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，吸收環(huán)境中的熱量導(dǎo)致溫度下降；在半導(dǎo)體的熱端，電流從P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體，向環(huán)境中散發(fā)熱量導(dǎo)致溫度升高，一般采用熱管、風(fēng)扇等裝置向外界環(huán)境中散熱[3-5]。

圖1 熱電制冷原理圖

根據(jù)熱學(xué)分析，可得出半導(dǎo)體熱電偶對的基本計(jì)算公式[6-8]：

半導(dǎo)體冷端制冷量pc：

(1)

半導(dǎo)體熱端散熱量ph：

(2)

半導(dǎo)體消耗功率p：

p=ph-pc=αPNIΔT+I2R

(3)

半導(dǎo)體制冷系數(shù)ε：

(4)

式中：αPN為溫差電動勢，是P型半導(dǎo)體端溫差電動勢αp和N型半導(dǎo)體端溫差電動勢αN二者絕對值之和，V；I為回路電流，A；Tc為半導(dǎo)體冷端溫度，K；Th為半導(dǎo)體熱端溫度，K；R為電偶臂電阻，Ω；k為電偶臂總熱導(dǎo)，W/K；ΔT為冷熱端溫差，K。

2 熱電制冷降溫服設(shè)計(jì)

根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，降溫服主要分為氣體降溫服、液體降溫服和相變材料降溫服。不同降溫服的性能特點(diǎn)見表1。

表1 不同降溫服性能比較

由表可知，液體降溫服冷卻能力較強(qiáng)，在一定的工作時(shí)長內(nèi)，質(zhì)量適中，且成本較低。綜合多方面因素，選擇水作為熱電制冷降溫服的冷卻介質(zhì)。

2.1 傳熱分析

根據(jù)熱量平衡分析，可知人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)存在兩個(gè)傳熱路徑：人體新陳代謝產(chǎn)熱向降溫服中冷卻液的熱量傳遞，外界環(huán)境向冷卻液的熱量傳遞。如圖2所示，系統(tǒng)的熱量傳遞可用式(5)表示：

圖2 人體-降溫服-環(huán)境系統(tǒng)傳熱模型

Qw=Qc+Qr+Qm

(5)

式中：Qw為冷卻液換熱量；Qc為對流換熱量；Qr為輻射換熱量；Qm為熱傳導(dǎo)換熱量。

2.1.1對流換熱量Qc

降溫服與環(huán)境之間通過自然對流產(chǎn)生的熱量Qc分為兩部分：人體皮膚表面與周圍熱環(huán)境之間通過自然對流傳遞的熱量Qc1，制冷系統(tǒng)與周圍熱環(huán)境之間通過自然對流換熱傳遞的熱量Qc2。

Qc1=hAs(Ts-Ta)

(6)

Qc2=hAp(Tp-Ta)

(7)

式中：h為對流換熱系數(shù)；As為人體皮膚表面與周圍環(huán)境的接觸面積，m2；Ap為制冷系統(tǒng)與周圍環(huán)境的接觸面積，m2；Ts為人體體表溫度，℃；Ta為周圍環(huán)境溫度，℃；Tp為制冷系統(tǒng)冷端溫度，℃。

2.1.2輻射換熱量Qr

降溫服與環(huán)境之間通過輻射產(chǎn)生的熱量Qr分為兩部分：人體皮膚表面與周圍熱環(huán)境之間通過輻射換熱傳遞的熱量Qr1，制冷系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間通過輻射換熱傳遞的熱量Qr2。

(8)

(9)

式中：ε為著裝人體體表發(fā)射率，一般情況下取0.97；σ為Stefan-Boltzmann常量，取值為5.67×10-8W/( m2·K4)。

2.1.3熱傳導(dǎo)換熱量Qm

當(dāng)人體著裝降溫服時(shí)，皮膚與降溫服緊密接觸，可認(rèn)為人體通過新陳代謝所產(chǎn)生的熱量全部傳遞給了降溫服。故人體與降溫服之間的熱傳導(dǎo)量Qm計(jì)算如下：

Qm=qA

(10)

式中：q為組織溫度，℃；A為人體表面積，m2。

2.1.4制冷系統(tǒng)中水循環(huán)吸收熱量Qw

Qw=qmcΔt

(11)

式中：qm為冷卻液的體積，m3；c為冷卻液的比熱容，kJ/(kg·K)；Δt為冷卻液溫度變化量。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

降溫服系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)、換熱管網(wǎng)系統(tǒng)和熱電制冷系統(tǒng)3部分組成。如圖3所示，動力系統(tǒng)包括移動電源、控制開關(guān)及循環(huán)泵，其中循環(huán)泵是冷卻介質(zhì)在換熱管網(wǎng)內(nèi)流動的動力源。換熱管網(wǎng)系統(tǒng)由基礎(chǔ)服裝及換熱管路組成，通過冷卻介質(zhì)在管路中的流動與人體進(jìn)行熱量交換，帶走人體的熱量，實(shí)現(xiàn)對人體的降溫作用。制冷系統(tǒng)維持循環(huán)冷卻介質(zhì)處于低溫狀態(tài)。

圖3 降溫服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在制冷系統(tǒng)中，通過熱電制冷片的冷面與水箱直接接觸，通過熱量交換得到溫度較低的冷卻介質(zhì)，在循環(huán)泵的驅(qū)動下，冷卻介質(zhì)在換熱管網(wǎng)內(nèi)循環(huán)流動，帶走人體熱量，達(dá)到降溫的效果[9]。其中，制冷系統(tǒng)可以放置于挎包或背包內(nèi)以便攜帶。

3 熱電制冷降溫服性能測試

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在溫度可控的人工氣候室內(nèi)開展，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。受試者靜坐于溫度為35～45 ℃的高熱環(huán)境下，以獲得不同工況下受試者的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，從而對熱電制冷降溫服的降溫效果進(jìn)行測試[10]。記實(shí)驗(yàn)正式開始的時(shí)間為0 min，采用生理信號采集系統(tǒng)對受試人員的生理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)的采集、記錄。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3.2 結(jié)果分析

3.2.1心率

心率反映了機(jī)體的運(yùn)動狀態(tài)和循環(huán)系統(tǒng)供血狀態(tài)，當(dāng)人處于高溫環(huán)境中，心率明顯增加。機(jī)體在高溫環(huán)境下為了維持熱平衡，通過大量出汗增加人體散熱，出汗量的增加使得大量血液流向體表，體內(nèi)組織中的循環(huán)血量減少，引起心率增加。當(dāng)環(huán)境溫度分別為35 ℃、40 ℃、45 ℃時(shí)，受試者穿著普通衣服及穿著降溫服時(shí)的心率變化如圖5～圖7所示。

圖5 35 ℃時(shí)心率變化圖

分析圖5～圖7可得：

圖6 40 ℃時(shí)心率變化圖

圖7 45 ℃時(shí)心率變化圖

1)在環(huán)境溫度為35 ℃、40 ℃、45 ℃時(shí)，受試者在未穿降溫服的情況下，在0—30 min，心率呈明顯上升趨勢，在30 min后，心率增加緩慢，總體呈上升趨勢；

2)在穿著降溫服的情況下，受試者的心率均低于相同條件下未穿降溫服時(shí)的心率，心率略有波動，但總體保持穩(wěn)定狀態(tài)；

3)隨著環(huán)境溫度的升高，心率值呈現(xiàn)上升趨勢，且環(huán)境溫度越高時(shí)，心率值波動越大。

3.2.2皮膚溫度

當(dāng)環(huán)境溫度分別為35 ℃、40 ℃、45 ℃時(shí)，受試者穿著普通衣服及穿著降溫服時(shí)的皮膚溫度變化如圖8～圖10所示。

圖8 環(huán)境溫度35 ℃時(shí)受試者的皮膚溫度測量情況

圖9 環(huán)境溫度40 ℃時(shí)受試者的皮膚溫度測量情況

圖10 環(huán)境溫度45 ℃時(shí)受試者的皮膚溫度測量情況

分析圖8～圖10可得：當(dāng)環(huán)境溫度分別為 35 ℃、40 ℃、 45 ℃時(shí)，受試者穿著普通服裝時(shí)的皮膚溫度隨著時(shí)間的增加都呈現(xiàn)上升趨勢。穿著降溫服后，皮膚溫度緩慢下降后趨于穩(wěn)定，且與穿普通服裝相比，皮膚表面溫度整體低于穿著普通服裝的溫度，范圍為2～4 ℃。

3.2.3核心溫度

當(dāng)環(huán)境溫度分別為35 ℃、40 ℃、45 ℃時(shí)，受試者穿著普通衣服及穿著降溫服時(shí)的核心溫度變化如圖11～圖13所示。

圖11 環(huán)境溫度35 ℃時(shí)受試者的核心溫度測量情況

圖12 環(huán)境溫度40 ℃時(shí)受試者的核心溫度測量情況

圖13 環(huán)境溫度45 ℃時(shí)受試者的核心溫度測量情況

分析圖11～13可得：當(dāng)環(huán)境溫度分別為 35 ℃、40 ℃、 45 ℃時(shí)，受試者穿著普通服裝時(shí)的核心溫度隨著時(shí)間的增加都呈現(xiàn)明顯上升趨勢；當(dāng)穿著降溫服時(shí)，人體的核心溫度沒有出現(xiàn)大的波動情況，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，且都低于未穿降溫服時(shí)人體的核心溫度值。

通過對心率、皮膚溫度及核心溫度等生理參數(shù)的分析，可以得出如下結(jié)論：在高溫環(huán)境下，穿著本文所研制降溫服的受試者各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)于穿著普通服裝后的參數(shù)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后受試者均表示穿著降溫服后身體和心理上更加舒適，證明所研制的熱電制冷降溫服具有一定的降溫性能。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的基于熱電制冷技術(shù)的降溫服，能夠有效降低高溫環(huán)境對人體健康的危害性，對于應(yīng)急救援、人員安全評估等公共安全領(lǐng)域有著重要意義。由于我國勞動群體基數(shù)大和地域差異性，導(dǎo)致不同個(gè)體對溫度敏感程度不同，在后續(xù)研究中，應(yīng)擴(kuò)大不同地區(qū)受試者樣本量。同時(shí)結(jié)合無線傳感技術(shù)，采用微型傳感器等先進(jìn)技術(shù)實(shí)測高溫環(huán)境下機(jī)體的核心溫度、心率、呼吸頻率等多生理參數(shù)，對高溫環(huán)境下機(jī)體生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)測分析，減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。