一种新型高效环保空调服的提出

孙晓阳

(华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209)

一种新型高效环保空调服的提出

孙晓阳

(华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209)

文中回顾了空调服概念的提出和发展历程，着重介绍了Green系统、液体循环空调服、PCM空调服等具有代表性的空调服，集中论述和比较了各个系统之间的优势和不足。在已有空调服的基础上，文中提出一种新型空调服。它利用涡流管制冷的基本原理，由电池组驱动小型空压机为涡流管提供压缩空气，涡流管产生的冷气进入空调服，并通过喷深系统喷射到人体躯干的热敏感部位，达到高效制冷的目的。与已有的几种空调服相比，新型空调服在调节性能、制冷效果、使用时间等方面都具有优势。除此之外，新型空调服不采用任何有毒材料或制冷剂，是一个较为完善的、绿色环保的解决方案。文中根据人体热力学实验结果，计算出新型空调服系统所需制冷量，并以此制冷量为基础，本着便携、高效的原则，对空调服核心部件-涡流管、空压机、电池组等提出技术要求，未来的研究方向将围绕着部件选型、实验验证制冷效率、搭建产品平台等方面展开。

空调服；涡流管制冷；制冷量；小型空压机；电池组；新产品

0 引 言

空调服(Cooling Vest)也叫空调制服、制冷背心、制冷服，是一种能够为人体提供冷气或热气的服装，保证人体在极端环境下持续进行体力活动。大多数空调服以制冷为目的，本文探讨的空调服均为制冷空调服。空调服目前广泛应用于各国军队，美国和英国海军在八、九十年代就批量配备空调服，以使士兵能够在炎热气候下进行训练。民用工业对空调服有大量需求，特别是电力、制造、冶金、建筑等与高温作业相关的行业，但目前空调制服在民用行业上的应用还比较少，主要原因在于空调服无法独立地、长时间地、稳定地向人体提供冷气。基于涡流管的空调服制冷效果好，但需要独立的空气压缩机为其提供压缩空气；以Veskimo公司产品为代表的液体循环空调服使用时间能达到4小时以上，但液体制冷效果较差，人体舒适度降低；Steele公司的PCM空调服(Phase Change Material，相变物质)利用固体相变吸收大量热量进行制冷，制冷效果出色，但其使用时间只有2 h左右，而且制冷剂含有轻微的毒性，不利于人体健康和环保，阻碍了PCM空调服的广泛使用。由此看来，目前的空调服产品各自存在缺陷，无法大范围推广。近年来，大容量电池组和设备小型化技术的迅速发展，使得新型空调服的出现成为可能。

1 空调服的发展

1.1 空调服的提出

二十世纪五十年代美国航空航天局(NASA)开始着手进行载人太空飞船的研发项目，其中重要的一环是研发太空舱内宇航员所穿着的宇航服内部的温度压力控制系统。F. H. Green[1]在1958年率先提出太空舱和宇航服的换气-冷却系统的模型(Green, 1958，以下简称Green系统)，Green系统通过一系列换热器把压缩空气冷却或加热，然后输送到太空舱和宇航服内。气体进入宇航服之前要先通过“涡流管”，分离出的冷气和热气经混合后进入宇航服。

Green系统的工作原理如图1所示。压缩空气(高于常温)通过入口管道12和阀门13进入系统，经过换热器14后温度降低。其中一路空气通过细管道33进入第二个换热器36，温度进一步降低后通过管道38进入涡流管(如图2所示)，分离出的冷空气和热空气按照比例混合后达到适宜温度，通入太空服，太空服的压力由阀门62调节。Green系统采用的涡流管制冷原理今天已被广泛应用于制造业和焊接行业，通过涡流管产生冷气来降低金属和焊接母材的表面温度。

图1 Green系统原理图

图2 Veskimo液体循环空调服

Green系统的优点在于：(1) 整个系统由机械装置驱动，安全可靠，故障率几乎为零；(2)太空服使用二次换热器冷却和涡流管再冷却装置，使得空气温度非常适宜人体；(3) 整套系统装置简单、调节精确、原料采集方便、绿色无污染。但需要看到的是，Green系统的换热器设计，特别是涡流管制冷技术没有被广泛应用于当今的制冷系统当中，其缺点也是很明显的： (1) 换热器效率不高，需要另外提供冷却剂，增加了换热系统的复杂性；(2) 空气压缩机能耗较高，便携性差，不适宜应用于移动制冷装置。

Green系统中的换热器、换气系统和涡流管的设计具有独创性，只是受限于当时机电设备的效率和便携性而无法实施。随着时代的发展和科技的进步，小型高效的热机和压缩设备逐渐成熟，为人们研发新型移动制冷装置提供了更多的条件。本文所提出的新型空调服的即基于Green系统的设计理念，将在下文中详细论述。

2.2 液体循环空调服

在1986年的美国海军科学计划(Navy Science Assistance Program, NSAP)会议上，美国海军正式提出为士兵开发“微气候制冷系统”(Microclimate Cooling System)，并于1987年由Janik[2]对五种产品的设计方案进行评估。会议最后确定ILC Dover公司的水冷移动作战服(mobile cooling vest)成为海军配备的第一代空调作战服，也是现代空调服的前身。

进入二十一世纪，Veskimo公司在ILC Dover公司的基础上开发出新一代液体循环空调服，如图2所示。制服的夹层中蛇形铺满微管道(microtube)，水泵由电池驱动，把储箱中的冰(水)通过黑色塑料管道打入微型管中，经循环后流回储箱。在温度40 ℃，湿度50%的环境下，储箱中的冰可以正常使用4 h，电池可以使用5～6 h，使用时间领先同类产品。Veskimo空调制服不能精确调节制服温度，但可以通过定时开关水泵、穿衬衣等方式来调节皮肤所感受到的温度。

McLellan[3]对液体循环空调制服的研究表明，在环境温度40 ℃，湿度50%的情况下，空调制服可以从一个重体力活动者身上吸取100～150 W热量，使人体对环境的耐受度从50 min提高到150 min。在这段时间内，人体体温(Core Temperature)一直保持在38 ℃以下，心率不超过180次/min。McLellan[3]同时指出，这一类空调制服的系统效率不超过50%，因为很大一部分制冷量被环境吸收、消耗掉。要想获得最高的制冷效率，必须把空调制服贴身穿着，让微型管直接和皮肤接触，但这样会造成皮肤局部过冷，长时间使用人体会产生不适感。

2.3 PCM空调服

PCM空调服(Phase Change Material)也叫相变物质空调服，这种空调服在躯干部分配备若干个冷冻凝胶袋，每个袋子里装有750 g左右的冷冻凝胶，总重量5.1 kg，可在两小时内向士兵输送冷量，如图3和图4所示。这种冷却服无电池、无水泵、造价便宜、重量轻、易于更换，经NSAP[4]评估，Steele公司的PCM空调服产品Steele vest的制冷效果和ILC Dover公司第一代水冷空调服几乎相同。Pimental[5]和Heaney[6]的实验结果表明，穿着Steele空调服的人体暴露在44 ℃(3.3 h)、51 ℃(3 h)和57 ℃(1.5 h)的环境温度下时，体温分别降低了0.4、0.7和0.8 ℃，效果非常明显。Bennett[7]、Hagan[8]和Ramirez[9]等人也都报告了类似的实验结果。

PCM空调服是一种轻便、高效的移动制冷服装，但它也存在不足：(1) 需要定时更换制冷剂包，换下来的制冷剂包需要再次冷冻后方可使用，这个冷冻过程需要持续数小时，不适于民用；(2) 制冷剂使用化学合成物质(熔点15～25 ℃)，有微毒，如果用冰作为制冷剂，熔点在0 ℃，会使人体皮肤感觉过冷。

图3 PCM空调服和制冷剂包

图4 美国海军配备PCM空调服

2.4 手足冷却系统

与美国海军不同，英国海军的主要研究方向是通过在冷水中浸泡人员的手和脚来降低人体温度。这种方法实行的条件是人员必须定时休息，以便进行浸泡。House[10]对比了手足浸泡方法和PCM空调制服的冷却效果，结果表明，在2个小时的实验时间内(40 ℃，50% in humidity)，手足浸泡(每30 min浸泡一次)的冷却效果和PCM空调制服几乎一样(比较人体体温升高的幅度)，但如果时间超过2 h，或者不能达到每30分钟浸泡一次的频率，人体体温则会快速上升，人员的耐受时间大大下降。House[10]的结论是，手足浸泡不需要冷冻设备和场所，花费很低，在短时间内不失为一种有效的办法。

人体的手足部位对温度的变化非常敏感，学者们已经验证过，用冷水连续浸泡手足能够有效降低人体体温。后续的研究方向将向制冷手套和袜子发展。

3 新型空调服的提出

上一节详细介绍了空调服的发展历程和目前最流行的几种空调服的原理和特点。这些空调服存在的共同问题是调节性能差、人体感受差、使用时间较短。调节性能差指的是空调制服无法主动调节制冷量，只能靠液体吸热或相变物质蒸发来带走热量，这样很容易造成局部温度过低，人体舒适度下降。另外，无论液体循环空调服还是PCM空调服，其使用时间不超过4小时，一般在2～3 h就需要更换制冷剂或电池。为了解决上述不足，我们尝试提出一种新型空调服：空气冷却空调服(或气冷空调服)。

3.1 制冷原理

气冷空调服利用涡流管把压缩空气分离成冷空气和热空气，冷空气通入空调服中进行制冷，热空气排放到环境中。气冷空调制服的工作原理图如图5所示。系统工作流程如下：电池组驱动小型气体压缩机将空气压缩后(6～8 bar)存储在储气罐中，储气罐中的压缩空气进入涡流管，分离成冷气流和热气流；冷气流从涡流管冷端流出，进入空调服；在空调服中布置若干微型管蛇行排列，冷空气通过微型管与人体进行热交换，最后喷射在人体受热敏感区域(前胸、后背、腋下，头部等)，完成制冷过程。进入涡流管的空气流量可以通过气罐阀门调节，涡流管的冷气量可由涡流管热端上的阀门进行调节，涡流管冷端出口和喷射口等处位置设置热电偶，监控入口和出口的冷空气温度。实际应用时可以先把储罐充满压缩空气，等剩余空气量不足时再启动空气压缩机，达到延长使用时间的目的。

图5 气冷空调服原理图

这种气冷空调服的优点非常明显：(1)调节性强。气罐阀门和涡流管均能调节气流，使用者可以根据个人感受调节冷气量；(2)制冷剂采用空气，使用安全可靠，绿色环保；(3)采用管内对流换热+喷射降温两种方法进行冷却，制冷效果好；(4)储罐可以预先储存压缩空气，延长使用时间；(5)在寒冷气候下倒置涡流管，立刻变为“暖气”。以上分析可以看出，气冷空调服在调节性、安全环保、制冷效果、使用时间等方面都具备一定优势。电池组、压缩机和储气罐等设备的便携性至关重要，在设备选型时应在满足系统出力的前提下尽量选择小型化、微型化设备，降低系统整体的重量。

3.2 制冷量

上文所述，在满足系统制冷量需求的前提下尽量选择小型化的设备。因此，需要估算系统所需的制冷量。

McLellan[3]指出，PCM空调制服和液体冷却空调制服能够提供的制冷量(热交换量)大约为200 W，其中50%以上的热量直接耗散到环境中，所以空调制服从人体带走的热量大约100 W。McLellan同时指出，在人体从事一般活动时(代谢率小于250 W)，这100 W的制冷量能够在较长时间内保证人体体温不高于38 ℃，只有当人体从事较重活动时(代谢率高于500 W)，空调制服才不能长时间保持体温正常，体温将在30 分钟内超过39 ℃警戒线。100 W的制冷量能够满足人体正常需要，一个正常人的体表面积约1.8 m2，那么人体制冷所需要的冷量密度为100 W/1.8 m2= 56 W/m2。

从涡流管冷端流出的冷气温度是Tcold，通过微型管与人体充分换热后，以Tout喷出，则压缩气体的能量方程为：

Q=c×m×(Tout-Tcold)

(1)

式中：Q为制冷量(W)；c为空气的比热容(kJ/kg·K)；m为冷端空气的质量流量(kg/s)。假设涡流管冷端气温是-5 ℃，即Tcold= -5 ℃，喷出温度Tout=15 ℃。参考温度取平均值5 ℃，空气比热容c=1.003kJ/kg·K，制冷量取100W。把上述数值代入式(1)，得到冷端空气流量m=0.005kg/s。假设压缩空气压力为0.7MPa(7bars)，则冷端空气流量为0.000 55m3/s，或32.8L/min。上述计算结果表明，冷端输出的空气流量32.8L/min(温度-5 ℃)即可满足制冷量要求。

3.3 设备要求

根据以上分析和便携性要求，对涡流管和压缩机的要求见表1和2。要求涡流管冷端出口温降不小于60 ℃，保证在环境温度超过50 ℃时依然能够分离出-5 ℃的冷空气。冷端出口最大风量32.8L/min，保证100W的换热量。管长和质量分别不能超过200mm和0.4kg。对于空气压缩机，最大空气压力0.7MPa，配合涡流管进口压力。按照冷端风量，选择最大出气量40L/min。压缩气罐容量一般在8～10L。整套设备(压缩机+储气罐)的重量不能超过10kg，最好不超过8kg。

表1 涡流管配置表

表2 压缩机配置表

电池组选用高效18650锂电池，串联形成供电电池组。高效18650单颗电压3.7V，电流3 400mAh，功率12.58W，重量46克。表3给出了电池数量和供电时间的关系，可根据实际情况选用。表中提供的供电时间是按照压缩机额定功率计算得出的，实际应用当中压缩机不会一直以额定功率工作，所以实际供电时间会比表格中的时间更长。

表3 电池组配置

空调制服内部的微管道布置和Veskimo空调制服的结构类似。冷气在微管道中和人体充分换热，最后在前胸、后背，腋下三个位置喷出。微管道的材料要具备较高的导热系数、相对较轻的密度，以及无毒、耐腐蚀等特性。

4 结束语

空调服的概念最早由Green在1958年提出，目的是解决太空舱和太空服的温度调节问题。在八十年代，美国海军提出进一步发展空调服的要求，此后产生了由Veskimo公司的水循环空调服、Steele公司的PCM空调服为代表的商业产品，以及英国海军参与的手足冷却系统。这些产品和系统各具特点，但共同的不足是制冷效率不高、调节性差、使用时间短，某些产品的环保性能较低。

针对已有空调服产品的不足，本文提出一种高效环保的新型空调服。它采用涡流管制冷的工作原理，把压缩空气分离成为热空气和冷空气，冷空气通入空调服进行制冷。大容量电池组驱动小型空压机，为涡流管提供压缩空气。冷空气在空调服内与人体皮肤进行对流换热，最后被喷射到人体表面热敏感部位，进行二次换热，总体换热效率提高，人体舒适度也有所提高。新型空调服具有调节灵活、制冷效果好、使用时间长等优势，并且使用环保材料和制冷剂(空气)，符合国家节能环保的要求。

发展新型空调服的关键点是如何在保证制冷量的前提下减少产品总重量，增加产品的实用性和便携性。选择能量密度更高的电池组和更轻的空压机、储罐等设备是方法之一。未来的研究将集中在设备选择、高效制冷验证和产品平台搭建上。

[1]F.H.Green,Ventilatedsuitrefrigerationunit,UnitedStatesPatentOffice, 1958.

[2]C.R.Janik,B.A.Avellini,andN.A.Pimental.Microclimatecoolingsystem:ashipboardevaluationofcommercialmodels.NavyClothingandTextileResearchFacility,TechnicalReportNo. 163and164, 1987.

[3]T.M.McLellanandJ.Frim,EfficacyofairandliquidcoolingduringlightandheavyexercisewhilewearingNBCclothing.Aviat.SpaceEnviron.Med. 70, 802-811,1999.

[4]C.R.JanikandB.A.Avellini,Effectivenessofthreecommercialcoolingsystemsinreducingheatstrain,AviationSpace&Environ.Med., 1989.

[5]N.A.Pimenthal,B.A.Avellini,andJ.H.Heaney,Abilityofapassivemicroclimatecoolingvesttoreducethermalstrainandincreasetolerancetimetoworkintheheat.InInternationalConferenceonEnvironmentalErgonomics-V, 226-227.Maastricht,TheNetherlands, 1992.

[6]J.H.Heaney,K.M.Wilmore,G.R.Banta,M.J.Buono,andN.A.Pimental,Theeffectsofmicroclimatecoolingoncardiovascularstrainduringworkintheheat.InInternationalConferenceonEnvironmentalErgonomics-V, 228-229.Maastricht,TheNetherlands, 1992.

[7]B.L.Bennett,R.D.Hagan,K.A.Huey,C.Minson,andD.Cain,Comparisonoftwocoolvestsonheat-strainreductionwhilewearingafirefightingensembleinahot/humidenvironment. (ReportNo. 93-10).NavalHealthResearchCenter, 1993.

[8]R.Hagan,K.A.Huey,andB.L.Bennett,Coolvestswornunderfirefightingensembleincreasestolerancetoheat. (ReportNo. 94-6).NavalHealthResearchCenter, 1994.

[9]L.R.Ramirez,R.D.Hagam,M.P.Shannon,B.L.Bennett,J.A.Hodgdon,Coolvestswornunderfirefightingensemblereducesheatstrainduringexerciseandrecovery. (ReportNo. 95-2).NavalHealthResearchCenter, 1994.

[10]J.House,Extremitycoolingasamethodforreducingheatstrain.J.Def.Sci. 3, 108-114, 1998.

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

孙晓阳，男，华能集团清洁能源技术研究院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.04.009

TU831.7

B

1009-3230(2015)04-0033-06