新型节能环保空调服的设计和研究

2018-09-10骆雯王博文赵诗雯赵岩杨旭

河南科技 2018年8期

骆雯王博文赵诗雯赵岩杨旭

摘要：本文介绍了空调服的概念和发展历程，并针对传统空调服的缺陷，提出一种新型的节能环保空调服，通过在衣服本体内排布通风管及控制装置，并在衣服本体外设置N型及P型半导体热源及冷源产生装置，利用通风管回路及控制装置对衣服本体进行制冷或制热，调节空调服温度，实现空调服内温度的精确控制。此外，新型空调服不采用任何有毒材料或制冷剂，节能环保，具有较大的市场推广空间。

关键词：空调服；热舒适；控制装置；环保

中图分类号：TS941.73；TS941.19 文献标识码：A 文章编号：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

随着我国经济的快速发展和人们生活水平的日益提高，人们对生活质量的要求越来越高。但是，有很多户外工作群体需要面对高温的室外环境，如野外勘探人员、消防人员、值勤交警等，還有部分户外运动爱好者经常参加户外活动，如钓鱼爱好者、徒步旅游者等。如何保证上述人群在极端环境下持续进行体力活动，是一个值得关注的问题。基于此，人们开始研究空调服。空调服可以将各种制冷或制热设备安装在服装上，为人们户外提供制冷或制热的效果，可以让使用者处于最舒适的状态，从而提高工作效率。该设备可以有效解决对个体实施定点制冷或者制热的问题，让每个人都可以结合自身热舒适感觉控制身体的温度，符合我国节能环保政策[1]。

1 空调服的发展

最早的空调服主要应用于航天领域。当宇航员在舱外活动时，所处的太空环境较为恶劣。为了保护宇航员的身体免受损伤，舱外航天服采用真空屏蔽隔热层与空间环境隔绝，形成密闭的微环境，航天服内有液冷系统，以保持人体的热平衡，进而达到热舒适的效果[2]。海湾战争期间，美空军研制生产了一种新型间歇性多人降温系统。该系统主要由空调器、过滤器和背心三部分组成，具体工作过程为：空调器产生的冷气流经软管通入过滤器，然后再通入防护服的背心内，以起到给人体降温的作用。该系统可同时为10名地勤人员供送冷气[3]。

2 新型空调服的提出

目前，市面上的一些空调服仍然只是一些简易的设备，只是在上衣的左右腰间处安装了小型风扇，将室外的空气吸到衣服内，通过能使汗水蒸发的汽化热吸收人体表面的热量，使人体冷却，但其制冷效率较低。基于此，本文设计了一种新型智能节能环保空调服。

2.1 系统组成

该空调服包括衣服本体、冷源和热源产生盒及控制装置。其中，衣服本体包括内层及外层，内层及外层之间布有通风管；制冷块及制热块分别为多个独立的P型半导体块和N型半导体块，且多个P型半导体块和N型半导体块之间依次电连接。该新型节能环保空调服通过在衣服本体内排布通风管及控制装置，并在衣服本体外设置N型及P型半导体热源及冷源产生装置，可以利用帕尔贴效应，在N型及P型半导体两端分别实现制冷及制热效果，并利用通风管回路及控制装置对衣服本体进行制冷或制热，调节空调服温度，实现空调服内温度的精确控制，提高制冷和制热效率。

2.2 制冷方式的选择

热电制冷的机理完全不同于蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷，其是以温差电现象为基础的制冷方法。热电半导体制冷器是基于帕尔贴效应开发制冷器件，通过在热电制冷器的两端加载一个较低的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度会同时上升。只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和制热两种功能。热电制冷的主要优点有：①环境良好，不需要使用任何制冷剂，不必担心制冷剂泄漏和环境污染的问题；②体积小，重量轻，维修方便，可以支持任何种类的工作；③内部无任何运动部件，因而没有振动和噪声危害，可靠性高；④可以在同一元件上完成制热和制冷两个过程（即可以完成热循环），控制灵活[4]。

2.3 制冷量的计算

为了使其具有更好的实用性，该系统应在满足系统制冷量需求的前提下尽量选择小型化，当系统工作时，空调服内部形成一定的环形制冷空间，因此，笔者通过模拟人体为标准的几何形体计算环形制冷空间空气的体积，进而计算出人体降温所需的制冷量。在此，笔者选取人的标准身高为180cm，将人体的上下半身躯干简化为相应的圆柱体，当制冷空气充满空调服时空调服内层与外层的平均间隔为3cm，由此可计算出环形制冷空间体积[5]。经过计算，总体积为3 165cm3。由于人体体积的不规则性及不同人的体积存在差异，因此，取体积系数为1.1，则修正后的人体间隙空间体为3 481.5cm3。

由规范《室内空气质量标准》（GB/T 18883—2002）的相关规定可知，室内温度过高或过低都会使人体产生不舒适感。综合考虑，将人体夏季舒适温度选为24℃，外界环境最高温度选为40℃[6]。由于空气密度随温度变化范围不大，取标准状况时的密度，即空气密度为1.29kg/m3，则环形空间制冷空气的质量为：

[m=ρ×V] （1）

其中，[m]代表环形空间制冷空气的质量，[ρ]代表空气密度，[V]代表环形空间制冷空气的体积。经计算可得出，[m=ρ×V=1.29kg/m3×3.4815×10-3m3=4.49×10-3kg]。空气的比热容为1.01kJ/（kg·℃），则外界空气温度40℃从降到24℃所需热量为：

[Q=CmΔt] （2）

其中，[Q]代表外界空气降温所需制冷量，[C]代表空气的比热容，[Δt]代表人体周围空气温差。经过计算可得出，[Q]为72.55J。上述所计算的制冷量是在环境热传递和人体散热综合情况下的制冷量。

3 结论

该新型节能环保空调服主要为户外运动者和户外工作群体提供服务，能为人体提供冷气或热气，以保证人体在极端环境下的工作效率。其优点主要有：①在极端温度环境中，为人体提供保护；②在户外，作为可穿戴的微型空调，协助人体到达热舒适状态；③在室内，可代替传统的暖通空调，降低能源消耗。

本项目中的新型节能环保空调服结构简单、节能环保、成本低廉、维修方便、实用性强、制冷效果明显、持续时间长，因此，具有较大的市场空间。

参考文献：

[1]刘静伟.保温方式与保温材料[J].服装科技，1997（6）：50-51.

[2]Lieva V，Langenhove C，Hertleer. Smart Textiles in Vehicles： A Foresight[J]. Journal of Textile & Apparel Technology & Management，2004（4）：1-6.

[3]韩增旺，唐世君，赖军.国内外冷却服的发展现状及关键技术[J].中国个体防护装备，2009（4）：11-14.

[4]張小松.制冷技术与装置设计[M].重庆：重庆大学出版社，2008.