一种便携式带电作业空调服装置

陈柯豪，赵毅林，陈方伟，肖大林

(1.云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明 650000；2.云南电网有限责任公司昆明局东川供电局，云南 昆明 650000)

在酷热的环境下进行配电网带电作业时[1]，作业人员需要身穿厚重且相对封闭的绝缘服，其散热效果很差。因此，作业人员极易出现脱水[2]、中暑、精神恍惚等症状，从而会导致触电及高处坠落等安全事故，故而需要为高温电力抢修及带电作业人员研制一种能长时间降温，同时又能保证其安全工作、提高作业效率的便携式降温空调服装置，从而有利于减少电网停电时间，保证配电网线路及设备安全稳定运行。

目前国内外针对空调制冷原理以及制冷介质的不同，空调服可以分为气冷空调服、液冷空调服以及相变制冷空调服[3]。气冷空调服利用空气作为制冷介质，文献[4]提出在皮肤表面引入微型风扇阵列的方法，通过微型风扇阵列提供流动空气利用对流及人体汗液蒸发降温。文献[5]研究了风扇布置位置情况对气冷型空调服降温效果的影响，结果表明后腰及脊柱位置为风扇最佳布置点。文献[6]用小型压缩机产生压缩空气，高速通过涡流管后分成冷气与热气，冷气进入空调服与皮肤通过对流进行一次降温，最后喷射到人体热敏感部位进行二次降温，大大提高降温效率。相变制冷空调服利用相变材料相变吸热进行降温[7]，常见的相变材料有冰、水凝胶和石蜡等。文献[8]构想在消防服内穿着冰背心进行降温，这种降温方式可以有效降低高温环境中从事体力活动的主观与生理反应。文献[9]提出了一种胶囊相变调温服，在服装内外层中填充胶囊，胶囊内含有相变材料。液冷空调服是通过冷却液体在空调服内循环，与人体表面进行传导、对流换热，从而达到降温目的[10]。Billingham首次提出将水作为冷却液的液冷空调服思想[11]，之后人们进行了大量相关研究。国内的液冷服研制始于军事等特殊领域，在20世纪80年代开始研制便携式局部液冷服(YL-IA型)系统，并成功在“远望号”远洋测量船两次执行任务中试用[12]。文献[13-14]研究了液冷服中换热管路的排布方式对于液冷服降温效果的影响。液冷服可以根据人体与环境的换热情况灵活控制换热介质的温度及流速，从而能够主动对换热进行调节，且比相变与气冷两种空调服更加舒适、安全，已经成为研究的热点。

对于身着空调服进行不停电作业的应用场景，目前的研究较少，本文基于液冷主动降温原理研制出一种电网不停电作业用空调服，采用微型压缩机、与绝缘服配合穿着对带电作业人员进行大冷量体表降温，为作业人员提供安全、便利、舒适的工作环境。

1 理论仿真

1.1 制冷原理

工作人员在身着空调服工作时，其皮肤表面与空调服之间存在着一个微气候区。如图1所示。

图1 微气候区示意图

微气候区内人体的热量传递满足热平衡方程[15]：

s=m-w-r-c-e-d

(1)

式中：s是人体蓄热率；m是新陈代谢产热；w是人体做功产热；r是人体皮肤通过辐射方式与外部的换热量；c是人体皮肤通过对流方式与外部的换热量；e是人体皮肤通过蒸发等方式的散热量；d是人体皮肤通过热传导方式与外部的换热量。

由于m,w,r,e均取决于工作性质或周围环境，因此要想使s尽可能减小，就应该增加人体通过对流及传导两种方式的散热量。

将冷却管以一定方式敷设于空调服内，通过空调服循环系统使恒温(低于人体温度)液体在管中循环，加速人体表面与微气候区的对流与传导换热，增大c与d，从而有效减少s，实现工作人员在高温环境下的散热降温。

人体通过皮肤表面与外界交换热量，有传导、对流、辐射和蒸发四种方式，但从传热学的角度看，热传递只包含传导、对流、辐射三种方式。求解传热问题就是求解温度在空间中随时间的变化情况，用傅里叶定律可以描述为

(2)

式中：ρ是温度调节区域中物质的密度；Cp是物质温度每升高1 K时所吸收的热量；Q是热流密度，表示物质所吸收的热量；k是热传导系数；u是对流项中的变量。

利用式(2)以及相关参数和边界条件可以求解区域中任意一点温度随时间变化的规律：T(x,y,z,t)。

1.2 仿真计算

本文利用comso l5.4建立并求解模型来描述有无冷却液对人体在暑热环境下降温效果的影响，为了突出液冷制冷原理的特点，忽略对流传热仅考虑热传导。模型由圆柱体与镶嵌在其表面的环形冷却管构成，将圆柱体材料设置为皮肤，用空气包裹住整个模型。分别在管中加入水和空气，并将水分别设置为恒温(相当于加入外部冷源)与不恒温(令水自然变温不加外部冷源)，观察一段时间后圆柱体切面温度分布。模型的三维立体图如图2所示，冷却管与皮肤材质的圆柱体如图3所示。

图2 模型的三维立体图

图3 模拟冷却管与皮肤材质的圆柱体图

仿真过程如下。

1)管中加入水，水的初始温度设为288.15 K，不设恒温，模拟加入冷却液但不设置外部冷源的情况，皮肤初始温度设为310.15 K，周围空气温度设为323.15 K。10 000 s后的切面温度分布如图4所示。

图4 冷却液不设恒温时的温度分布图

2)再将管中水设置为恒定温度，各部分温度初始值不变，模拟加入冷却液并设置外部冷源使冷却液持续保持低温的情况，10 000 s后切面温度分布如图5所示。

图5 冷却液设为恒温时的温度分布图

3)将管中的水换成空气，模拟不加入冷却液的情况，将管中空气的初始温度设为288.15 K，不设恒温，皮肤初始温度设为310.15 K，周围空气温度设为323.15 K。10 000 s后的切面温度分布如图6所示。

图6 无冷却液时的温度分布图

对比管中材料为水且不设恒温与管中材料为空气两种情况，前者10 000 s后切面温度整体要比后者低，尤其是管与皮肤接触部位，这种差别更加明显。这是因为水的比热容较大，因此在水与空气的初始温度相同时，水升温要比空气慢，且升温相同时要吸收更多的热量。可以看出管中加入低温液体，可以起到很好的降温效果。

对比管中材料为水并设置为恒温与不设置为恒温两种情况，前者10 000 s后切面温度整体要比后者低，同样地，在管与皮肤接触部位，这种差别也更加明显。这是因为由于外界冷源的存在，水在整个热量传递过程中可以一直保持低温不再升温。由此可见，在服装中加入使冷却液不断在体表循环并保持恒温的液冷系统可以有效降低冷却管附近人体体表温度，并使气候区中的整体温度也有所降低，很好地解决人体在暑热环境中的散热问题。

2 空调服装置设计

空调服装置采用制冷微型压缩机对人体进行大冷量的高能冷却，为了保证系统稳定正常运行，对其核心部件及配套部件实施同步制冷温控。系统组成如图7所示。

图7 整机系统结构图

系统主要由制冷服、制冷主机、电池组三大部分组成，电池组对整个系统供电，制冷主机负责整个系统的制冷、电源控制以及冷却液的循环等。

2.1 制冷服

制冷服是空调服的重要部分，是人机交互的结点(见图8)。

图8 制冷服实物图

制冷服直接贴近人体，应该具有轻便、舒适、无毒无害等特点。本制冷服为制冷上衣形式，采用高耐磨网格面料制成，其夹层中均匀镶嵌纵向走向的制冷液循环通路管道。管路连接接头为自闭式快速拔插接头。

2.2 电池组

电池组是制冷系统的重要组成部分，为整个空调服制冷系统提供电能。为了使空调服在穿戴后不妨碍带电工作，放弃笨重的液压发电机等供电方案，采用24 V可充锂电池组对整个系统供电，电池组参数及性能如表1所示。

表1 电池组性能指标表

2.3 制冷主机

制冷主机包含温度采集模块、单片机控制器、压缩机、冷却液循环组件、操作显示模块和电源模块；制冷主机如图9所示，负责完成整个系统的制冷、电源控制以及冷却液的循环等。其中冷液系统由循环系统和电气控制系统组成，其中的循环系统又由制冷系统和供回液系统组成；循环系统和电气控制系统有机的组合在设备内。

图9 制冷主机正面图

1)单片机控制器。单片机控制器是制冷主机的核心模块，接收处理各模块发来的信息，并向各模块发送控制命令以实现对整个系统的控制。单片机控制器采用STM32F103RCT6为核心处理器，分别与压缩机、温度采集模块和操作显示模块相连接，接收温度采集模块及操作显示模块发来的信息，进行处理后通过压缩机驱动电路控制压缩机的启停，并向操作显示模块发送信息显示系统状态。

2)压缩机。用于制冷的微型压缩机由直流供电，制冷剂为R134a。R134a别名R-134a，化学式为CH2FCF3，大气压下的沸点为-26.3℃。是一种热力学性质与二氟二氯甲烷(R-12)类似的卤代烷制冷剂，但与R-12相比，其臭氧破坏潜势更低。冷凝器采用平行流式微通道换热器，蒸发器采用集成式微通道换热器。此外，还装设了无刷冷凝调速风机散热，保障制冷量的同时大大降低了风扇噪音。

3)温度采集模块。温度采集模块包含环境采集模块与体表温度采集模块，分别位于制冷服的内表与外表，采集外界环境温度与体表温度，并将采集到的信号传输至单片机控制器进行处理。本模块中采集温度信息的温度传感器DS18B20是常用的数字温度传感器，其每个器件都有唯一的64位长的ROM代码，故可在同一根总线上挂接多片DS18B20，实现同时在多点进行温度采集。DS18B20将采集的温度信号通过数模转换器转换为数字信号并发送给单片机控制器，单片机控制器再根据此信号输出信号控制压缩机的启停。

4)冷却液循环组件。冷却液循环组件通过使低温冷却液在制冷服中敷设的绝缘软管中不断循环来达到给人体降温的效果。本文使用水作为冷却液，组件包括水泵、水箱、绝缘软管以及水位传感器。水箱负责盛装冷却液，水泵提供冷却液循环的动力，绝缘软管构成冷却液在系统中循环的通路。水位传感器装设在水箱中，实时监测水箱中的冷却液量，一旦水量过少，便发出报警信息，提示带电作业人员可能发生液体泄漏。

5)电源模块。电源模块分别用两个电路去实现电源管理和充电管理两个功能。前者是指将电池组的输出电压分别转化为各个受电模块相应的电压，后者则是指控制电池组的充放电。

6)操作显示模块。本装置的操作显示系统由4个按键及3.2寸TFT液晶屏组成。液晶屏上显示出水温度、进水温度、环境温度以及设定温度信息，电池工作状态信息，时间信息及空调服系统整体工作状态信息。装置可由面板上显示屏两侧的4个按键进行操作(见图10)。

图10 操作显示模块图

3 装置试验

为了测试空调服装置在高温环境下的降温效果，对空调服装置进行高温环境降温试验以及电池供电持久性试验(见图11)。

图11 试验现场服装及电池摆放图

3.1 高温环境降温试验

将空调服置于40℃的高温环境下，并用输出电压为24 V的电池组供电，通过空调服装置的显示屏观察冷却液温度，制冷液最低可以稳定地维持在15℃，完全满足人体所需环境温度。

3.2 电池供电持久性试验

延长高温环境降温试验的时长直到电池组无法维持正常供电，并记录试验时长，得到在40℃的工作环境下，维持制冷液在15℃，电池组持续供电时间为4 h。

试验表明，本文空调服装置完全满足工作人员在高温环境下身着绝缘服进行带电作业的要求。

4 结 语

针对在暑热环境下带电作业人员身穿厚重绝缘服导致散热不佳易出现热应激反应的问题，本文研制出了一种基于单片机控制器的带电作业便携式空调服装置。comsol仿真结果表明，液冷方式能够很好地起到降温效果，40℃高温环境降温试验表明，该空调服装置完全满足带电作业人员在暑热环境下身着绝缘服安全、舒适、便利地进行带电作业的要求。