一種新型高效環(huán)保空調(diào)服的提出

孫曉陽

(華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209)

一種新型高效環(huán)保空調(diào)服的提出

孫曉陽

(華能集團清潔能源技術研究院有限公司，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系統(tǒng)之間的優(yōu)勢和不足。在已有空調(diào)服的基礎上，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，由電池組驅動小型空壓機為渦流管提供壓縮空氣，渦流管產(chǎn)生的冷氣進入空調(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、使用時間等方面都具有優(yōu)勢。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)人體熱力學實驗結果，計算出新型空調(diào)服系統(tǒng)所需制冷量，并以此制冷量為基礎，本著便攜、高效的原則，對空調(diào)服核心部件-渦流管、空壓機、電池組等提出技術要求，未來的研究方向將圍繞著部件選型、實驗驗證制冷效率、搭建產(chǎn)品平臺等方面展開。

空調(diào)服；渦流管制冷；制冷量；小型空壓機；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，是一種能夠為人體提供冷氣或熱氣的服裝，保證人體在極端環(huán)境下持續(xù)進行體力活動。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。空調(diào)服目前廣泛應用于各國軍隊，美國和英國海軍在八、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行訓練。民用工業(yè)對空調(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)相關的行業(yè)，但目前空調(diào)制服在民用行業(yè)上的應用還比較少，主要原因在于空調(diào)服無法獨立地、長時間地、穩(wěn)定地向人體提供冷氣。基于渦流管的空調(diào)服制冷效果好，但需要獨立的空氣壓縮機為其提供壓縮空氣；以Veskimo公司產(chǎn)品為代表的液體循環(huán)空調(diào)服使用時間能達到4小時以上，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)利用固體相變吸收大量熱量進行制冷，制冷效果出色，但其使用時間只有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，大容量電池組和設備小型化技術的迅速發(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

二十世紀五十年代美國航空航天局(NASA)開始著手進行載人太空飛船的研發(fā)項目，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管道33進入第二個換熱器36，溫度進一步降低后通過管道38進入渦流管(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)點在于：(1) 整個系統(tǒng)由機械裝置驅動，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)的換熱器設計，特別是渦流管制冷技術沒有被廣泛應用于當今的制冷系統(tǒng)當中，其缺點也是很明顯的： (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)的復雜性；(2) 空氣壓縮機能耗較高，便攜性差，不適宜應用于移動制冷裝置。

Green系統(tǒng)中的換熱器、換氣系統(tǒng)和渦流管的設計具有獨創(chuàng)性，只是受限于當時機電設備的效率和便攜性而無法實施。隨著時代的發(fā)展和科技的進步，小型高效的熱機和壓縮設備逐漸成熟，為人們研發(fā)新型移動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)的設計理念，將在下文中詳細論述。

2.2 液體循環(huán)空調(diào)服

在1986年的美國海軍科學計劃(Navy Science Assistance Program, NSAP)會議上，美國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]對五種產(chǎn)品的設計方案進行評估。會議最后確定ILC Dover公司的水冷移動作戰(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。

進入二十一世紀，Veskimo公司在ILC Dover公司的基礎上開發(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)，水泵由電池驅動，把儲箱中的冰(水)通過黑色塑料管道打入微型管中，經(jīng)循環(huán)后流回儲箱。在溫度40 ℃，濕度50%的環(huán)境下，儲箱中的冰可以正常使用4 h，電池可以使用5～6 h，使用時間領先同類產(chǎn)品。Veskimo空調(diào)制服不能精確調(diào)節(jié)制服溫度，但可以通過定時開關水泵、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)制服可以從一個重體力活動者身上吸取100～150 W熱量，使人體對環(huán)境的耐受度從50 min提高到150 min。在這段時間內(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]同時指出，這一類空調(diào)制服的系統(tǒng)效率不超過50%，因為很大一部分制冷量被環(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，但這樣會造成皮膚局部過冷，長時間使用人體會產(chǎn)生不適感。

2.3 PCM空調(diào)服

PCM空調(diào)服(Phase Change Material)也叫相變物質空調(diào)服，這種空調(diào)服在軀干部分配備若干個冷凍凝膠袋，每個袋子里裝有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、造價便宜、重量輕、易于更換，經(jīng)NSAP[4]評估，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]的實驗結果表明，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，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]等人也都報告了類似的實驗結果。

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

圖3 PCM空調(diào)服和制冷劑包

圖4 美國海軍配備PCM空調(diào)服

2.4 手足冷卻系統(tǒng)

與美國海軍不同，英國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。這種方法實行的條件是人員必須定時休息，以便進行浸泡。House[10]對比了手足浸泡方法和PCM空調(diào)制服的冷卻效果，結果表明，在2個小時的實驗時間內(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)，但如果時間超過2 h，或者不能達到每30分鐘浸泡一次的頻率，人體體溫則會快速上升，人員的耐受時間大大下降。House[10]的結論是，手足浸泡不需要冷凍設備和場所，花費很低，在短時間內(nèi)不失為一種有效的辦法。

人體的手足部位對溫度的變化非常敏感，學者們已經(jīng)驗證過，用冷水連續(xù)浸泡手足能夠有效降低人體體溫。后續(xù)的研究方向將向制冷手套和襪子發(fā)展。

3 新型空調(diào)服的提出

上一節(jié)詳細介紹了空調(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。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、使用時間較短。調(diào)節(jié)性能差指的是空調(diào)制服無法主動調(diào)節(jié)制冷量，只能靠液體吸熱或相變物質蒸發(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，其使用時間不超過4小時，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：電池組驅動小型氣體壓縮機將空氣壓縮后(6～8 bar)存儲在儲氣罐中，儲氣罐中的壓縮空氣進入渦流管，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行調(diào)節(jié)，渦流管冷端出口和噴射口等處位置設置熱電偶，監(jiān)控入口和出口的冷空氣溫度。實際應用時可以先把儲罐充滿壓縮空氣，等剩余空氣量不足時再啟動空氣壓縮機，達到延長使用時間的目的。

圖5 氣冷空調(diào)服原理圖

這種氣冷空調(diào)服的優(yōu)點非常明顯：(1)調(diào)節(jié)性強。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)對流換熱+噴射降溫兩種方法進行冷卻，制冷效果好；(4)儲罐可以預先儲存壓縮空氣，延長使用時間；(5)在寒冷氣候下倒置渦流管，立刻變?yōu)椤芭瘹狻薄Ｒ陨戏治隹梢钥闯觯瑲饫淇照{(diào)服在調(diào)節(jié)性、安全環(huán)保、制冷效果、使用時間等方面都具備一定優(yōu)勢。電池組、壓縮機和儲氣罐等設備的便攜性至關重要，在設備選型時應在滿足系統(tǒng)出力的前提下盡量選擇小型化、微型化設備，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同時指出，在人體從事一般活動時(代謝率小于250 W)，這100 W的制冷量能夠在較長時間內(nèi)保證人體體溫不高于38 ℃，只有當人體從事較重活動時(代謝率高于500 W)，空調(diào)制服才不能長時間保持體溫正常，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為冷端空氣的質量流量(kg/s)。假設渦流管冷端氣溫是-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。上述計算結果表明，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 設備要求

根據(jù)以上分析和便攜性要求，對渦流管和壓縮機的要求見表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 ℃時依然能夠分離出-5 ℃的冷空氣。冷端出口最大風量32.8L/min，保證100W的換熱量。管長和質量分別不能超過200mm和0.4kg。對于空氣壓縮機，最大空氣壓力0.7MPa，配合渦流管進口壓力。按照冷端風量，選擇最大出氣量40L/min。壓縮氣罐容量一般在8～10L。整套設備(壓縮機+儲氣罐)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給出了電池數(shù)量和供電時間的關系，可根據(jù)實際情況選用。表中提供的供電時間是按照壓縮機額定功率計算得出的，實際應用當中壓縮機不會一直以額定功率工作，所以實際供電時間會比表格中的時間更長。

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)制服的結構類似。冷氣在微管道中和人體充分換熱，最后在前胸、后背，腋下三個位置噴出。微管道的材料要具備較高的導熱系數(shù)、相對較輕的密度，以及無毒、耐腐蝕等特性。

4 結束語

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，美國海軍提出進一步發(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，但共同的不足是制冷效率不高、調(diào)節(jié)性差、使用時間短，某些產(chǎn)品的環(huán)保性能較低。

針對已有空調(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)服進行制冷。大容量電池組驅動小型空壓機，為渦流管提供壓縮空氣。冷空氣在空調(diào)服內(nèi)與人體皮膚進行對流換熱，最后被噴射到人體表面熱敏感部位，進行二次換熱，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、使用時間長等優(yōu)勢，并且使用環(huán)保材料和制冷劑(空氣)，符合國家節(jié)能環(huán)保的要求。

發(fā)展新型空調(diào)服的關鍵點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、儲罐等設備是方法之一。未來的研究將集中在設備選擇、高效制冷驗證和產(chǎn)品平臺搭建上。

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

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

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[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

孫曉陽，男，華能集團清潔能源技術研究院。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.04.009

TU831.7

B

1009-3230(2015)04-0033-06