一拖多空調(diào)服除濕降溫系統(tǒng)的研究

喬 楠, 付浩卡, 桑豪偉, 靳俊杰

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.河南城建學(xué)院 能源與建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；3.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

空調(diào)服也叫空調(diào)制服、制冷服，是一種能夠?yàn)槿梭w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(jìn)行體力活動(dòng)[1]。有些勞動(dòng)者工作環(huán)境長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，如廚師，熔爐車間工人等，人體產(chǎn)熱不能及時(shí)散發(fā)，只能積蓄在體內(nèi)，導(dǎo)致體溫上升，產(chǎn)生熱應(yīng)激，作業(yè)人員注意力下降，體力消耗增加，不僅降低了工作效率，而且更容易引發(fā)生理異常，重者甚至威脅生命[2]。若在整個(gè)工作空間進(jìn)行降溫則需要付出大量的能耗，也不經(jīng)濟(jì)，因此，使用一種新的技術(shù)，投入較少的能耗即可滿足降溫需求，改善勞動(dòng)者工作環(huán)境十分必要。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)空調(diào)制冷原理以及制冷介質(zhì)的不同，空調(diào)服可以分為氣冷空調(diào)服、液冷空調(diào)服以及相變制冷空調(diào)服，經(jīng)比較，使用空氣冷卻式的空調(diào)服，成本很低，工作時(shí)間長(zhǎng)，舒適度更高[3]。本文在空氣冷卻式空調(diào)服的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種一拖多式空調(diào)服降溫裝置。

1 裝置設(shè)計(jì)

方便高溫工作者進(jìn)行作業(yè)的一拖多式空調(diào)服降溫裝置，采取集中供冷方式，在制冷單元中制取冷量，之后將冷量?jī)?chǔ)存在水箱中，經(jīng)過(guò)換熱器將獲得冷量的空氣送到空調(diào)服中，向人體提供冷量，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)一套制冷裝置為多個(gè)空調(diào)服提供冷量的功能，為工作者提供舒適的工作環(huán)境，提高工作效率。

2 裝置結(jié)構(gòu)

一拖多式空調(diào)服降溫裝置，包括制冷單元、儲(chǔ)能單元、空調(diào)服單元，如圖1所示。儲(chǔ)能單元可與制冷單元是一個(gè)整體，也可以分開(kāi)設(shè)置，儲(chǔ)能單元有多個(gè)快速接頭，滿足一臺(tái)設(shè)備供多人使用的需求。空調(diào)服單元的排風(fēng)口是在排風(fēng)管上，可同時(shí)達(dá)到制冷和除濕雙重效果。

圖1 一拖多式空調(diào)服降溫裝置

2.1 制冷單元

制冷單元主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器，如圖2所示。壓縮機(jī)對(duì)氣體進(jìn)行壓縮，使低溫低壓的氣體成為高溫高壓的氣體，之后高溫高壓氣體在冷凝器中被冷凝為常溫高壓的液體，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流降壓為低溫低壓的液體，然后進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍怏w，再進(jìn)入到壓縮機(jī)，依次循環(huán)往復(fù)。此外，蒸發(fā)器安裝在儲(chǔ)能單元中，用于將制冷單元中所制得的冷量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能單元中。

圖2 制冷單元

2.2 儲(chǔ)能單元

儲(chǔ)能單元包括排空閥、進(jìn)水閥、儲(chǔ)能水箱、空氣過(guò)濾器、快速接頭、風(fēng)機(jī)、換熱器、排污閥等，如圖3所示。制冷單元的蒸發(fā)器放置在儲(chǔ)能單元中，降低水箱中水的溫度，將冷量?jī)?chǔ)存起來(lái)。風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，使空氣進(jìn)入過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾后的空氣與儲(chǔ)能水箱里的水通過(guò)換熱器進(jìn)行換熱，換熱后的空氣輸送到空調(diào)服單元中進(jìn)行降溫除濕。在運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)能水箱中的雜質(zhì)可通過(guò)排污閥及時(shí)排出，以免影響換熱效果。其中，由排空管平衡儲(chǔ)能單元中的壓力，使得水可以通過(guò)進(jìn)水閥順利進(jìn)入儲(chǔ)能單元內(nèi)。

圖3 儲(chǔ)能單元

2.3 空調(diào)服單元

空調(diào)服單元包括空調(diào)服、排風(fēng)管、快速接頭、節(jié)流閥等，如圖4所示。儲(chǔ)能單元與空調(diào)服以快速接頭連接，將冷量輸送到空調(diào)服內(nèi)，流量大小可通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)。空調(diào)服的排風(fēng)管蛇形布置在服裝內(nèi)外夾層之間，排風(fēng)管上每間隔一段距離設(shè)置一個(gè)排風(fēng)口，以保證送風(fēng)均勻，另外，根據(jù)人體需冷量不同設(shè)置不同的微出風(fēng)口密度，以達(dá)到人體最佳舒適度。

圖4 空調(diào)服單元

3 裝置原理

一拖多式空調(diào)服降溫裝置，首先由制冷單元利用制冷裝置制取冷量，之后在儲(chǔ)能裝置中，蒸發(fā)器與水箱的水進(jìn)行冷量交換，降低水的溫度，獲取低溫冷水。低溫冷水與經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器的空氣在換熱器中進(jìn)行冷量交換，以風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，將被冷卻的空氣分配給各個(gè)快速接頭所連接的軟管中。軟管中的空氣經(jīng)過(guò)節(jié)流閥被送至空調(diào)服的排風(fēng)管中，通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)風(fēng)量，使排風(fēng)管內(nèi)的冷空氣經(jīng)過(guò)密度分布不均的出風(fēng)口吹向人體，由于空氣溫度低于人體皮膚表面溫度，且具有一定的風(fēng)速，在與人體進(jìn)行熱交換時(shí)，不僅可以達(dá)到降溫的作用，又能促進(jìn)汗液的蒸發(fā)，從而達(dá)到降溫除濕的目的。

4 制冷量的計(jì)算

該一拖多式空調(diào)服降溫裝置，采用蛇形盤繞的環(huán)形管路，使冷氣更均勻地吹向人體。人體的熱量傳遞滿足熱平衡方程，如式(1)[4]。假設(shè)整個(gè)過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)，所有壁面溫度維持恒定，則人體蓄熱量為0，且不考慮人體機(jī)械功、呼吸散熱量和人體輻射換熱量。

QG-QW=QC+QE+QR+QB+QAC

(1)

式中：QG為人體新陳代謝率，QW為人體做的機(jī)械功，QC為人體與外界的對(duì)流換熱量，QE為人體汗液蒸發(fā)散熱量，QR為人體與周圍物體的輻射換熱量，QB為人體呼吸散熱量，QAC為人體蓄熱量，單位均為W/m2。

基于上述簡(jiǎn)化，則分析人體、空調(diào)服與外界環(huán)境之間的傳熱過(guò)程如圖5。空調(diào)服與人體皮膚表面之間主要以蒸發(fā)換熱和強(qiáng)迫對(duì)流換熱為主，空調(diào)服內(nèi)外側(cè)夾層較窄，主要通過(guò)導(dǎo)熱進(jìn)行能量交換，由于溫差變化較小，空調(diào)服間的熱量交換可不考慮，空調(diào)服與外界環(huán)境存在輻射和自然對(duì)流換熱，其中自然對(duì)流換熱可忽略不計(jì)。

圖5 傳熱路徑

4.1 蒸發(fā)換熱

人體的蒸發(fā)換熱主要是由于汗液蒸發(fā)而導(dǎo)致的熱量傳遞，蒸發(fā)換熱量由公式(2)[4]計(jì)算。

QE=Aωhe(ps-pv)

(2)

4.2 對(duì)流換熱

對(duì)流換熱是指流體流過(guò)物體表面，兩者之間發(fā)生熱量傳遞的現(xiàn)象。對(duì)流換熱主要可分為自然對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱，當(dāng)風(fēng)速大于0.75 m/s時(shí)，人體表面自然對(duì)流的影響可忽略不計(jì)[5]。根據(jù)《人體熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)》，背部直吹風(fēng)速不宜超過(guò)0.8 m/s，否則容易引發(fā)背痛、腰痛等疾病[6]，但為了有效地降低人體表面溫度，人體周圍平均速度取0.8 m/s，故只需根據(jù)式(3)[4]計(jì)算強(qiáng)迫對(duì)流換熱。

Qcl=Ahc(ts-tc)

(3)

4.3 輻射換熱

熱輻射是由物體自身微觀粒子運(yùn)動(dòng)變化激發(fā)產(chǎn)生，空調(diào)服與外界環(huán)境之間的輻射換熱遵從Stefan-Boltzmann定律，如式(4)[4]所示。

QR=εfefcσ[(ts+273)4-(tc+273)4]

(4)

式中：QR為輻射換熱量，W/m2；ε為人體外表的發(fā)射率；fe為有效輻射面積系數(shù)，取0.7；fc為服裝面積因子，fc=1.00+1.97Rc，Rc為服裝熱阻，m2·℃/W；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，取5.67×10-8W/(m2·K4)；ts為人體表面平均溫度，℃；tc為空調(diào)服表面平均溫度，℃。

4.4 計(jì)算

依據(jù)GB/T18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，人體舒適性空調(diào)室內(nèi)的溫度夏季應(yīng)在22～28 ℃，冬季應(yīng)在16～24 ℃，這樣的溫度范圍是較合適的，室內(nèi)溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使人體產(chǎn)生不舒適感[7]。考慮到空調(diào)服內(nèi)制冷空氣與人體表皮是直接接觸，以及人體對(duì)溫度的敏感性，因此將人體夏季舒適溫度選為26 ℃，并作為盤管出口溫度，另外人體表面平均溫度取為37 ℃。根據(jù)上述公式(2)、(3)、(4)，求得人體與空調(diào)服的蒸發(fā)換熱、對(duì)流換熱和空調(diào)服與環(huán)境的輻射換熱，三者的換熱量之和，即為空調(diào)服所需要提供的冷量。

5 總結(jié)

(1)該空調(diào)服裝置利用儲(chǔ)能水箱進(jìn)行儲(chǔ)能，可以緩解高峰缺電問(wèn)題，充分利用峰谷電，機(jī)組錯(cuò)峰制冷，進(jìn)而降低裝置運(yùn)行成本，提高社會(huì)用電效益。

(2)該設(shè)備由于使用制冷設(shè)備獲取冷量，不需要重新冷凍就能立即使用，且一套機(jī)組可供多人使用，達(dá)到對(duì)制冷裝置的充分利用，降低設(shè)備的成本。

(3)該裝置由于采用處理之后的冷空氣降溫除濕，相比單純的風(fēng)扇矩陣送風(fēng)，所需要的風(fēng)量更少，相比液體空調(diào)服，質(zhì)量更加輕便，使空調(diào)服更加美觀舒適，從而提高工作人員的工作效率。