徐 宇，李孜軍，賈敏濤,2，章夢勝，王君健，李蓉蓉

(1.中南大學 資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，高溫環(huán)境問題在許多行業(yè)愈發(fā)嚴重，例如醫(yī)療衛(wèi)生、深部礦井、應急救援等領域[1-3]。長期在高溫環(huán)境下作業(yè)，不僅會降低作業(yè)積極性和勞動效率，還會對人的生理和心理造成危害，導致事故發(fā)生率顯著上升[4-6]。對高溫環(huán)境下的作業(yè)人員采取一定的降溫措施是安全生產(chǎn)的重要保障[7-8]。但是，在某些特定的工作場所，無法直接對工作環(huán)境進行降溫或者降溫成本太高[9-10]。此時，降溫服是熱害治理的重要手段，其既有針對性的降溫，熱舒適性高，且降溫成本相對較低。

目前的個體降溫防護服主要包括氣冷式、液冷式和相變材料3種[11-12]。氣冷式降溫服是采用強制通風的方式增加皮膚表面的對流換熱帶走身體的熱量，同時促進皮膚表面汗液蒸發(fā)散熱[13]。劉何清等[14]、Yi等[15]對降溫服內(nèi)氣流特征和換熱規(guī)律進行了研究。液冷式降溫服主要是利用水等介質(zhì)在降溫服內(nèi)的管路中流動吸收降溫服內(nèi)熱量，往往由制冷系統(tǒng)和基礎服裝組成[16-17]；相變式降溫服是將相變材料包、微膠囊等物品放置在服裝內(nèi)，利用其相變吸收熱量達到降溫目的[18]。鄭晴等[19]、Zhao等[20]通過實驗研究分析了相變降溫服制冷效率和熱舒適性。

近年來，隨著人們對勞工保護的重視，新型降溫服的研制逐漸被重視與推廣。加拿大、日本等國家相繼研發(fā)了一些新型的高效降溫服，比如真空除濕降溫服[21]、空氣/二氧化碳降溫服[22]等。但是目前的降溫服普遍存在續(xù)航能力差、降溫能力不足、無法精確調(diào)控制冷量等缺陷，造成性能低、熱舒適性差[23-24]。因此，現(xiàn)有的降溫防護服尚不能滿足當前的社會需求，更加輕便、續(xù)航能力強、制冷能力大、舒適性好的新型個體降溫防護服有待研發(fā)。

半導體制冷片是1種由半導體組成的冷卻裝置，其具有質(zhì)量輕、無制冷劑、無振動、無噪音等特點，使其廣泛地應用于電子、航空航天、醫(yī)療設備等高精度要求領域[25-26]。隨著電池行業(yè)的不斷發(fā)展，具有能量密度高、充放電壽命長的蓄電池逐漸成熟。在此基礎上，續(xù)航能力長、體積小的半導體制冷系統(tǒng)成為可能。因此，將半導體制冷與防護服降溫相結(jié)合，能夠研發(fā)出輕便、高性能、舒適性好的半導體降溫防護服[27]。鑒此，本文設計1套便攜式冷循環(huán)降溫服，并開展高溫環(huán)境下降溫服性能實驗，分析半導體降溫服制冷系統(tǒng)的制冷性能。

1 便攜式降溫服設計

1.1 半導體制冷原理及特征

半導體制冷的原理是基于固體的熱電效應，即當電流流過具有熱電轉(zhuǎn)換特性導體組成的回路時會產(chǎn)生制冷效果。金屬導體通過“橋”接的方式將多個P型和N型半導體交替串聯(lián)，使電流可在多組P-N組件內(nèi)流通，達到制冷目的，如圖1所示。電流從上端N型半導體端流向P型半導體端時，2種半導體連接處溫度降低成為冷端，向周圍環(huán)境吸收熱量，而下端P極流向N極連接處溫度升高成為熱端，向周圍環(huán)境釋放熱量。因此，半導體制冷片的冷熱端溫差、電流大小將直接決定制冷量和制冷效率。當制冷片兩端溫差較大時，將極大地降低制冷片的制冷效率，因此，制冷片冷熱端散熱強度對制冷片的制冷性能有著顯著影響。

圖1 半導體制冷模塊示意

人作為1種恒溫動物，環(huán)境溫度過高或過低都會引起人體不適。雖然人體對自身溫度具有一定調(diào)節(jié)能力，但是人體對皮膚表面微氣候的溫度范圍要求較高。因此，個體降溫防護裝備的降溫性能需做到安全、精準、便捷、可快速調(diào)節(jié)等特點。利用半導體制冷系統(tǒng)作為降溫服的制冷源，一方面可根據(jù)人體需要能快速調(diào)節(jié)制冷量，使人體微氣候區(qū)域溫度保持恒定，另一方面半導體制冷系統(tǒng)簡單、安全，方便人體攜帶和移動，可在復雜環(huán)境下安全使用。

1.2 降溫服降溫和散熱方式

人體新陳代謝過程中產(chǎn)生的熱量會通過人體皮膚表面向周圍環(huán)境散發(fā)，當周圍環(huán)境溫度過高或熱量無法散失時，人體皮膚表面微氣候區(qū)熱量積聚、溫度將升高，導致人體不適。因此，對人體皮膚表面微氣候區(qū)溫度的調(diào)節(jié)是降溫服的直接目的?；诎雽w制冷片作為降溫動力源的基礎上，可選擇氣冷式和液冷式2種降溫方式。相比于氣冷式降溫，液冷式降溫的冷量利用率更高、溫度更容易控制、冷液制造更方便。為提高冷量利用率、便于精確控制降溫服內(nèi)溫度，半導體制冷降溫服選用液冷式降溫。

制冷和散熱工質(zhì)的選擇對于系統(tǒng)的性能和安全性至關重要，丙烷、氨、水以及二氧化碳是目前常用的4種制冷工質(zhì)，其中水和二氧化碳的換熱物性更佳[28]。利用二氧化碳作為制冷介質(zhì)往往需要較高的系統(tǒng)壓力，存在較大的安全隱患。為保障降溫服安全、適用于復雜環(huán)境下使用，選用水作為降溫服制冷系統(tǒng)的制冷和散熱工質(zhì)。

半導體便攜式冷循環(huán)降溫服主要由半導體制冷系統(tǒng)、降溫服、冷/熱工質(zhì)輸送系統(tǒng)組成，如圖2所示。降溫服表面鑲嵌降溫毛細金屬管，毛細金屬管之間纏繞細銅絲增強冷量傳導，提高降溫服內(nèi)的溫度均勻性。半導體制冷系統(tǒng)內(nèi)2組半導體制冷片的制冷面夾住1塊制冷水板，同時對制冷水板進行降溫。2組半導體制冷片的散熱面均利用散熱水板和散熱翅片進行散熱。制冷水板和散熱水板外形尺寸均為120 mm×140 mm×15 mm，散熱翅板安裝于散熱水板外側(cè)。制冷水板內(nèi)流出的冷水由微型泵輸送至布置在降溫服上的金屬毛細管內(nèi)，冷水在降溫服內(nèi)吸收熱量后輸送回制冷水板中進行降溫，之后重新流回降溫服內(nèi)降溫，以此循環(huán)對降溫服內(nèi)微氣候區(qū)進行持續(xù)降溫。為增強半導體散熱端散熱，使用水作為散熱工質(zhì)，利用微型泵使水在散熱板和冷凝器內(nèi)循環(huán)流動。水在2塊散熱水板內(nèi)吸收半導體制冷片散熱端釋放的熱量后，流至冷卻器內(nèi)降溫，然后輸送回散熱水板。

圖2 便攜式冷循環(huán)降溫服系統(tǒng)

2 實驗研究

半導體降溫服性能測試實驗在中南大學資源與安全工程學院自主研發(fā)的深井環(huán)境與安全人工智能仿真實驗系統(tǒng)內(nèi)進行。通過將實驗艙內(nèi)設置為恒定溫度的高溫環(huán)境，研究降溫服系統(tǒng)的降溫效果。降溫服由可調(diào)式直流電源為半導體制冷系統(tǒng)提供0～16 V的電壓，使用Pt 100鉑電阻對降溫服系統(tǒng)進行監(jiān)測，并使用Fluke 2638A數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集。實驗過程中為使實驗艙內(nèi)溫度分布均勻，實驗艙體內(nèi)升溫時打開局部風機運轉(zhuǎn)，使艙體內(nèi)空氣充分混合。設定實驗艙內(nèi)溫度，待艙體內(nèi)溫度達到設定值并保持10 min后開始實驗。實驗時，在降溫服制冷系統(tǒng)運行前3 min打開數(shù)據(jù)采集器，記錄各處溫度變化。設定電源電壓和電流后，連接降溫服與電源，測試并記錄降溫服內(nèi)以及制冷系統(tǒng)溫度變化。降溫服穿著于人體模型上，在衣服內(nèi)的人體模型上布置A，B，C，D4個測點測量降溫服內(nèi)空氣溫度，測點A，C，D位于人體模型正面，測點B位于模型后背，如圖2所示。

3 制冷性能分析

3.1 系統(tǒng)降溫效果和制冷功率

將實驗艙體內(nèi)溫度設定為30 ℃，制冷系統(tǒng)連接的電源電壓為6.9 V，電源總功率為100 W。制冷開始3 min前開始數(shù)據(jù)記錄，總實驗時長為28 min。從圖3(a)可以看出，制冷系統(tǒng)連接電源開始制冷后，散熱板內(nèi)循環(huán)水的溫度快速上升。在制冷系統(tǒng)運行3 min后，散熱板循環(huán)熱水溫度上升至34.5 ℃，并隨著制冷時間熱水溫度繼續(xù)上升，直至實驗的第18 min穩(wěn)定在42.3 ℃左右。在此過程中，制冷板出水溫度在制冷開始后的0.5 min出現(xiàn)輕微的上升，之后快速降低，最終趨向穩(wěn)定。制冷啟動后0.5 min制冷板出水溫度上升是由于降溫服中的制冷循環(huán)管路內(nèi)的循環(huán)水初始溫度較高所導致。制冷系統(tǒng)運行3 min后，制冷板出水溫度下降3.2 ℃。實驗第15 min時制冷板出水溫度下降至15.7 ℃左右，冷水流經(jīng)降溫服內(nèi)后溫度上升4.7 ℃。

圖3 室溫30 ℃時降溫服運行參數(shù)

降溫服系統(tǒng)運行過程中，降溫服內(nèi)金屬毛細管不斷吸收熱量使降溫服內(nèi)的空氣溫度逐漸降低，如圖3(b)所示。由于降溫服內(nèi)初始溫度分布不均以及金屬管布置特征，導致降溫服內(nèi)各測點降溫速度不同。人體模型正面C測點初始溫度高，因此，在剛開始時降溫最為顯著，而模型后背B測點初始溫度低于正面溫度，因此，降溫速度較慢。但降溫服長時間降溫后，模型前方各測點溫度基本相同，但人體模型后背溫度依舊低于人體模型正面溫度。這是由于制冷水從人體模型后背進入，從模型正面流出導致的。隨著降溫時間的不斷延長，人體模型內(nèi)各測點溫度有不斷下降的趨勢。并隨著降溫服內(nèi)溫度的下降，金屬管在降溫服內(nèi)吸收的熱量減少，制冷系統(tǒng)的冷水溫度在實驗第23 min后繼續(xù)下降。

制冷系數(shù)(COP)是評價降溫服降溫效果的重要指標，指單位時間內(nèi)降溫服的制冷量除以單位時間內(nèi)降溫服消耗電量的能效比。降溫服系統(tǒng)的制冷功率可由公式(1)計算：

Q=cρV(Tl2-Tl1)

(1)

式中：Q為降溫服制冷功率，W；c為制冷工質(zhì)的比熱容，水的比熱容取4.2×103J/(kg·℃)；ρ為制冷工質(zhì)的密度，kg/m3；V為制冷管路內(nèi)制冷工質(zhì)體積流量，m3/s；Tl2為制冷工質(zhì)流經(jīng)降溫服后的溫度，℃；Tl1為制冷工質(zhì)流入降溫服內(nèi)的溫度，℃。

圖4為30 ℃工況環(huán)境下降溫服系統(tǒng)制冷功率變化，從圖4可以看出，在制冷系統(tǒng)運行初期，制冷功率波動較大，隨著運行時間逐漸穩(wěn)定，最終降溫服系統(tǒng)制冷功率維持在340.4 W左右。經(jīng)計算，降溫服系統(tǒng)COP為3.40。

圖4 30 ℃工況環(huán)境下降溫服系統(tǒng)制冷功率

3.2 不同環(huán)境工況影響

為測試不同工況環(huán)境下降溫服系統(tǒng)的運行性能，待降溫服在30 ℃環(huán)境下運行20 min后，將實驗艙內(nèi)環(huán)境溫度升溫至35 ℃，維持10 min。之后將實驗艙環(huán)境繼續(xù)升溫至40 ℃。30～40 ℃環(huán)境下降溫服系統(tǒng)各處溫度變化如圖5所示。降溫服系統(tǒng)在30 ℃環(huán)境下運行20 min后，散熱板熱水和制冷板出水溫度分別穩(wěn)定在42.6，15.3 ℃。在實驗艙內(nèi)環(huán)境溫度上升時，各測點的溫度均隨之逐漸升高。實驗艙溫度從30 ℃上升至35 ℃的5 min期間，散熱板熱水和制冷板出水溫度分別上升4.4，1.0 ℃。實驗艙環(huán)境溫度維持在35 ℃時，散熱板熱水和制冷板出水溫度在經(jīng)過一段時間的升溫后最終分別穩(wěn)定在46.2，17.7 ℃。由于熱循環(huán)系統(tǒng)與環(huán)境更容易達到熱平衡，而冷循環(huán)與環(huán)境溫差更大，且降溫服內(nèi)微氣候與升溫后的外境溫度需要較長的時間達到平衡，因此，熱水溫度能更快地保持穩(wěn)定。

圖5 室溫30～40 ℃時降溫服運行參數(shù)

實驗艙內(nèi)溫度由35 ℃上升至40 ℃時，降溫服系統(tǒng)各處升溫程度比30 ℃上升至35 ℃時更加明顯。實驗艙溫度40 ℃時，散熱板熱水溫度在實驗第54 min時不再顯著變化，熱循環(huán)系統(tǒng)達到熱平衡。此時，散熱板熱水溫度由35 ℃環(huán)境下的46.4 ℃上升至52.5 ℃。由于降溫服從周圍環(huán)境吸收的熱量增加以及散熱端溫度上升導致制冷系統(tǒng)制冷能力下降，制冷板出水溫度升高。由此可見，制冷系統(tǒng)運行工況環(huán)境對降溫服系統(tǒng)的降溫效果影響十分顯著。制冷系統(tǒng)散熱環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)散熱能力越好，系統(tǒng)制冷功率越高，冷水的溫度越低。因此，針對不同熱環(huán)境下使用的降溫服，需設計不同散熱能力的散熱系統(tǒng)。

3.3 單、雙面制冷系統(tǒng)對比

為分析制冷系統(tǒng)采用單面制冷和雙面制冷時制冷系統(tǒng)的制冷性能差異，本文開展相同工況下單、雙面制冷系統(tǒng)制冷性能對比實驗。圖6給出了制冷系統(tǒng)工況環(huán)境從30 ℃上升至40 ℃時，單、雙面制冷系統(tǒng)各處溫度變化特征。在相同工況條件下，雙面制冷的散熱板熱水溫度均高于單面制冷，而雙面制冷散熱板表面溫度低于單面制冷，說明雙面制冷的熱循環(huán)水能夠從散熱板內(nèi)吸收更多的熱量，有助于制冷系統(tǒng)向周圍環(huán)境中散熱。同時從圖6(b)可看出，雙面制冷情況下制冷板出水溫度明顯低于單面制冷。降溫服系統(tǒng)穩(wěn)定運行于30 ℃工況環(huán)境下時，雙面制冷的制冷板出水溫度比單面制冷的出水溫度低2.0～3.5 ℃。此外，雙面制冷的降溫速度明顯快于單面制冷。例如，降溫服系統(tǒng)運行5 min后，雙面制冷的出水溫度已降至17.4 ℃，而單面制冷的出水溫度為19.9 ℃。在工況環(huán)境溫度發(fā)生波動時，單面制冷系統(tǒng)的熱水溫度、冷水溫度均隨之發(fā)現(xiàn)顯著的變化，而雙面制冷系統(tǒng)溫度變化不明顯?？梢?，雙面制冷系統(tǒng)的制冷性能比單面制冷系統(tǒng)更加快速、穩(wěn)定。

圖6 室溫30～40 ℃時單面制冷和雙面制冷下降溫服系統(tǒng)運行參數(shù)對比

圖7為工況環(huán)境溫度30～40 ℃時單、雙面制冷系統(tǒng)制冷功率對比。在相同環(huán)境下，雙面制冷的制冷功率要顯著高于單面制冷，且更加穩(wěn)定。單面制冷時系統(tǒng)的制冷功率大約為262.2 W，制冷系數(shù)(COP)為2.62。雙面制冷COP是單面制冷的1.30倍?？梢酝普撈湓蚴请p面制冷系統(tǒng)增加了散熱面積，提高了系統(tǒng)制冷功率，同時制冷板雙面制冷，減少了制冷板向環(huán)境中散失的冷量。因此，采用雙面制冷能夠提高制冷系統(tǒng)的制冷功率和穩(wěn)定性，但雙面制冷系統(tǒng)會增加制冷系統(tǒng)的重量和體積。

圖7 30～40 ℃室溫下單、雙面制冷系統(tǒng)制冷功率對比

3.4 熱循環(huán)散熱

為進一步探究熱循環(huán)散熱對提升降溫服系統(tǒng)制冷性能的作用，本次實驗在制冷系統(tǒng)運行前20 min僅使用散熱板上的散熱翅片進行散熱，之后啟動微型泵使散熱水在散熱板和冷凝器內(nèi)循環(huán)流動散熱。圖8(a)顯示，在不使用冷凝器降溫的情況下，制冷系統(tǒng)散熱板表面溫度隨著制冷時間增加快速上升，在制冷系統(tǒng)運行的前20 min，散熱板表面溫度持續(xù)升高至69.0 ℃，這意味著制冷系統(tǒng)散熱端散熱困難。與此同時，由于制冷片熱端溫度升高，導致制冷片制冷性能顯著降低，冷水溫度逐漸上升。在制冷系統(tǒng)運行的前6 min時，散熱板溫度尚低，制冷系統(tǒng)制冷效果尚好，制冷板出水溫度逐漸下降。但隨著散熱板熱量的繼續(xù)積聚，制冷板出水溫度開始逐漸上升。制冷板出水的溫度在實驗第23 min時由實驗第9 min的19.9 ℃升高至25.1 ℃，如圖8(b)所示。

圖8 熱循環(huán)散熱對降溫服制冷性能影響

實驗第23～24 min時停止系統(tǒng)運行，第24 min時重新啟動制冷系統(tǒng)并啟動微型泵使循環(huán)水流入冷凝器散熱。第23～24 min期間，制冷板表面和制冷板出水溫度均快速上升，是由于半導體片在不通電的情況下，散熱端熱量經(jīng)半導體片傳至制冷板所導致的。在熱循環(huán)散熱啟動后，散熱板表面溫度迅速降低，并最終穩(wěn)定在41.1 ℃左右。在此期間，制冷板出水溫度也快速降低，實驗的第50 min時制冷板出水溫度下降至14.5 ℃。因此，降溫服制冷系統(tǒng)的散熱效果對于系統(tǒng)的制冷性能具有決定性作用，良好的散熱可以顯著的提高制冷系統(tǒng)的制冷性能。

4 結(jié)論

1)在電源功率為100 W、環(huán)境溫度為30 ℃的情況下，半導體降溫服制冷功率達到340.4 W，COP為3.4，制冷板出水溫度在15.7 ℃左右。

2)系統(tǒng)運行環(huán)境溫度對降溫服的降溫性能有顯著影響，環(huán)境溫度由30 ℃上升至35 ℃時，散熱板熱水和制冷板出水溫度分別上升4.4，1.0 ℃。

3)雙面制冷系統(tǒng)有利于提高制冷功率，且其制冷性能受環(huán)境溫度波動影響更小。工況環(huán)境均為30 ℃的情況下，雙面制冷系統(tǒng)的冷水溫度比單面制冷低2.0～3.5 ℃，雙面制冷的COP是單面制冷的1.30倍。

4)通過冷凝器和熱循環(huán)可顯著地提高降溫服制冷系統(tǒng)的散熱性能。在僅使用翅片散熱的情況下，半導體散熱端熱量聚集，導致制冷功率降低，冷水溫度升高。在使用熱循環(huán)散熱后，散熱板和冷水溫度均顯著下降。

5)改善半導體降溫服散熱系統(tǒng)的散熱性能有望進一步提高降溫服制冷性能。降溫服內(nèi)毛細金屬管路的吸熱降溫特征有待進一步研究，以提高人體穿著降溫服時的熱舒適性。