高冷、热应力室内气候模拟实验台设计

郝小礼, 谢 湘, 王海桥

(湖南科技大学 a. 能源与安全工程学院； b. 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室， 湖南 湘潭 411201)



高冷、热应力室内气候模拟实验台设计

郝小礼a,b, 谢 湘a, 王海桥a,b

(湖南科技大学 a. 能源与安全工程学院； b. 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室， 湖南 湘潭 411201)

为研究人体在高冷、热应力环境下的生理反应，建立了一套高冷、热应力室内气候模拟实验平台。该实验平台由气候室空气调节子系统、夹层空气调节子系统、辐射板子系统、监测监控子系统组成，实现对气候室内温度、湿度、环境热辐射等环境参数的调控，从而模拟生产、生活中的高温、高湿热环境和低温冷环境。根据实验需要，气候室干球温度可在-15 ～50℃调节，相对湿度在30%～95%调节，壁面温度可控制在10～40℃。结果表明：该系统的高温实验升温速度约0.54℃/min，低温实验的降温速度约0.22℃/min，气候室内风速0.1～0.5 m/s，温湿度控制精度满足设计要求。

气候室； 热应力； 冷应力； 实验平台

0 引 言

根据人与环境之间的热平衡关系，通常将干球温度高于35℃的生活环境和高于32℃的生产环境称为高温环境，环境相对湿度高于60%的称为高湿环境[1]，环境干球温度低于10℃时称为低温环境。产生高温、高湿环境或低温环境的原因可能是由于自然气候变化引起，例如我国南方地区夏季的高温高湿以及北方地区冬季的低温严寒，都是由于气象要素变化导致的。近年来，极端天气现象频发，给人们的生产、生活带来巨大影响[2-4]。极端环境的形成还可能是由于工业生产造成的，生产过程中的冷、热、湿源吸热、放热或产湿使得生产作业空间形成高温、高湿或低温环境，比如矿山采掘、冶金制造、电力生产、航空航海、冷冻加工、深潜作业等领域都存在着大量的极端工作环境[5-9]。

人体在高温高湿或低温环境中长时间暴露时，核心体温会升高或者降低，人体的生理反应与正常条件下有较大差异，在极端环境中长时间生存可能会对人体引起伤害，甚至是威胁到生命安全[10-14]。因此，研究人体在高热应力或高冷应力条件下的生理反应规律，评估人体在高、低温环境中生产或生活的安全风险，并制定相应的应对策略及保护措施，对确保人员身体健康和生命安全具有重要的意义。而受实验条件的限制，目前我国在这方面的研究较少[15-16]。因此，建立相应的冷、热环境模拟实验平台，为开展相关研究提供实验条件是非常必要的。同时，这种实验平台还能为相关应急装备、保障设施的研发提供技术支撑。

本实验平台试图创造一个能够在较宽范围内可调节温度、湿度、环境辐射的室内气候模拟系统，该系统能够同时模拟高温、高湿、高辐射温度的高热应力环境和低温的高冷应力环境，为研究人体在高冷、热应力环境中的生理反应规律提供实验环境，为相关防护设备的研发提供实验支撑。

1 实验平台工作原理与系统设计

1.1 实验平台建设的目标

为了模拟各种高冷、热应力生存环境，本实验平台需要能够根据实验要求，在一个较宽的范围内，控制人工气候室内空气干球温度、相对湿度和环境辐射温度等参数。为此，本实验平台的设计目标为：人工气候室内干球温度可在-15～50℃范围内任意设定，并可在设定点保持温度基本恒定，温度波动范围为±0.5℃；气候室内相对湿度在30%～95%范围内任意设定，并且可在湿度设定点保证基本恒湿，相对湿度波动范围为±2%；同时，还可根据需要，调节气候室四周壁面温度，壁面温度在10～40℃范围内任意设置，各壁面温度可以分别单独调控。

1.2 实验平台的平面布局

本实验平台共包括气候小室、空气夹层、设备间和监控室，如图1所示，其中气候小室是实验平台的核心。气候小室的尺寸为4.2 m(长)×3.0 m(宽)×2.6 m(高)，墙壁采用不锈钢板焊接而成，气候小室内温、湿度可根据实验需要进行调节，除有门一侧的墙壁外，其余5个壁面均装有辐射板，可以根据需要调整壁面温度，以改变舱内环境辐射温度。气候小室四周为空气夹层，夹层宽度为0.8～1.1 m，夹层温度也可以根据需要进行调节。设置空气夹层的主要目的是减小外界温度变化对气候小室内温湿度的干扰。为减少传热损失，气候室、空气夹层与外界相连的壁面均采用保温板材进行隔热，隔热材料为聚氨酯硬质发泡塑料，厚度为100 mm，保温板两侧为0.8 mm不锈钢板。设备间主要摆放气候小室与空气夹层温湿度调节设备，包括：空气处理机组、循环水泵、冷热水箱、制冷机、加热加湿装置、水管、风管等设备部件。电控柜、中央监控计算机、监控操作台等设备摆放在监控室内，监控室同时可用于实验人员休息、等待空间。

图1 高冷、热应力室内气候模拟实验平台结构平面布置图

1.3 实验平台的工作原理

本实验平台工作原理如图2所示，包括气候室空气调节子系统、夹层空气调节子系统、辐射板子系统、监测监控子系统。

(1) 气候室空气调节子系统。主要功能是根据实验需要，调节气候小室内的空气干球温度、相对湿度，提供新鲜空气和排出室内污浊空气。该子系统由气候室空气处理机组、送风管、送风静压箱、送风孔板、回风静压箱、回风管、回风调节阀、新风管、新风调节阀、排风管、排风风机、排风电动调节阀、风冷直膨制冷机组等部件组成。其中，空气处理机组是系统的核心，主要包括过滤段、表冷段、风机段、加热段、加湿段等功能段。表冷段采用制冷剂直接膨胀制冷的方式，对送风进行冷却、除湿，由两台风冷直膨机组为系统提供冷源，直膨机组的设定制冷温度为-18℃。加热段采用电加热的形式，通过调节电流大小来调节加热量。加湿段采用蒸汽加湿的方式，利用电加热水制取饱和蒸汽，通过调节加热量调节加湿量。为保证气候室内温湿度分布均匀，采用孔板送风、上送下回的气流组织形式，送风孔板的开孔率为40%，开孔大小为直径4 mm，回风采用栅格回风口地板回风。新风量、排风量的大小可根据人员的多少通过阀门进行调节。

图2 高冷、热应力室内气候模拟实验平台工作原理示意图

1-气候小室； 2-观察窗； 3-送风孔板； 4-送风静压箱； 5-控制线路； 6-控制器； 7-蒸汽加湿器； 8-可调电加热器；9-直膨机室外机； 10-气候室空气处理机组； 11-新风管； 12-风量调节阀； 13-排风风机； 14-电动排风调节阀； 15-排风管； 16-表冷器； 17-回风管； 18-夹层空气处理机组； 19-冷冻水循环管； 20-冷冻水泵； 21-风冷冷水机组； 22-辐射板循环水泵； 23-热水箱； 24-电加热器； 25-回风静压箱； 26-湿度传感器； 27-空气夹层； 28-温度传感器； 29-辐射板；30-冷冻水箱； 31-水流控制阀；32-精调水箱； 33-总电控柜； 34-监控计算机

(2) 夹层空气调节子系统。主要功能是维持空气夹层内需要的温度和湿度，由夹层空气处理机组、送风管、回风管、风冷冷水机组、冷冻水泵、冷冻水管等组成。夹层空气处理机组的结构功能段与气候室空气处理机组基本相同，采用电加热、蒸汽加湿的方式，稍有不同的是，在夹层空气处理机组中，表冷器不是采用直膨的形式，而是采用水冷的形式。由两台风冷冷水机组提供7℃的冷冻水，通过表冷器对循环空气进行冷却与除湿。夹层采用送风口顶送、下侧回的气流组织形式，由于夹层中没有人员长期停留，因此没有考虑新风和排风问题。

(3) 辐射板子系统。辐射板子系统的主要功能是改变气候室四周墙壁表面温度，以调节气候室内环境热辐射水平。该子系统主要由辐射板、冷水箱、热水箱、循环水泵、水温精调水箱、切换阀门和循环管路组成。辐射板由厚度0.5 mm铝质导热板和直径10 mm的铜管组成，铜管嵌入在导热板中，相互紧密接触，以确保良好的导热性能，辐射板固定在气候室四周墙壁外侧。热水箱内装有电加热管，以调节热水温度，冷水箱与风冷冷水机组相连，通过阀门，可以调节冷水机组的出水在冷水箱与夹层空气处理机组表冷器之间分配流量。冷、热水的温度经过冷、热水箱初调后，进入水温精调水箱，根据各壁面温度的设定，进一步精确调节到需要的水温，再送入辐射板中，实现对壁温的调节。

(4) 监测监控子系统。用于提供人机交互功能，实现设备的启停、温、湿度调控、风、水量调节、气候室内多点环境温、湿度监测等功能，同时可保障制冷机组的安全可靠运行，以及实现表冷器的自动除霜功能。监测监控子系统包括上位监控计算机、电控柜、控制器、传感器、执行元件、控制线路等部件。编写开发了专用监控软件，利用该软件，在上位计算机上可以设定气候室、空气夹层需要控制的目标温、湿度，了解各监测点的当前温、湿度值，以及各设备的开启运行情况、各阀门的开度等运行参数。根据气候室中心点的温、湿度值，分别调节气候室空气处理机组内的加热器与加湿器，改变送风温度和湿度，实现对气候室内温湿度调节。根据各壁面温度，调节辐射板的供水温度，实现对气候室环境辐射温度的调控。

2 实验平台性能测试与分析

2.1 高温模拟性能测试

高温性能测试结果见图3。气候室初始温度为17.8℃，实验首先将气候室内温度设定在45℃，经过大约50 min的升温，室内温度达到设定值，之后，控制系统保持室内温度在45℃附近。系统的平均升温速率约为0.54℃/min。为了进一步验证系统的高温模拟能力，在实验进行到第120 min时，将室内温度设定值调整到50℃，约30 min后，室内温度达到设定，系统的升温速率约为0.17℃/min。之后，温度保持在设定值附近。高温试验结果表明，实验平台能够达到设计的高温模拟要求，且控制系统有较好的控制能力和稳定性。但也可以看出，进入高温阶段，系统的升温速率较低，升温较慢。

图3 高温试验温度变化曲线

2.2 高湿模拟性能测试

实验平台的高湿模拟性能测试结果见图4。实验的初始相对湿度为68%，设定室内相对湿度为95%。从图4可以看出，相对湿度升高速度较慢，经过约200 min后，相对湿度才升高到设定值。这主要是由于相对湿度与温度是相关联的，在相对湿度升高的同时，气候室内温度也在升高，实验开始的空气温度为17.8℃，而稳定后的室内温度为50℃，升温幅度较大，所以相对湿度升高较慢。从图4还可以看出，相对于温度控制，湿度控制的波动要稍大一些，但也在1%之内，满足设计要求。

图4 高湿试验湿度变化曲线

2.3 低温模拟性能测试

图5显示了实验平台的低温试验测试结果。低温试验开始前的室内空气温度为18.3℃，设定的室内控制温度为-15℃，经过约150 min的降温之后，温度达到设定值，降温速率为0.22℃/min，降温速率低于高温试验的升温速率。低温控制的精度略差于高温控制，但也在±0.5℃范围之内。

图5 低温试验温度变化曲线

2.4 环境辐射模拟性能测试

气候室5个壁面(除正面外)都装有辐射板，环境辐射大小主要是通过改变气候室壁面温度来实现，辐射板壁面温度测试结果见图6。测试的初始壁面温度为28℃，壁面温度设定温度为42℃，经过约40 min，壁面温度基本接近设定温度，壁面升温较快。从图6可以看出，5个壁面温度都具有较好的控制效果，相对来讲，顶壁温度相对波动要大一些，这主要是由于气候室送风是由顶部送入的，因此对壁面温度有一定的影响。

图6 壁面温度变化曲线

2.5 室内风速测试

环境风速也是影响人体热感觉的一个主要因素，如果室内风速过大，势必会影响人体对温度、湿度的热反应规律，所以需要对气候室内风速环境进行测试。使用TSI多参数通风表对室内不同高度、不同位置的风速进行了测量，测得室内各点风速均在0.1～0.5 m/s范围内，靠近顶板和回风口附近的风速稍高，其余大部分测试点的风速在0.15 m/s左右，属于低风速范围。测试结果表明，室内风速均匀，风速较低，不会对人体热感觉产生强烈的影响。

3 结 语

为研究人体在高冷、热应力环境中的生理变化规律，为相关标准及防护措施提供科学依据，同时为相关防护设备开发提供实验条件，本文建设了一套环境气候模拟实验平台。该实验平台包括气候室空气调节子系统、夹层空气调节子系统、辐射板子系统、监测监控子系统4个组成部分。该系统能够实现干球温度在-15 ～50℃、相对湿度在30%～95%、环境辐射温度在10～40℃范围内任意调节。经测试，该实验平台能够满足设计要求，温、湿度升降速度较快，控制精度较好，保温性、室内风速均匀性符合实验要求。本实验平台可为高冷热应力环境下的人体生理反应研究、应急防护设备的开发提供技术支撑。

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Design and Construction of an Indoor Climate Simulation Experimental Platform with High Cold or Heat Stress

HAOXiao-lia,b,XIEXianga,WANGHai-qiaoa,b

(a. School of Energy and Safety Engineering; b. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

To investigate the physiological behaviors of human in high cold or heat stress environment, an indoor climate simulation experimental platform, which can simulate a high temperature and high humidity environment or a low temperature environment, was designed and constructed. The platform consists of four subsystems: climate chamber air-conditioning subsystem, interlayer air-conditioning subsystem, radiant panel subsystem, and monitoring and control subsystem. Via the four subsystems, the air temperature, relative humidity, and the radiant temperature in climate chamber can be conditioned and controlled. The dry-bulb air temperature and relative humidity in the climate chamber can be adjusted according to the requirement of experiment in the ranges of -15 ～50℃ and 30%～95%, respectively. The wall surfaces temperature of climate chamber can be controlled in the range of 10～40℃. The system test results show that the temperature rose with a velocity of approximately 0.54℃/min during the high temperature experiment and the temperature dropped with a velocity of approximately 0.22℃/min during the low temperature experiment. The air velocity in climate chamber is about 0.1～0.5 m/s and the regulation precisions of temperature and humidity meets the design goal. The platform can provide experimental conditions for research on human physiological behavior in high cold or heat stress environment and can provide technology support for development of emergency and rescue equipment.

climate chamber; heat stress; cold stress; experimental platform

2014-05-19

国家自然科学基金项目(51276058)； 湖南省教育改革项目(G21114); 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金项目(KF200903)

郝小礼(1973-)，男，安徽安庆人，教授，现主要从事建筑环境与建筑节能研究。

X 968; R 339.6

A

1006-7167(2015)03-0069-05

Tel.:13787429406;E_mail:haoxiaoli2002@aliyun.com