一拖多空调服除湿降温系统的研究

乔 楠, 付浩卡, 桑豪伟, 靳俊杰

(1.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004； 2.河南城建学院 能源与建筑环境工程学院，河南 平顶山 467036；3.西安建筑科技大学 建筑设备科学与工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

空调服也叫空调制服、制冷服，是一种能够为人体提供冷气或热气的服装，保证人体在极端环境下持续进行体力活动[1]。有些劳动者工作环境长期处于高温环境，如厨师，熔炉车间工人等，人体产热不能及时散发，只能积蓄在体内，导致体温上升，产生热应激，作业人员注意力下降，体力消耗增加，不仅降低了工作效率，而且更容易引发生理异常，重者甚至威胁生命[2]。若在整个工作空间进行降温则需要付出大量的能耗，也不经济，因此，使用一种新的技术，投入较少的能耗即可满足降温需求，改善劳动者工作环境十分必要。

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，经比较，使用空气冷却式的空调服，成本很低，工作时间长，舒适度更高[3]。本文在空气冷却式空调服的基础上，设计出一种一拖多式空调服降温装置。

1 装置设计

方便高温工作者进行作业的一拖多式空调服降温装置，采取集中供冷方式，在制冷单元中制取冷量，之后将冷量储存在水箱中，经过换热器将获得冷量的空气送到空调服中，向人体提供冷量，同时可实现一套制冷装置为多个空调服提供冷量的功能，为工作者提供舒适的工作环境，提高工作效率。

2 装置结构

一拖多式空调服降温装置，包括制冷单元、储能单元、空调服单元，如图1所示。储能单元可与制冷单元是一个整体，也可以分开设置，储能单元有多个快速接头，满足一台设备供多人使用的需求。空调服单元的排风口是在排风管上，可同时达到制冷和除湿双重效果。

图1 一拖多式空调服降温装置

2.1 制冷单元

制冷单元主要包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器，如图2所示。压缩机对气体进行压缩，使低温低压的气体成为高温高压的气体，之后高温高压气体在冷凝器中被冷凝为常温高压的液体，经过节流阀节流降压为低温低压的液体，然后进入蒸发器吸收热量变为低温低压的气体，再进入到压缩机，依次循环往复。此外，蒸发器安装在储能单元中，用于将制冷单元中所制得的冷量转移到储能单元中。

图2 制冷单元

2.2 储能单元

储能单元包括排空阀、进水阀、储能水箱、空气过滤器、快速接头、风机、换热器、排污阀等，如图3所示。制冷单元的蒸发器放置在储能单元中，降低水箱中水的温度，将冷量储存起来。风机提供动力，使空气进入过滤器进行过滤，过滤后的空气与储能水箱里的水通过换热器进行换热，换热后的空气输送到空调服单元中进行降温除湿。在运行过程中，储能水箱中的杂质可通过排污阀及时排出，以免影响换热效果。其中，由排空管平衡储能单元中的压力，使得水可以通过进水阀顺利进入储能单元内。

图3 储能单元

2.3 空调服单元

空调服单元包括空调服、排风管、快速接头、节流阀等，如图4所示。储能单元与空调服以快速接头连接，将冷量输送到空调服内，流量大小可通过节流阀调节。空调服的排风管蛇形布置在服装内外夹层之间，排风管上每间隔一段距离设置一个排风口，以保证送风均匀，另外，根据人体需冷量不同设置不同的微出风口密度，以达到人体最佳舒适度。

图4 空调服单元

3 装置原理

一拖多式空调服降温装置，首先由制冷单元利用制冷装置制取冷量，之后在储能装置中，蒸发器与水箱的水进行冷量交换，降低水的温度，获取低温冷水。低温冷水与经过空气过滤器的空气在换热器中进行冷量交换，以风机作为动力来源，将被冷却的空气分配给各个快速接头所连接的软管中。软管中的空气经过节流阀被送至空调服的排风管中，通过节流阀调节风量，使排风管内的冷空气经过密度分布不均的出风口吹向人体，由于空气温度低于人体皮肤表面温度，且具有一定的风速，在与人体进行热交换时，不仅可以达到降温的作用，又能促进汗液的蒸发，从而达到降温除湿的目的。

4 制冷量的计算

该一拖多式空调服降温装置，采用蛇形盘绕的环形管路，使冷气更均匀地吹向人体。人体的热量传递满足热平衡方程，如式(1)[4]。假设整个过程处于稳态，所有壁面温度维持恒定，则人体蓄热量为0，且不考虑人体机械功、呼吸散热量和人体辐射换热量。

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

(1)

式中：QG为人体新陈代谢率，QW为人体做的机械功，QC为人体与外界的对流换热量，QE为人体汗液蒸发散热量，QR为人体与周围物体的辐射换热量，QB为人体呼吸散热量，QAC为人体蓄热量，单位均为W/m2。

基于上述简化，则分析人体、空调服与外界环境之间的传热过程如图5。空调服与人体皮肤表面之间主要以蒸发换热和强迫对流换热为主，空调服内外侧夹层较窄，主要通过导热进行能量交换，由于温差变化较小，空调服间的热量交换可不考虑，空调服与外界环境存在辐射和自然对流换热，其中自然对流换热可忽略不计。

图5 传热路径

4.1 蒸发换热

人体的蒸发换热主要是由于汗液蒸发而导致的热量传递，蒸发换热量由公式(2)[4]计算。

QE=Aωhe(ps-pv)

(2)

4.2 对流换热

对流换热是指流体流过物体表面，两者之间发生热量传递的现象。对流换热主要可分为自然对流换热和强制对流换热，当风速大于0.75 m/s时，人体表面自然对流的影响可忽略不计[5]。根据《人体热舒适性标准》，背部直吹风速不宜超过0.8 m/s，否则容易引发背痛、腰痛等疾病[6]，但为了有效地降低人体表面温度，人体周围平均速度取0.8 m/s，故只需根据式(3)[4]计算强迫对流换热。

Qcl=Ahc(ts-tc)

(3)

4.3 辐射换热

热辐射是由物体自身微观粒子运动变化激发产生，空调服与外界环境之间的辐射换热遵从Stefan-Boltzmann定律，如式(4)[4]所示。

QR=εfefcσ[(ts+273)4-(tc+273)4]

(4)

式中：QR为辐射换热量，W/m2；ε为人体外表的发射率；fe为有效辐射面积系数，取0.7；fc为服装面积因子，fc=1.00+1.97Rc，Rc为服装热阻，m2·℃/W；σ为Stefan-Boltzmann常数，取5.67×10-8W/(m2·K4)；ts为人体表面平均温度，℃；tc为空调服表面平均温度，℃。

4.4 计算

依据GB/T18883—2002《室内空气质量标准》，人体舒适性空调室内的温度夏季应在22～28 ℃，冬季应在16～24 ℃，这样的温度范围是较合适的，室内温度过高或过低都会使人体产生不舒适感[7]。考虑到空调服内制冷空气与人体表皮是直接接触，以及人体对温度的敏感性，因此将人体夏季舒适温度选为26 ℃，并作为盘管出口温度，另外人体表面平均温度取为37 ℃。根据上述公式(2)、(3)、(4)，求得人体与空调服的蒸发换热、对流换热和空调服与环境的辐射换热，三者的换热量之和，即为空调服所需要提供的冷量。

5 总结

(1)该空调服装置利用储能水箱进行储能，可以缓解高峰缺电问题，充分利用峰谷电，机组错峰制冷，进而降低装置运行成本，提高社会用电效益。

(2)该设备由于使用制冷设备获取冷量，不需要重新冷冻就能立即使用，且一套机组可供多人使用，达到对制冷装置的充分利用，降低设备的成本。

(3)该装置由于采用处理之后的冷空气降温除湿，相比单纯的风扇矩阵送风，所需要的风量更少，相比液体空调服，质量更加轻便，使空调服更加美观舒适，从而提高工作人员的工作效率。