郝小禮, 謝 湘, 王海橋

(湖南科技大學(xué) a. 能源與安全工程學(xué)院； b. 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 湘潭 411201)

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高冷、熱應(yīng)力室內(nèi)氣候模擬實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

郝小禮a,b, 謝 湘a, 王海橋a,b

(湖南科技大學(xué) a. 能源與安全工程學(xué)院； b. 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 湘潭 411201)

為研究人體在高冷、熱應(yīng)力環(huán)境下的生理反應(yīng)，建立了一套高冷、熱應(yīng)力室內(nèi)氣候模擬實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺由氣候室空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、夾層空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、輻射板子系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)對氣候室內(nèi)溫度、濕度、環(huán)境熱輻射等環(huán)境參數(shù)的調(diào)控，從而模擬生產(chǎn)、生活中的高溫、高濕熱環(huán)境和低溫冷環(huán)境。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，氣候室干球溫度可在-15 ～50℃調(diào)節(jié)，相對濕度在30%～95%調(diào)節(jié)，壁面溫度可控制在10～40℃。結(jié)果表明：該系統(tǒng)的高溫實(shí)驗(yàn)升溫速度約0.54℃/min，低溫實(shí)驗(yàn)的降溫速度約0.22℃/min，氣候室內(nèi)風(fēng)速0.1～0.5 m/s，溫濕度控制精度滿足設(shè)計(jì)要求。

氣候室； 熱應(yīng)力； 冷應(yīng)力； 實(shí)驗(yàn)平臺

0 引 言

根據(jù)人與環(huán)境之間的熱平衡關(guān)系，通常將干球溫度高于35℃的生活環(huán)境和高于32℃的生產(chǎn)環(huán)境稱為高溫環(huán)境，環(huán)境相對濕度高于60%的稱為高濕環(huán)境[1]，環(huán)境干球溫度低于10℃時(shí)稱為低溫環(huán)境。產(chǎn)生高溫、高濕環(huán)境或低溫環(huán)境的原因可能是由于自然氣候變化引起，例如我國南方地區(qū)夏季的高溫高濕以及北方地區(qū)冬季的低溫嚴(yán)寒，都是由于氣象要素變化導(dǎo)致的。近年來，極端天氣現(xiàn)象頻發(fā)，給人們的生產(chǎn)、生活帶來巨大影響[2-4]。極端環(huán)境的形成還可能是由于工業(yè)生產(chǎn)造成的，生產(chǎn)過程中的冷、熱、濕源吸熱、放熱或產(chǎn)濕使得生產(chǎn)作業(yè)空間形成高溫、高濕或低溫環(huán)境，比如礦山采掘、冶金制造、電力生產(chǎn)、航空航海、冷凍加工、深潛作業(yè)等領(lǐng)域都存在著大量的極端工作環(huán)境[5-9]。

人體在高溫高濕或低溫環(huán)境中長時(shí)間暴露時(shí)，核心體溫會升高或者降低，人體的生理反應(yīng)與正常條件下有較大差異，在極端環(huán)境中長時(shí)間生存可能會對人體引起傷害，甚至是威脅到生命安全[10-14]。因此，研究人體在高熱應(yīng)力或高冷應(yīng)力條件下的生理反應(yīng)規(guī)律，評估人體在高、低溫環(huán)境中生產(chǎn)或生活的安全風(fēng)險(xiǎn)，并制定相應(yīng)的應(yīng)對策略及保護(hù)措施，對確保人員身體健康和生命安全具有重要的意義。而受實(shí)驗(yàn)條件的限制，目前我國在這方面的研究較少[15-16]。因此，建立相應(yīng)的冷、熱環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺，為開展相關(guān)研究提供實(shí)驗(yàn)條件是非常必要的。同時(shí)，這種實(shí)驗(yàn)平臺還能為相關(guān)應(yīng)急裝備、保障設(shè)施的研發(fā)提供技術(shù)支撐。

本實(shí)驗(yàn)平臺試圖創(chuàng)造一個(gè)能夠在較寬范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)溫度、濕度、環(huán)境輻射的室內(nèi)氣候模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠同時(shí)模擬高溫、高濕、高輻射溫度的高熱應(yīng)力環(huán)境和低溫的高冷應(yīng)力環(huán)境，為研究人體在高冷、熱應(yīng)力環(huán)境中的生理反應(yīng)規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為相關(guān)防護(hù)設(shè)備的研發(fā)提供實(shí)驗(yàn)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)平臺工作原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)的目標(biāo)

為了模擬各種高冷、熱應(yīng)力生存環(huán)境，本實(shí)驗(yàn)平臺需要能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)，控制人工氣候室內(nèi)空氣干球溫度、相對濕度和環(huán)境輻射溫度等參數(shù)。為此，本實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：人工氣候室內(nèi)干球溫度可在-15～50℃范圍內(nèi)任意設(shè)定，并可在設(shè)定點(diǎn)保持溫度基本恒定，溫度波動范圍為±0.5℃；氣候室內(nèi)相對濕度在30%～95%范圍內(nèi)任意設(shè)定，并且可在濕度設(shè)定點(diǎn)保證基本恒濕，相對濕度波動范圍為±2%；同時(shí)，還可根據(jù)需要，調(diào)節(jié)氣候室四周壁面溫度，壁面溫度在10～40℃范圍內(nèi)任意設(shè)置，各壁面溫度可以分別單獨(dú)調(diào)控。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺的平面布局

本實(shí)驗(yàn)平臺共包括氣候小室、空氣夾層、設(shè)備間和監(jiān)控室，如圖1所示，其中氣候小室是實(shí)驗(yàn)平臺的核心。氣候小室的尺寸為4.2 m(長)×3.0 m(寬)×2.6 m(高)，墻壁采用不銹鋼板焊接而成，氣候小室內(nèi)溫、濕度可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，除有門一側(cè)的墻壁外，其余5個(gè)壁面均裝有輻射板，可以根據(jù)需要調(diào)整壁面溫度，以改變艙內(nèi)環(huán)境輻射溫度。氣候小室四周為空氣夾層，夾層寬度為0.8～1.1 m，夾層溫度也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)置空氣夾層的主要目的是減小外界溫度變化對氣候小室內(nèi)溫濕度的干擾。為減少傳熱損失，氣候室、空氣夾層與外界相連的壁面均采用保溫板材進(jìn)行隔熱，隔熱材料為聚氨酯硬質(zhì)發(fā)泡塑料，厚度為100 mm，保溫板兩側(cè)為0.8 mm不銹鋼板。設(shè)備間主要擺放氣候小室與空氣夾層溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備，包括：空氣處理機(jī)組、循環(huán)水泵、冷熱水箱、制冷機(jī)、加熱加濕裝置、水管、風(fēng)管等設(shè)備部件。電控柜、中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)、監(jiān)控操作臺等設(shè)備擺放在監(jiān)控室內(nèi)，監(jiān)控室同時(shí)可用于實(shí)驗(yàn)人員休息、等待空間。

圖1 高冷、熱應(yīng)力室內(nèi)氣候模擬實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)平面布置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺的工作原理

本實(shí)驗(yàn)平臺工作原理如圖2所示，包括氣候室空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、夾層空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、輻射板子系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)。

(1) 氣候室空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。主要功能是根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，調(diào)節(jié)氣候小室內(nèi)的空氣干球溫度、相對濕度，提供新鮮空氣和排出室內(nèi)污濁空氣。該子系統(tǒng)由氣候室空氣處理機(jī)組、送風(fēng)管、送風(fēng)靜壓箱、送風(fēng)孔板、回風(fēng)靜壓箱、回風(fēng)管、回風(fēng)調(diào)節(jié)閥、新風(fēng)管、新風(fēng)調(diào)節(jié)閥、排風(fēng)管、排風(fēng)風(fēng)機(jī)、排風(fēng)電動調(diào)節(jié)閥、風(fēng)冷直膨制冷機(jī)組等部件組成。其中，空氣處理機(jī)組是系統(tǒng)的核心，主要包括過濾段、表冷段、風(fēng)機(jī)段、加熱段、加濕段等功能段。表冷段采用制冷劑直接膨脹制冷的方式，對送風(fēng)進(jìn)行冷卻、除濕，由兩臺風(fēng)冷直膨機(jī)組為系統(tǒng)提供冷源，直膨機(jī)組的設(shè)定制冷溫度為-18℃。加熱段采用電加熱的形式，通過調(diào)節(jié)電流大小來調(diào)節(jié)加熱量。加濕段采用蒸汽加濕的方式，利用電加熱水制取飽和蒸汽，通過調(diào)節(jié)加熱量調(diào)節(jié)加濕量。為保證氣候室內(nèi)溫濕度分布均勻，采用孔板送風(fēng)、上送下回的氣流組織形式，送風(fēng)孔板的開孔率為40%，開孔大小為直徑4 mm，回風(fēng)采用柵格回風(fēng)口地板回風(fēng)。新風(fēng)量、排風(fēng)量的大小可根據(jù)人員的多少通過閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 高冷、熱應(yīng)力室內(nèi)氣候模擬實(shí)驗(yàn)平臺工作原理示意圖

1-氣候小室； 2-觀察窗； 3-送風(fēng)孔板； 4-送風(fēng)靜壓箱； 5-控制線路； 6-控制器； 7-蒸汽加濕器； 8-可調(diào)電加熱器；9-直膨機(jī)室外機(jī)； 10-氣候室空氣處理機(jī)組； 11-新風(fēng)管； 12-風(fēng)量調(diào)節(jié)閥； 13-排風(fēng)風(fēng)機(jī)； 14-電動排風(fēng)調(diào)節(jié)閥； 15-排風(fēng)管； 16-表冷器； 17-回風(fēng)管； 18-夾層空氣處理機(jī)組； 19-冷凍水循環(huán)管； 20-冷凍水泵； 21-風(fēng)冷冷水機(jī)組； 22-輻射板循環(huán)水泵； 23-熱水箱； 24-電加熱器； 25-回風(fēng)靜壓箱； 26-濕度傳感器； 27-空氣夾層； 28-溫度傳感器； 29-輻射板；30-冷凍水箱； 31-水流控制閥；32-精調(diào)水箱； 33-總電控柜； 34-監(jiān)控計(jì)算機(jī)

(2) 夾層空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。主要功能是維持空氣夾層內(nèi)需要的溫度和濕度，由夾層空氣處理機(jī)組、送風(fēng)管、回風(fēng)管、風(fēng)冷冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷凍水管等組成。夾層空氣處理機(jī)組的結(jié)構(gòu)功能段與氣候室空氣處理機(jī)組基本相同，采用電加熱、蒸汽加濕的方式，稍有不同的是，在夾層空氣處理機(jī)組中，表冷器不是采用直膨的形式，而是采用水冷的形式。由兩臺風(fēng)冷冷水機(jī)組提供7℃的冷凍水，通過表冷器對循環(huán)空氣進(jìn)行冷卻與除濕。夾層采用送風(fēng)口頂送、下側(cè)回的氣流組織形式，由于夾層中沒有人員長期停留，因此沒有考慮新風(fēng)和排風(fēng)問題。

(3) 輻射板子系統(tǒng)。輻射板子系統(tǒng)的主要功能是改變氣候室四周墻壁表面溫度，以調(diào)節(jié)氣候室內(nèi)環(huán)境熱輻射水平。該子系統(tǒng)主要由輻射板、冷水箱、熱水箱、循環(huán)水泵、水溫精調(diào)水箱、切換閥門和循環(huán)管路組成。輻射板由厚度0.5 mm鋁質(zhì)導(dǎo)熱板和直徑10 mm的銅管組成，銅管嵌入在導(dǎo)熱板中，相互緊密接觸，以確保良好的導(dǎo)熱性能，輻射板固定在氣候室四周墻壁外側(cè)。熱水箱內(nèi)裝有電加熱管，以調(diào)節(jié)熱水溫度，冷水箱與風(fēng)冷冷水機(jī)組相連，通過閥門，可以調(diào)節(jié)冷水機(jī)組的出水在冷水箱與夾層空氣處理機(jī)組表冷器之間分配流量。冷、熱水的溫度經(jīng)過冷、熱水箱初調(diào)后，進(jìn)入水溫精調(diào)水箱，根據(jù)各壁面溫度的設(shè)定，進(jìn)一步精確調(diào)節(jié)到需要的水溫，再送入輻射板中，實(shí)現(xiàn)對壁溫的調(diào)節(jié)。

(4) 監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)。用于提供人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟停、溫、濕度調(diào)控、風(fēng)、水量調(diào)節(jié)、氣候室內(nèi)多點(diǎn)環(huán)境溫、濕度監(jiān)測等功能，同時(shí)可保障制冷機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，以及實(shí)現(xiàn)表冷器的自動除霜功能。監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)包括上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、電控柜、控制器、傳感器、執(zhí)行元件、控制線路等部件。編寫開發(fā)了專用監(jiān)控軟件，利用該軟件，在上位計(jì)算機(jī)上可以設(shè)定氣候室、空氣夾層需要控制的目標(biāo)溫、濕度，了解各監(jiān)測點(diǎn)的當(dāng)前溫、濕度值，以及各設(shè)備的開啟運(yùn)行情況、各閥門的開度等運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)氣候室中心點(diǎn)的溫、濕度值，分別調(diào)節(jié)氣候室空氣處理機(jī)組內(nèi)的加熱器與加濕器，改變送風(fēng)溫度和濕度，實(shí)現(xiàn)對氣候室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)。根據(jù)各壁面溫度，調(diào)節(jié)輻射板的供水溫度，實(shí)現(xiàn)對氣候室環(huán)境輻射溫度的調(diào)控。

2 實(shí)驗(yàn)平臺性能測試與分析

2.1 高溫模擬性能測試

高溫性能測試結(jié)果見圖3。氣候室初始溫度為17.8℃，實(shí)驗(yàn)首先將氣候室內(nèi)溫度設(shè)定在45℃，經(jīng)過大約50 min的升溫，室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值，之后，控制系統(tǒng)保持室內(nèi)溫度在45℃附近。系統(tǒng)的平均升溫速率約為0.54℃/min。為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的高溫模擬能力，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第120 min時(shí)，將室內(nèi)溫度設(shè)定值調(diào)整到50℃，約30 min后，室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定，系統(tǒng)的升溫速率約為0.17℃/min。之后，溫度保持在設(shè)定值附近。高溫試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)平臺能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的高溫模擬要求，且控制系統(tǒng)有較好的控制能力和穩(wěn)定性。但也可以看出，進(jìn)入高溫階段，系統(tǒng)的升溫速率較低，升溫較慢。

圖3 高溫試驗(yàn)溫度變化曲線

2.2 高濕模擬性能測試

實(shí)驗(yàn)平臺的高濕模擬性能測試結(jié)果見圖4。實(shí)驗(yàn)的初始相對濕度為68%，設(shè)定室內(nèi)相對濕度為95%。從圖4可以看出，相對濕度升高速度較慢，經(jīng)過約200 min后，相對濕度才升高到設(shè)定值。這主要是由于相對濕度與溫度是相關(guān)聯(lián)的，在相對濕度升高的同時(shí)，氣候室內(nèi)溫度也在升高，實(shí)驗(yàn)開始的空氣溫度為17.8℃，而穩(wěn)定后的室內(nèi)溫度為50℃，升溫幅度較大，所以相對濕度升高較慢。從圖4還可以看出，相對于溫度控制，濕度控制的波動要稍大一些，但也在1%之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 高濕試驗(yàn)濕度變化曲線

2.3 低溫模擬性能測試

圖5顯示了實(shí)驗(yàn)平臺的低溫試驗(yàn)測試結(jié)果。低溫試驗(yàn)開始前的室內(nèi)空氣溫度為18.3℃，設(shè)定的室內(nèi)控制溫度為-15℃，經(jīng)過約150 min的降溫之后，溫度達(dá)到設(shè)定值，降溫速率為0.22℃/min，降溫速率低于高溫試驗(yàn)的升溫速率。低溫控制的精度略差于高溫控制，但也在±0.5℃范圍之內(nèi)。

圖5 低溫試驗(yàn)溫度變化曲線

2.4 環(huán)境輻射模擬性能測試

氣候室5個(gè)壁面(除正面外)都裝有輻射板，環(huán)境輻射大小主要是通過改變氣候室壁面溫度來實(shí)現(xiàn)，輻射板壁面溫度測試結(jié)果見圖6。測試的初始壁面溫度為28℃，壁面溫度設(shè)定溫度為42℃，經(jīng)過約40 min，壁面溫度基本接近設(shè)定溫度，壁面升溫較快。從圖6可以看出，5個(gè)壁面溫度都具有較好的控制效果，相對來講，頂壁溫度相對波動要大一些，這主要是由于氣候室送風(fēng)是由頂部送入的，因此對壁面溫度有一定的影響。

圖6 壁面溫度變化曲線

2.5 室內(nèi)風(fēng)速測試

環(huán)境風(fēng)速也是影響人體熱感覺的一個(gè)主要因素，如果室內(nèi)風(fēng)速過大，勢必會影響人體對溫度、濕度的熱反應(yīng)規(guī)律，所以需要對氣候室內(nèi)風(fēng)速環(huán)境進(jìn)行測試。使用TSI多參數(shù)通風(fēng)表對室內(nèi)不同高度、不同位置的風(fēng)速進(jìn)行了測量，測得室內(nèi)各點(diǎn)風(fēng)速均在0.1～0.5 m/s范圍內(nèi)，靠近頂板和回風(fēng)口附近的風(fēng)速稍高，其余大部分測試點(diǎn)的風(fēng)速在0.15 m/s左右，屬于低風(fēng)速范圍。測試結(jié)果表明，室內(nèi)風(fēng)速均勻，風(fēng)速較低，不會對人體熱感覺產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。

3 結(jié) 語

為研究人體在高冷、熱應(yīng)力環(huán)境中的生理變化規(guī)律，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及防護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為相關(guān)防護(hù)設(shè)備開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)條件，本文建設(shè)了一套環(huán)境氣候模擬實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺包括氣候室空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、夾層空氣調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、輻射板子系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)4個(gè)組成部分。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)干球溫度在-15 ～50℃、相對濕度在30%～95%、環(huán)境輻射溫度在10～40℃范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。經(jīng)測試，該實(shí)驗(yàn)平臺能夠滿足設(shè)計(jì)要求，溫、濕度升降速度較快，控制精度較好，保溫性、室內(nèi)風(fēng)速均勻性符合實(shí)驗(yàn)要求。本實(shí)驗(yàn)平臺可為高冷熱應(yīng)力環(huán)境下的人體生理反應(yīng)研究、應(yīng)急防護(hù)設(shè)備的開發(fā)提供技術(shù)支撐。

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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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51276058)； 湖南省教育改革項(xiàng)目(G21114); 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(KF200903)

郝小禮(1973-)，男，安徽安慶人，教授，現(xiàn)主要從事建筑環(huán)境與建筑節(jié)能研究。

X 968; R 339.6

A

1006-7167(2015)03-0069-05

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