陳柯豪，趙毅林，陳方偉，肖大林

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650000；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明局東川供電局，云南 昆明 650000)

在酷熱的環(huán)境下進(jìn)行配電網(wǎng)帶電作業(yè)時(shí)[1]，作業(yè)人員需要身穿厚重且相對(duì)封閉的絕緣服，其散熱效果很差。因此，作業(yè)人員極易出現(xiàn)脫水[2]、中暑、精神恍惚等癥狀，從而會(huì)導(dǎo)致觸電及高處墜落等安全事故，故而需要為高溫電力搶修及帶電作業(yè)人員研制一種能長(zhǎng)時(shí)間降溫，同時(shí)又能保證其安全工作、提高作業(yè)效率的便攜式降溫空調(diào)服裝置，從而有利于減少電網(wǎng)停電時(shí)間，保證配電網(wǎng)線路及設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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[3]。氣冷空調(diào)服利用空氣作為制冷介質(zhì)，文獻(xiàn)[4]提出在皮膚表面引入微型風(fēng)扇陣列的方法，通過(guò)微型風(fēng)扇陣列提供流動(dòng)空氣利用對(duì)流及人體汗液蒸發(fā)降溫。文獻(xiàn)[5]研究了風(fēng)扇布置位置情況對(duì)氣冷型空調(diào)服降溫效果的影響，結(jié)果表明后腰及脊柱位置為風(fēng)扇最佳布置點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]用小型壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，高速通過(guò)渦流管后分成冷氣與熱氣，冷氣進(jìn)入空調(diào)服與皮膚通過(guò)對(duì)流進(jìn)行一次降溫，最后噴射到人體熱敏感部位進(jìn)行二次降溫，大大提高降溫效率。相變制冷空調(diào)服利用相變材料相變吸熱進(jìn)行降溫[7]，常見(jiàn)的相變材料有冰、水凝膠和石蠟等。文獻(xiàn)[8]構(gòu)想在消防服內(nèi)穿著冰背心進(jìn)行降溫，這種降溫方式可以有效降低高溫環(huán)境中從事體力活動(dòng)的主觀與生理反應(yīng)。文獻(xiàn)[9]提出了一種膠囊相變調(diào)溫服，在服裝內(nèi)外層中填充膠囊，膠囊內(nèi)含有相變材料。液冷空調(diào)服是通過(guò)冷卻液體在空調(diào)服內(nèi)循環(huán)，與人體表面進(jìn)行傳導(dǎo)、對(duì)流換熱，從而達(dá)到降溫目的[10]。Billingham首次提出將水作為冷卻液的液冷空調(diào)服思想[11]，之后人們進(jìn)行了大量相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)的液冷服研制始于軍事等特殊領(lǐng)域，在20世紀(jì)80年代開(kāi)始研制便攜式局部液冷服(YL-IA型)系統(tǒng)，并成功在“遠(yuǎn)望號(hào)”遠(yuǎn)洋測(cè)量船兩次執(zhí)行任務(wù)中試用[12]。文獻(xiàn)[13-14]研究了液冷服中換熱管路的排布方式對(duì)于液冷服降溫效果的影響。液冷服可以根據(jù)人體與環(huán)境的換熱情況靈活控制換熱介質(zhì)的溫度及流速，從而能夠主動(dòng)對(duì)換熱進(jìn)行調(diào)節(jié)，且比相變與氣冷兩種空調(diào)服更加舒適、安全，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。

對(duì)于身著空調(diào)服進(jìn)行不停電作業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，目前的研究較少，本文基于液冷主動(dòng)降溫原理研制出一種電網(wǎng)不停電作業(yè)用空調(diào)服，采用微型壓縮機(jī)、與絕緣服配合穿著對(duì)帶電作業(yè)人員進(jìn)行大冷量體表降溫，為作業(yè)人員提供安全、便利、舒適的工作環(huán)境。

1 理論仿真

1.1 制冷原理

工作人員在身著空調(diào)服工作時(shí)，其皮膚表面與空調(diào)服之間存在著一個(gè)微氣候區(qū)。如圖1所示。

圖1 微氣候區(qū)示意圖

微氣候區(qū)內(nèi)人體的熱量傳遞滿(mǎn)足熱平衡方程[15]：

s=m-w-r-c-e-d

(1)

式中：s是人體蓄熱率；m是新陳代謝產(chǎn)熱；w是人體做功產(chǎn)熱；r是人體皮膚通過(guò)輻射方式與外部的換熱量；c是人體皮膚通過(guò)對(duì)流方式與外部的換熱量；e是人體皮膚通過(guò)蒸發(fā)等方式的散熱量；d是人體皮膚通過(guò)熱傳導(dǎo)方式與外部的換熱量。

由于m,w,r,e均取決于工作性質(zhì)或周?chē)h(huán)境，因此要想使s盡可能減小，就應(yīng)該增加人體通過(guò)對(duì)流及傳導(dǎo)兩種方式的散熱量。

將冷卻管以一定方式敷設(shè)于空調(diào)服內(nèi)，通過(guò)空調(diào)服循環(huán)系統(tǒng)使恒溫(低于人體溫度)液體在管中循環(huán)，加速人體表面與微氣候區(qū)的對(duì)流與傳導(dǎo)換熱，增大c與d，從而有效減少s，實(shí)現(xiàn)工作人員在高溫環(huán)境下的散熱降溫。

人體通過(guò)皮膚表面與外界交換熱量，有傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和蒸發(fā)四種方式，但從傳熱學(xué)的角度看，熱傳遞只包含傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式。求解傳熱問(wèn)題就是求解溫度在空間中隨時(shí)間的變化情況，用傅里葉定律可以描述為

(2)

式中：ρ是溫度調(diào)節(jié)區(qū)域中物質(zhì)的密度；Cp是物質(zhì)溫度每升高1 K時(shí)所吸收的熱量；Q是熱流密度，表示物質(zhì)所吸收的熱量；k是熱傳導(dǎo)系數(shù)；u是對(duì)流項(xiàng)中的變量。

利用式(2)以及相關(guān)參數(shù)和邊界條件可以求解區(qū)域中任意一點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律：T(x,y,z,t)。

1.2 仿真計(jì)算

本文利用comso l5.4建立并求解模型來(lái)描述有無(wú)冷卻液對(duì)人體在暑熱環(huán)境下降溫效果的影響，為了突出液冷制冷原理的特點(diǎn)，忽略對(duì)流傳熱僅考慮熱傳導(dǎo)。模型由圓柱體與鑲嵌在其表面的環(huán)形冷卻管構(gòu)成，將圓柱體材料設(shè)置為皮膚，用空氣包裹住整個(gè)模型。分別在管中加入水和空氣，并將水分別設(shè)置為恒溫(相當(dāng)于加入外部冷源)與不恒溫(令水自然變溫不加外部冷源)，觀察一段時(shí)間后圓柱體切面溫度分布。模型的三維立體圖如圖2所示，冷卻管與皮膚材質(zhì)的圓柱體如圖3所示。

圖2 模型的三維立體圖

圖3 模擬冷卻管與皮膚材質(zhì)的圓柱體圖

仿真過(guò)程如下。

1)管中加入水，水的初始溫度設(shè)為288.15 K，不設(shè)恒溫，模擬加入冷卻液但不設(shè)置外部冷源的情況，皮膚初始溫度設(shè)為310.15 K，周?chē)諝鉁囟仍O(shè)為323.15 K。10 000 s后的切面溫度分布如圖4所示。

圖4 冷卻液不設(shè)恒溫時(shí)的溫度分布圖

2)再將管中水設(shè)置為恒定溫度，各部分溫度初始值不變，模擬加入冷卻液并設(shè)置外部冷源使冷卻液持續(xù)保持低溫的情況，10 000 s后切面溫度分布如圖5所示。

圖5 冷卻液設(shè)為恒溫時(shí)的溫度分布圖

3)將管中的水換成空氣，模擬不加入冷卻液的情況，將管中空氣的初始溫度設(shè)為288.15 K，不設(shè)恒溫，皮膚初始溫度設(shè)為310.15 K，周?chē)諝鉁囟仍O(shè)為323.15 K。10 000 s后的切面溫度分布如圖6所示。

圖6 無(wú)冷卻液時(shí)的溫度分布圖

對(duì)比管中材料為水且不設(shè)恒溫與管中材料為空氣兩種情況，前者10 000 s后切面溫度整體要比后者低，尤其是管與皮膚接觸部位，這種差別更加明顯。這是因?yàn)樗谋葻崛葺^大，因此在水與空氣的初始溫度相同時(shí)，水升溫要比空氣慢，且升溫相同時(shí)要吸收更多的熱量?？梢钥闯龉苤屑尤氲蜏匾后w，可以起到很好的降溫效果。

對(duì)比管中材料為水并設(shè)置為恒溫與不設(shè)置為恒溫兩種情況，前者10 000 s后切面溫度整體要比后者低，同樣地，在管與皮膚接觸部位，這種差別也更加明顯。這是因?yàn)橛捎谕饨缋湓吹拇嬖冢谡麄€(gè)熱量傳遞過(guò)程中可以一直保持低溫不再升溫。由此可見(jiàn)，在服裝中加入使冷卻液不斷在體表循環(huán)并保持恒溫的液冷系統(tǒng)可以有效降低冷卻管附近人體體表溫度，并使氣候區(qū)中的整體溫度也有所降低，很好地解決人體在暑熱環(huán)境中的散熱問(wèn)題。

2 空調(diào)服裝置設(shè)計(jì)

空調(diào)服裝置采用制冷微型壓縮機(jī)對(duì)人體進(jìn)行大冷量的高能冷卻，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定正常運(yùn)行，對(duì)其核心部件及配套部件實(shí)施同步制冷溫控。系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 整機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由制冷服、制冷主機(jī)、電池組三大部分組成，電池組對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電，制冷主機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的制冷、電源控制以及冷卻液的循環(huán)等。

2.1 制冷服

制冷服是空調(diào)服的重要部分，是人機(jī)交互的結(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖8)。

圖8 制冷服實(shí)物圖

制冷服直接貼近人體，應(yīng)該具有輕便、舒適、無(wú)毒無(wú)害等特點(diǎn)。本制冷服為制冷上衣形式，采用高耐磨網(wǎng)格面料制成，其夾層中均勻鑲嵌縱向走向的制冷液循環(huán)通路管道。管路連接接頭為自閉式快速拔插接頭。

2.2 電池組

電池組是制冷系統(tǒng)的重要組成部分，為整個(gè)空調(diào)服制冷系統(tǒng)提供電能。為了使空調(diào)服在穿戴后不妨礙帶電工作，放棄笨重的液壓發(fā)電機(jī)等供電方案，采用24 V可充鋰電池組對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電，電池組參數(shù)及性能如表1所示。

表1 電池組性能指標(biāo)表

2.3 制冷主機(jī)

制冷主機(jī)包含溫度采集模塊、單片機(jī)控制器、壓縮機(jī)、冷卻液循環(huán)組件、操作顯示模塊和電源模塊；制冷主機(jī)如圖9所示，負(fù)責(zé)完成整個(gè)系統(tǒng)的制冷、電源控制以及冷卻液的循環(huán)等。其中冷液系統(tǒng)由循環(huán)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，其中的循環(huán)系統(tǒng)又由制冷系統(tǒng)和供回液系統(tǒng)組成；循環(huán)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)有機(jī)的組合在設(shè)備內(nèi)。

圖9 制冷主機(jī)正面圖

1)單片機(jī)控制器。單片機(jī)控制器是制冷主機(jī)的核心模塊，接收處理各模塊發(fā)來(lái)的信息，并向各模塊發(fā)送控制命令以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。單片機(jī)控制器采用STM32F103RCT6為核心處理器，分別與壓縮機(jī)、溫度采集模塊和操作顯示模塊相連接，接收溫度采集模塊及操作顯示模塊發(fā)來(lái)的信息，進(jìn)行處理后通過(guò)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制壓縮機(jī)的啟停，并向操作顯示模塊發(fā)送信息顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

2)壓縮機(jī)。用于制冷的微型壓縮機(jī)由直流供電，制冷劑為R134a。R134a別名R-134a，化學(xué)式為CH2FCF3，大氣壓下的沸點(diǎn)為-26.3℃。是一種熱力學(xué)性質(zhì)與二氟二氯甲烷(R-12)類(lèi)似的鹵代烷制冷劑，但與R-12相比，其臭氧破壞潛勢(shì)更低。冷凝器采用平行流式微通道換熱器，蒸發(fā)器采用集成式微通道換熱器。此外，還裝設(shè)了無(wú)刷冷凝調(diào)速風(fēng)機(jī)散熱，保障制冷量的同時(shí)大大降低了風(fēng)扇噪音。

3)溫度采集模塊。溫度采集模塊包含環(huán)境采集模塊與體表溫度采集模塊，分別位于制冷服的內(nèi)表與外表，采集外界環(huán)境溫度與體表溫度，并將采集到的信號(hào)傳輸至單片機(jī)控制器進(jìn)行處理。本模塊中采集溫度信息的溫度傳感器DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其每個(gè)器件都有唯一的64位長(zhǎng)的ROM代碼，故可在同一根總線上掛接多片DS18B20，實(shí)現(xiàn)同時(shí)在多點(diǎn)進(jìn)行溫度采集。DS18B20將采集的溫度信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送給單片機(jī)控制器，單片機(jī)控制器再根據(jù)此信號(hào)輸出信號(hào)控制壓縮機(jī)的啟停。

4)冷卻液循環(huán)組件。冷卻液循環(huán)組件通過(guò)使低溫冷卻液在制冷服中敷設(shè)的絕緣軟管中不斷循環(huán)來(lái)達(dá)到給人體降溫的效果。本文使用水作為冷卻液，組件包括水泵、水箱、絕緣軟管以及水位傳感器。水箱負(fù)責(zé)盛裝冷卻液，水泵提供冷卻液循環(huán)的動(dòng)力，絕緣軟管構(gòu)成冷卻液在系統(tǒng)中循環(huán)的通路。水位傳感器裝設(shè)在水箱中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水箱中的冷卻液量，一旦水量過(guò)少，便發(fā)出報(bào)警信息，提示帶電作業(yè)人員可能發(fā)生液體泄漏。

5)電源模塊。電源模塊分別用兩個(gè)電路去實(shí)現(xiàn)電源管理和充電管理兩個(gè)功能。前者是指將電池組的輸出電壓分別轉(zhuǎn)化為各個(gè)受電模塊相應(yīng)的電壓，后者則是指控制電池組的充放電。

6)操作顯示模塊。本裝置的操作顯示系統(tǒng)由4個(gè)按鍵及3.2寸TFT液晶屏組成。液晶屏上顯示出水溫度、進(jìn)水溫度、環(huán)境溫度以及設(shè)定溫度信息，電池工作狀態(tài)信息，時(shí)間信息及空調(diào)服系統(tǒng)整體工作狀態(tài)信息。裝置可由面板上顯示屏兩側(cè)的4個(gè)按鍵進(jìn)行操作(見(jiàn)圖10)。

圖10 操作顯示模塊圖

3 裝置試驗(yàn)

為了測(cè)試空調(diào)服裝置在高溫環(huán)境下的降溫效果，對(duì)空調(diào)服裝置進(jìn)行高溫環(huán)境降溫試驗(yàn)以及電池供電持久性試驗(yàn)(見(jiàn)圖11)。

圖11 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)服裝及電池?cái)[放圖

3.1 高溫環(huán)境降溫試驗(yàn)

將空調(diào)服置于40℃的高溫環(huán)境下，并用輸出電壓為24 V的電池組供電，通過(guò)空調(diào)服裝置的顯示屏觀察冷卻液溫度，制冷液最低可以穩(wěn)定地維持在15℃，完全滿(mǎn)足人體所需環(huán)境溫度。

3.2 電池供電持久性試驗(yàn)

延長(zhǎng)高溫環(huán)境降溫試驗(yàn)的時(shí)長(zhǎng)直到電池組無(wú)法維持正常供電，并記錄試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，得到在40℃的工作環(huán)境下，維持制冷液在15℃，電池組持續(xù)供電時(shí)間為4 h。

試驗(yàn)表明，本文空調(diào)服裝置完全滿(mǎn)足工作人員在高溫環(huán)境下身著絕緣服進(jìn)行帶電作業(yè)的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)在暑熱環(huán)境下帶電作業(yè)人員身穿厚重絕緣服導(dǎo)致散熱不佳易出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)的問(wèn)題，本文研制出了一種基于單片機(jī)控制器的帶電作業(yè)便攜式空調(diào)服裝置。comsol仿真結(jié)果表明，液冷方式能夠很好地起到降溫效果，40℃高溫環(huán)境降溫試驗(yàn)表明，該空調(diào)服裝置完全滿(mǎn)足帶電作業(yè)人員在暑熱環(huán)境下身著絕緣服安全、舒適、便利地進(jìn)行帶電作業(yè)的要求。