謝虎，王迎節(jié)

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

中國除青藏高原和天山外，大部地區(qū)夏季溫度都在20℃以上，南方許多地方在28℃以上，部分地區(qū)7月平均氣溫高達(dá)32℃，因此全國夏季普遍高溫，南北氣溫差別不大。本文主要研究騎手在夏季長時間暴曬時的降溫措施，美團(tuán)研究院的數(shù)據(jù)顯示僅美團(tuán)2018年就有270萬騎手，據(jù)估計2019年這一類人群在我國已達(dá)500萬以上。本文設(shè)計了一款可供穿戴降溫用的半導(dǎo)體空調(diào)衣裝置，為了驗證該空調(diào)衣的可行性，進(jìn)行了一系列的實驗研究。

1 實驗裝置介紹

1.1 半導(dǎo)體的制冷原理

如圖1所示，把一個P型半導(dǎo)體元件材料和一個N型半導(dǎo)體元件材料聯(lián)結(jié)成熱電偶,接上直流電源后,在接頭處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在上面的接頭處,電流方向是N到P,溫度下降并吸熱,這就將形成冷端。而在下面的接頭處,電流方向是P到N,溫度上升并放熱,這就將形成熱端。半導(dǎo)體制冷片沒有部件磨損和運行噪音，無需充注制冷劑，體積小，溫度調(diào)節(jié)簡單迅速。但是半導(dǎo)體制冷片的制冷效率低于1，且對熱端的散熱要求很高，沒有及時充分的散熱會造成到半導(dǎo)體片的燒毀。

圖1 半導(dǎo)體空調(diào)的制冷原理

圖2 本次實驗半導(dǎo)體空調(diào)衣的結(jié)構(gòu)圖

1.2 半導(dǎo)體空調(diào)的設(shè)計思想

基于半導(dǎo)體制冷片的特點，將半導(dǎo)體制冷片應(yīng)用于空調(diào)衣的場合比較合適，原因為空調(diào)衣的最大需求是輕便和易調(diào)節(jié)制冷量。在空調(diào)的設(shè)計過程中，主要考慮熱端的散熱問題和冷端的的冷量輸出問題，基于上述問題，本實驗的主要裝置如圖2所示。

當(dāng)此元件工作時一面制冷一面制熱，因此該制冷系統(tǒng)可以分為冷端系統(tǒng)和熱端系統(tǒng)兩個部分?？照{(diào)衣工作時，其冷端系統(tǒng)運行原理是將半導(dǎo)體所產(chǎn)生的冷量通過某種介質(zhì)傳遞到衣服內(nèi)表面，降低人身體表溫度后返回冷端重新冷卻如此往復(fù)形成一個制冷循環(huán)，設(shè)備熱端也是選擇一種有效的散熱方式將其熱量傳遞到系統(tǒng)外，能夠使此系統(tǒng)持續(xù)正常的運轉(zhuǎn)。正如此以半導(dǎo)體制冷片為核心的兩個小系統(tǒng)的循環(huán)形成空調(diào)衣整體的運行系統(tǒng)。

1.3 人體散熱量計算

本文主要研究了身體散熱方法和散熱量。散熱方法可分為兩部分：顯熱量和潛熱量。通過對流、傳導(dǎo)和輻射傳遞的熱量被稱為顯熱量。皮膚表面通過汗水蒸此發(fā)和空氣傳送的濕氣蒸發(fā)被稱為潛熱量。由于皮膚表面濕氣的被動擴(kuò)散而引起的蒸發(fā)被稱為非感應(yīng)蒸發(fā)。在環(huán)境溫度高時，表面熱交換不足以維持人體的熱平衡時，皮膚活性蒸發(fā)的潛熱稱為感官蒸發(fā)。這是人體在熱環(huán)境中散熱的主要方法。此外，過度蒸騰導(dǎo)致生物體迅速脫水和脫鹽，特別是在夏季高溫環(huán)境下作業(yè)的工作人員。高度的太陽輻射和大量的體力勞動會使人體散熱需求不斷增加，當(dāng)自身散熱量低于機(jī)體所必須排出的熱量時，機(jī)體就會散熱紊亂，發(fā)生中暑的可能性急劇增加。根據(jù)吳清才的《人體散熱穩(wěn)定度影響因素的理論分析》文中的數(shù)據(jù)，人體在輕體力勞動下不同散熱方式一天的散熱量和所占比例如下表所示，共計12540KJ。

表1 不同散熱方式和熱損失率

本文設(shè)計的空調(diào)衣主要為外賣員和快遞員等一些騎手設(shè)計，當(dāng)這些騎手工作時，有大部分時間是騎著電動車的，在騎車的同時會產(chǎn)生一定的相對風(fēng)速，而相對風(fēng)速對人體散熱也會產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)王麗娟的《風(fēng)速對人體散熱特性影響的實驗研究》結(jié)果表明迎面風(fēng)速對人體對流散熱影響較大。設(shè)想環(huán)境溫度在33℃的情況下，當(dāng)工作人員在騎行的過程中風(fēng)速是大于0.7m/s的，所以在計算人體散熱量時應(yīng)當(dāng)減去14.6W的對流散熱。在選擇半導(dǎo)體制冷片功率時還要考慮人體不可避免的自身散熱量如：呼吸道水分蒸發(fā)散失的熱量、呼氣散失的熱量、吸入氣、食物傳遞的熱量、排泄帶走的熱量等這些自身散熱量大約占人體散熱量的15.5%，一個人每天的這種散熱量約為1943.7KJ。

W是人體各種散熱方式散出的熱量的總和，Q_1、Q_2、Q_3、Q_n分別是人體每種散熱方式在一定時間內(nèi)所散出的熱量，單位是焦耳，簡稱J。

人體散熱功率P根據(jù)公式:

公式中，W=12540-1943.7=10596.3KJ，人體機(jī)能平均散熱功率P=122.64W，減掉由于本課題中騎行因素14.6W，綜上所述根據(jù)本次計算結(jié)果所得選擇半導(dǎo)體功率在108W左右。

1.4 實驗裝置的選擇

基于上述計算結(jié)果，將某些不確定外界環(huán)境因素增加10%的冷量損失，再通過對市場不同功率產(chǎn)品價格的對比調(diào)查，根據(jù)半導(dǎo)體運行的特性，功率越小的半導(dǎo)體能量損失比例就越小。綜上所述，本次實驗選擇兩片相同規(guī)格的半導(dǎo)體制冷片其詳情工作參數(shù)如下：

型號：TEC1-122706。

制冷功率：50-60W。

額定電壓:12V。

工作電流：4-4.6A。

最大溫差：67℃以上。

幾何尺寸：40*40*3.8mm。

2 冷水導(dǎo)熱式空調(diào)衣的實驗分析

半導(dǎo)體熱端散熱很重要，如果過熱，極容易燒毀半導(dǎo)體制冷片。所以本實驗為了安全，均以管帶式水冷散熱為前提。從金屬的導(dǎo)熱性及延展性綜合考慮，管路選用2mm和10mm的紫銅管，根據(jù)人體體格大小截取合適的長度，再在主管上鉆取適當(dāng)?shù)目桌免F焊將2mm毛細(xì)銅管焊接在10mm主管路上，焊接后的管路如下圖3所示，長管為冷水進(jìn)水管，兩根較短主管為冷水回水管。

圖3 毛細(xì)管進(jìn)行載冷的3D模型圖和實物圖

接入12V電源，31℃和36℃兩種環(huán)境溫度情況下所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

圖4 不同環(huán)境溫度下毛細(xì)管中冷凍水的溫度對比

從上圖可以看出，半導(dǎo)體冷端散熱曲線在30℃環(huán)境和36℃環(huán)境下，溫度變化相似，在3分鐘后，冷量開始發(fā)揮作用，冷端出水溫度平滑下降。在36℃高溫環(huán)境下，開始運行3分鐘之前，回水溫度呈上升曲線，這是由于此時回水的熱量主要來自于環(huán)境吸熱，但半導(dǎo)體的冷量還未體現(xiàn)出來，在3分鐘之后，回水溫度與出水溫度的變化開始相似，出水回水溫差逐漸縮小。在環(huán)境溫度為30℃情況下，冷端出水最高溫差為7.4℃，冷端回水最高溫差為7.5℃，出回水溫差平均在5℃。在環(huán)境溫度為36℃情況下，冷端出水最高溫差為10.1℃，冷端回水最高溫差為10℃，出回水溫差平均在4℃。當(dāng)環(huán)境溫度越高時，冷端出水及回水溫差越大，降溫效果越明顯。根據(jù)上圖分析出在較低環(huán)境溫度下空調(diào)衣工作時冷端系統(tǒng)運行較穩(wěn)定，在環(huán)境溫度較高情況下冷端出水溫度略顯波動，分析其原因可能是因為半導(dǎo)體制冷片熱端散熱不良或者管路連接口有折痕冷量導(dǎo)輸送不流暢造成滯后現(xiàn)象。

3 結(jié)語

本次實驗利用毛細(xì)銅管作為導(dǎo)冷管路明顯提高了導(dǎo)冷效率，采用石墨烯散熱貼在管路上分散了冷量傳遞路徑，增大了衣服內(nèi)表面制冷面積，達(dá)到降溫效果的同時，也使冷量傳遞較為均勻，避免半導(dǎo)體的冷端直接接觸身體帶來的不舒適感。本次實驗采用了4根毛細(xì)管與兩根粗銅管的組合方式，未來也可以通過CFD的方式模擬得出更優(yōu)化的水冷管道排布方式。