楊伊琳，李愛(ài)琴，張志松，李富強(qiáng)，耿新飛

(北京石油化工學(xué)院，北京 102617)

為了提高交通警察、邊關(guān)戰(zhàn)士、油田礦業(yè)等室外工作人員寒暑季節(jié)工作的舒適度，研制一款輕便且易于穿著的空調(diào)服勢(shì)在必行。目前應(yīng)用的空調(diào)服有液體冷卻[1]、氣體冷卻[2]和相變冷卻3種型式[3-4]。液體冷卻空調(diào)服整體質(zhì)量過(guò)大，穿著人員長(zhǎng)期穿戴易疲勞；氣體冷卻空調(diào)服輸送冷氣的氣流量大、運(yùn)輸通道多，穿著人員行動(dòng)不便；相變冷卻空調(diào)服每隔一段時(shí)間必須及時(shí)更換新相變材料，且時(shí)常出現(xiàn)相變材料泄漏的現(xiàn)象。半導(dǎo)體制冷制熱技術(shù)具有環(huán)保、安全性能高、使用便捷的特點(diǎn)[5-6]。因此，筆者將半導(dǎo)體制冷技術(shù)與流體流動(dòng)降溫巧妙地結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一款新型半導(dǎo)體升降溫空調(diào)服，并利用風(fēng)速儀、紅外測(cè)溫儀以及熱電偶測(cè)溫計(jì)對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，用Fluent軟件對(duì)空調(diào)服內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，最終確定最佳的空調(diào)運(yùn)行參數(shù)。

1 空調(diào)服的設(shè)計(jì)與測(cè)試

1.1 空調(diào)服的設(shè)計(jì)

影響空調(diào)服制冷效果的主要因素有氣流溫度、氣流速度和人體表面的有效換熱面積等。理論上，入口的氣流溫度越低，氣流速度越大，制冷效果越好。但事實(shí)上，如果入口的氣流溫度過(guò)低、速度過(guò)大，則會(huì)使人體表面組織發(fā)生顫抖，產(chǎn)生不舒適的感覺(jué)。因此，空調(diào)服的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是結(jié)合人體熱舒適度的理論分析對(duì)空調(diào)服內(nèi)部的布置進(jìn)行合理安排。

1.1.1 簡(jiǎn)化控制方程

首先，從生物傳熱學(xué)的角度出發(fā)，根據(jù)Pennes方程建立人體上軀干的傳熱學(xué)模型[7]。人體上軀干的數(shù)學(xué)模型中，各個(gè)參數(shù)的取值為[8-10]：骨骼：密度ρbn為1 220 kg/m3，導(dǎo)熱率Kbn為0.75 W/(m·K)，比熱容cbn為2 100 J/(kg·K)，溫度為Tbn。肌肉：密度ρms為1 120 kg/m3，導(dǎo)熱率Kms為0.5 W/(m·K)，比熱容cbn為4 200 J/(kg·K)，溫度為Tbn。與其他組織不同的是，肌肉是發(fā)生大量新陳代謝的主要場(chǎng)所，需要供給大量血液，在模型的計(jì)算中，需要考慮新陳代謝率和血液灌注率：新陳代謝率Qm為420 W/m3，血液灌注率ωb為0.000 5 mL/(s·mL)。脂肪：密度ρfa為790 kg/m3，導(dǎo)熱率Kfa為0.2 W/(m·K)，比熱容cfa為4 200 J/(kg·K)，溫度為Tfa。皮膚：密度ρs為1 000 kg/m3，導(dǎo)熱率Ks為0.3 W/(m·K)，比熱容cs為4 200 J/(kg·K)，溫度為Ts。

在研究實(shí)際問(wèn)題過(guò)程中，為了簡(jiǎn)便計(jì)算，可以簡(jiǎn)化方程，選取人體的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，從中心出發(fā)到人體表面的方向?yàn)閄軸方向，簡(jiǎn)化為骨骼到肌肉、到脂肪，最后到上層皮膚。簡(jiǎn)化后方程的一般形式為：

(1)

式中：x為一維直角坐標(biāo)系，其中x∈[0，1]；k(x)為沿x軸方向的熱導(dǎo)率。

1.1.2 確定邊界條件并進(jìn)行計(jì)算

首先，在自然對(duì)流的情況下求解其穩(wěn)態(tài)解，此時(shí)，人體的上軀干表面(即x=l處)無(wú)制冷源，只有自然對(duì)流換熱的過(guò)程，即-kdT0(x)/dx=h0Tf-T0(x)，假設(shè)人體中心處的溫度為定值，即x=0時(shí)，T0(x)=Tc。

根據(jù)上述邊界條件，得出求解的方程組：

(2)

式中：T(x，0)=T0(x)為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)；Tc為軀干中心溫度(K)，一般工況下為常數(shù)C；h0為對(duì)流換熱系數(shù)(W/(m2·K))；Tf為周圍環(huán)境溫度(K)。

最終，將規(guī)定的邊界調(diào)節(jié)代入解得通解，并得出常系數(shù)C1、C2，得最終方程組為：

(3)

在相同的情況下，當(dāng)邊界條件為自然對(duì)流，且人體上軀干有制冷源，人體上軀干的傳熱模型方程組為：

(4)

式中：q0為人體上軀干邊界條件上的熱流密度，通常設(shè)定為一個(gè)常數(shù)。

同樣，根據(jù)上述邊界條件，得出求解的方程組：

(5)

1.2 制冷系統(tǒng)各部件的型號(hào)選擇1.2.1 半導(dǎo)體制冷片的選擇

計(jì)算人體降溫所需的制冷量來(lái)進(jìn)一步確認(rèn)制冷片的相關(guān)性能參數(shù)，選取國(guó)人男性標(biāo)準(zhǔn)身高為175 cm，其上半身軀干長(zhǎng)度約為45 cm。為方便計(jì)算，將軀干部分近似看作為圓柱體，制冷氣體充滿空調(diào)服外層與內(nèi)層時(shí)的平均間隔為Δx=2.8 cm，制冷氣體體積約為V0=8 000 cm3，計(jì)算人體間隙空間體積，要考慮體積系數(shù)，體積系數(shù)選取δ=1.1，修正后人體間隙空間體積V=V0·δ=8 800 cm3。夏季26 ℃時(shí)令人感到舒適，外界溫度選取為39 ℃，空氣的密度ρa(bǔ)=1.295 kg/m3，制冷空氣質(zhì)量為ma=ρa(bǔ)·V=1.15×10-2kg，空氣的比熱容ca=1.006×103J/(kg·℃)，空氣由39 ℃下降到26 ℃所需的制冷量Q0=ca·ma·Δt=150 J。根據(jù)上述計(jì)算，對(duì)型號(hào)為TEM1-12708、TEM1-12710和TEM1-12712共3種方形的半導(dǎo)體制冷片以及型號(hào)為TES1-04903的圓形半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷效果以及相應(yīng)散熱風(fēng)扇的測(cè)試。最終確定使用型號(hào)為TEM1-12710的超導(dǎo)鋁半導(dǎo)體制冷片，制冷片的主要參數(shù)如表1所示。

表1 制冷片TEM1-12710的參數(shù)

1.2.2 電源的選擇

電源是為空調(diào)服提供電力來(lái)源的重要組件。鑒于空調(diào)服的易攜帶及輕便性，根據(jù)各個(gè)設(shè)備的用電量計(jì)算，選擇適合匹配輸出電壓的電池，最后選用3種小型且高效的可充電電池為設(shè)備供能，其型號(hào)及參數(shù)如表2所示。

表2 電源的型號(hào)及參數(shù)

1.2.3 散熱風(fēng)扇的選擇

散熱風(fēng)扇的選擇關(guān)系到散熱片的散熱效果，在選擇散熱風(fēng)扇時(shí)，需要考慮電壓、電流、外型尺寸、風(fēng)量大小以及風(fēng)扇本身的質(zhì)量。

散熱風(fēng)扇所需的電源電壓為12 V，由《電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》可知，散熱風(fēng)扇的外型尺寸由半導(dǎo)體制冷片的大小決定，已知選取的制冷片規(guī)格為40 mm×40 mm×5 mm，所匹配的太陽(yáng)花形散熱片規(guī)格為φ61 mm×20 mm，因此選用的散熱風(fēng)扇的外型尺寸為60 mm×60 mm×25 mm。散熱風(fēng)扇的參數(shù)如表3所示。

表3 AFB0612EH-ABFOO散熱風(fēng)扇的參數(shù)

1.2.4 排氣風(fēng)扇的選擇

選用的排氣風(fēng)扇共有4個(gè)檔位，如圖1所示，經(jīng)熱線風(fēng)速儀測(cè)定：1檔時(shí)風(fēng)速為3.2 m/s；2檔時(shí)風(fēng)速為4 m/s；3檔時(shí)風(fēng)速為4.4 m/s；4檔時(shí)風(fēng)速為4.8 m/s。經(jīng)測(cè)試此風(fēng)扇符合本實(shí)驗(yàn)的要求。

圖1 排氣風(fēng)扇實(shí)物圖

1.2.5 散熱片型號(hào)的選擇

根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的外形尺寸，選擇40 mm×40 mm×11 mm的散熱片作為排氣風(fēng)扇處的散熱片，方形散熱片的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2所示。根據(jù)散熱風(fēng)扇的尺寸，選用了61 mm×36.5 mm×20 mm的實(shí)心太陽(yáng)花散熱片，太陽(yáng)花形散熱片的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3所示。

圖2 方形散熱片的CAD側(cè)視圖

圖3 太陽(yáng)花形散熱片的CAD側(cè)視圖

制冷系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。待背后的制冷箱搭建完成，可以添加背帶，使其固定在背后，并將一定重力分配給兩肩，使穿著效果達(dá)到最舒適的狀態(tài)。穿著這款空調(diào)服后的照片如圖5所示。

圖4 制冷系統(tǒng)的局部視圖

圖5 空調(diào)服穿上后的整體效果圖

1.3 測(cè)試儀器及測(cè)試過(guò)程

(1)熱線風(fēng)速儀(Testo 425)：熱線風(fēng)速儀是將流速信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的一種測(cè)速儀器，也可測(cè)量流體溫度或密度。

(2)熱電偶測(cè)溫計(jì)(HI 98701)：熱電偶傳感器是目前接觸式測(cè)溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器，在工業(yè)用溫度傳感器中占有極其重要的地位。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳。

(3)紅外測(cè)溫儀(Raytek ST 30)：紅外測(cè)溫有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)物制作完成后，熱線風(fēng)速儀測(cè)量了進(jìn)出口的流速，入口處的參數(shù)作為Fluent模擬中的初始條件，出口處的參數(shù)值用于與模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖如圖6所示。

圖6 測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖

2 數(shù)值模擬及工作參數(shù)的確定

2.1 幾何模型的建立

利用Solidworks 2013軟件建立人體與衣服之間空間的三維模型，此模型的內(nèi)側(cè)為人體軀干的表面，外側(cè)為使用過(guò)程中空調(diào)服的表面，如圖7所示。

圖7 衣服空間的幾何模型

由圖7中可以看出，衣服背部的2個(gè)圓為氣體入口，2個(gè)袖子和領(lǐng)口為氣體出口，其他封閉部分都為壁面，實(shí)線與虛線之間的空間為氣體流動(dòng)的區(qū)域。

2.2 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行數(shù)值模擬前，首先對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將計(jì)算域離散化[7]。對(duì)于像空調(diào)服不規(guī)則區(qū)域中的流動(dòng)和傳熱分析，采用對(duì)計(jì)算域外形適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，經(jīng)劃分流體域被劃分為4 826 011個(gè)網(wǎng)格，833 855個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 空調(diào)服整體的網(wǎng)格劃分圖

圖9 空調(diào)服局部的網(wǎng)格劃分圖

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

利用商業(yè)軟件ANSYS Fluent 19.1建立數(shù)值模型并進(jìn)行運(yùn)行仿真。利用k-epsilon湍流模型對(duì)衣腔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。k-?模型的細(xì)節(jié)見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。使用SIMPLE算法建立速度與壓力的耦合關(guān)系，并采用二階迎風(fēng)方案離散化動(dòng)量、能量、湍動(dòng)能和湍流耗散率方程式。當(dāng)殘差值為10-6時(shí)，計(jì)算被認(rèn)為是收斂的。

在計(jì)算中使用以下連續(xù)性、動(dòng)量和能量控制方程式：

連續(xù)性方程：

(6)

動(dòng)量方程：

(7)

能量方程：

(8)

keff=k+kt

(9)

其中：ρ為密度；ui為速度矢量；p為壓力；μ和μt分別為分子黏度和湍流黏度；keff為有效電導(dǎo)率；kt為湍流熱導(dǎo)率。

2.3.1 直吹柔和風(fēng)速

在柔和風(fēng)速中，在其他條件都相同的情況下(入口溫度為26 ℃，即299 K)，此處選取的3種不同風(fēng)速分別為0.3、0.5、0.7 m/s。為了便于比較，給出了不同風(fēng)速下的壓力、速度、溫度分布云圖，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同入口風(fēng)速時(shí)的Velocity/Pressure/Temperature分布云圖

由圖10可以看出，在不同風(fēng)速條件下，各參數(shù)分布略有不同，但總體差別不大。0.3、0.5、0.7 m/s 3種氣流速度下各采樣點(diǎn)的風(fēng)速、壓力、溫度如表6、表7、表8所示。

表6 直吹柔和風(fēng)速下的各部位風(fēng)速

從表6中可以看出，隨著入口氣流速度的增大，出口氣流速度也會(huì)上升，且各部分上升的比例大致相同。由于入口面積大于出口面積，所以在氣體流量相同的情況下，通過(guò)領(lǐng)口與袖口處的氣流速度較快。同時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，出入口的風(fēng)速差值也會(huì)變大。

不同風(fēng)速下各部位的壓力如表7所示。

表7 直吹柔和風(fēng)速下的各部位壓力

在設(shè)置基本參數(shù)時(shí)，設(shè)定出口壓力處為靜壓，所有的出口壓力等于0 Pa，從表7可以看出，入口處的氣流速度越大，壓力也越大。

不同風(fēng)速下各部位的溫度如表8所示。

從表8中可以看出，直吹柔和風(fēng)速情況下，入口處無(wú)論是溫度還是速度都是比較柔和的，直接吹到人體皮膚表面時(shí)，給人感覺(jué)涼爽舒適無(wú)刺激感。但是由于溫度較高，速度也較慢，所以需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間才能將人體皮膚表面的溫度降到舒適的范圍之內(nèi)。

表8 直吹柔和風(fēng)速下的各部位溫度

2.3.2 夾層強(qiáng)勁風(fēng)速

對(duì)于上述直吹柔和風(fēng)速時(shí)存在的不足，加大了排氣風(fēng)扇的風(fēng)速?？照{(diào)服在設(shè)計(jì)時(shí)將氣流入口放在后背腰部，這是由于人體背部含有大量神經(jīng)系統(tǒng)，脊椎腰部對(duì)風(fēng)速十分敏感，根據(jù)《人體熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)》，背部直吹風(fēng)速不宜超過(guò)0.8 m/s[12]，否則容易引發(fā)背痛、腰痛等疾病。

為降低風(fēng)速過(guò)大對(duì)人體造成的不適感，在貼近人體內(nèi)側(cè)加入了一層舒適微滲風(fēng)的布料。改進(jìn)后的入口溫度為24 ℃(即297 K)。排氣風(fēng)扇共有4個(gè)檔位，風(fēng)速分別為3.2、4.0、4.4、4.8 m/s，隨著風(fēng)速的增大，入口氣流的溫度逐漸降低。與計(jì)算模型身材相似的體驗(yàn)者穿著此款改進(jìn)后的空調(diào)服后，皮膚表面無(wú)刺激性反應(yīng)，且制冷速度很快，2～5 min內(nèi)，穿著本款空調(diào)服的人的體表溫度可達(dá)人體正常舒適的溫度。對(duì)改進(jìn)后的空調(diào)服也做了Fluent模擬， 3.2、4.0、4.4、4.8 m/s風(fēng)速下的壓力、速度、溫度分布云圖如圖11所示。

圖11 不同入口風(fēng)速時(shí)的速度、壓力和溫度

從圖11中可以看出，夾層強(qiáng)勁風(fēng)速與直吹柔和風(fēng)速的云圖相比，出口處與衣服外層的溫度更低，說(shuō)明這種情況下的制冷效果較好。夾層強(qiáng)勁風(fēng)速下的各部位風(fēng)速如表9所示。

表9 夾層強(qiáng)勁風(fēng)速下的各部位風(fēng)速

由表9中可以看出，隨著入口氣流速度的增大，出口氣流速度也會(huì)上升，且各部分上升的比例大致相同。由于入口面積大于出口面積，所以在氣體流量相同的情況下，通過(guò)領(lǐng)口與袖口處的氣流速度較大，同時(shí)，隨著入口風(fēng)速的增大，出入口的風(fēng)速差值也會(huì)變大。

夾層強(qiáng)勁風(fēng)速下的各部位壓力如表10所示。

表10 夾層強(qiáng)勁風(fēng)速下的各部位壓力 Pa

設(shè)定出口壓力為靜壓，所有的出口壓力為0 Pa，從表10中可以看出，入口處的風(fēng)速越大，壓力也越大，并且上升的幅度接近線性比例。

不同風(fēng)速下各部位的溫度如表11所示。

由表11可以看出，入口溫度為297 K時(shí)，當(dāng)入口風(fēng)速分別為3.2、4、4.4、4.8 m/s時(shí)，制冷效果都很好。在測(cè)量入口溫度時(shí)，同時(shí)測(cè)量了出口溫度(使用的測(cè)量?jī)x器為Testo 425熱線風(fēng)速儀)，測(cè)得的出口平均溫度為299 K，與模擬的結(jié)果幾乎一致，將模擬的12組出口溫度的數(shù)據(jù)與測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表12、圖12所示。

表11 夾層強(qiáng)勁風(fēng)速下的各部位溫度

表12 夾層強(qiáng)勁風(fēng)速下的模擬值與測(cè)量值之差

圖12 Fluent模擬與儀器測(cè)量的出口溫差

由圖12中可以看出，數(shù)值模擬與儀器測(cè)量溫度的差值很小，最大為1.3 ℃，還有1組為0.8 ℃和1組為0.5 ℃，其他幾乎為零。將Fluent模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，半導(dǎo)體空調(diào)服最佳的運(yùn)行組合以及氣流流量等參數(shù)驗(yàn)證了此款新型設(shè)計(jì)的空調(diào)服的合理性，這對(duì)后期制冷+制熱型空調(diào)服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與發(fā)展起到了很好的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

(1)在設(shè)計(jì)與測(cè)試中，通過(guò)多種制冷片的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，型號(hào)為TEM1-12710的制冷片具有最佳的制冷參數(shù)。

(2)直吹柔和風(fēng)速適合在環(huán)境溫度較高、人體表面出汗量較少時(shí)使用；夾層強(qiáng)勁風(fēng)速適合在環(huán)境溫度高、人體表面出汗量較多時(shí)使用。風(fēng)速柔和情況下，人體大約5～10 min達(dá)到舒適的溫度；風(fēng)速?gòu)?qiáng)勁的情況下，人體大約2 min左右達(dá)到舒適的溫度。

(3)經(jīng)Fluent模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，模擬結(jié)果準(zhǔn)確、誤差較小，該模擬方法可以用于空調(diào)服的數(shù)值模擬。經(jīng)試穿體驗(yàn)，此款空調(diào)服穿著舒適、攜帶輕便且耗電量少，適合批量生產(chǎn)。