聶思萱, 尹 虎, 聶亞東

(北京航空航天大學(xué), 北京 100191)

一些特殊環(huán)境下作業(yè)的工作人員需要持續(xù)暴露在高溫的環(huán)境中,如交警、消防員、煉鋼廠工人等。人在高溫環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)變得焦躁易怒,難以集中注意力,這不僅影響生產(chǎn)效率,導(dǎo)致作業(yè)事故[1],而且還會(huì)引發(fā)心血管緊張或急性心血管疾病,危害人體身體健康[2]。制冷服作為一種可調(diào)節(jié)溫度的服裝,能在高溫環(huán)境中制造一個(gè)相對(duì)舒適的人體微環(huán)境,在特定條件下也可幫助包括患者、運(yùn)動(dòng)員、士兵等在內(nèi)的人群進(jìn)行體溫調(diào)節(jié)和控制[3]。

制冷服的制冷方式有半導(dǎo)體制冷、相變制冷、強(qiáng)制風(fēng)冷、混合制冷等。半導(dǎo)體制冷器的基本單元是熱電偶對(duì),通電情況下,熱電偶一端放熱,另一端吸熱,其具有質(zhì)量輕、體積小、噪聲低、環(huán)保、溫度控制精確的優(yōu)勢(shì)[4],在制冷服領(lǐng)域具備較好應(yīng)用前景。但半導(dǎo)體制冷服也存在熱損失大、制冷效率低的問題,同時(shí),制冷服作為可調(diào)節(jié)人體微環(huán)境的服裝,需要最大限度地降低熱應(yīng)激,提高人體的熱舒適性。這些都是在設(shè)計(jì)中需要解決的難題。本文對(duì)近年來該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究成果進(jìn)行綜述,將半導(dǎo)體制冷服的制冷系統(tǒng)分為冷源模塊和冷端傳熱模塊2部分,以此深入探究具備高制冷效率和高舒適度的半導(dǎo)體制冷服制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 半導(dǎo)體制冷服的冷源模塊

半導(dǎo)體制冷服的冷源模塊由制冷部分和熱端散熱部分組成。在設(shè)計(jì)冷源模塊時(shí),應(yīng)該考慮用戶穿著時(shí)的工況以確定制冷服熱負(fù)荷[5],在保證達(dá)到制冷量需求的同時(shí)提高冷源模塊的制冷效率。

1.1 提高冷源制冷效率的方法

制冷元件部分:通常情況下,制冷元件可按最大制冷量和最大制冷系數(shù)2種要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。選擇半導(dǎo)體制冷元件要同時(shí)考慮系統(tǒng)熱負(fù)荷、元件制冷系數(shù)、服裝工作的外部環(huán)境[7]以及制冷元件需要達(dá)到的冷端溫度,從而確定制冷元件的型號(hào)和級(jí)數(shù)。

電源動(dòng)力部分:控制輸入可提高半導(dǎo)體制冷服的制冷效率。一定范圍內(nèi),由于散熱的限制,存在最佳的工作電壓[8]和工作電流[9]。通過脈沖輸入實(shí)現(xiàn)間歇性降溫能夠在降低能耗的同時(shí)保證制冷服制冷效果[10]。此外,可根據(jù)穿著者的皮膚溫度來控制輸入,最大限度地提高制冷效率,延長(zhǎng)冷卻時(shí)間[11]。

熱端散熱部分:制冷元件的最大冷卻能力隨熱端散熱性能的增強(qiáng)而增大[12]。對(duì)在較高溫環(huán)境下和大功率下運(yùn)行的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng),提升其散熱能力是提高服裝制冷性能的必要措施。

1.2 改善熱端散熱的方法

改善散熱可有效提高半導(dǎo)體制冷服的制冷效率。首先需要降低半導(dǎo)體與熱端散熱器之間的接觸熱阻;其次需要根據(jù)半導(dǎo)體熱負(fù)荷選擇合適的散熱方式。半導(dǎo)體制冷裝置一般的熱端散熱方法有自然對(duì)流散熱、風(fēng)冷散熱、水冷散熱和熱管散熱等。通常自然對(duì)流散熱應(yīng)用在小功率、小制冷量的半導(dǎo)體制冷裝置中[13-14],并不能滿足半導(dǎo)體制冷服的散熱要求[15]。

1.2.1 風(fēng)冷散熱

風(fēng)冷散熱對(duì)于半導(dǎo)體制冷服是可行的方法[16]。散熱器風(fēng)扇的效能主要取決于扇葉直徑、軸向長(zhǎng)度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和扇葉形狀[6]等。風(fēng)扇性能優(yōu)化帶來的轉(zhuǎn)速、風(fēng)量的提高都可提高其散熱效率。D′Angelo等[17]研究證明,熱電冷卻器組件在低功耗(15～24 V)狀態(tài)下,風(fēng)冷散熱器出入風(fēng)口溫度差隨兩端電壓增加而增加。

1.2.2 液冷散熱

熱端液冷散熱可使半導(dǎo)體液冷服的散熱板溫度迅速下降[15]。綜合散熱效果和其質(zhì)量,鋁制水冷散熱盒是最佳選擇[18]。半導(dǎo)體制冷元件冷端溫度會(huì)隨著熱端水冷散熱入口溫度的降低和水流量的增加而降低[14]。Ren等[18]在40 ℃環(huán)境下,使用鋁-水冷散熱器,確定其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中水冷的最佳流量為0.005 6 kg/s。除水之外,使用不同循環(huán)介質(zhì)鹽溶液,對(duì)于液冷散熱也會(huì)產(chǎn)生影響[19]。

1.2.3 熱管散熱

熱管半導(dǎo)體散熱器可從蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的設(shè)計(jì),工質(zhì)的選擇以及充裝量的選擇幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化[20]。Riffat等[21]將熱管與相變材料結(jié)合,提高了熱電制冷系統(tǒng)的性能以及冷卻存儲(chǔ)能力。Winarta等[22]將不同填充比的甲醇工質(zhì)充入帶散熱器的U型熱管中,當(dāng)填充率為45%和55%時(shí),熱電冷卻箱體的制冷系數(shù)更高。

1.2.4 散熱方式對(duì)比

在選擇合適的散熱方式時(shí)要考慮散熱器散熱性能、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量為使用者帶來的穿戴體驗(yàn)影響。3種散熱方式的對(duì)比如表1所示。其中優(yōu)缺點(diǎn)是指應(yīng)用于半導(dǎo)體制冷服時(shí)顯現(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 3種散熱方式的比較Tab.1 Comparison of three heat dissipation methods

2 半導(dǎo)體制冷服的冷端傳熱模塊

傳熱模塊的作用是將半導(dǎo)體制冷服制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量傳遞給人體。傳熱模塊可根據(jù)介質(zhì)的不同分為氣冷傳熱、液冷傳熱和接觸傳熱。

2.1 液冷傳熱

液冷傳熱是通過液體介質(zhì)在冷卻管道中循環(huán)帶走人體熱量,介質(zhì)吸收熱量升溫后再次經(jīng)過冷源裝置被冷卻,繼續(xù)進(jìn)入下個(gè)循環(huán)[24]。半導(dǎo)體制冷服液冷傳熱模塊主要由冷卻管道、服裝、水泵和儲(chǔ)液箱組成,可使用節(jié)流閥和流量計(jì)等設(shè)備檢測(cè)和控制液流情況,模塊形式如圖1所示。對(duì)于液冷傳熱,可通過選擇高效傳熱介質(zhì)、合理鋪設(shè)冷卻管道以及合理設(shè)置液流參數(shù)等方式實(shí)現(xiàn)效率和舒適度最大化。

圖1 液冷傳熱工作形式Fig.1 Form of liquid heat transfer

2.1.1 液冷介質(zhì)

導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是液冷介質(zhì)最重要的2個(gè)技術(shù)指標(biāo)。常見的液冷介質(zhì)有水、冰水混合物、乙烯基乙二酵與水的混合液以及丙二醇和水的混合液等。潛熱型功能熱流體也是一種較好的傳熱介質(zhì),其傳熱效率較水可增高1.5～4倍[25]。Kabeel等[26]發(fā)現(xiàn),使用納米流體和水作為冷卻液,可更大限度地發(fā)揮半導(dǎo)體制冷元件的作用。Zhang等[27]證明水和40%甘油作為冷卻介質(zhì)同樣具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.1.2 冷卻管道的設(shè)置

液體通過冷卻管道將冷量傳遞到人體各部位。管道內(nèi)外壁應(yīng)光滑,具有耐蝕性和耐沖性,還應(yīng)具有一定的力學(xué)強(qiáng)度、可伸縮性和一定的抗?jié)B能力[28]。大多數(shù)冷卻管道使用的材質(zhì)是聚氯乙烯,冷卻回路內(nèi)徑一般為1.5～4 mm,外徑一般為2.9～6 mm[24]。適當(dāng)增加管徑可提高傳熱效率。

冷卻管的分布對(duì)整個(gè)系統(tǒng)制冷效果和穿著熱舒適度產(chǎn)生影響,根據(jù)排布范圍,將液冷服分為局部液冷服和全身液冷服。局部液冷服主要覆蓋軀干、四肢等,僅覆蓋軀干的冷卻管道長(zhǎng)度一般為15～30 m。李利娜[25]則使用聚氨酯制作管道,證明高密排管的液冷服其散熱性能明顯優(yōu)于低密排管,但管長(zhǎng)同時(shí)還要受到基礎(chǔ)服裝尺寸、泵壓、穿著舒適性等方面的限制。尹勇等[28]設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體液冷管道總長(zhǎng)為 44 m, 屬于軀干高密度冷卻管鋪設(shè)方法。全身式水冷服總管范圍一般為90～110 m[29]。全身性、可覆蓋軀干和四肢的多回路液冷服在適應(yīng)人體不同部位熱感覺和舒適性要求方面更有效;但由于半導(dǎo)體制冷的效率有限,所以現(xiàn)有研究仍多為局部單回路液冷服。為提高液冷傳熱效率,冷卻管可根據(jù)不同的工作狀態(tài)在不同部位排布,當(dāng)人體處于休息、步行或身體局部工作等狀態(tài)時(shí),冷卻管分布也應(yīng)有所不同[30-31]。軀干處管道橫向排列時(shí)彎曲方向與人體軀干部的彎曲方向一致,貼合程度高, 換熱效果較縱向更明顯[32]。

2.1.3 液流參數(shù)

液體在管道中流動(dòng)帶走人體的熱量,液體的入口溫度、流量和流速是影響液冷服制冷效率和熱舒適度的關(guān)鍵參數(shù)。

入口溫度對(duì)人體散熱量的影響較明顯。制冷量與入口溫度呈近似線性關(guān)系,入口溫度越低,散熱量越大,但溫度低于10 ℃的液冷介質(zhì)可能會(huì)對(duì)穿著者造成難以接受的熱感覺[33-34]。Zhang等[27]使用水冷方式確定在環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)的最佳進(jìn)水溫度為22 ℃,可使小氣候區(qū)的平均溫度降至 28.5 ℃, 相對(duì)濕度由90%降至58%。液流量增加在一定范圍內(nèi)可提高降溫效率,但只有在一定的制冷條件下,流量才對(duì)冷卻效果有較大的影響[35]。液流速的增加可使半導(dǎo)體元件冷端與循環(huán)水之間的換熱得到強(qiáng)化,并且減小換熱溫差[36]。液流速增大,制冷效率提升,但當(dāng)流速增加到一定值,散熱效率增加速度也會(huì)變緩,同時(shí)又會(huì)對(duì)管道以及水泵產(chǎn)生一定的沖擊力和壓力,因此,設(shè)計(jì)液冷服時(shí)流速選取范圍一般為70～100 kg/h[37]。

2.2 風(fēng)冷傳熱

半導(dǎo)體風(fēng)冷服采用空氣傳熱的方式,通過半導(dǎo)體制冷元件降低空氣溫度,再借助風(fēng)機(jī)/風(fēng)扇驅(qū)動(dòng),將低溫空氣吹入服裝,實(shí)現(xiàn)人體降溫。半導(dǎo)體風(fēng)冷傳熱部分包括風(fēng)扇(風(fēng)機(jī))、基礎(chǔ)服裝及通風(fēng)管道(不必需),形式如圖2所示。通過風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫風(fēng)冷、對(duì)流換熱的同時(shí)促進(jìn)人體汗液的蒸發(fā),不同工況條件如環(huán)境溫濕度和勞動(dòng)強(qiáng)度均對(duì)風(fēng)冷服的影響較大[38]。對(duì)于風(fēng)冷傳熱,選擇合適的風(fēng)通道、控制氣流參數(shù)都是提升制冷服制冷效率和熱舒適度的方法。

圖2 風(fēng)冷傳熱工作形式Fig.2 Form of air heat transfer

2.2.1 氣體通道結(jié)構(gòu)

風(fēng)冷服通常會(huì)將風(fēng)扇產(chǎn)生的氣體導(dǎo)入服裝夾層中,夾層通過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)風(fēng)的導(dǎo)流,將冷空氣分布到身體各處,半導(dǎo)體風(fēng)冷服內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為囊式和管路式2種類型。通道設(shè)計(jì)同時(shí)需要考慮使用者的熱舒適性及穿戴舒適性等問題。

囊式風(fēng)冷服內(nèi)部沒有固定的氣體通道,冷氣經(jīng)由總管路進(jìn)入服裝夾層后,從內(nèi)層的透氣小孔吹至人體表面[39]。同時(shí)服裝夾層中一般會(huì)設(shè)置襯墊,目的是支撐起足夠的空間,避免氣流堵塞。因?yàn)闆]有束縛的氣體通道,囊式風(fēng)冷服雖然有較好的貼身性,但通入冷氣后易引起衣物膨脹,影響穿著人員工作,而且冷氣分配不均,制冷方式比較粗放[40]。其中,出風(fēng)口和風(fēng)扇的位置是囊式風(fēng)冷服設(shè)計(jì)的2個(gè)重要參數(shù)[41]。

管路式風(fēng)冷服由柔性軟管輸氣,所有管路均布置在服裝夾層中。管路包括集氣管和分支管,其中分支管有2種開孔方式:第1種是在分支管的終端開口[42-43],冷氣由分支管終端流出;第2種是分支管終端不開口,管路表面開有若干小孔,冷氣從各個(gè)小孔流出[40]。

許鵬飛[40]設(shè)計(jì)了螺旋式、橫向式、縱向式3種半導(dǎo)體風(fēng)冷服管路系統(tǒng)模式(見圖3),3種管路直徑為22 mm,孔數(shù)量為19個(gè),小孔直徑均為 16 mm。 研究發(fā)現(xiàn),縱向式模型能夠達(dá)到最好的制冷效果。

圖3 螺旋式與橫向式及縱向式風(fēng)冷服Fig.3 Spiral (a), horizontal (b) and vertical (c) air-cooled clothing

米立華[44]設(shè)計(jì)了用橡膠材料制成的肩部連體管道式馬甲,在體表形成導(dǎo)流間隙,并分別利用管路進(jìn)行了不同微孔間距和不同供氣支管根數(shù)模擬研究。Lou等[42]設(shè)計(jì)了樹型風(fēng)冷管道,并通過數(shù)學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了增加管道內(nèi)徑可增加風(fēng)冷服的風(fēng)冷效率。根據(jù)氣體流量設(shè)置樹形主管道與分支管道直徑比可使冷量傳遞效率達(dá)到最佳。Lou等[43]利用如圖4所示裝置,證明了出風(fēng)口位置可顯著影響空氣傳熱效率的結(jié)論。其中:對(duì)于熱空氣,位置3的發(fā)熱功率顯著低于位置2和位置1;對(duì)于冷空氣,位置2表現(xiàn)出明顯高于位置1的冷卻能力。

圖4 Y形空氣分配系統(tǒng)出風(fēng)口的不同位置Fig.4 Different air shunt positions of Y-shaped air distribution system.(a) Position 1; (b) Position 2; (c) Position 3

2.2.2 氣流參數(shù)

風(fēng)速、通風(fēng)量和風(fēng)溫是3個(gè)重要的影響半導(dǎo)體風(fēng)冷服制冷效率的因素,同時(shí)又影響到人體的熱舒適性。

增大進(jìn)氣速度有利于提高風(fēng)冷服的制冷性能,但隨著進(jìn)氣速度的增大,制冷性能增加速度變緩[40]。同時(shí),進(jìn)氣口風(fēng)速的增加意味著空氣更快地通過冷端熱交換器,也會(huì)導(dǎo)致氣體通過制冷元件冷端產(chǎn)生的溫差減小[17]。

服裝尺寸和通風(fēng)量對(duì)人體表觀蒸發(fā)阻力和人體熱損失有顯著影響[45]。同時(shí),風(fēng)冷服各部位空間大小和通風(fēng)量可影響氣流阻力,所以控制管道管徑和服裝尺寸十分重要[46]。在相同勞動(dòng)強(qiáng)度下,在一定范圍內(nèi)增大通風(fēng)量,皮膚溫度降低,雖然降低程度較少,但人體舒適感會(huì)增強(qiáng)[47]。

人體平均皮膚溫度、服裝夾層和外界環(huán)境的溫度差都與風(fēng)冷服進(jìn)氣溫度成近似線性關(guān)系[40],改變風(fēng)溫是一種有效影響制冷的手段。Choudhary等[48]建立了可分析服裝微氣候下的氣體流動(dòng)和傳熱行為的數(shù)值模型,用于確定通風(fēng)服裝的冷卻性能。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)風(fēng)冷夾克工作時(shí),在下背部、腰部和腹部區(qū)域具有更高空氣間隙和空氣流通速度,熱通量和傳熱系數(shù)也更高。陳盛祥等[49]通過研究擋板型、均流器型和直吹型3種進(jìn)氣口形式(如圖5所示)對(duì)空氣層溫度和流速的影響發(fā)現(xiàn):擋板型進(jìn)風(fēng)有利于氣體冷卻服的服裝空氣層溫度的均勻性,但平均溫度較高;直吹型進(jìn)風(fēng)的對(duì)流散熱量最大。

圖5 擋板型和均流器型及直吹型進(jìn)風(fēng)形式Fig.5 Baffle type(a), flow sharing type(b) and direct blowing type(c) air inlet

2.3 接觸傳熱

直接接觸傳熱是將半導(dǎo)體制冷元件冷端與人體接觸,研究對(duì)象大都為可穿戴半導(dǎo)體。冷端一般需要以特定材質(zhì)的導(dǎo)熱膜和柔性基底為依托,或利用特定方法將半導(dǎo)體制冷元件集成到服裝中。丁喜梅[14]提出一種半導(dǎo)體制冷服,使用石墨烯材料導(dǎo)熱膜與半導(dǎo)體制冷元件相結(jié)合后再與人體接觸。Yang等[50]使用4塊半導(dǎo)體制冷片,通過硅膠薄墊和石墨烯直接與人體接觸制作實(shí)驗(yàn)裝置,探究得出在軀干區(qū)域設(shè)置的4個(gè)降溫部位中,上背部最適合局部降溫,而胸部最不適合。Hong 等[51]設(shè)計(jì)了一款靈活可穿戴的柔性半導(dǎo)體制冷元件(TED),使用一種薄的多孔網(wǎng)狀織物覆蓋TED,并將TED集成到一款對(duì)人體皮膚具有長(zhǎng)期、節(jié)能降溫和加熱效果的可穿戴服裝中,無需散熱片即可對(duì)皮膚產(chǎn)生超過 10 ℃ 的巨大降溫效果。Dabrowska等[9]使用帶散熱器的柔性熱電模塊和“皮膚模型”直接接觸組成系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)驗(yàn)證,該系統(tǒng)熱通量會(huì)隨環(huán)境溫度的升高而降低,利用蒸發(fā)效應(yīng)的散熱器是該系統(tǒng)最有效的散熱方式。直接接觸的傳熱方式在局部制冷方面顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì),如Embr實(shí)驗(yàn)室公司開發(fā)的Embr Wave腕帶的商用半導(dǎo)體制冷可穿戴手環(huán),其冷卻面積為6.25 cm2,相較其它制冷和傳冷方式,制造了更小的局部制冷面積和裝置體積。

2.4 傳熱方式對(duì)比

在選擇傳熱方式時(shí),需要考慮制冷服的工作工況以及傳熱部分的傳熱性能、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等因素。各傳熱方式的特點(diǎn)對(duì)比如表2所示。傳熱部分仍需解決的問題有:在保證制冷量不損失的前提下,盡可能減輕液冷裝置質(zhì)量;均勻液冷冷卻管各部分溫度防止出現(xiàn)過冷;減少風(fēng)冷傳熱時(shí)的熱損失等。接觸傳熱中使用柔性熱電模塊和基底以及散熱問題仍是重要的研究方向。

表2 3種傳熱方式的比較Tab.2 Comparison of three heat transfer methods

3 服裝微環(huán)境熱舒適度評(píng)價(jià)

制冷服的穿著熱舒適度實(shí)驗(yàn)是評(píng)估制冷服效能,檢驗(yàn)制冷服設(shè)計(jì)新概念,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的重要方式?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體制冷服熱舒適度研究較少,但實(shí)驗(yàn)者可通過了解其它制冷方式下的制冷服熱舒適度實(shí)驗(yàn),建立半導(dǎo)體制冷服熱舒適度的實(shí)驗(yàn)方法。

熱舒適度實(shí)驗(yàn)需要考慮的因素是多元的,除裝置本身外,環(huán)境條件、實(shí)驗(yàn)方案、人體狀態(tài)等均可能成為實(shí)驗(yàn)中的可變參數(shù),要保證制冷服可適應(yīng)多種工況下的熱舒適就要從多個(gè)方面進(jìn)行考量。

裝置方面,對(duì)于液冷服裝來說,熱舒適度影響因素有服裝結(jié)構(gòu)、液流參數(shù)、裝置覆蓋面積和位置[50]、液冷服內(nèi)層織物的選擇[52]等。對(duì)于風(fēng)冷服裝來說,熱舒適度影響因素有氣流參數(shù)、服裝結(jié)構(gòu)、服裝空氣流通空間和空氣流通性能等[46]。實(shí)驗(yàn)中可改變的還包括裝置的運(yùn)作情況如間歇運(yùn)作以及裝置的負(fù)荷情況等[53-54]。實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置外服裝的選擇往往取決于制冷服的應(yīng)用場(chǎng)景,隔熱性是重要指標(biāo),外服裝的選擇通常包括個(gè)人防護(hù)裝備[52]如消防服[55],或鍍鋁防護(hù)服[56]等。

外部環(huán)境方面最常改變的參數(shù)是溫度[57-58],濕度等。實(shí)驗(yàn)中,氣溫變化范圍通常在24～40 ℃,穩(wěn)態(tài)變化單次變化幅度通常為2～5 ℃。皮膚溫度感受器具備動(dòng)態(tài)特性,適當(dāng)設(shè)計(jì)瞬態(tài)熱環(huán)境可實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)驗(yàn)效果[59]。除改變空氣溫度外,還可探究輻射溫度的影響[60]。溫度的變化方向、變化率也對(duì)熱舒適度產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要為人工氣候室和真實(shí)室外環(huán)境[61]。

在進(jìn)行人體著裝實(shí)驗(yàn)時(shí)需要考慮被試者的自身因素,主要表現(xiàn)為個(gè)體差異如性別、年齡、身體健康狀況等[62]。被試者的熱歷史和身體適應(yīng)情況也需考慮在內(nèi)[63]。在實(shí)驗(yàn)時(shí),被試者的身體姿勢(shì)[43]、行為狀態(tài)[64-65]、勞動(dòng)強(qiáng)度等[52]也是影響制冷服穿著舒適度的重要因素[54-55]。為尋找裝置的舒適邊界,實(shí)驗(yàn)可允許被試者自愿控制服裝的冷卻程度[66]。

熱舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)通常有:各種生理參數(shù)[67]如平均及局部皮膚溫度、核心溫度、心率、腦電等;服裝微環(huán)境參數(shù)如溫濕度等;主觀評(píng)估如熱感覺、熱舒適度量表等?？稍诓煌褂脠?chǎng)景和角色的情況下使用不同的評(píng)價(jià)參數(shù)。熱舒適度死區(qū)[42]、不舒適時(shí)間比[8]等也可以作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。

除人體實(shí)驗(yàn)之外,建立舒適模型是高效分析和評(píng)估制冷服舒適度的方法。舒適模型除了可探究各種參數(shù)對(duì)制冷服舒適度的影響,還可用來確定冷源部分的最優(yōu)配置方案[40,68],估計(jì)制冷服的冷卻效率[69]以及預(yù)測(cè)人體穿著制冷服時(shí)的舒適度[70]。

4 結(jié)束語(yǔ)

半導(dǎo)體制冷服一方面需要在高制冷效率下滿足人體所需的制冷量,另一方面需要最大限度提升人體的熱舒適度。本文主要總結(jié)了半導(dǎo)體制冷服的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法,包括設(shè)計(jì)之初熱負(fù)荷的確定,風(fēng)冷、液冷和接觸傳熱方式中各參數(shù)的確定,3種傳熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及3種散熱方法的優(yōu)缺點(diǎn),可為設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷服舒適度和制冷效率的最大化提供參考。同時(shí),本文總結(jié)的一些方法同樣適用于半導(dǎo)體制熱服的設(shè)計(jì),雙制特性將成為未來半導(dǎo)體作為空調(diào)服冷源的優(yōu)勢(shì)之一。但是,目前在此領(lǐng)域還存在一些問題,從半導(dǎo)體本身出發(fā),其制冷效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)制冷方法,傳熱過程也存在熱損失。各種傳熱、散熱方式目前都還存在短板,這對(duì)兼顧美觀、便攜、可控、高舒適度、適用于多場(chǎng)景的半導(dǎo)體制冷服設(shè)計(jì)是一種挑戰(zhàn)。未來的研究方向建議側(cè)重以下幾個(gè)方面。

1)采集服裝微環(huán)境溫度和人體體表溫濕度參數(shù)并對(duì)制冷服形成反饋,實(shí)現(xiàn)智能控溫和智能參數(shù)控制。輸入脈沖電流,可降低能耗,提升用戶的穿戴體驗(yàn)。

2)半導(dǎo)體有既可制冷又可制熱的特點(diǎn),而且其制熱效率高,針對(duì)半導(dǎo)體雙制空調(diào)服展開更具體的研究,可豐富空調(diào)服的使用場(chǎng)景。

3)柔性可穿戴半導(dǎo)體制冷服是未來制冷服的發(fā)展方向之一,可考慮將熱電偶與織物結(jié)合,攻克現(xiàn)在存在的效率、散熱等方面的瓶頸,將大大降低用戶的穿戴負(fù)擔(dān)。