基于热电制冷技术的降温服研究

张 静

(陕西工业职业技术学院航空工程学院，陕西 咸阳 712000)

2021年8月，国内新冠肺炎疫情出现反弹，室外体感温度超过40 ℃的环境下，医务人员奋战在岗位上，用个人的付出守护大家的平安。长时间处于高温环境下，人体会产生热应激反应，导致体能消耗过度，影响人体健康，严重时会危及生命。为了确保在高温环境下工作人员的健康和工作效率，穿着降温服已成为一种重要的、新型的解决方式。

近年来，随着我国冷却技术的发展，不同种类的制冷样机相继出现。热电制冷是一种以热电制冷材料即热电制冷芯片为基础，延伸出来的一种新型绿色制冷技术[1]。热电制冷因结构组成简单、安全、无污染等优点，具有广泛的应用和市场前景[2]。

1 热电制冷原理

热电制冷最基本的元器件是热电偶对，即由P型半导体和N型半导体组成的结构整体。热电制冷原理如图1所示，直流电源供电后会形成回路，在半导体的冷端，电流从N型半导体流向P型半导体，吸收环境中的热量导致温度下降；在半导体的热端，电流从P型半导体流向N型半导体，向环境中散发热量导致温度升高，一般采用热管、风扇等装置向外界环境中散热[3-5]。

图1 热电制冷原理图

根据热学分析，可得出半导体热电偶对的基本计算公式[6-8]：

半导体冷端制冷量pc：

(1)

半导体热端散热量ph：

(2)

半导体消耗功率p：

p=ph-pc=αPNIΔT+I2R

(3)

半导体制冷系数ε：

(4)

式中：αPN为温差电动势，是P型半导体端温差电动势αp和N型半导体端温差电动势αN二者绝对值之和，V；I为回路电流，A；Tc为半导体冷端温度，K；Th为半导体热端温度，K；R为电偶臂电阻，Ω；k为电偶臂总热导，W/K；ΔT为冷热端温差，K。

2 热电制冷降温服设计

根据冷却介质的不同，降温服主要分为气体降温服、液体降温服和相变材料降温服。不同降温服的性能特点见表1。

表1 不同降温服性能比较

由表可知，液体降温服冷却能力较强，在一定的工作时长内，质量适中，且成本较低。综合多方面因素，选择水作为热电制冷降温服的冷却介质。

2.1 传热分析

根据热量平衡分析，可知人体-服装-环境系统存在两个传热路径：人体新陈代谢产热向降温服中冷却液的热量传递，外界环境向冷却液的热量传递。如图2所示，系统的热量传递可用式(5)表示：

图2 人体-降温服-环境系统传热模型

Qw=Qc+Qr+Qm

(5)

式中：Qw为冷却液换热量；Qc为对流换热量；Qr为辐射换热量；Qm为热传导换热量。

2.1.1对流换热量Qc

降温服与环境之间通过自然对流产生的热量Qc分为两部分：人体皮肤表面与周围热环境之间通过自然对流传递的热量Qc1，制冷系统与周围热环境之间通过自然对流换热传递的热量Qc2。

Qc1=hAs(Ts-Ta)

(6)

Qc2=hAp(Tp-Ta)

(7)

式中：h为对流换热系数；As为人体皮肤表面与周围环境的接触面积，m2；Ap为制冷系统与周围环境的接触面积，m2；Ts为人体体表温度，℃；Ta为周围环境温度，℃；Tp为制冷系统冷端温度，℃。

2.1.2辐射换热量Qr

降温服与环境之间通过辐射产生的热量Qr分为两部分：人体皮肤表面与周围热环境之间通过辐射换热传递的热量Qr1，制冷系统与周围环境之间通过辐射换热传递的热量Qr2。

(8)

(9)

式中：ε为着装人体体表发射率，一般情况下取0.97；σ为Stefan-Boltzmann常量，取值为5.67×10-8W/( m2·K4)。

2.1.3热传导换热量Qm

当人体着装降温服时，皮肤与降温服紧密接触，可认为人体通过新陈代谢所产生的热量全部传递给了降温服。故人体与降温服之间的热传导量Qm计算如下：

Qm=qA

(10)

式中：q为组织温度，℃；A为人体表面积，m2。

2.1.4制冷系统中水循环吸收热量Qw

Qw=qmcΔt

(11)

式中：qm为冷却液的体积，m3；c为冷却液的比热容，kJ/(kg·K)；Δt为冷却液温度变化量。

2.2 系统设计

降温服系统主要由动力系统、换热管网系统和热电制冷系统3部分组成。如图3所示，动力系统包括移动电源、控制开关及循环泵，其中循环泵是冷却介质在换热管网内流动的动力源。换热管网系统由基础服装及换热管路组成，通过冷却介质在管路中的流动与人体进行热量交换，带走人体的热量，实现对人体的降温作用。制冷系统维持循环冷却介质处于低温状态。

图3 降温服系统结构图

在制冷系统中，通过热电制冷片的冷面与水箱直接接触，通过热量交换得到温度较低的冷却介质，在循环泵的驱动下，冷却介质在换热管网内循环流动，带走人体热量，达到降温的效果[9]。其中，制冷系统可以放置于挎包或背包内以便携带。

3 热电制冷降温服性能测试

3.1 实验方案

实验在温度可控的人工气候室内开展，实验系统如图4所示。受试者静坐于温度为35～45 ℃的高热环境下，以获得不同工况下受试者的生理参数数据，从而对热电制冷降温服的降温效果进行测试[10]。记实验正式开始的时间为0 min，采用生理信号采集系统对受试人员的生理参数进行连续的采集、记录。

图4 实验系统示意图

3.2 结果分析

3.2.1心率

心率反映了机体的运动状态和循环系统供血状态，当人处于高温环境中，心率明显增加。机体在高温环境下为了维持热平衡，通过大量出汗增加人体散热，出汗量的增加使得大量血液流向体表，体内组织中的循环血量减少，引起心率增加。当环境温度分别为35 ℃、40 ℃、45 ℃时，受试者穿着普通衣服及穿着降温服时的心率变化如图5～图7所示。

图5 35 ℃时心率变化图

分析图5～图7可得：

图6 40 ℃时心率变化图

图7 45 ℃时心率变化图

1)在环境温度为35 ℃、40 ℃、45 ℃时，受试者在未穿降温服的情况下，在0—30 min，心率呈明显上升趋势，在30 min后，心率增加缓慢，总体呈上升趋势；

2)在穿着降温服的情况下，受试者的心率均低于相同条件下未穿降温服时的心率，心率略有波动，但总体保持稳定状态；

3)随着环境温度的升高，心率值呈现上升趋势，且环境温度越高时，心率值波动越大。

3.2.2皮肤温度

当环境温度分别为35 ℃、40 ℃、45 ℃时，受试者穿着普通衣服及穿着降温服时的皮肤温度变化如图8～图10所示。

图8 环境温度35 ℃时受试者的皮肤温度测量情况

图9 环境温度40 ℃时受试者的皮肤温度测量情况

图10 环境温度45 ℃时受试者的皮肤温度测量情况

分析图8～图10可得：当环境温度分别为 35 ℃、40 ℃、 45 ℃时，受试者穿着普通服装时的皮肤温度随着时间的增加都呈现上升趋势。穿着降温服后，皮肤温度缓慢下降后趋于稳定，且与穿普通服装相比，皮肤表面温度整体低于穿着普通服装的温度，范围为2～4 ℃。

3.2.3核心温度

当环境温度分别为35 ℃、40 ℃、45 ℃时，受试者穿着普通衣服及穿着降温服时的核心温度变化如图11～图13所示。

图11 环境温度35 ℃时受试者的核心温度测量情况

图12 环境温度40 ℃时受试者的核心温度测量情况

图13 环境温度45 ℃时受试者的核心温度测量情况

分析图11～13可得：当环境温度分别为 35 ℃、40 ℃、 45 ℃时，受试者穿着普通服装时的核心温度随着时间的增加都呈现明显上升趋势；当穿着降温服时，人体的核心温度没有出现大的波动情况，趋于稳定状态，且都低于未穿降温服时人体的核心温度值。

通过对心率、皮肤温度及核心温度等生理参数的分析，可以得出如下结论：在高温环境下，穿着本文所研制降温服的受试者各项参数优于穿着普通服装后的参数；实验结束后受试者均表示穿着降温服后身体和心理上更加舒适，证明所研制的热电制冷降温服具有一定的降温性能。

4 结束语

本文所设计的基于热电制冷技术的降温服，能够有效降低高温环境对人体健康的危害性，对于应急救援、人员安全评估等公共安全领域有着重要意义。由于我国劳动群体基数大和地域差异性，导致不同个体对温度敏感程度不同，在后续研究中，应扩大不同地区受试者样本量。同时结合无线传感技术，采用微型传感器等先进技术实测高温环境下机体的核心温度、心率、呼吸频率等多生理参数，对高温环境下机体生理参数进行实测分析，减小实验误差，提高实验的准确性。