一种新型半导体空调服的设计与测试

杨伊琳，李爱琴，张志松，李富强，耿新飞

(北京石油化工学院，北京 102617)

为了提高交通警察、边关战士、油田矿业等室外工作人员寒暑季节工作的舒适度，研制一款轻便且易于穿着的空调服势在必行。目前应用的空调服有液体冷却[1]、气体冷却[2]和相变冷却3种型式[3-4]。液体冷却空调服整体质量过大，穿着人员长期穿戴易疲劳；气体冷却空调服输送冷气的气流量大、运输通道多，穿着人员行动不便；相变冷却空调服每隔一段时间必须及时更换新相变材料，且时常出现相变材料泄漏的现象。半导体制冷制热技术具有环保、安全性能高、使用便捷的特点[5-6]。因此，笔者将半导体制冷技术与流体流动降温巧妙地结合起来，设计了一款新型半导体升降温空调服，并利用风速仪、红外测温仪以及热电偶测温计对其进行性能测试，用Fluent软件对空调服内部流场进行数值模拟，最终确定最佳的空调运行参数。

1 空调服的设计与测试

1.1 空调服的设计

影响空调服制冷效果的主要因素有气流温度、气流速度和人体表面的有效换热面积等。理论上，入口的气流温度越低，气流速度越大，制冷效果越好。但事实上，如果入口的气流温度过低、速度过大，则会使人体表面组织发生颤抖，产生不舒适的感觉。因此，空调服的设计重点是结合人体热舒适度的理论分析对空调服内部的布置进行合理安排。

1.1.1 简化控制方程

首先，从生物传热学的角度出发，根据Pennes方程建立人体上躯干的传热学模型[7]。人体上躯干的数学模型中，各个参数的取值为[8-10]：骨骼：密度ρbn为1 220 kg/m3，导热率Kbn为0.75 W/(m·K)，比热容cbn为2 100 J/(kg·K)，温度为Tbn。肌肉：密度ρms为1 120 kg/m3，导热率Kms为0.5 W/(m·K)，比热容cbn为4 200 J/(kg·K)，温度为Tbn。与其他组织不同的是，肌肉是发生大量新陈代谢的主要场所，需要供给大量血液，在模型的计算中，需要考虑新陈代谢率和血液灌注率：新陈代谢率Qm为420 W/m3，血液灌注率ωb为0.000 5 mL/(s·mL)。脂肪：密度ρfa为790 kg/m3，导热率Kfa为0.2 W/(m·K)，比热容cfa为4 200 J/(kg·K)，温度为Tfa。皮肤：密度ρs为1 000 kg/m3，导热率Ks为0.3 W/(m·K)，比热容cs为4 200 J/(kg·K)，温度为Ts。

在研究实际问题过程中，为了简便计算，可以简化方程，选取人体的中心为坐标原点，从中心出发到人体表面的方向为X轴方向，简化为骨骼到肌肉、到脂肪，最后到上层皮肤。简化后方程的一般形式为：

(1)

式中：x为一维直角坐标系，其中x∈[0，1]；k(x)为沿x轴方向的热导率。

1.1.2 确定边界条件并进行计算

首先，在自然对流的情况下求解其稳态解，此时，人体的上躯干表面(即x=l处)无制冷源，只有自然对流换热的过程，即-kdT0(x)/dx=h0Tf-T0(x)，假设人体中心处的温度为定值，即x=0时，T0(x)=Tc。

根据上述边界条件，得出求解的方程组：

(2)

式中：T(x，0)=T0(x)为稳态温度场；Tc为躯干中心温度(K)，一般工况下为常数C；h0为对流换热系数(W/(m2·K))；Tf为周围环境温度(K)。

最终，将规定的边界调节代入解得通解，并得出常系数C1、C2，得最终方程组为：

(3)

在相同的情况下，当边界条件为自然对流，且人体上躯干有制冷源，人体上躯干的传热模型方程组为：

(4)

式中：q0为人体上躯干边界条件上的热流密度，通常设定为一个常数。

同样，根据上述边界条件，得出求解的方程组：

(5)

1.2 制冷系统各部件的型号选择1.2.1 半导体制冷片的选择

计算人体降温所需的制冷量来进一步确认制冷片的相关性能参数，选取国人男性标准身高为175 cm，其上半身躯干长度约为45 cm。为方便计算，将躯干部分近似看作为圆柱体，制冷气体充满空调服外层与内层时的平均间隔为Δx=2.8 cm，制冷气体体积约为V0=8 000 cm3，计算人体间隙空间体积，要考虑体积系数，体积系数选取δ=1.1，修正后人体间隙空间体积V=V0·δ=8 800 cm3。夏季26 ℃时令人感到舒适，外界温度选取为39 ℃，空气的密度ρa=1.295 kg/m3，制冷空气质量为ma=ρa·V=1.15×10-2kg，空气的比热容ca=1.006×103J/(kg·℃)，空气由39 ℃下降到26 ℃所需的制冷量Q0=ca·ma·Δt=150 J。根据上述计算，对型号为TEM1-12708、TEM1-12710和TEM1-12712共3种方形的半导体制冷片以及型号为TES1-04903的圆形半导体制冷片进行制冷效果以及相应散热风扇的测试。最终确定使用型号为TEM1-12710的超导铝半导体制冷片，制冷片的主要参数如表1所示。

表1 制冷片TEM1-12710的参数

1.2.2 电源的选择

电源是为空调服提供电力来源的重要组件。鉴于空调服的易携带及轻便性，根据各个设备的用电量计算，选择适合匹配输出电压的电池，最后选用3种小型且高效的可充电电池为设备供能，其型号及参数如表2所示。

表2 电源的型号及参数

1.2.3 散热风扇的选择

散热风扇的选择关系到散热片的散热效果，在选择散热风扇时，需要考虑电压、电流、外型尺寸、风量大小以及风扇本身的质量。

散热风扇所需的电源电压为12 V，由《电子设备结构设计标准手册》可知，散热风扇的外型尺寸由半导体制冷片的大小决定，已知选取的制冷片规格为40 mm×40 mm×5 mm，所匹配的太阳花形散热片规格为φ61 mm×20 mm，因此选用的散热风扇的外型尺寸为60 mm×60 mm×25 mm。散热风扇的参数如表3所示。

表3 AFB0612EH-ABFOO散热风扇的参数

1.2.4 排气风扇的选择

选用的排气风扇共有4个档位，如图1所示，经热线风速仪测定：1档时风速为3.2 m/s；2档时风速为4 m/s；3档时风速为4.4 m/s；4档时风速为4.8 m/s。经测试此风扇符合本实验的要求。

图1 排气风扇实物图

1.2.5 散热片型号的选择

根据半导体制冷片的外形尺寸，选择40 mm×40 mm×11 mm的散热片作为排气风扇处的散热片，方形散热片的结构和尺寸如图2所示。根据散热风扇的尺寸，选用了61 mm×36.5 mm×20 mm的实心太阳花散热片，太阳花形散热片的结构及尺寸如图3所示。

图2 方形散热片的CAD侧视图

图3 太阳花形散热片的CAD侧视图

制冷系统内部结构如图4所示。待背后的制冷箱搭建完成，可以添加背带，使其固定在背后，并将一定重力分配给两肩，使穿着效果达到最舒适的状态。穿着这款空调服后的照片如图5所示。

图4 制冷系统的局部视图

图5 空调服穿上后的整体效果图

1.3 测试仪器及测试过程

(1)热线风速仪(Testo 425)：热线风速仪是将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，也可测量流体温度或密度。

(2)热电偶测温计(HI 98701)：热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，在工业用温度传感器中占有极其重要的地位。其结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。

(3)红外测温仪(Raytek ST 30)：红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。

实物制作完成后，热线风速仪测量了进出口的流速，入口处的参数作为Fluent模拟中的初始条件，出口处的参数值用于与模拟结果进行比较分析。测试实验图如图6所示。

图6 测试实验图

2 数值模拟及工作参数的确定

2.1 几何模型的建立

利用Solidworks 2013软件建立人体与衣服之间空间的三维模型，此模型的内侧为人体躯干的表面，外侧为使用过程中空调服的表面，如图7所示。

图7 衣服空间的几何模型

由图7中可以看出，衣服背部的2个圆为气体入口，2个袖子和领口为气体出口，其他封闭部分都为壁面，实线与虚线之间的空间为气体流动的区域。

2.2 网格划分

在进行数值模拟前，首先对计算域进行网格划分，将计算域离散化[7]。对于像空调服不规则区域中的流动和传热分析，采用对计算域外形适应性较好的非结构性网格，经划分流体域被划分为4 826 011个网格，833 855个节点，结果如图8和图9所示。

图8 空调服整体的网格划分图

图9 空调服局部的网格划分图

2.3 数值计算方法

利用商业软件ANSYS Fluent 19.1建立数值模型并进行运行仿真。利用k-epsilon湍流模型对衣腔内流场进行数值模拟计算。k-ɛ模型的细节见文献[11]。使用SIMPLE算法建立速度与压力的耦合关系，并采用二阶迎风方案离散化动量、能量、湍动能和湍流耗散率方程式。当残差值为10-6时，计算被认为是收敛的。

在计算中使用以下连续性、动量和能量控制方程式：

连续性方程：

(6)

动量方程：

(7)

能量方程：

(8)

keff=k+kt

(9)

其中：ρ为密度；ui为速度矢量；p为压力；μ和μt分别为分子黏度和湍流黏度；keff为有效电导率；kt为湍流热导率。

2.3.1 直吹柔和风速

在柔和风速中，在其他条件都相同的情况下(入口温度为26 ℃，即299 K)，此处选取的3种不同风速分别为0.3、0.5、0.7 m/s。为了便于比较，给出了不同风速下的压力、速度、温度分布云图，结果如图10所示。

图10 不同入口风速时的Velocity/Pressure/Temperature分布云图

由图10可以看出，在不同风速条件下，各参数分布略有不同，但总体差别不大。0.3、0.5、0.7 m/s 3种气流速度下各采样点的风速、压力、温度如表6、表7、表8所示。

表6 直吹柔和风速下的各部位风速

从表6中可以看出，随着入口气流速度的增大，出口气流速度也会上升，且各部分上升的比例大致相同。由于入口面积大于出口面积，所以在气体流量相同的情况下，通过领口与袖口处的气流速度较快。同时，随着风速的增大，出入口的风速差值也会变大。

不同风速下各部位的压力如表7所示。

表7 直吹柔和风速下的各部位压力

在设置基本参数时，设定出口压力处为静压，所有的出口压力等于0 Pa，从表7可以看出，入口处的气流速度越大，压力也越大。

不同风速下各部位的温度如表8所示。

从表8中可以看出，直吹柔和风速情况下，入口处无论是温度还是速度都是比较柔和的，直接吹到人体皮肤表面时，给人感觉凉爽舒适无刺激感。但是由于温度较高，速度也较慢，所以需要等待较长的时间才能将人体皮肤表面的温度降到舒适的范围之内。

表8 直吹柔和风速下的各部位温度

2.3.2 夹层强劲风速

对于上述直吹柔和风速时存在的不足，加大了排气风扇的风速。空调服在设计时将气流入口放在后背腰部，这是由于人体背部含有大量神经系统，脊椎腰部对风速十分敏感，根据《人体热舒适性标准》，背部直吹风速不宜超过0.8 m/s[12]，否则容易引发背痛、腰痛等疾病。

为降低风速过大对人体造成的不适感，在贴近人体内侧加入了一层舒适微渗风的布料。改进后的入口温度为24 ℃(即297 K)。排气风扇共有4个档位，风速分别为3.2、4.0、4.4、4.8 m/s，随着风速的增大，入口气流的温度逐渐降低。与计算模型身材相似的体验者穿着此款改进后的空调服后，皮肤表面无刺激性反应，且制冷速度很快，2～5 min内，穿着本款空调服的人的体表温度可达人体正常舒适的温度。对改进后的空调服也做了Fluent模拟， 3.2、4.0、4.4、4.8 m/s风速下的压力、速度、温度分布云图如图11所示。

图11 不同入口风速时的速度、压力和温度

从图11中可以看出，夹层强劲风速与直吹柔和风速的云图相比，出口处与衣服外层的温度更低，说明这种情况下的制冷效果较好。夹层强劲风速下的各部位风速如表9所示。

表9 夹层强劲风速下的各部位风速

由表9中可以看出，随着入口气流速度的增大，出口气流速度也会上升，且各部分上升的比例大致相同。由于入口面积大于出口面积，所以在气体流量相同的情况下，通过领口与袖口处的气流速度较大，同时，随着入口风速的增大，出入口的风速差值也会变大。

夹层强劲风速下的各部位压力如表10所示。

表10 夹层强劲风速下的各部位压力 Pa

设定出口压力为静压，所有的出口压力为0 Pa，从表10中可以看出，入口处的风速越大，压力也越大，并且上升的幅度接近线性比例。

不同风速下各部位的温度如表11所示。

由表11可以看出，入口温度为297 K时，当入口风速分别为3.2、4、4.4、4.8 m/s时，制冷效果都很好。在测量入口温度时，同时测量了出口温度(使用的测量仪器为Testo 425热线风速仪)，测得的出口平均温度为299 K，与模拟的结果几乎一致，将模拟的12组出口温度的数据与测量的结果进行对比，结果如表12、图12所示。

表11 夹层强劲风速下的各部位温度

表12 夹层强劲风速下的模拟值与测量值之差

图12 Fluent模拟与仪器测量的出口温差

由图12中可以看出，数值模拟与仪器测量温度的差值很小，最大为1.3 ℃，还有1组为0.8 ℃和1组为0.5 ℃，其他几乎为零。将Fluent模拟结果与实验结果对比表明，半导体空调服最佳的运行组合以及气流流量等参数验证了此款新型设计的空调服的合理性，这对后期制冷+制热型空调服的结构设计与发展起到了很好的指导作用。

4 结论

(1)在设计与测试中，通过多种制冷片的实验研究发现，型号为TEM1-12710的制冷片具有最佳的制冷参数。

(2)直吹柔和风速适合在环境温度较高、人体表面出汗量较少时使用；夹层强劲风速适合在环境温度高、人体表面出汗量较多时使用。风速柔和情况下，人体大约5～10 min达到舒适的温度；风速强劲的情况下，人体大约2 min左右达到舒适的温度。

(3)经Fluent模拟结果与测试结果对比可知，模拟结果准确、误差较小，该模拟方法可以用于空调服的数值模拟。经试穿体验，此款空调服穿着舒适、携带轻便且耗电量少，适合批量生产。