多種服裝制冷方式的對比

林 卉，曾 晴

（1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529000；2.五邑大學(xué) 紡織材料與工程學(xué)院，廣東 江門 529000）

高溫工作環(huán)境被廣泛認為會對戶外作業(yè)人員的身體健康造成傷害。在高溫環(huán)境下，人的生理功能可能會出現(xiàn)異常，輕則降低工作效率，重則導(dǎo)致中暑，更有甚者會猝死。隨著溫室效應(yīng)的加劇，全球氣溫的上升，降溫服裝應(yīng)運而生。本項目將對市場上現(xiàn)存的部分降溫服裝的制冷方式進行對比研究[1]。

1 不同制冷方式在服裝設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 電動水冷冰袋降溫背心

分布在背心中的導(dǎo)水管運用正弦排布式，利用水比熱容較大的特性，將冰晶盒提前放進冰箱冷凍后，再放入背心的特制水袋中，同時在背心另一側(cè)口袋中放有電量充足的充電寶設(shè)備，將線路連接充電寶，啟動制冷開關(guān)，富含冷氣的水流將在服裝內(nèi)部循環(huán)流動。

此類降溫服裝主要使用冰袋設(shè)計令水降溫，通過微型水泵促進導(dǎo)水管內(nèi)的水循環(huán)，達到服裝內(nèi)部降溫的效果。背心儲存的冰體冷源釋放，降溫效果明顯，且適合在高溫環(huán)境下使用。運用冰盒式凍冰，便于作業(yè)人員快速更換冰源。降溫背心的導(dǎo)水管路采用穿管設(shè)計，體感舒適且制冷效果均勻，而冰盒可置于服裝特制的背心口袋中，方便更換。

電動水冷冰袋降溫背心最大的缺陷在于其制冷續(xù)航時間短，無法滿足作業(yè)人員長時間制冷的需求。同時，在背心中長時間注水制冷，長期接觸容易引起皮膚過敏或發(fā)炎等。

1.2 空氣壓縮制冷空調(diào)衣

空氣壓縮制冷空調(diào)衣使用小型的空氣壓縮機抽取室內(nèi)外的空氣，同時渦輪主機排出熱氣，輸出冷氣，最后通過氣管背心的三通口將冷氣送至人體全身（圖1）。

圖1 空氣壓縮制冷空調(diào)衣

空氣壓縮機的制冷原理：由壓縮機產(chǎn)生的高熱量冷媒蒸汽，經(jīng)四通閥進入冷凝器釋放熱量后冷凝成液體，然后冷媒到蒸發(fā)器中吸收空氣中的熱量，液態(tài)冷媒汽化，將室內(nèi)空氣冷卻，蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后被壓縮機吸入，實現(xiàn)制冷循環(huán)。

空氣壓縮制冷空調(diào)衣不同于電動水冷冰袋降溫背心，前者的續(xù)航時間更長，可以輸送連續(xù)冷卻的空氣?？照{(diào)衣制冷溫度的調(diào)整簡便易行，渦流管可控制流向頸圈的氣流量；衣身允許全方位移動，沒有氣流限制；空調(diào)衣的制冷劑為空氣，易獲取且無毒無害，符合當今社會生態(tài)文明的理念。

空調(diào)衣顯而易見的缺點是所需的制冷設(shè)備質(zhì)量較大，行動范圍受限，空氣壓縮機會限制使用者的活動范圍。此外，空氣壓縮制冷空調(diào)衣的工作效率低、噪音大、功耗強，間接地增加了使用成本。同時，要求使用者具備一定的專業(yè)知識，易與高壓電流直接接觸，存在巨大的安全隱患。

1.3 制冷風扇馬甲

制冷風扇馬甲衣身前后分別安裝了2～4個小型散熱風扇，可降溫10 ℃以上。散熱風扇由塑料制成，通過強制空氣在體表流動，使人體的汗水瞬間蒸發(fā)并帶走熱量，達到制冷降溫的目的。

制冷風扇馬甲的總體質(zhì)量較小，便于作業(yè)人員穿著（圖2）。馬甲的續(xù)航時間長，使用方式簡單便捷。但是，制冷風扇馬甲總體的制冷效果不佳，難以滿足人體在高溫環(huán)境下對降溫的需求。此外，使用散熱風扇的制冷方式較為傳統(tǒng)，沒有創(chuàng)新性。

圖2 制冷風扇馬甲衣

1.4 硬凝膠制冷袋制冷降溫背心

硬凝膠制冷袋制冷降溫背心由特制馬甲和硬凝膠制冷袋兩部分組成，馬甲中有4～8個口袋，可將硬凝膠制冷袋放入冰箱冷凍5 h以上至完全凍結(jié)，然后將硬凝膠制冷袋放入氣泡膜內(nèi)，最后放入馬甲口袋中（圖3）。硬凝膠為固態(tài)，一次成型，像硅橡膠一樣擁有彈性。一般的降溫服裝采用液體物質(zhì)填充，當人體穿著時，在地球引力的作用下，液態(tài)物質(zhì)呈下墜的狀態(tài)，因此人體的穿著舒適度會降低，降溫效果也會受到影響。固態(tài)硬凝膠不流淌、不溢出的特性，使衣物即使在工作中被劃破也不受影響，安全可靠。

圖3 硬凝膠制冷袋制冷降溫背心

由于硬凝膠制冷袋需要提前置于冰箱進行冷凍處理，硬凝膠制冷袋中的硬凝膠質(zhì)一旦恢復(fù)常溫，則無法制冷，續(xù)航時間較短；硬凝膠制冷袋與人體直接接觸，會對人體皮膚會造成一定的傷害；制冷袋的溫度不可調(diào)節(jié)，制冷方法陳舊且耗能大。

1.5 半導(dǎo)體制冷片制冷降溫服裝

半導(dǎo)體制冷片制冷降溫服裝使用半導(dǎo)體制冷片作為冷源，水作為冷液，結(jié)合電子電路，制成可調(diào)節(jié)的降溫系統(tǒng)，將降溫系統(tǒng)附加在特制的工作服上[2]。在背心中運用正弦分步的方式放置水管，通過半導(dǎo)體制冷片的冷端給水降溫，使含冷氣的水流循環(huán)降溫身體。整件降溫服裝可被看作一個熱交換設(shè)備，通過水在降溫服裝內(nèi)部水管的不斷循環(huán)、往復(fù)流動來帶走人體表面的一部分熱量，最終達到制冷降溫的效果。供電方式包括兩類：一類是可充電鋰電池供電，一類是將柔性太陽能板縫制在服裝上進行太陽能供電（圖4）。

圖4 半導(dǎo)體制冷片制冷降溫服裝

降溫的核心元件是半導(dǎo)體制冷片，利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，當直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶的兩端分別吸收和放出熱量，這種現(xiàn)象是可變的，即改變通過的電流方向就可以決定電偶的兩端是制冷還是制熱，進而實現(xiàn)制冷的目的。半導(dǎo)體制冷技術(shù)已經(jīng)用到了冰箱、空調(diào)等其他電子冷卻端。半導(dǎo)體制冷片的優(yōu)點包括無需制冷劑也可不間斷地工作；沒有污染源和旋轉(zhuǎn)部件；不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)；沒有滑動部件，是一種固體片件，在工作時無噪音、震動，且使用壽命長，安裝容易。半導(dǎo)體制冷片可以通過控制輸入電流的大小來控制制冷溫度，實現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制的手段，可以實現(xiàn)程控、遙控、計算機控制，便于形成自動控制系統(tǒng)。半導(dǎo)體制冷片熱慣性小，無論是制冷還是制熱的時間都很短，在熱端散熱條件良好且冷端空載的情況下，若通電時間不超過1 min，制冷片就能達到最大溫差。半導(dǎo)體制冷片的制冷、制熱溫差范圍大，從-130～90 ℃都可以實現(xiàn)。一般制冷片的溫度控制范圍為-55～83 ℃，而夏季時人體感到最舒適的氣溫為19～24 ℃。

半導(dǎo)體制冷片制冷降溫服裝能讓冷液保持恒溫，溫度可調(diào)節(jié)，避免降溫服裝過冷或達不到降溫效果[3]。使用合適的半導(dǎo)體制冷片、鋰電池可以有效地延長降溫服裝的續(xù)航時間，達到使用者所需要的工作時間。此外，半導(dǎo)體制冷片制冷降溫服裝的制作工藝復(fù)雜，整體的質(zhì)量、體積都較大，使用不方便，若半導(dǎo)體制冷片熱端散熱不及時，便容易損壞半導(dǎo)體制冷片。

2 結(jié)語

將以上5種制冷方式進行對比，得出以下結(jié)論（表1）。

表1 5種制冷方式對比

將降溫效果、舒適度、使用便捷性和續(xù)航時間四大因素進行對比，綜合分析表1可知，半導(dǎo)體制冷片制冷降溫服裝在5種降溫服裝中制冷效果最佳。