多种服装制冷方式的对比

林 卉，曾 晴

（1.五邑大学 智能制造学部，广东 江门 529000；2.五邑大学 纺织材料与工程学院，广东 江门 529000）

高温工作环境被广泛认为会对户外作业人员的身体健康造成伤害。在高温环境下，人的生理功能可能会出现异常，轻则降低工作效率，重则导致中暑，更有甚者会猝死。随着温室效应的加剧，全球气温的上升，降温服装应运而生。本项目将对市场上现存的部分降温服装的制冷方式进行对比研究[1]。

1 不同制冷方式在服装设计中的应用

1.1 电动水冷冰袋降温背心

分布在背心中的导水管运用正弦排布式，利用水比热容较大的特性，将冰晶盒提前放进冰箱冷冻后，再放入背心的特制水袋中，同时在背心另一侧口袋中放有电量充足的充电宝设备，将线路连接充电宝，启动制冷开关，富含冷气的水流将在服装内部循环流动。

此类降温服装主要使用冰袋设计令水降温，通过微型水泵促进导水管内的水循环，达到服装内部降温的效果。背心储存的冰体冷源释放，降温效果明显，且适合在高温环境下使用。运用冰盒式冻冰，便于作业人员快速更换冰源。降温背心的导水管路采用穿管设计，体感舒适且制冷效果均匀，而冰盒可置于服装特制的背心口袋中，方便更换。

电动水冷冰袋降温背心最大的缺陷在于其制冷续航时间短，无法满足作业人员长时间制冷的需求。同时，在背心中长时间注水制冷，长期接触容易引起皮肤过敏或发炎等。

1.2 空气压缩制冷空调衣

空气压缩制冷空调衣使用小型的空气压缩机抽取室内外的空气，同时涡轮主机排出热气，输出冷气，最后通过气管背心的三通口将冷气送至人体全身（图1）。

图1 空气压缩制冷空调衣

空气压缩机的制冷原理：由压缩机产生的高热量冷媒蒸汽，经四通阀进入冷凝器释放热量后冷凝成液体，然后冷媒到蒸发器中吸收空气中的热量，液态冷媒汽化，将室内空气冷却，蒸发后的制冷剂蒸汽，经换向阀后被压缩机吸入，实现制冷循环。

空气压缩制冷空调衣不同于电动水冷冰袋降温背心，前者的续航时间更长，可以输送连续冷却的空气。空调衣制冷温度的调整简便易行，涡流管可控制流向颈圈的气流量；衣身允许全方位移动，没有气流限制；空调衣的制冷剂为空气，易获取且无毒无害，符合当今社会生态文明的理念。

空调衣显而易见的缺点是所需的制冷设备质量较大，行动范围受限，空气压缩机会限制使用者的活动范围。此外，空气压缩制冷空调衣的工作效率低、噪音大、功耗强，间接地增加了使用成本。同时，要求使用者具备一定的专业知识，易与高压电流直接接触，存在巨大的安全隐患。

1.3 制冷风扇马甲

制冷风扇马甲衣身前后分别安装了2～4个小型散热风扇，可降温10 ℃以上。散热风扇由塑料制成，通过强制空气在体表流动，使人体的汗水瞬间蒸发并带走热量，达到制冷降温的目的。

制冷风扇马甲的总体质量较小，便于作业人员穿着（图2）。马甲的续航时间长，使用方式简单便捷。但是，制冷风扇马甲总体的制冷效果不佳，难以满足人体在高温环境下对降温的需求。此外，使用散热风扇的制冷方式较为传统，没有创新性。

图2 制冷风扇马甲衣

1.4 硬凝胶制冷袋制冷降温背心

硬凝胶制冷袋制冷降温背心由特制马甲和硬凝胶制冷袋两部分组成，马甲中有4～8个口袋，可将硬凝胶制冷袋放入冰箱冷冻5 h以上至完全冻结，然后将硬凝胶制冷袋放入气泡膜内，最后放入马甲口袋中（图3）。硬凝胶为固态，一次成型，像硅橡胶一样拥有弹性。一般的降温服装采用液体物质填充，当人体穿着时，在地球引力的作用下，液态物质呈下坠的状态，因此人体的穿着舒适度会降低，降温效果也会受到影响。固态硬凝胶不流淌、不溢出的特性，使衣物即使在工作中被划破也不受影响，安全可靠。

图3 硬凝胶制冷袋制冷降温背心

由于硬凝胶制冷袋需要提前置于冰箱进行冷冻处理，硬凝胶制冷袋中的硬凝胶质一旦恢复常温，则无法制冷，续航时间较短；硬凝胶制冷袋与人体直接接触，会对人体皮肤会造成一定的伤害；制冷袋的温度不可调节，制冷方法陈旧且耗能大。

1.5 半导体制冷片制冷降温服装

半导体制冷片制冷降温服装使用半导体制冷片作为冷源，水作为冷液，结合电子电路，制成可调节的降温系统，将降温系统附加在特制的工作服上[2]。在背心中运用正弦分步的方式放置水管，通过半导体制冷片的冷端给水降温，使含冷气的水流循环降温身体。整件降温服装可被看作一个热交换设备，通过水在降温服装内部水管的不断循环、往复流动来带走人体表面的一部分热量，最终达到制冷降温的效果。供电方式包括两类：一类是可充电锂电池供电，一类是将柔性太阳能板缝制在服装上进行太阳能供电（图4）。

图4 半导体制冷片制冷降温服装

降温的核心元件是半导体制冷片，利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端分别吸收和放出热量，这种现象是可变的，即改变通过的电流方向就可以决定电偶的两端是制冷还是制热，进而实现制冷的目的。半导体制冷技术已经用到了冰箱、空调等其他电子冷却端。半导体制冷片的优点包括无需制冷剂也可不间断地工作；没有污染源和旋转部件；不会产生回转效应；没有滑动部件，是一种固体片件，在工作时无噪音、震动，且使用寿命长，安装容易。半导体制冷片可以通过控制输入电流的大小来控制制冷温度，实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制的手段，可以实现程控、遥控、计算机控制，便于形成自动控制系统。半导体制冷片热惯性小，无论是制冷还是制热的时间都很短，在热端散热条件良好且冷端空载的情况下，若通电时间不超过1 min，制冷片就能达到最大温差。半导体制冷片的制冷、制热温差范围大，从-130～90 ℃都可以实现。一般制冷片的温度控制范围为-55～83 ℃，而夏季时人体感到最舒适的气温为19～24 ℃。

半导体制冷片制冷降温服装能让冷液保持恒温，温度可调节，避免降温服装过冷或达不到降温效果[3]。使用合适的半导体制冷片、锂电池可以有效地延长降温服装的续航时间，达到使用者所需要的工作时间。此外，半导体制冷片制冷降温服装的制作工艺复杂，整体的质量、体积都较大，使用不方便，若半导体制冷片热端散热不及时，便容易损坏半导体制冷片。

2 结语

将以上5种制冷方式进行对比，得出以下结论（表1）。

表1 5种制冷方式对比

将降温效果、舒适度、使用便捷性和续航时间四大因素进行对比，综合分析表1可知，半导体制冷片制冷降温服装在5种降温服装中制冷效果最佳。