基于半导体制冷器的智能空调服装研究

本文研究一种采用半导体制冷器作为核心制冷器件，结合传感器与控制电路，能够自动调节温度的智能空调服装。半导体制冷器具有功耗低，体积小，可靠性高等优点，十分适合应用于空调服装。经测试，该服装样品制冷速度快，且温度稳定性良好，有较高的实用价值。

空调服的概念始于二十世纪五十年代美国航空航天局对宇航服内部温度控制的研究，提出了宇航服的换气–冷却系统。目前空调服的发展主要有两类，其一是利用压缩机等传统制冷设备将冷却后的空气或液体输送到空调服的各个部位从而达到降温的效果。

如2015 年由孙晓阳等人研究的一款高校环保空调服装[1]；2018 年由王伟等人提出的用于配电网带电作业的空调服装[2]。

其二是采用相变材料作为服装面料，通过物质在相变过程中吸热、放热的特性，达到保持温度的效果。如1999 年美国Natick 研究中心对蓄热调温纺织品进行研究， 开发出用于海军航空兵飞行员执行秋冬海上飞行任务时的飞行服保温内衬[3]；王冬云研究了一种智能调温内衣，通过相变微胶囊达到智能调温的效果[4]。张岑岑等人以微胶囊技术开发的新型功能面料，在功能衬衫领域具有广阔的应用前景[5]。

上述两类空调服装各有千秋，但缺点也较明显，第一类体积大，功耗高，不方便携带；第二类调温范围有限，且无法自主设定温度。因此，研究一种体积小、功耗低、方便穿戴、能自动调节温度的空调服装十分有意义。现阶段该类型空调服装的研究较少，李帅兵等人提出了此类型空调服装的一些技术解决方案[6]，但尚未制作出实物；某企业有少量生产但尚未形成规模，由此可见，该类空调服装尚有许多函待研究之处。

2. 空调服装散热原理 2.1. 人体散热机制 人体既是一个发热体，又是一个散热体。根据红外热辐射原理，任何有温度的物体都将向外界辐射红外线。人体皮肤的平均温度为33℃，因此其会向外发射红外线从而散发热量，故辐射散热是人体散热机制之一。然而人体大部分热量是通过血液循环被带到皮肤表面后经微气候与服装向外界散发的。当人体温度与外界温度不同时，皮肤与环境之间将形成温度梯度，若皮肤温度高于外界温度，热量将经过微气候区及服装材料传递到服装表面，再通过热传导及对流的方式散发到环境中。

在理想状态下，人体从皮肤散发热量到环境中的过程可分为三个阶段来讨论[7]，见图1。

Figure 1. Skin heat dissipation process 图1. 皮肤热量散发过程