高冷、熱應力室內氣候模擬實驗臺設計

郝小禮, 謝 湘, 王海橋

(湖南科技大學 a. 能源與安全工程學院； b. 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室， 湖南 湘潭 411201)

?

高冷、熱應力室內氣候模擬實驗臺設計

郝小禮a,b, 謝 湘a, 王海橋a,b

(湖南科技大學 a. 能源與安全工程學院； b. 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室， 湖南 湘潭 411201)

為研究人體在高冷、熱應力環境下的生理反應，建立了一套高冷、熱應力室內氣候模擬實驗平臺。該實驗平臺由氣候室空氣調節子系統、夾層空氣調節子系統、輻射板子系統、監測監控子系統組成，實現對氣候室內溫度、濕度、環境熱輻射等環境參數的調控，從而模擬生產、生活中的高溫、高濕熱環境和低溫冷環境。根據實驗需要，氣候室干球溫度可在-15 ～50℃調節，相對濕度在30%～95%調節，壁面溫度可控制在10～40℃。結果表明：該系統的高溫實驗升溫速度約0.54℃/min，低溫實驗的降溫速度約0.22℃/min，氣候室內風速0.1～0.5 m/s，溫濕度控制精度滿足設計要求。

氣候室； 熱應力； 冷應力； 實驗平臺

0 引 言

根據人與環境之間的熱平衡關系，通常將干球溫度高于35℃的生活環境和高于32℃的生產環境稱為高溫環境，環境相對濕度高于60%的稱為高濕環境[1]，環境干球溫度低于10℃時稱為低溫環境。產生高溫、高濕環境或低溫環境的原因可能是由于自然氣候變化引起，例如我國南方地區夏季的高溫高濕以及北方地區冬季的低溫嚴寒，都是由于氣象要素變化導致的。近年來，極端天氣現象頻發，給人們的生產、生活帶來巨大影響[2-4]。極端環境的形成還可能是由于工業生產造成的，生產過程中的冷、熱、濕源吸熱、放熱或產濕使得生產作業空間形成高溫、高濕或低溫環境，比如礦山采掘、冶金制造、電力生產、航空航海、冷凍加工、深潛作業等領域都存在著大量的極端工作環境[5-9]。

人體在高溫高濕或低溫環境中長時間暴露時，核心體溫會升高或者降低，人體的生理反應與正常條件下有較大差異，在極端環境中長時間生存可能會對人體引起傷害，甚至是威脅到生命安全[10-14]。因此，研究人體在高熱應力或高冷應力條件下的生理反應規律，評估人體在高、低溫環境中生產或生活的安全風險，并制定相應的應對策略及保護措施，對確保人員身體健康和生命安全具有重要的意義。而受實驗條件的限制，目前我國在這方面的研究較少[15-16]。因此，建立相應的冷、熱環境模擬實驗平臺，為開展相關研究提供實驗條件是非常必要的。同時，這種實驗平臺還能為相關應急裝備、保障設施的研發提供技術支撐。

本實驗平臺試圖創造一個能夠在較寬范圍內可調節溫度、濕度、環境輻射的室內氣候模擬系統，該系統能夠同時模擬高溫、高濕、高輻射溫度的高熱應力環境和低溫的高冷應力環境，為研究人體在高冷、熱應力環境中的生理反應規律提供實驗環境，為相關防護設備的研發提供實驗支撐。

1 實驗平臺工作原理與系統設計

1.1 實驗平臺建設的目標

為了模擬各種高冷、熱應力生存環境，本實驗平臺需要能夠根據實驗要求，在一個較寬的范圍內，控制人工氣候室內空氣干球溫度、相對濕度和環境輻射溫度等參數。為此，本實驗平臺的設計目標為：人工氣候室內干球溫度可在-15～50℃范圍內任意設定，并可在設定點保持溫度基本恒定，溫度波動范圍為±0.5℃；氣候室內相對濕度在30%～95%范圍內任意設定，并且可在濕度設定點保證基本恒濕，相對濕度波動范圍為±2%；同時，還可根據需要，調節氣候室四周壁面溫度，壁面溫度在10～40℃范圍內任意設置，各壁面溫度可以分別單獨調控。

1.2 實驗平臺的平面布局

本實驗平臺共包括氣候小室、空氣夾層、設備間和監控室，如圖1所示，其中氣候小室是實驗平臺的核心。氣候小室的尺寸為4.2 m(長)×3.0 m(寬)×2.6 m(高)，墻壁采用不銹鋼板焊接而成，氣候小室內溫、濕度可根據實驗需要進行調節，除有門一側的墻壁外，其余5個壁面均裝有輻射板，可以根據需要調整壁面溫度，以改變艙內環境輻射溫度。氣候小室四周為空氣夾層，夾層寬度為0.8～1.1 m，夾層溫度也可以根據需要進行調節。設置空氣夾層的主要目的是減小外界溫度變化對氣候小室內溫濕度的干擾。為減少傳熱損失，氣候室、空氣夾層與外界相連的壁面均采用保溫板材進行隔熱，隔熱材料為聚氨酯硬質發泡塑料，厚度為100 mm，保溫板兩側為0.8 mm不銹鋼板。設備間主要擺放氣候小室與空氣夾層溫濕度調節設備，包括：空氣處理機組、循環水泵、冷熱水箱、制冷機、加熱加濕裝置、水管、風管等設備部件。電控柜、中央監控計算機、監控操作臺等設備擺放在監控室內，監控室同時可用于實驗人員休息、等待空間。

圖1 高冷、熱應力室內氣候模擬實驗平臺結構平面布置圖

1.3 實驗平臺的工作原理

本實驗平臺工作原理如圖2所示，包括氣候室空氣調節子系統、夾層空氣調節子系統、輻射板子系統、監測監控子系統。

(1) 氣候室空氣調節子系統。主要功能是根據實驗需要，調節氣候小室內的空氣干球溫度、相對濕度，提供新鮮空氣和排出室內污濁空氣。該子系統由氣候室空氣處理機組、送風管、送風靜壓箱、送風孔板、回風靜壓箱、回風管、回風調節閥、新風管、新風調節閥、排風管、排風風機、排風電動調節閥、風冷直膨制冷機組等部件組成。其中，空氣處理機組是系統的核心，主要包括過濾段、表冷段、風機段、加熱段、加濕段等功能段。表冷段采用制冷劑直接膨脹制冷的方式，對送風進行冷卻、除濕，由兩臺風冷直膨機組為系統提供冷源，直膨機組的設定制冷溫度為-18℃。加熱段采用電加熱的形式，通過調節電流大小來調節加熱量。加濕段采用蒸汽加濕的方式，利用電加熱水制取飽和蒸汽，通過調節加熱量調節加濕量。為保證氣候室內溫濕度分布均勻，采用孔板送風、上送下回的氣流組織形式，送風孔板的開孔率為40%，開孔大小為直徑4 mm，回風采用柵格回風口地板回風。新風量、排風量的大小可根據人員的多少通過閥門進行調節。

圖2 高冷、熱應力室內氣候模擬實驗平臺工作原理示意圖

1-氣候小室； 2-觀察窗； 3-送風孔板； 4-送風靜壓箱； 5-控制線路； 6-控制器； 7-蒸汽加濕器； 8-可調電加熱器；9-直膨機室外機； 10-氣候室空氣處理機組； 11-新風管； 12-風量調節閥； 13-排風風機； 14-電動排風調節閥； 15-排風管； 16-表冷器； 17-回風管； 18-夾層空氣處理機組； 19-冷凍水循環管； 20-冷凍水泵； 21-風冷冷水機組； 22-輻射板循環水泵； 23-熱水箱； 24-電加熱器； 25-回風靜壓箱； 26-濕度傳感器； 27-空氣夾層； 28-溫度傳感器； 29-輻射板；30-冷凍水箱； 31-水流控制閥；32-精調水箱； 33-總電控柜； 34-監控計算機

(2) 夾層空氣調節子系統。主要功能是維持空氣夾層內需要的溫度和濕度，由夾層空氣處理機組、送風管、回風管、風冷冷水機組、冷凍水泵、冷凍水管等組成。夾層空氣處理機組的結構功能段與氣候室空氣處理機組基本相同，采用電加熱、蒸汽加濕的方式，稍有不同的是，在夾層空氣處理機組中，表冷器不是采用直膨的形式，而是采用水冷的形式。由兩臺風冷冷水機組提供7℃的冷凍水，通過表冷器對循環空氣進行冷卻與除濕。夾層采用送風口頂送、下側回的氣流組織形式，由于夾層中沒有人員長期停留，因此沒有考慮新風和排風問題。

(3) 輻射板子系統。輻射板子系統的主要功能是改變氣候室四周墻壁表面溫度，以調節氣候室內環境熱輻射水平。該子系統主要由輻射板、冷水箱、熱水箱、循環水泵、水溫精調水箱、切換閥門和循環管路組成。輻射板由厚度0.5 mm鋁質導熱板和直徑10 mm的銅管組成，銅管嵌入在導熱板中，相互緊密接觸，以確保良好的導熱性能，輻射板固定在氣候室四周墻壁外側。熱水箱內裝有電加熱管，以調節熱水溫度，冷水箱與風冷冷水機組相連，通過閥門，可以調節冷水機組的出水在冷水箱與夾層空氣處理機組表冷器之間分配流量。冷、熱水的溫度經過冷、熱水箱初調后，進入水溫精調水箱，根據各壁面溫度的設定，進一步精確調節到需要的水溫，再送入輻射板中，實現對壁溫的調節。

(4) 監測監控子系統。用于提供人機交互功能，實現設備的啟停、溫、濕度調控、風、水量調節、氣候室內多點環境溫、濕度監測等功能，同時可保障制冷機組的安全可靠運行，以及實現表冷器的自動除霜功能。監測監控子系統包括上位監控計算機、電控柜、控制器、傳感器、執行元件、控制線路等部件。編寫開發了專用監控軟件，利用該軟件，在上位計算機上可以設定氣候室、空氣夾層需要控制的目標溫、濕度，了解各監測點的當前溫、濕度值，以及各設備的開啟運行情況、各閥門的開度等運行參數。根據氣候室中心點的溫、濕度值，分別調節氣候室空氣處理機組內的加熱器與加濕器，改變送風溫度和濕度，實現對氣候室內溫濕度調節。根據各壁面溫度，調節輻射板的供水溫度，實現對氣候室環境輻射溫度的調控。

2 實驗平臺性能測試與分析

2.1 高溫模擬性能測試

高溫性能測試結果見圖3。氣候室初始溫度為17.8℃，實驗首先將氣候室內溫度設定在45℃，經過大約50 min的升溫，室內溫度達到設定值，之后，控制系統保持室內溫度在45℃附近。系統的平均升溫速率約為0.54℃/min。為了進一步驗證系統的高溫模擬能力，在實驗進行到第120 min時，將室內溫度設定值調整到50℃，約30 min后，室內溫度達到設定，系統的升溫速率約為0.17℃/min。之后，溫度保持在設定值附近。高溫試驗結果表明，實驗平臺能夠達到設計的高溫模擬要求，且控制系統有較好的控制能力和穩定性。但也可以看出，進入高溫階段，系統的升溫速率較低，升溫較慢。

圖3 高溫試驗溫度變化曲線

2.2 高濕模擬性能測試

實驗平臺的高濕模擬性能測試結果見圖4。實驗的初始相對濕度為68%，設定室內相對濕度為95%。從圖4可以看出，相對濕度升高速度較慢，經過約200 min后，相對濕度才升高到設定值。這主要是由于相對濕度與溫度是相關聯的，在相對濕度升高的同時，氣候室內溫度也在升高，實驗開始的空氣溫度為17.8℃，而穩定后的室內溫度為50℃，升溫幅度較大，所以相對濕度升高較慢。從圖4還可以看出，相對于溫度控制，濕度控制的波動要稍大一些，但也在1%之內，滿足設計要求。

圖4 高濕試驗濕度變化曲線

2.3 低溫模擬性能測試

圖5顯示了實驗平臺的低溫試驗測試結果。低溫試驗開始前的室內空氣溫度為18.3℃，設定的室內控制溫度為-15℃，經過約150 min的降溫之后，溫度達到設定值，降溫速率為0.22℃/min，降溫速率低于高溫試驗的升溫速率。低溫控制的精度略差于高溫控制，但也在±0.5℃范圍之內。

圖5 低溫試驗溫度變化曲線

2.4 環境輻射模擬性能測試

氣候室5個壁面(除正面外)都裝有輻射板，環境輻射大小主要是通過改變氣候室壁面溫度來實現，輻射板壁面溫度測試結果見圖6。測試的初始壁面溫度為28℃，壁面溫度設定溫度為42℃，經過約40 min，壁面溫度基本接近設定溫度，壁面升溫較快。從圖6可以看出，5個壁面溫度都具有較好的控制效果，相對來講，頂壁溫度相對波動要大一些，這主要是由于氣候室送風是由頂部送入的，因此對壁面溫度有一定的影響。

圖6 壁面溫度變化曲線

2.5 室內風速測試

環境風速也是影響人體熱感覺的一個主要因素，如果室內風速過大，勢必會影響人體對溫度、濕度的熱反應規律，所以需要對氣候室內風速環境進行測試。使用TSI多參數通風表對室內不同高度、不同位置的風速進行了測量，測得室內各點風速均在0.1～0.5 m/s范圍內，靠近頂板和回風口附近的風速稍高，其余大部分測試點的風速在0.15 m/s左右，屬于低風速范圍。測試結果表明，室內風速均勻，風速較低，不會對人體熱感覺產生強烈的影響。

3 結 語

為研究人體在高冷、熱應力環境中的生理變化規律，為相關標準及防護措施提供科學依據，同時為相關防護設備開發提供實驗條件，本文建設了一套環境氣候模擬實驗平臺。該實驗平臺包括氣候室空氣調節子系統、夾層空氣調節子系統、輻射板子系統、監測監控子系統4個組成部分。該系統能夠實現干球溫度在-15 ～50℃、相對濕度在30%～95%、環境輻射溫度在10～40℃范圍內任意調節。經測試，該實驗平臺能夠滿足設計要求，溫、濕度升降速度較快，控制精度較好，保溫性、室內風速均勻性符合實驗要求。本實驗平臺可為高冷熱應力環境下的人體生理反應研究、應急防護設備的開發提供技術支撐。

[1] 何學秋等. 安全工程學[M]. 北京: 中國礦業大學出版社, 2000: 20-53.

[2] 史 軍,丁一匯, 崔林麗. 華東極端高溫氣候特征及成因分析[J]. 大氣科學,2009,33(2): 347-358.

[3] 陳鵬云, 王羽, 文習山,等. 低溫雨雪冰凍災害對我國電網損毀性影響概述[J].電網技術, 2010(10): 135-139.

[4] 蘇 鍥, 李念平. 寒冷環境下人體熱反應特征的研究[J]. 環境與健康雜志, 2009(2): 104-106.

[5] 劉衛東, 張巖松, 王麗華. 我國煤礦高溫礦井摸底調查情況[J]. 職業與健康, 2012, 28(9): 1136-1138.

[6] 盧宇鵬, 黃 銳, 李亞威,等. 水力通風換熱機設計及其在封閉高溫高濕環境中的應用[J]. 黃金, 2011, 32(2): 41-45.

[7] Srivastava A, Kumar R, Joseph E,etal. Heat exposure study in the workplace in a glass manufacturing unit in India [J]. Annals of Occupational Hygiene, 2000, 44(6): 449-453.

[8] 袁修干. 人體熱調節系統的數學模擬[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2005: 389-495.

[9] Waclawik J, Borodulin-Nadzieja L, Branny M,etal. Thermal comfort and safety of miners in the salt mine "Polkowice-Sieroszowice" —selected aspects [J]. Archives of Mining Sciences, 2004, 49(3): 211-338.

[10] Malchaire J, Kampmann B, Mehnert P,etal. Assessment of the risk of heat disorders encountered during work in hot conditions [J]. International Archives of Occupational and Environmental Health, 2002, 75: 153-162.

[11] Yamane M, Oida Y. Effects of wind and rain on thermal responses of humans in a mildly cold environment [J]. European Journal of Applied Physiology, 2010, 109(1): 117-123.

[12] Anttonen H, Pekkarinen A, Niskanen J. Safety at work in cold environments and prevention of cold stress [J].Industrial Health, 2009, 47(3): 254-261.

[13] ISO 15743-2008. Ergonomics Of The Thermal Environment—Cold Workplaces— Risk assessment and management [S].

[14] ISO 7933-2004. Ergonomics of the thermal environment—Analytical determi- nation and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain [S].

[15] 朱 能, 趙 靖. 高熱害煤礦極端環境條件下人體耐受力研究[J]. 建筑熱能通風空調, 2006, 25(5): 34-37.

[16] 韓雪峰, 翁文國, 付 明. 基于暖體假人的低溫災害模擬實驗系統設計[J]. 實驗室研究與探索, 2012, 31(7): 4-6.

Design and Construction of an Indoor Climate Simulation Experimental Platform with High Cold or Heat Stress

HAOXiao-lia,b,XIEXianga,WANGHai-qiaoa,b

(a. School of Energy and Safety Engineering; b. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

To investigate the physiological behaviors of human in high cold or heat stress environment, an indoor climate simulation experimental platform, which can simulate a high temperature and high humidity environment or a low temperature environment, was designed and constructed. The platform consists of four subsystems: climate chamber air-conditioning subsystem, interlayer air-conditioning subsystem, radiant panel subsystem, and monitoring and control subsystem. Via the four subsystems, the air temperature, relative humidity, and the radiant temperature in climate chamber can be conditioned and controlled. The dry-bulb air temperature and relative humidity in the climate chamber can be adjusted according to the requirement of experiment in the ranges of -15 ～50℃ and 30%～95%, respectively. The wall surfaces temperature of climate chamber can be controlled in the range of 10～40℃. The system test results show that the temperature rose with a velocity of approximately 0.54℃/min during the high temperature experiment and the temperature dropped with a velocity of approximately 0.22℃/min during the low temperature experiment. The air velocity in climate chamber is about 0.1～0.5 m/s and the regulation precisions of temperature and humidity meets the design goal. The platform can provide experimental conditions for research on human physiological behavior in high cold or heat stress environment and can provide technology support for development of emergency and rescue equipment.

climate chamber; heat stress; cold stress; experimental platform

2014-05-19

國家自然科學基金項目(51276058)； 湖南省教育改革項目(G21114); 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室開放基金項目(KF200903)

郝小禮(1973-)，男，安徽安慶人，教授，現主要從事建筑環境與建筑節能研究。

X 968; R 339.6

A

1006-7167(2015)03-0069-05

Tel.:13787429406;E_mail:haoxiaoli2002@aliyun.com