低温暖体实验设计

本文作者：韩雪峰 翁文国 付 明 单位：清华大学工程物理系

引言

近年来，低温、雨雪、冰冻灾害频发［1］，严重的低温气象灾害对电力、通信等基础设施造成损害，对工农业生产和人民生活产生了巨大影响［2-3］。在低温环境中，受低温的影响，人体的生理反应与正常状态下有着巨大的差异［4-7］，重大的低温灾害还会威胁人员的生命安全［8-9］;同时，在近几年的灾害救援活动中也常暴露出诸如许多常规的应急装备、保障设施在低温环境难以发挥效用甚至无法使用，影响救援工作效率的问题，防寒服装与设备的生产与设计需要更强的技术支撑，相关生产标准也有待统一［10］。通过大量的研究与实验表明，面对低温灾害开展应急响应活动时应针对低温灾害中人体生理特点制订特殊策略，并使用专项的应急装备与物资。但目前我国针对低温灾害的专项研究还处于起步阶段，低温环境中人体生理特点、低温灾害中人员的安全性评估、低温灾害使用的应急装备性能的测试等一系列问题，仍需要开展大量的工作方能得以解决。因此，建立针对低温灾害中人员生理以及装备有效性进行研究与测试的实验室势在必行。本模拟系统在室内创造一个低温灾害的模拟环境，为更好地模拟人体的生理反应，使用目前处于国际先进水平的可以模拟人体与环境热湿交换的暖体假人(ThermalManikin)设备对模拟人体在实验环境中开展科学实验［11］。同时，配备必要的控制系统、探测器以及供测试的应急装备、应急物资等。为研究人体在低温(及极低温)条件中的各项生理反应、检测低温防护装备的有效性和舒适性等诸方面的研究提供技术支撑［12］。从而提升我国对低温灾害中人员生理反应与安全性的了解，完善低温灾害中应急装备与物资的测试手段，实现提升低温灾害应急工作能力的目标，进而更好地保护广大人民的生命与财产安全。

1系统设计

1．1设计目标模拟低温环境，首先要建立一个具有制冷功能，并能够保持低温的室内特殊环境。在实验室内使用暖体假人模拟人体行为要确保假人可以安全放置在环境当中。同时，环境中还要放置防护服等应急设施与装备;为获取实验数据，实验室内部还应放置各类探测器(见图1)。

1．2设计实施根据设计目标，在实验室内部搭建了尺寸为2．4m(长)×1．8m(宽)×2．8m(高)的实验舱体。此空间尺寸可容纳暖体假人在内部以站立、坐姿、卧等各种姿态摆放，并且具备较为充足的空间放置相关应急装备与探测装置。根据系统的功能要求，系统总体结构设计如下:(1)假人系统。模拟系统采用美国MTNW公司生产的热能暖体假人“Newton”作为模拟人体功能的核心仪器。暖体假人身高170cm，并根据人体的生理结构被分为20个区域并可以独立控制发热、发汗功能，假人还具备呼吸等功能。假人自身还配备传感器用以独立监测各分区体温、发热量等生理数据。通过连接计算机可以使用专用软件实现发热功率设定、生理活动模拟序列设定、实时生理数据监测等。可重复、可控地模拟人体生理变化，从而实现代替人体在低温环境下进行实验的需求。(2)空调制冷系统。其功能在于为实验空间降温。制冷功能由制冷系统完成，由压缩机、冷凝器、节流部件、蒸发器等组成，室外采用KLAN冷凝器组。室内蒸发器有冷风机和蒸发排管等选择，由于本系统空间较小，同时考虑到频繁除霜的难度与时间要求，本模拟系统采用冷风机送风的蒸发方式。风机部分具备送风与排风两种功能(见图2)。风机送风口设置于两侧，送风方向为水平方向;排风口位于风机底部，利用负压垂直向上将室内空气排出。由于送入低温空气，温度差异导致的自然对流与强制对流共同作用使得新风充分完成降温效果，达到高效温控作用。制冷系统设计温度为－18℃至室温。另外，压缩机具备热气融霜功能，保证系统的正常运行［13-14］。(3)温度控制系统。用于提供人机交换功能，可以启动或停止系统，控制空调制冷系统的运行。同时保障冷凝水下水装置的正常运行，并控制其他辅助设备运行。通过控制器可以了解低温舱内的多项信息:当前温度、实验舱需要控制的目标温度。搭配2个由热敏电阻构成的温度传感器实时监测实验舱内温度，在显示界面上可以分别实时查看探头的测量数据;同时，控制系统可自动根据测量数据控制制冷系统的启动关闭，实现低温环境的温度保持。温度的控制精度小于±2℃。(4)保温库体结构。主要是隔离实验室空间和外界非实验空间，保障实验环境不受外界环境干扰。本系统使用双光彩聚氨酯夹芯板，由于聚氨酯导热系数低，热工性能好，从而有效地降低低温环境的升温速率，维持温度的稳定性，同时达到节能的目的。(5)冷凝水下水装置。主要功能是将空调制冷系统降温过程中凝结的水及时输送到实验空间外，以保障空调制冷系统的高效运行和实验空间不受冷凝水的影响。(6)假人吊挂装置。由于假人不能独立站立而需要吊挂使用，模拟系统中制造了与暖体假人相匹配的专用连接结构，利用钢架固定在风机正下方，将暖体假人固定在环境当中，从而可以方便地为假人更换防护服，达到试验目的。此外，模拟系统搭配数据探测与采集系统，其中包括配备低温温、湿度探测器，使用多路采集器进行采集并与计算机相连进行在线监测，准确得到实验环境中16个点的环境参数。温度测量范围:－40～20℃(±0．1℃)，湿度测量范围:0～100%RH(±2%)。模拟系统整体采用稳压电源供电(三相380V，50Hz)防止电源电压的波动对设备产生损伤。模拟系统平面布置见图3。

2实验系统测试与讨论

2．1低温性能测试为证实此模拟系统的降温系统降温性能，对模拟系统的制冷功能和温度保持功能进行了测试。测试初始温度为室温(25．5℃)，室内布置温度探测器监测温度，探测器距离地面分别为0．5、1．1m。制冷目标温度设定为－18℃，利用自动控制器保持温度。测试期间温度曲线见图4。实验系统从室温25℃降至－18℃用时约46．7min，降温速率约1℃/min。随后利用自动温控系统使系统保持在－18℃左右，自然升温速度最快为0．18℃/min，并且随着测试的进行，由于隔热材料的温度也逐渐降低，室内的自然升温速度逐渐减慢，室内低温环境趋于更优。此外，通过更改控制器的控制参数，可以更改风机开关的限定温度，从而进一步降低温升，降低温度波动。

2．2风速测试由于蒸发部分使用冷风机制冷，冷空气的风速是设计必须要考虑的因素。如果风速过大，将会对室内假人、设备等产生过大冲击;并且流场过于混乱，不利于实验的重复性进行。而在低温灾害中，降温过程伴随空气对流两者共同对人体产生影响，所以需要考虑低温实验环境内的风速环境［6］。使用多点风速仪进行制冷作业时的风速测量，风速探测器分别放置于:靠近新风出口处(高2．0m)、中心处(1．0m)、靠近排风口处(1．5m)。测得在制冷、温度保持等实验全过程中，系统内最大风速约2．1m/s，其他各处平均风速小于1．0m/s，实验室属于中风速低温实验范围［15］。与此同时，风速未给进入低温环境的实验人员带来强烈的不适感，如需刻画人体舒适性，可对风速人体体感结果进行修正，消除风速的影响，测定低温的影响结果。

3结语

为开展低温灾害中人体生理反应，以及检测低温环境中各防护装备的有效性，本文建立了一套利用制冷系统实现低温环境的低温灾害模拟实验系统。实验系统包括能够模拟人体生理活动的暖体假人、测试控制系统、环境温湿度探测器等。经测试，实验系统可以快速降温，降温速度、保温性、室内风速符合基本实验要求。可为开展低温灾害环境的人员安全、应急设备测试等一系列关键性研究提供技术支撑。