CN107742021B - 模拟人及人群的散热散湿装置及方法 - Google Patents

模拟人及人群的散热散湿装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模拟人及人群的散热散湿装置及方法。包括人体散热装置、散湿装置、补水系统和供电及测控系统；其特征是散热装置部分是缠绕着电阻丝的假人，假人表面从外至内由绝缘胶带层、电加热层、绝缘膜层和人体模型组成；散湿装置由加湿箱，加热片，风机组成；补水部分由补水泵及补水分配管路组成；供电及测控系统由人体散热装置供电、散湿装置供电、程控电源、精密调速型蠕动泵，上位机组成。本发明在模拟人体散热的同时也可以用于模拟人体散湿。并且本发明能够实现的人体散热和散湿的范围大，精度高，具有运行稳定，结构简便，实施方便，应用范围广泛等优点，很好地填补了国内在这方面的空白。

Description

模拟人及人群的散热散湿装置及方法
技术领域
本发明涉及一种模拟真实人体散热散湿的人(群)模型，及人(群)散热散湿控制系统。特别是一种模拟人及人群的散热散湿装置及方法。
背景技术
在自然或人造环境中，一般来讲对于人的感受而言，最重要的两个环境因素是温度以及湿度；同样的，对于自然或人造环境而言，人体本身的散热散湿也会对自然或人造环境的温度和湿度产生重要的影响。那么研究不同自然或者人造环境中人的生理状态，以及人体的散热散湿对于环境的影响都是尤为必要的。在现阶段的很多领域，采用的都是真人实验的方法：极端条件(高温高湿、低温)下人体生理状态的反应；人体的散热散湿对于服装热湿舒适性评价的影响；在民用建筑中人体的散热散湿对于居住环境的影响；在航天舱内人体的散热散湿对于舱内环境的影响；人体的散热散湿对于汽车环境整体舒适性的评价的影响等等。这些领域所采用的真人实验的方法都可以用假人来代替，相较于真人实验，假人具有以下优点：它能够系统地、客观地评价环境以及预测人体对于环境的生理反应，并且可以在真人无法试验的极端环境条件下进行试验，而且能够有效地解决人次选定的问题，从而缩短试验周期，降低试验的成本，测试的精度高、重复性好。采用真人实验对环境要求较高，成本也很高，而且真人的个体差异性较大，不可控的因素更多。因此，散热散湿模拟人(群)装置的用途是十分广泛的。
目前本散热散湿模拟人(群)装置为国内首创。世界各国已研发了100个多假人，研制的假人也在外形和功能方面越来越完善，最新型的假人“Walter”主要是在假人表面采用微孔膜织物将整个水循环系统包含其中，水循环系统把躯干中心区域加热的水按比例分配到全身，以模拟人体的整个温度分布和散热量；假人的皮肤由含有微孔的聚四氟乙烯薄膜的织物制成，用来模拟人的散湿量，但该新型假人系统十分复杂，对工艺要求很高，成本也非常高，一般机构无力购买。通过对比可知天津大学研制的散热散湿模拟人(群)装置具有满足模拟人体散热散湿相关实验的要求，比如与真实人体在静坐状态下的散热量一样，分布一致，散湿量一样等。
发明内容
本发明专利的目的在于提供模拟人及人群的散热散湿装置，既可以模拟人体散热，同时也可以用于模拟人体散湿。该系统能够实现人体在不同状态下的散热和散湿，具有运行稳定，控制精度高，适用范围广泛等特点。
本发明的技术方案如下：
一种模拟人及人群的散热散湿装置；包括人体散热装置、散湿装置、补水系统和供电及测控系统；其特征是散热装置部分是缠绕着电阻丝的假人，假人表面从外至内由绝缘胶带层、电加热层、绝缘膜层和人体模型组成；散湿装置由加湿箱，加热片，风机组成；补水部分由补水泵及补水分配管路组成；供电及测控系统由人体散热装置供电、散湿装置供电、程控电源、精密调速型蠕动泵，上位机组成。
所述人体散热装置由上位机11，程控电源12，散热假人13组成；其中将上位机11的232/485通讯接口与程控电源12的232/485的通讯接口相连，确认能够产生通讯，并控制程控电源12的输出电压；将程控电源12的电压输出口与假人13的电缆接口进行相连，确定程控电源可以正常给假人供电。
所述散热假人包括假人模特1、加热片2、绝缘胶带层3组成；将加热片2按照热量分配缠绕在假人1表面，在假人1表面与加热片2之间，以及加热片2外表面敷设绝缘胶带3。
所述散湿及补水装置包括补水箱4，手动阀5，精密调速型蠕动泵6，加热片7，加湿箱10，上位机11，程控电源12组成；其中将上位机的485/485通讯接口与蠕动泵6的485通讯接口进行相连，确认能够正常通讯，并且控制蠕动泵6的流量；将补水箱4的出水口与蠕动泵的进水口进行连接；在水管上安装手动阀5以开启或关闭水路；通过蠕动泵6的出水口将水送入加湿箱的加热片7上方；将程控电源12的电压输出口与加热片7的电压接入口以及蠕动泵6的电压接入口通过电缆进行连接；加热片7的安装位置应于加湿箱10底部；加湿箱10设置进气口8，高度与加热片7高度一致，加湿箱10设置抽气风扇9，高度位于加湿箱10高度三分之二位置处。
本发明的装置进行模拟人及人群的散热散湿方法，其特征是在补水的状态下，打开手动阀5，程控电源12给水泵提供稳定的工作电压V，根据设定的加湿量N，通过上位机11的信号输出控制水泵6的出口流量M，使得水泵的出口流量M与设定的加湿量N一样，当水泵出口的水通过水管管路到达加湿箱10内部的加热片上方时，水会以滴液的形式，滴至加热片上表面；,此时加热片需要程控电源12提供输出电压V1来确保在通过加热片的加热作用下，水泵送入的水通过吸收汽化潜热产生饱和水蒸气，进而通过风扇9，将加湿箱产生的饱和水蒸气送到环境中，至此整个人体的散湿过程完成。
优选在加湿箱10的内部会敷设纳米气囊反射层材料，减少加热片7加热的热损失。
所述的方法是首先散热装置根据上位机11设置的功率参数，通过调节程控电源12的输出电压V2来实现假人模特1的不同散热量，并通过程控电源12监测假人模特1散热量；在整个散热过程中，假人模特1表面通过持续的加热会达到一个产热和散热平衡的状态，通过功率计算公式P＝U2*R-1可以知道功率P由电压U的精度和电阻R的精度决定。
散热过程的精度由程控电源的输出电压精度和电阻丝的电阻率精度确定：
根据误差传递公式:γC＝±(|αγA|+|βγB|)，将功率计算公式写成幂函数的形式P＝U2*R-1得到：rc＝±(2*0.75％+0.5％)＝±2％；
γA----输出电压精度；α----电压的指数；
γB----电阻率精度；β----电阻的指数；
则散热装置的精度达到±2％FS。
本发明的方法中，模拟人及人群的散热散湿装置的使用环境要求如下：
a)气压：70kPa-120kPa；
b)温度：0℃-40℃；
c)湿度：10％R.H.-90％R.H.。
本发明装置由散热装置，散湿装置，补水系统和供电与测控系统组成。散热装置部分是缠绕电阻丝的假人，假人表面从外至内由绝缘胶带层、电加热层、绝缘膜层和人体模型组成；散湿装置部分由加湿箱，加热片，风机组成；补水部分由补水泵及补水分配管路组成。供电及测控系统由人(群)散热装置供电、散湿装置供电、程控电源、精密调速型蠕动泵、上位机组成。本发明提供了一种能够模拟人体散热散湿的装置，并能实现不同人员活动强度下的散热散湿模拟，具有自动控制和采集数据的功能，并且具有操作方便，结构简单，控制精度高的优势，其散热精度可达到±0.5％FS；散湿精度可达到±0.56％FS。该装置可运用于服装、建筑、环境、航空航天、交通、医疗卫生等领域。够实现的人体散热和散湿的范围大，精度高，具有运行稳定，结构简便，实施方便，应用范围广泛等优点，很好地填补了国内在这方面的空白。
附图说明
为了详细介绍本发明中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1本发明装置散热装置实物图；
图2为本发明装置散热装置结构示意图；
图3为本发明装置控制系统原理示意图；
图4为本发明装置散湿装置系统流程图；
图5为本发明装置散热装置系统流程图；
图6为本发明装置散湿装置第一次50g/h设定工况散点图；
图7为本发明装置散湿装置第一次60g/h设定工况散点图；
图8为本发明装置散湿装置第一次80g/h设定工况散点图；
图9为本发明装置散湿装置第一次155g/h设定工况散点图；
图10为本发明装置散湿装置第一次183g/h设定工况散点图；
图11为本发明装置散热装置第一次83W设定工况散点图；
图12为本发明装置散热装置第一次93W设定工况散点图；
图13为本发明装置散热装置第一次150W设定工况散点图；
图14为本发明装置散热装置第一次281W设定工况散点图；
图15为本发明装置散热装置第一次347W设定工况散点图；
其中1—散热假人模特，2—电热阻丝，3—绝缘胶带，4—散湿装置补水箱，5—手动阀，6—精密调速型蠕动泵，7—加热片，8—进气口，9—风扇，10—加湿箱，11—上位机，12—程控电源，13—散热装置。
精密调速型蠕动泵----流量精度±4％FS，RS485通讯；
程控电源----3通道电压输出，输出电压精度±0.75％FS，RS232/485通讯；
电阻丝----镍铬合金Cr20Ni80，电阻率精度±0.5％；
具体实施方式
本发明的模拟人及人群的散热散湿装置的具体技术方案如下：
结合附图说明发明装置工作过程：
散热散湿模拟(人群)装置的使用环境要求如下：
1)气压：70kPa-120kPa；
2)温度：0℃-40℃；
3)湿度：10％R.H.-90％R.H.
散热装置是由图1(1)中的假人模特1、加热片2、绝缘胶带层3组成；将加热片2按照热量分配缠绕在假人1表面，加热片2的缠绕方式如图2所示。图2中所示缠绕方式为本装置的缠绕方式。在假人1表面与加热片2之间，以及加热片2外表面敷设绝缘胶带3，实施效果图如图1(2)所示。其中假人模特身高165cm，假人胳膊，躯干等尺寸与人体真实比例接近。其散热装置系统图如图3所示。由上位机11，程控电源12，散热假人13组成。其中将上位机11的232/485通讯接口与程控电源12的232/485的通讯接口相连，确认能够产生通讯，并可以控制程控电源12的输出电压。将程控电源12的电压输出口与假人13的电缆接口进行相连，确定程控电源可以正常给假人供电。
散湿及补水此装置如图3所示：由补水箱4，手动阀5，精密调速型蠕动泵6，加热片7，加湿箱10，上位机11，程控电源12等组成；其中将上位机的485485通讯接口与蠕动泵6的485通讯接口进行相连，确认能够正常通讯，并且可以控制蠕动泵6的流量；将补水箱4的出水口与蠕动泵的进水口采用内径5mm，外径8mm的PU水管进行连接，确认正常工作时水管管路不会漏水；在PU水管上安装手动阀5以开启或关闭水路。通过蠕动泵6的出水口将水送入加湿箱的加热片7上方，同样水管也采用内径5mm，外径8mm的PU水管，在加热片7上方的水管出口应距离加热片在10cm左右。将程控电源12的电压输出口与加热片7的电压接入口以及蠕动泵6的电压接入口通过电缆进行连接，确认能够正常供电并工作；加热片7的安装位置应于加湿箱10底部居中，距离加湿箱10底部2cm。加湿箱10的左侧设置进气口8，高度与加热片7高度一致，右侧设置抽气风扇9，高度位于加湿箱10高度三分之二位置处。
本发明的模拟人及人群的散热散湿装置的操作方法：
图4为散湿过程的流程图。根据图4，在补水的状态下，打开手动阀5，程控电源12给水泵提供稳定的工作电压V，根据设定的加湿量N，通过上位机11的信号输出控制水泵6的出口流量M，使得水泵的出口流量M与设定的加湿量N一样，当水泵出口的水通过水管管路到达加湿箱10内部的加热片上方时，由于水泵的流量很小，水会以滴液的形式，滴至加热片上表面；,此时加热片需要程控电源12提供输出电压V1来确保在通过加热片的加热作用下，水泵送入的水通过吸收汽化潜热产生饱和水蒸气，进而通过风扇9，将加湿箱产生的饱和水蒸气送到环境中，至此整个人体的散湿过程完成。在加湿箱10的内部会敷设纳米气囊反射层材料，来减少加热片7加热的热损失。在整个散湿过程中，考虑到水泵6送入到加湿箱10的水可以完全蒸发成为饱和水蒸气，所以散湿过程的精度由水泵的精度决定，即散湿装置的精度可以达到±4％FS。
根据以上操作方法，设定了5种加湿工况，并重复6次试验。以第一次实验为例进行数据分析：具体数据见表1和图6-图10，从图表中可知散湿装置精度可以控制在±4％以内。
表1散湿测试数据汇总
工况 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 第6次
设定值g/h 50 50 50 50 50 50
实际值g/h 50.7 50.9 50.09 51.3 50.8 49.78
精度％ 1.4 1.8 0.18 2.6 1.6 -0.44
设定值g/h 60 60 60 60 60 60
实际值g/h 60.6 59.8 60.2 59.9 59.9 59.8
精度％ 1.00 -0.33 0.33 -0.17 -0.17 -0.33
设定值g/h 80 80 80 80 80 80
实际值g/h 78.8 79.6 79.2 79.0 78.3 79.0
精度％ -1.21 -0.5 -0.93 -1.17 -2.03 -1.17
设定值g/h 155 155 155 155 155 155
实际值g/h 155.2 155.2 153.7 154.3 154.2 151.5
精度％ 0.11 0.13 -0.86 -0.43 -0.52 -2.27
设定值g/h 183.0 183.0 183.0 183.0 183.0 183.0
实际值g/h 185.3 184.7 181.7 181.2 182.4 181.5
精度％ 1.24 0.95 -0.70 -0.98 -0.33 -2.31
图5为散热过程的流程图。根据图5，首先散热装置根据上位机11设置的功率参数，通过调节程控电源12的输出电压V2来实现假人模特1的不同散热量，并通过程控电源12监测假人模特1散热量。在整个散热过程中，假人模特1表面通过持续的加热会达到一个产热和散热平衡的状态，通过功率计算公式P＝U2*R-1可以知道功率P由电压U的精度和电阻R的精度决定，所以散热过程的精度由程控电源的输出电压精度和电阻丝的电阻率精度确定：
根据误差传递公式:γC＝±(|αγA|+|βγB|)，将功率计算公式写成幂函数的形式P＝U2*R-1得到：rc＝±(2*0.75％+0.5％)＝±2％；
则散热装置的精度可以达到±2％FS。
γA----输出电压精度；α----电压的指数；
γB----电阻率精度；β----电阻的指数。
根据以上操作方法，设定了5种加热工况，并重复6次试验。以第一次实验为例进行数据分析：具体数据见表2和图11-图15，从图表中可知散热装置精度可以控制在±2％以内。
表2散热测试数据汇总
Figure GDA0002778936770000071
Figure GDA0002778936770000081
本散热散湿模拟人(群)装置设计先进合理，结构紧凑，布局简单，控制精度高，可以实现人体在不同自然或人造环境下人体不同状态的散热、散湿的过程，为在不同自然或人造环境下分析人体的生理状态以及人体的散热散湿对环境的影响提供了技术基础，节约科学成本，并提高了实验数据的可靠、准确、一致性。相比于其他散热模拟装置具有以下优点：(1)具有稳定、精确的散热散湿功能；(2)散湿装置能够通过上位机实现自动控制；(3)假人表面散热和真人的显热散热分布一致。
本发明公开了一种散热散湿模拟人(群)装置，该装置由散热装置，散湿装置，补水系统和供电与测控系统组成。散热装置部分是缠绕电阻丝的假人，假人表面从外至内由绝缘胶带层、电加热层、绝缘膜层和人体模型组成；散湿装置部分由加湿箱，加热片，风机组成；补水部分由补水泵及补水分配管路组成。供电及测控系统由人(群)散热装置供电、散湿装置供电、程控电源、精密调速型蠕动泵、上位机组成。本发明提供了一种能够模拟人体散热散湿的装置，并能实现不同人员活动强度下的散热散湿模拟，具有自动控制和采集数据的功能，并且具有操作方便，结构简单，控制精度高的优势，其散热精度可达到±0.5％FS；散湿精度可达到±0.56％FS。该装置可运用于服装、建筑、环境、航空航天、交通、医疗卫生等领域。
本发明模拟人及人群的散热散湿装置及方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (7)

1.一种模拟人及人群的散热散湿装置；包括人体散热装置、散湿装置、补水系统和供电及测控系统；其特征是散热装置部分是缠绕着电阻丝的假人，假人表面从外至内由绝缘胶带层、电加热层、绝缘膜层和人体模型组成；散湿装置由加湿箱，加热片，风机组成；补水部分由补水泵及补水分配管路组成；供电及测控系统由人体散热装置供电、散湿装置供电、程控电源、精密调速型蠕动泵，上位机组成；散湿及补水装置包括补水箱(4)，手动阀(5)，精密调速型蠕动泵(6)，加热片(7)，加湿箱(10)，上位机(11)，程控电源(12)组成；其中将上位机的485/485通讯接口与蠕动泵(6)的485通讯接口进行相连，确认能够正常通讯，并且控制蠕动泵(6)的流量；将补水箱(4)的出水口与蠕动泵的进水口进行连接；在水管上安装手动阀(5)以开启或关闭水路；通过蠕动泵(6)的出水口将水送入加湿箱的加热片(7)上方；将程控电源(12)的电压输出口与加热片(7)的电压接入口以及蠕动泵(6)的电压接入口通过电缆进行连接；加热片(7)的安装位置应于加湿箱(10)底部；加湿箱(10)设置进气口(8)，高度与加热片(7)高度一致，加湿箱(10)设置抽气风扇(9)，高度位于加湿箱(10)高度三分之二位置处；在补水的状态下，打开手动阀(5)，程控电源(12)给水泵提供稳定的工作电压V，根据设定的加湿量N，通过上位机(11)的信号输出控制水泵(6)的出口流量M，使得水泵的出口流量M与设定的加湿量N一样，当水泵出口的水通过水管管路到达加湿箱(10)内部的加热片上方时，水会以滴液的形式，滴至加热片上表面；此时加热片需要程控电源(12)提供输出电压V1来确保在通过加热片的加热作用下，水泵送入的水通过吸收汽化潜热产生饱和水蒸气，进而通过风扇(9)，将加湿箱产生的饱和水蒸气送到环境中，至此整个人体的散湿过程完成。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是人体散热装置由上位机(11)，程控电源(12)，散热假人(13)组成；其中将上位机(11)的232/485通讯接口与程控电源(12)的232/485的通讯接口相连，确认能够产生通讯，并控制程控电源12的输出电压；将程控电源(12)的电压输出口与假人(13)的电缆接口进行相连，确定程控电源可以正常给假人供电。
3.如权利要求2所述的装置，其特征是散热假人包括假人模特(1)、加热片(2)、绝缘胶带层(3)组成；将加热片(2)按照热量分配缠绕在假人(1)表面，在假人(1)表面与加热片(2)之间，以及加热片(2)外表面敷设绝缘胶带(3)。
4.如权利要求1所述的装置，其特征是在加湿箱(10)的内部会敷设纳米气囊反射层材料，减少加热片(7)加热的热损失。
5.如权利要求1所述的装置，其特征是首先散热装置根据上位机(11)设置的功率参数，通过调节程控电源(12)的输出电压V2来实现假人模特(1)的不同散热量，并通过程控电源(12)监测假人模特(1)散热量；在整个散热过程中，假人模特(1)表面通过持续的加热会达到一个产热和散热平衡的状态，通过功率计算公式P＝U2*R-1可以知道功率P由电压U的精度和电阻R的精度决定。
6.如权利要求5所述的装置，其特征是散热过程的精度由程控电源的输出电压精度和电阻丝的电阻率精度确定：
根据误差传递公式：γc＝±(|αγA|+|βγB|)，将功率计算公式写成幂函数的形式P＝U2*R-1得到：rc＝±(2*0.75％+0.5％)＝±2％；
γA----输出电压精度；α----电压的指数；
γB----电阻率精度；β----电阻的指数；
则散热装置的精度达到±2％FS。
7.如权利要求5所述的装置，其特征是散热散湿模拟装置的使用环境要求如下：
a)气压：70kPa-120kPa；
b)温度：0℃-40℃；
c)湿度：10％R.H.-90％R.H.。
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