本文是一篇电气自动化论文，本文在进行舒适性实验时仅选取了成年男性作为实验对象，实验样本数较少。在今后的研究中，应当选择不同年龄、性别的受试者在不同劳动状态下进行实验，使得结论更具有普适性。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
工作环境的好坏与人们的生命安全、工作效率等息息相关。对于室内工作者而言，高温天气时，可以利用风扇、空调等设备营造一个舒适凉爽的工作环境；低温天气时，可以利用地暖、小太阳等设备来实现一个舒适温暖的工作环境[1]。但是对于公路养护人员、马路交通执勤人员、电焊工人等户外行业从事者来说，无法利用上述设备改善恶劣的工作环境，如图1.1所示。长期暴露在极端环境条件下，会导致人体体温调节系统失灵，影响健康，甚至危及生命。因此，设计一款能够在恶劣环境对人体进行降温或者保暖的个体防护服，降低恶劣环境给人体带来的健康风险，使得人体体温恒定在正常范围内，具有重要的意义。
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恶劣环境包括高温环境和低温环境。高温环境通常是指35℃以上的生活环境和32℃以上的生产环境[2]。人体处于高温环境中时，环境中的热量会通过热辐射和热对流传递给人体，人体吸收的热量如果无法及时散发出去，将导致体温升高、热平衡失衡，形成热应激。对于户外工作从业人员而言，体温持续上升导致的热应激状态，会使得人体体温调节系统失灵，进而产生与热有关的疾病，如热痉挛、热衰竭、失温等，甚至导致死亡[3-4]。当室内空气温度低于15℃时，人体循环系统的负担逐渐加重[5]，人体对冷环境适应的下临界温度一般为10℃[6]。
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1.2 国内外研究现状
热平衡服既要实现降温也要实现加热。其中，降温功能的实现方式包括液体制冷、气体制冷、相变材料（PCM）制冷和热电制冷；加热功能的实现方式包括被动式加热和主动式加热。
1.2.1 冷却服的研究现状
1.2.1.1 液体冷却服
液体冷却服一般选择水作为冷却介质，利用微型泵驱动水在嵌入服装中的管束中循环[10]。液体冷却服的基本结构如图1.2所示，其工作原理为：通电后，水泵带动循环液体在服装的换热管路中流动，与人体进行热量交换，吸收多余的热量，从而实现对人体的降温。
20世纪50年代末期，科学家首次提出“水冷服”的概念，降温服的研究由此展开[11]。于小航等[12]设计了一款水循环降温服，将一定数量的降温冰贴缝制在基础服装上，连接管路缝制在衣服下方，利用水泵驱动循环水，在实现降温的同时有效避免冻伤状况的发生。Bartkowiak等[13]设计了一种主动液冷服（LCG）结构，在人工气候室内进行人体穿着试验，以受试者的主观感受和生理参数变化为指标验证了LCG的制冷性能。Guo T H 等[14]模拟高温环境，对液体降温服与环境之间的换热模型进行分析，研究了影响液体降温服制冷效果的不同参数。宋泽协等[15]制作了一款以蒸汽压缩制冷技术为核心的液体冷却服，并通过实验证明了冷却服散热量高达180W，能够有效缓解人体热不适。
液体冷却服工作时，制冷液体在服装内遍布的管束中循环流动，有较强的降温效果，但是水在人体皮肤和液冷服之间的缝隙中循环时，可能会导致皮肤灼伤[16]。且正是由于输送液体的管束遍布服装内部，使得服装重量增加，限制了人体活动范围，且液冷服零部件较多，价格较为昂贵。
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第2章 热平衡服理论分析与系统设计
2.1 人体热平衡理论学分析
2.1.1 人体产热和散热原理
1. 人体产热
人体通过摄入食物来提供进行生理活动所需物质和能量。食物进入人体后被分解为葡萄糖，再与细胞中的线粒体进行一系列化学作用后被氧化，从而转化为热量和能量被人体吸收。人体中的各个器官和组织细胞都在不断进行化学作用为人体提供热量，人体器官主要包括大脑、骨骼肌、内脏和其他器官，其各自占体重百分比如图2.1(a)所示。代谢水平不同，人体产热量不同，不同器官在不同强度生理活动时的产热量也各不相同。各器官在安静状态和运动状态时的产热量占比如图2.1(b)所示。
由图2.1(a)可知，内脏和骨骼肌占人体体重百分比较大，大脑和其他器官占比较小。因此，内脏和骨骼肌是人体主要的产热器官。当人体处于安静状态时，内脏负责大部分的产热量，占总产热量的56%，骨骼肌和大脑次之，分别占总产热量的18%和16%。当人体处于运动状态时，即当人体从事劳动或者进行锻炼时，人体新陈代谢率显著增加。运动时，人体主要靠骨骼肌产生热量，其产热量占总产热量的90%。可见，人体新陈代谢率随活动强度的增大而增加。不同活动强度下人体的新陈代谢如表2.1所示[53]。
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2.2 热平衡服系统设计
热平衡服主要包括功能模块和控制电路两部分。其中，功能模块包括在炎热环境中的制冷降温功能和在严寒环境中的制热保暖功能；控制电路主要用于对整个热平衡服功能的控制，包括采集相关温度信息，单片机根据采集到的数据进行下一步操作，以及进行GPS定位等。
使用者穿着热平衡服时，选择开启制冷或制热功能后，系统开始工作，控制电路根据用户选择的功能采集相关温度信息。热平衡服制冷时，控制电路中的温度检测模块采集制冷模块中出水口温度和循环水的水温，此时单片机根据温度差对制冷功率进行调节，达到控制制冷降温效果的作用。热平衡服制热时，控制电路中的温度检测模块采集用户背部温度，并根据其与设定值之间的温度差调节加热片两端电压大小，从而控制制热温度。用户在使用过程中，控制电路中的GPS定位模块进行实时定位，并通过NB-IoT模块将位置信息上传至云平台，实现实时定位。
热平衡服主要功能是实现在高温环境中制冷、在低温环境中制热，从而维持人体热量平衡，使得人体体温恒定在正常范围内，降低恶劣环境给人体带来的危害。在实现制冷和制热功能的基础，结合物联网技术，利用STM32和NB-IoT模块，对使用者进行实时定位并上传相关信息至云平台。设计智能温度控制模块，选取合适的参数作为控制目标，实现对于热平衡服制冷/制热温度的调控。
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第3章 热平衡服的模块设计与实现 ............................. 23
3.1 服装结构设计 .................................. 23
3.1.1 服装样式设计 ....................................... 23
3.1.2 换热流道的布局 ................................ 24
第4章 热平衡服舒适性测试与分析 .............................. 40
4.1 实验方案 ....................................... 40
4.1.1 实验环境 ...................................... 41
4.1.2 实验条件 ....................................... 41
第5章 总结与展望 .............................. 63
5.1 总结 ............................................ 63
5.2 展望 ................................... 64
第4章 热平衡服舒适性测试与分析
4.1 实验方案
为了验证热平衡服的工作性能，搭建微气候室模拟不同环境温度，采取真人穿着试验的方法，测试热平衡服的制冷和制热性能，同时记录表受试者的主观感觉，评价热平衡服的热舒适性。在实验过程中，记录热平衡服系统在不同环境温度下的工作持续时间。实验原理图如图4.1所示。
受试者穿着热平衡服位于微气候室内，当人体处于热环境时，热平衡服制冷，电源给热电制冷器供电并驱动水泵带动冷却水进入换热管道进行循环；当人体处于冷环境中，热平衡服制热，电源给热平衡服中的加热片供电，与人体进行热量交换。控制电路中的温度传感器作为数据采集设备，采集温度变化，并通过串口将数据传给电脑。
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第5章 总结与展望
5.1 总结
针对恶劣天气环境给户外行业从事人员带来的危害，本文提出了热平衡服的设计，旨在缓解恶劣天气下户外工作人员的热不适。首先，本文基于人体热平衡理论，对人体散热和产热进行了研究分析，建立了人体-热平衡服-环境三者之间的传热模型，得到不同情况下热平衡服的传热方程计算式，对影响热平衡服换热性能的参数进行了分析。其次，基于理论计算确定热平衡服制冷与制热模块的相关参数，完成了热平衡服的设计与制作，搭建人工微气候室，对热平衡服性能和人体舒适性进行试验测试。最后，基于热平衡服舒适性试验结果，开发出基于PID算法的智能温控系统，并对制冷、制热及智能控制功能进行了系统的测试。本文的具体工作总结如下：
（1）基于人体热平衡理论，推导并建立人体-热平衡服-环境三者之间的传热模型。在传热模型的基础上，对热平衡服的换热性能进行分析，确定了影响热平衡服性能的相关参数，提出热平衡服系统结构设计。
（2）根据人体各部位生理需求和皮肤热敏感度，将热平衡服基本样式设计为背心式，完成了制冷模块换热流道设计，确定制热元件的覆盖人体背部、腰部、腹部位置。根据热平衡服设计需求，对半导体制冷片和电发热织物进行参数计算，并完成控制电路的搭建，最终系统总重量为1.4kg。随后搭建微气候室内，采用真人穿着试验的方式，对热平衡服的性能进行测试。结果表明：在高温环境下，穿着热平衡服制冷时与无制冷措施相比，人体胸部皮肤温度下降0.5~2.7℃，腹部温度下降1.3~2.7℃，背部温度下降0.2~2.2℃，腰部温度下降1.6~3.9℃；在低温环境中，穿着热平衡服制热时的人体胸部皮肤温度上升0.8~1.6℃，腹部皮肤温度上升1.3~2.4℃，背部皮肤温度上升1.1~2.3℃，腰部皮肤温度上升1.8~3.0℃。人体躯干皮肤温度维持热中性范围内波动，缓解了人体在恶劣环境中的不适感。同时，利用GPS定位和IoT技术，实现了对使用者的实时定位。
参考文献（略）