Opracowanie odzieży ochronnej z funkcją aktywnego chłodzenia wykorzystującą zjawisko termoelektryczne (ogniwa Peltiera)

Kierownik projektu: dr inż. Anna Dąbrowska

Streszczenie projektu:

Celem projektu było opracowanie prototypu odzieży ochronnej z funkcją aktywnego chłodzenia wykorzystującej zjawisko termoelektryczne, dostosowującej moc chłodzącą do indywidualnych preferencji użytkownika i warunków środowiskowych oraz sprawdzenie funkcjonowania odzieży ochronnej z funkcją aktywnego chłodzenia podczas badań użytkowych.

W ramach realizacji 3. etapu projektu opracowano w pierwszej kolejności model odzieży ochronnej z funkcją aktywnego chłodzenia, wyposażonej w ogniwa termoelektryczne jako elementy chłodzące i poddano go walidacji, obejmującej badania użytkowe w przewidywanych warunkach stosowania oraz badania laboratoryjne w komorze klimatycznej z wykorzystaniem manekina termicznego. Wnioski z przeprowadzonych badań posłużyły do opracowania prototypu odzieży ochronnej z funkcją aktywnego chłodzenia, przeznaczonego dla osób pracujących w warunkach mikroklimatu gorącego.

Prace badawcze w niniejszym etapie rozpoczęto od przeprowadzenia badań ankietowych wśród osób pracujących w warunkach mikroklimatu gorącego w odniesieniu do wymagań względem odzieży z funkcją aktywnego chłodzenia. Badanie przeprowadzono wśród 233 pracowników spółki PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. Na podstawie otrzymanych wyników potwierdzono potrzebę stosowania w czasie pracy odzieży chłodzącej już w temperaturze otoczenia wynoszącej 20°C, która zapewni chłodzenie klatki piersiowej, łopatek i dolnej części pleców, a której masa nie będzie przekraczała 1 kg.

Na podstawie wyników badań ankietowych oraz wniosków z 2. etapu realizacji projektu opracowano model aktywnej odzieży z funkcją chłodzenia we współpracy z producentem odzieży ochronnej. Model odzieży składał się z szelek ze zintegrowanymi 6 ogniwami termoelektrycznymi TEGway FTE1­01, czujnika temperatury, sterownika oraz źródła zasilania. Odzież pozwala na regulację mocy chłodzącej w 5-cio stopniowej skali według indywidualnych preferencji przy zastosowaniu automatycznego dostosowywania się mocy chłodzącej do wybranego poziomu.

Opracowano metodykę walidacji opracowanego modelu odzieży, która uwzględniała 3 etapy badań: I – badanie gęstości strumienia ciepła odbieranego przez odzież z wykorzystaniem manekina termicznego w komorze mikroklimatycznej, II – badanie wpływu chłodzenia na komfort cieplny użytkownika podczas laboratoryjnych badań użytkowych, III – ocenę ergonomii i funkcjonalności odzieży w warunkach semi-rzeczywistych podczas terenowych badań użytkowych.

Badania z wykorzystaniem manekina termicznego przeprowadzono dla 2 poziomów temperatury otoczenia – 25 i 30°C, z zastosowaniem 2 wariantów metodycznych – 1) ze stopniowym zwiększaniem mocy chłodzącej i 2) ze skokowym załączeniem maksymalnej mocy chłodzącej. Badania wykazały, że opracowane rozwiązanie zapewnia wysoką skuteczność chłodzenia, wynoszącą średnio ok. 50 W/m2, a temperatura otoczenia nie wpływa na skuteczność uzyskiwanego chłodzenia. Potwierdzone zostało działanie układu chłodzącego przez co najmniej 5 godzin.

Badania użytkowe przeprowadzono z udziałem 6 ochotników będących pracownikami PKP Polskich Linii Kolejowych S.A., Zakładu Linii Kolejowych w Łodzi. Badania laboratoryjne odbywały się w temperaturze otoczenia 25°C, przy wilgotności względnej 65% w 2 seriach – z włączonym systemem chłodzenia i bez włączonego chłodzenia, podczas których uwzględniono pomiar lokalnej temperatury skóry uczestników badań. Procedura badania uwzględniała wykonywanie aktywności fizycznej w postaci marszu na bieżni z prędkością 5km/h w trzech 15-minutowych seriach przedzielonych 5-minutowymi przerwami. Z kolei terenowe badania użytkowe w warunkach semi-rzeczywistych przeprowadzono na terenie PKP PLK S.A., Zakładu Linii Kolejowych w Łodzi z udziałem tych samych uczestników. Uczestnicy wykonywali czynności na takich stanowiskach pracy jak: dróżnik obchodowy, operator kos mechanicznych i operator podbijaka. Przeprowadzone laboratoryjne badania użytkowe wykazały, że przy wykonywaniu dużej aktywności fizycznej opracowane rozwiązanie jest w stanie zapewnić zmniejszenie lokalnej temperatury skóry nawet o 2.66°C, a efekt chłodzenia utrzymywany jest przez cały okres prowadzenia badania. Ponadto, badania z udziałem użytkowników końcowych potwierdziły subiektywną poprawę wrażeń cieplnych. Dzięki zastosowaniu opracowanego rozwiązania nie występuje odczucie gorąca, co pozytywnie wpływa na komfort pracy. Z kolei terenowe badania użytkowe przeprowadzone w warunkach semi-rzeczywistych pozwoliły wskazać elementy wymagające poprawy oraz konieczność wprowadzenia niezbędnych zmian konstrukcyjnych w celu zapewnienia większego komfortu pracy oraz większej wydajności systemu chłodzenia. Wnioski te stanowiły podstawę do opracowania konstrukcji prototypu odzieży ochronnej z funkcją aktywnego chłodzenia.

W wyniku przeprowadzonych badań opracowano prototyp odzieży ochronnej z funkcją aktywnego chłodzenia wykorzystującej zjawisko termoelektryczne. Dzięki uwzględnieniu wniosków wynikających z badań konstrukcja odzieży zapewnia dobre przyleganie ogniw termoelektrycznych do sylwetki użytkownika. W celu dostosowania odzieży do użytkowników o różnej budowie ciała i zapewnienia odpowiedniego przylegania ogniw termoelektrycznych do ciała – w opracowanym rozwiązaniu wprowadzono różne rozmiary odzieży. Opracowany prototyp odzieży z funkcją aktywnego chłodzenia charakteryzuje się niewielką masą (mniejszą niż 1 kg), prostym w obsłudze systemem sterującym oraz uniwersalnym źródłem zasilania. Ponadto, prototyp w komplecie z dedykowaną odzieżą o intensywnej widzialności spełnia wymagania normy PN-EN ISO 20471.

a)

b)

Projekt III.PB.09. Opracowany prototyp odzieży ochronnej z funkcją aktywnego chłodzenia wykorzystującej zjawisko termoelektryczne ‒ a) oraz wykres zmian wartości lokalnej temperatury skóry w trakcie trwania badania z włączonym systemem chłodzenia i bez chłodzenia w miejscach chłodzonych ‒ b)

Opracowano dokumentację techniczną oraz przygotowano zgłoszenie wzoru użytkowego dotyczące szelek chłodzących (zgłoszenie nr W.131 016).

Wyniki przedstawiono w 1 publikacji popularnonaukowej, 2 publikacjach naukowych, w filmie (w wersji polskiej i angielskiej) pt. Odzież ochronna z funkcją aktywnego chłodzenia – CIOP-PIB zamieszczonym na Youtube, w materiałach informacyjnych (zamieszczonych na stronie internetowej CIOP-PIB) oraz zaprezentowano na 2 konferencjach międzynarodowych 1 konferencji krajowej oraz 1 seminarium krajowym, a także zorganizowano seminarium dla producentów i użytkowników.

Jednostka: Pracownia Odzieży Ochronnej

Okres realizacji: 01.01.2020 – 31.12.2022