超輕相變降溫服的優(yōu)化設(shè)計(jì)與熱舒適評(píng)價(jià)

梁永輝，李為林，朱佳音，劉昌海，寧柏松

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

據(jù)報(bào)道，各類建筑及交通工具中大都設(shè)置了空調(diào)系統(tǒng)，建筑能耗占到社會(huì)總能耗的1/3[1]，但仍有許多情況下，人們無(wú)法享受到空調(diào)系統(tǒng)的便利。例如夏季人們因工作原因需在不同空調(diào)區(qū)域進(jìn)行轉(zhuǎn)移，如值班交警、戶外作業(yè)工人、飯店廚師等職業(yè)需經(jīng)常在建筑非空調(diào)區(qū)域或室外等高溫環(huán)境中作業(yè)，高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致體核溫度升高、血壓升高，引起心情煩躁，影響人體感知、記憶、識(shí)別和智力等[2]，進(jìn)而影響工作效率，對(duì)身體造成傷害。降溫服作為一種便攜式降溫設(shè)備，通過(guò)穿戴的形式調(diào)節(jié)人體溫度，可有效地解決上述問(wèn)題[3]。

相變降溫服以相變材料為制冷介質(zhì)[4]，吸收人體的代謝熱，達(dá)到降溫的目的。相變降溫服具有造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、相變材料種類多等優(yōu)點(diǎn)[5]，是目前降溫服研究中的熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)用、冶金、消防及礦用等特殊工種[6]。張寅平等[7]用一種相變潛熱為190 kJ/kg的TH-27相變材料制作了醫(yī)用降溫服，總質(zhì)量為1.8 kg；王云儀等[8]設(shè)計(jì)了一種凝膠蓄冷劑的煉鋼工人用防護(hù)服，總質(zhì)量為1.884 kg；梁國(guó)治等[9]以聚乙烯醇系蓄冷材料和聚丙烯酸鈉系蓄冷材料為基本原料制備了礦用降溫服，總質(zhì)量為1.5 kg，在環(huán)境溫度35 ℃時(shí)，可維持放冷4～5 h；張奮奮等[10]所使用的礦用降溫服總質(zhì)量為1.2 kg，在35 ℃條件下，有效降溫時(shí)間為2.5 h；何騫[11]用相變溫度在26～30 ℃的石蠟制作了降溫服，僅相變材料質(zhì)量為1 kg；楊晨雨[12]提出輕度勞動(dòng)2 h情況下，維持人體熱舒適所需相變材料質(zhì)量為3.29 kg。

現(xiàn)有研究表明，相變降溫服具有較好的降溫效果，但其質(zhì)量較大，制冷時(shí)間較長(zhǎng)。相變材料固定在衣服中，需對(duì)降溫服整體蓄冷，使用不便。且現(xiàn)有相變降溫服未能應(yīng)用于日常生活中。人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ魍ǔＶ皇嵌虝r(shí)間暴露于高溫，所以完全可以縮短降溫服的降溫時(shí)間，從而減少充注量；通過(guò)優(yōu)化擺放位置，讓最小的充注量發(fā)揮最大的作用。若需持續(xù)降溫，則可通過(guò)自主增添降溫模塊實(shí)現(xiàn)。

本文將相變降溫服應(yīng)用于日常生活中，提出了相變材料最小充注量通用計(jì)算方法，設(shè)計(jì)了一種質(zhì)量輕且蓄冷方式簡(jiǎn)單的模塊式相變降溫服，并通過(guò)不同工況下的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試降溫服性能。

1 相變降溫服的理論研究

1.1 相變材料選取原則

相變降溫服通常采用固-液相變材料，固-液相變材料具有相變潛熱高、導(dǎo)熱性好的優(yōu)點(diǎn)[13]，且相變前后體積變化不大。目前用于相變降溫服的材料有石蠟、水、脂肪醇、脂肪酸及復(fù)合相變材料等。本研究選用的相變材料為T(mén)H-SL-23混合型固-液相變材料，該相變材料主要成分為三硬脂酸甘油酯、三棕櫚酸甘油酯和三肉豆蔻酸甘油酯，屬?gòu)?fù)合有機(jī)相變材料。該相變材料熔化潛熱高，液相過(guò)冷能力低，熱和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)反應(yīng)，無(wú)腐蝕，相變溫度適宜(23 ℃)，相變潛熱較高(220 kJ/kg)，過(guò)冷度較低(小于1 ℃)，造價(jià)較低(30元/kg)，為可再生相變材料。

選用23 ℃相變材料時(shí)，利用常見(jiàn)冷源對(duì)相變模塊進(jìn)行蓄冷，如冰箱或冷水。蓄冷時(shí)，冷源所提供冷量較大，選用相變材料過(guò)冷度小于1 ℃，相變材料的過(guò)冷特性對(duì)此過(guò)程影響極小。同時(shí)有部分冷量以顯熱形式儲(chǔ)存在相變模塊內(nèi)導(dǎo)致相變模塊溫度較低。相變材料存儲(chǔ)的顯熱冷量遠(yuǎn)小于相變冷量，因此，將其短暫置于空氣內(nèi)，便可散去其存儲(chǔ)的顯熱冷量。在釋冷過(guò)程中，人體表面溫度明顯高于相變材料的相變溫度，因此可忽略此相變材料的過(guò)冷度對(duì)降溫服使用效果的影響。

1.2 最小充注量計(jì)算

為減輕相變降溫服質(zhì)量，需要確定相變材料的最小充注量。根據(jù)熱舒適理論，當(dāng)人體蓄熱率為零，即人體的散熱量和產(chǎn)熱量相等時(shí)，人體處于熱舒適狀態(tài)。熱舒適方程如式(1)，所示[14]。

Q=fclhc(tcl-ta)+3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(tr+273)4]+3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]+0.42(M-W-58.2)+0.001 73M(5.867-Pa)+0.001 4M(34-ta)

(1)

式中：Q為人體散熱量，J；fcl為服裝面積系數(shù)；hc為人體表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；tcl為衣服外表面溫度，℃；ta為人體周圍空氣溫度，℃；tr為平均輻射溫度，℃；Pa為人體周圍水蒸氣分壓力，kPa；M為人體能量代謝率，取決于人體活動(dòng)量大小，W/m2；W為人體所做的機(jī)械功，W/m2。

相變降溫服通過(guò)相變材料發(fā)生相變吸收人體的散熱，當(dāng)相變材料吸收的熱量等于人體散熱量時(shí)，人體將處于熱平衡狀態(tài)，從而維持熱舒適，因此，理論上所需相變材料的質(zhì)量m可由式(2)計(jì)算。

m=QτA/q

(2)

式中：τ為相變降溫服連續(xù)使用時(shí)間，s；A為人體表面積，m2；q為相變材料相變潛熱，kJ/kg。

人體表面積可由式(3)計(jì)算。

(3)

式中：m1為體重，kg；h為身高，m。

本文研究所設(shè)計(jì)的相變降溫服的基礎(chǔ)服裝采用聚酯纖維材料，該材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.084 W/(m·℃)，具有隔熱效果，可以減少降溫服向外部環(huán)境的散冷量。服裝形式采用馬甲式，其服裝面積系數(shù)fcl通過(guò)查文獻(xiàn)[15]取1.35；人體表面對(duì)流換熱系數(shù)hc為4.0 W/(m2·℃)；相變降溫服的工作環(huán)境溫度控制在(35±0.5) ℃，濕度為(50 ±5)%；通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得降溫服的外表面溫度為33.5 ℃；利用黑球溫度計(jì)測(cè)出黑球溫度，并計(jì)算得該工況下的黑球輻射溫度為30 ℃；人體能量代謝率M在靜坐時(shí)[16]取60 W/m2；人體所做的機(jī)械功取0；通過(guò)查焓濕圖獲得人體周圍水蒸氣分壓力為2.662 kPa。

由式(2)可以得到，通過(guò)減少相變降溫服的連續(xù)使用時(shí)間并選取相變潛熱較大的材料可降低相變材料的使用量。本文研究選取的TH-SL-23相變材料相變潛熱為220 kJ/kg，且該相變降溫服旨在服務(wù)人們的日常工作生活，其運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)通常為20～30 min。從而計(jì)算得出需要的相變材料質(zhì)量為212～318 g。所采用的基礎(chǔ)服裝總質(zhì)量為300 g，整個(gè)相變降溫服的總質(zhì)量?jī)H為512～618 g，質(zhì)量遠(yuǎn)小于目前大多數(shù)研究中為特殊環(huán)境而設(shè)計(jì)的降溫服。此外，使用者可根據(jù)穿著時(shí)長(zhǎng)自主調(diào)節(jié)放置的相變材料模塊數(shù)量。

1.3 相變降溫服形式

本文的相變降溫服采用“插袋式”，由基礎(chǔ)服裝、內(nèi)側(cè)預(yù)置口袋和相變材料模塊組成(如圖1所示)。穿著前，將相變材料模塊取下放置于冰箱、冷水等低于相變材料相變溫度的環(huán)境中，使相變材料充分蓄冷；使用時(shí)，將相變材料模塊放置于降溫服內(nèi)側(cè)預(yù)置的口袋中便可開(kāi)始使用；結(jié)束時(shí)再將相變材料取出重新蓄冷即可。

①—基礎(chǔ)服裝；②—內(nèi)側(cè)預(yù)置口袋；③—封裝相變材料模塊。圖1 相變降溫服結(jié)構(gòu)Fig.1 Phase change cooling suit structure

研究表明，人體前胸和后背的發(fā)熱量最大，同時(shí)也對(duì)溫度變化最為敏感[17]，因此，本研究所設(shè)計(jì)的降溫服采用馬甲形式，并以維持30 min供冷量的最小充注量為例，將318 g相變材料平均分為22個(gè)模塊，每個(gè)模塊的相變材料充注量為15 g。模塊尺寸為5 cm×4 cm×1 cm，相變材料可以在模塊中充分布開(kāi)。為保持人體胸部、背部的熱舒適，應(yīng)盡量選取胸部背部降溫效果明顯的方案[18]，相變材料擺放位置方案如圖2所示。

圖2 相變材料擺放位置方案Fig.2 Phase change material placement scheme

2 相變降溫服的實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選擇15名健康男大學(xué)生作為受試者，年齡、身高、體重和身體質(zhì)量指數(shù)BMI分別為(22±1)歲，(175±3) cm，(65±5) kg，(22.1±1.6) kg/m2。受試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前2 h不能劇烈運(yùn)動(dòng)，穿著實(shí)驗(yàn)服裝較為合體，不能出現(xiàn)緊繃或其他不適感。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

通過(guò)情景實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)本研究所提出的超輕相變降溫服在不同情況下的制冷效果進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)共分為1組室外工況和2組室內(nèi)工況，制冷效果測(cè)試方案如表1所示。

表1 制冷效果測(cè)試方案Tab.1 Refrigeration effect test scheme table

每組實(shí)驗(yàn)前，先將相變材料模塊放在冷水中充分蓄冷，使之全部凝結(jié)成固體；受試人員先穿著未放入相變材料模塊的基礎(chǔ)服裝，進(jìn)行10 min的皮膚表面溫度測(cè)試，并以10 min內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的平均溫度為基礎(chǔ)溫度。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將相變材料模塊布置于基礎(chǔ)服裝內(nèi)側(cè)的預(yù)置口袋中；受試人員穿著放入相變材料模塊的降溫服，每隔2 min采集受試人員的皮膚表面溫度，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，同時(shí)記錄受試人員熱舒適感受的反饋。

實(shí)驗(yàn)期間的主要測(cè)試參數(shù)為受試者所處環(huán)境的溫濕度以及人體表面溫度。其中：環(huán)境的溫濕度采用RC-4HC溫濕度自記儀(江蘇省精創(chuàng)電氣股份有限公司)進(jìn)行測(cè)量；人體表面溫度采用RC-4溫度自記儀(江蘇省精創(chuàng)電氣股份有限公司)進(jìn)行測(cè)量。

2.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

室外測(cè)試當(dāng)天的室外最高溫度為35 ℃，實(shí)驗(yàn)期間受試人員周圍環(huán)境溫度為33～34 ℃，濕度為53%～56%。

室內(nèi)測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)期間，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)設(shè)備維持室內(nèi)溫度為(35±0.5) ℃，相對(duì)濕度為(50±5) %。

單位：mm。圖3 室內(nèi)工況測(cè)試用實(shí)驗(yàn)室Fig.3 Laboratory for indoor condition testing

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 室外步行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

室外步行實(shí)驗(yàn)(1#)結(jié)果見(jiàn)圖4。室外步行工況下，受試人員僅穿著基礎(chǔ)服裝(未放置相變材料模塊)與穿著相變降溫服后的皮膚表面溫度對(duì)比如圖4(a)所示，各測(cè)點(diǎn)的皮膚表面溫度均有明顯降低，平均溫度降低了1.35 ℃。進(jìn)一步分析相變降溫服工作期間受試人員皮膚表面各測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況，如圖4(b)所示。測(cè)試期間受試人員皮膚各測(cè)點(diǎn)的溫度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但是背部、腰部和腹部的溫度均較為平穩(wěn)。胸部由于受到太陽(yáng)的直射，有較為明顯的短暫溫升，但依然低于對(duì)照組的測(cè)試溫度。且隨著相變材料的融化，胸部溫度也呈明顯下降趨勢(shì)。

圖4 室外步行實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1#)Fig.4 Outdoor walking experiment results(1#).(a) Skin temperature contrast; (b) Skin temperature change

圖5 室內(nèi)靜坐實(shí)驗(yàn)結(jié)果(2#)Fig.5 Indoor meditation experiment results(2#).(a) Skin temperature contrast; (b) Skin temperature change

3.2 室內(nèi)靜坐實(shí)驗(yàn)結(jié)果

室內(nèi)靜坐實(shí)驗(yàn)(2#)結(jié)果見(jiàn)圖5。室內(nèi)靜坐工況下，受試人員僅穿著基礎(chǔ)服裝(未放置相變材料模塊)與穿著相變降溫服后的皮膚表面溫度對(duì)比如圖5(a)所示，各測(cè)點(diǎn)的皮膚表面溫度均有明顯降低，平均溫度降低了1.10 ℃。進(jìn)一步分析相變降溫服工作期間受試人員皮膚表面各測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況，如圖5(b)所示。測(cè)試期間受試人員胸部、腹部、腰部的溫度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，背部溫度始終呈下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)初期溫度自記儀探頭未與人體達(dá)到熱平衡，同時(shí)相變材料暫時(shí)未開(kāi)始融化，有較為明顯的短暫溫升，但依然低于對(duì)照組的測(cè)試溫度。且隨著相變材料的融化，4處測(cè)點(diǎn)溫度均呈明顯下降趨勢(shì)。

3.3 室內(nèi)步行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

室內(nèi)步行實(shí)驗(yàn)(3#)結(jié)果見(jiàn)圖6。室內(nèi)步行工況下，受試人員僅穿著基礎(chǔ)服裝(未放置相變材料模塊)與穿著相變降溫服后的皮膚表面溫度對(duì)比如圖6(a)所示，各測(cè)點(diǎn)的皮膚表面溫度均有明顯降低，平均溫度降低了1.78 ℃。進(jìn)一步分析相變降溫服工作期間受試人員皮膚表面各測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況，如圖6(b)所示。測(cè)試期間受試人員皮膚各測(cè)點(diǎn)的溫度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但是背部、腰部的溫度均較為平穩(wěn)。隨著人體活動(dòng)量的增加，胸部和腹部有較為明顯的短暫溫升，但依然低于對(duì)照組的測(cè)試溫度。且隨著相變材料的融化，4處測(cè)點(diǎn)溫度均呈明顯下降趨勢(shì)。

圖6 室內(nèi)步行實(shí)驗(yàn)結(jié)果(3#)Fig.6 Indoor walking experiment results(3#).(a) Skin temperature contrast; (b) Skin temperature change

3.4 降溫服效果評(píng)價(jià)

放入相變材料的3組實(shí)驗(yàn)對(duì)比的結(jié)果如圖7所示。室內(nèi)步行工況的人體胸部和背部的溫度最低，且室內(nèi)步行工況降溫量也大于其余2組工況。這是因?yàn)樵黾踊顒?dòng)量后，人體產(chǎn)生的熱量能促進(jìn)相變材料發(fā)生相變，進(jìn)而吸收人體的產(chǎn)熱，降溫效果更加明顯。同時(shí)，在室外實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際工作條件下的降溫效果，太陽(yáng)直射也可促進(jìn)相變材料發(fā)生相變；但由于室外太陽(yáng)直射溫度較高，人體皮膚溫度也高于室內(nèi)，因此，室外步行降溫效果稍差于室內(nèi)步行降溫效果。

圖7 3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of three groups of experimental results.(a) Skin temperature contrast; (b) Reduce temperature contrast

無(wú)論哪種工況下，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)人體都能通過(guò)穿著降溫服達(dá)到熱舒適，且受試人員在3組實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間其均未產(chǎn)生過(guò)冷、過(guò)熱等不適的感覺(jué)。3組測(cè)試結(jié)束時(shí)，相變材料均未完全融化。

目前市售降溫服中，主要分為佩戴小型風(fēng)機(jī)的風(fēng)冷降溫服及以冰袋為冷卻介質(zhì)的相變降溫服。風(fēng)冷降溫服需隨身攜帶電源，增加了設(shè)備的復(fù)雜性和質(zhì)量，不方便使用。而冰袋溫度較低，容易造成人體皮膚過(guò)冷，引起不適，且冰袋需放入冰箱蓄冷?，F(xiàn)有研究中的相變降溫服質(zhì)量較大，不宜用于日常生活中。本文所提出的超輕相變降溫服無(wú)需隨身攜帶電源，相變模塊放入冷水中即可完成蓄冷，且相變溫度較高，不會(huì)引起皮膚過(guò)冷，質(zhì)量較輕，可在生活中廣泛使用。

4 結(jié) 論

本文提出了一種適用于人們?nèi)粘９ぷ魃钍褂玫南嘧兘禍胤?。通過(guò)理論研究計(jì)算了降溫服相變材料的最小充注量，并對(duì)所提出的降溫服在不同工況下的降溫效果進(jìn)行了測(cè)試。主要結(jié)論如下：

①通過(guò)選用相變潛熱更大的相變材料并根據(jù)使用工況適當(dāng)縮減降溫服的單次工作時(shí)長(zhǎng)可有效降低相變降溫服的整體質(zhì)量?；谙嘧儾牧献钚〕渥⒘坑?jì)算得出，選用相變材料TH-SL-23時(shí)，降溫服維持30 min工作的總質(zhì)量?jī)H為618 g。

②通過(guò)多種情景下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到，無(wú)論是在室外步行、室內(nèi)步行還是室內(nèi)靜坐，受試人員均能通過(guò)穿著相變降溫服得到一定時(shí)間的熱舒適。且在受試人員活動(dòng)散熱和室外陽(yáng)光照射下，相變材料會(huì)加速融化提供更多的冷量，這和受試人員的需冷量規(guī)律一致。

③每組工況下降溫服中的相變材料模塊均未完全發(fā)生相變，這說(shuō)明該相變降溫服仍有一定的制冷能力，且具有進(jìn)一步減少相變材料充注量、降低降溫服整體質(zhì)量的潛力。

本文研究所提出的超輕模塊式相變降溫服具有輕便、蓄冷方便、穿戴便捷等優(yōu)勢(shì)，使用人員亦可根據(jù)自己的使用需求對(duì)其中的相變材料模塊進(jìn)行增減，適用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钇陂g的多種常見(jiàn)情景，有效提高人們?cè)诜强照{(diào)環(huán)境中的熱舒適。后續(xù)研究將探索如何在保證降溫效果的同時(shí)進(jìn)一步降低該降溫服的總體質(zhì)量，并探索更簡(jiǎn)便的使用方式。