相變與吸濕結(jié)合下的新型多功能降溫服設(shè)計(jì)

明詩林,夏婉婷,張成隆,粟 靜,徐曉宇,羅清海

(南華大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南衡陽 421001)

0 前言

對(duì)于常年處于高溫高濕環(huán)境下作業(yè)的一線員工,防護(hù)服的氣密性會(huì)加劇對(duì)作業(yè)人員身體和心理健康的危害,進(jìn)而影響作業(yè)人員熱舒適性,降低工作效率,且長時(shí)間處于高溫高濕的工作環(huán)境下,可能會(huì)引起身體機(jī)能失常,嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)臟器官功能衰竭,甚至死亡,所以有必要對(duì)長期在高溫高濕環(huán)境下作業(yè)的職工采取一定的降溫、降濕措施[1]。

在降溫技術(shù)研究領(lǐng)域中,MENG T Y,等[2]將設(shè)計(jì)的微小型通風(fēng)裝置應(yīng)用于服裝中,改變外在服裝的結(jié)構(gòu),并對(duì)該氣體降溫服裝系統(tǒng)的冷卻能力進(jìn)行了評(píng)價(jià);何騫[3]利用相變材料和小風(fēng)扇,結(jié)合人機(jī)工程學(xué)、服裝設(shè)計(jì)學(xué)等設(shè)計(jì)了一款新型冷卻服,并進(jìn)行了服裝真人測試;Yang L,等[4]將新型吸濕面料應(yīng)用于醫(yī)用防護(hù)服上,破除傳統(tǒng)防護(hù)服在透濕性與透氣性的障礙,但未考慮在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。綜上,雖然已有前學(xué)者的研究,但目前的降溫服設(shè)計(jì),仍存在功能單一的問題,效果不夠理想。

為保障高溫高濕環(huán)境下職工的熱舒適性和安全,分析其所處工作環(huán)境的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)一款結(jié)合相變調(diào)溫、吸附吸濕、網(wǎng)格透氣和溫度超限報(bào)警功能的新型多功能降溫服,用于改善惡劣環(huán)境對(duì)一線員工的困擾,助力保障職工職業(yè)健康。

1 降溫服的功能設(shè)計(jì)

新型多功能降溫服具備以下4大功能:①相變調(diào)溫。通過相變材料吸收熱量,維持舒適的體表溫度環(huán)境;②吸附吸濕。通過吸濕材料去除體表濕氣,維持舒適的體表濕度環(huán)境;③網(wǎng)格透氣。能夠改善體表微環(huán)境和降低體表微環(huán)境熱濕擴(kuò)散的阻力,同時(shí)作為變蓄冷材料的布置層,增強(qiáng)吸濕材料的抗拉能力;④溫度超限報(bào)警。溫度報(bào)警器通過溫度傳感器探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測人體體溫,當(dāng)人體工作環(huán)境溫度超過不同的閾值后,溫度報(bào)警器會(huì)給予不同程度的報(bào)警提示,用于提醒作業(yè)人員,保障其生命安全。

2 降溫服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

降溫服設(shè)計(jì)為2層結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)如圖1所示,網(wǎng)格透氣層縫制若干口袋用于放置相變材料,最內(nèi)層下腰部分放置溫度報(bào)警器。

1.相變材料(口袋儲(chǔ)存);2.溫度報(bào)警器;3.網(wǎng)格透氣層;4.吸附吸濕層;5.降溫服外表面。圖1 降溫服結(jié)構(gòu)示意

2.1 相變吸熱層的設(shè)計(jì)

2.1.1 相變材料的選取

新型多功能降溫服選取膨脹石墨/石蠟復(fù)合材料[5]作為相變材料,其原因如下:①相變溫度為27.5 ℃滿足人體的舒適度,且具備較大的降溫潛力,其相變潛熱高達(dá)245 kJ/kg;②具有較為穩(wěn)定的固態(tài)結(jié)構(gòu),在相變前后不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),安全可靠;③沒有相分離現(xiàn)象且對(duì)人體無毒無害;④價(jià)格和水和鹽相當(dāng),但其溶解熱比水和鹽大。

2.1.2 人體熱平衡

人體的各項(xiàng)功能正常依賴于體溫的基本恒定,即產(chǎn)熱和散熱保持平衡,當(dāng)平衡失穩(wěn)時(shí),身體則會(huì)出現(xiàn)癥狀[6]。假設(shè)使用一個(gè)多層圓柱斷面來表示人體的核心部分、皮膚部分和衣著,其與環(huán)境的熱平衡示意如圖2所示。

圖2 人體與環(huán)境的熱交換示意

以數(shù)學(xué)表達(dá)式表示人體熱平衡[7],如公式(1)所示:

M-W-C-R-E-Eres-Cres-S=0

(1)

式中:M--人體能量代謝率,W/m2;

W--人體所做的機(jī)械功,W/m2;

C--人體通過對(duì)流形式散發(fā)的熱量,W/m2;

R--人體通過輻射形式散發(fā)的熱量,W/m2;

E--汗液蒸發(fā)所帶走的熱量,W/m2;

Eres--人體通過呼吸蒸發(fā)潛熱的熱交換,W/m2;

Cres--人體通過呼吸對(duì)流顯熱的熱交換,W/m2;

S--人體蓄熱率,W/m2。

降溫服的使用環(huán)境是穿著在作業(yè)人員防護(hù)服內(nèi)層,在此情況下,以外層降溫服與防護(hù)服之間的衣內(nèi)空間為新的外部環(huán)境。由于相變材料吸收人體向外散發(fā)的熱量,所以熱量C、R均考慮在相變材料的融化潛熱負(fù)荷內(nèi),同時(shí)吸附吸濕層的設(shè)計(jì),使得E汗液蒸發(fā)過程不再具備,人體要處于舒適狀態(tài),其蓄熱率S為0。為統(tǒng)一計(jì)算方便,將單位轉(zhuǎn)換為焦耳,新的工況下熱平衡方程見公式(2):

(M-W-Eres-Cres)·A·N·t-Q=S

(2)

式中:A--人體體表面積,m2;

N--人體有效體表面積比率,%;

t--作用時(shí)間,s;

Q--相變材料的融化潛熱,J。

所以,由公式(2)可知,為求得相變材料的融化潛熱Q,需要間接查詢或計(jì)算M、W、Eres、Cres等參數(shù)值。

2.1.3 人體的呼吸散熱

人體保持熱平衡的方式之一就有通過呼吸作用向外界環(huán)境散熱,而呼吸散熱又可以分為顯熱呼吸散熱與潛熱呼氣散熱。

呼吸的潛熱熱交換式見公式(3):

Eres=0.017 3M(5.87-φaPa)

(3)

式中:φa--空氣相對(duì)濕度,%;

Pa--環(huán)境空氣中水蒸汽的分壓力,kPa。

呼吸的顯熱熱交換式見公式(4)[8]:

Cres=0.001 4M(Tex-Ta)

(4)

式中:Tex--人體呼出氣體的溫度,℃;

Ta--環(huán)境中氣體的溫度,℃。

2.1.4 人體所做的機(jī)械功

人體的新陳代謝是一個(gè)非常復(fù)雜的生理過程,但在研究中為了方便計(jì)算進(jìn)行了簡化處理。當(dāng)人體穿著降溫服時(shí)大多處于活動(dòng)狀態(tài),由于石油化工職工屬于強(qiáng)體力勞動(dòng)者,新陳代謝率M可取230 W/m2,而對(duì)于在炎熱夏季執(zhí)勤的交警新陳代謝率M可取140 W/m2,所以在計(jì)算中將人體新陳代謝率簡化為中間值185 W/m2。

機(jī)械功的計(jì)算表達(dá)式見公式(5):

W=ηM

(5)

式中:η--人體機(jī)械效率。

最后,對(duì)于人體的機(jī)械效率也應(yīng)取值簡化計(jì)算,因?yàn)槿梭w的機(jī)械效率也是處于一直變化的狀態(tài),對(duì)大多數(shù)活動(dòng),人體的機(jī)械效率幾乎為0,很少高于20%[8],在計(jì)算中保守取值16%。

2.1.5 模型簡化通式與計(jì)算

在進(jìn)行模型簡化中,將皮膚表層溫度Tsk設(shè)置為34 ℃,環(huán)境溫度Ta定為36 ℃,人體呼氣溫度Tex定為37 ℃,環(huán)境濕度定為50%RH進(jìn)行簡化計(jì)算,將上述假設(shè)以及數(shù)值代入,得到人體熱平衡方程為公式(6):

(M-ηW-Eres-Cres)A·N·t-Q=S

(6)

對(duì)人體的表面積進(jìn)行估算,設(shè)計(jì)中采用公式(7)進(jìn)行計(jì)算[9]:

A=0.006 1H+0.012 4G-0.009 9

(7)

式中:A--人體體表面積,m2;

H--人體身高,cm;

G--人體體重,kg。

選取身高為175 cm,體重為60 kg的樣本,N取25.75%[3],設(shè)其工作時(shí)長為4 h代入公式(7)得到A為1.801 6 m2。并最終計(jì)算Q相變材料的融化潛熱為60.8 kJ。

2.1.6 相變材料的布置形式

從表1可知,人體冷點(diǎn)、熱點(diǎn)分布在人體不同部位,各部位對(duì)于冷熱的敏感程度不相同,當(dāng)溫度過高或者過低時(shí)會(huì)對(duì)人體造成不適感[10]。研究發(fā)現(xiàn),相變材料置于胸部、腹部、后背以及上背處調(diào)節(jié)溫度是合適的,所以在新型多功能降溫服相變材料的排布中,充分將人體冷熱點(diǎn)這一因素考慮到其中,通過材料的設(shè)計(jì)排布以使人體達(dá)到一個(gè)最佳的熱舒適狀態(tài)。

表1 人體各部位冷點(diǎn)和熱點(diǎn)的分布密度表[11] cm-2

所需相變材料用量見公式(8):

q=Q/ω

(8)

式中:q--所需相變材料用量,g;

ω--膨脹石墨/石蠟復(fù)合材料的相變潛熱,kJ/kg。

根據(jù)公式(8),計(jì)算作業(yè)人員在4 h工作下維持一個(gè)舒適的狀態(tài)所需要相變材料的用量q為250 g,降溫服網(wǎng)格透氣層上一共縫制大小相同的72個(gè)口袋,將計(jì)算得出的相變材料均勻分配到這72個(gè)口袋當(dāng)中,具體相變材料分布見圖3。

圖3 相變材料布置

2.2 吸附吸濕層的設(shè)計(jì)

2.2.1 吸濕材料的選取

當(dāng)人體長時(shí)間處于高溫高濕環(huán)境下作業(yè)時(shí),體表會(huì)產(chǎn)生大量汗液,形成黏膩感等不適的主觀感受。故在降溫服的研究中,設(shè)計(jì)吸濕層用于吸收人體產(chǎn)生的汗液,調(diào)節(jié)衣服內(nèi)微環(huán)境的濕度,能極大改善使用者的舒適感。

由于近年來吸濕材料在降溫服上的研究推進(jìn),以丙烯酸、丙烯酰胺和聚乙烯醇為原料,采用濕紡絲法制備的PAAAM/PVA高吸水性纖維,具有較高的吸濕性和保水性,每克吸濕面料最大的吸濕率為1.04 g/h。選取其作為吸濕面料,能有效吸收人體產(chǎn)生的汗液,維持人體體表一個(gè)舒適濕度環(huán)境。

2.2.2 吸濕材料的用量計(jì)算

因?yàn)槿梭w的產(chǎn)濕量與勞動(dòng)強(qiáng)度和溫度有關(guān),所以在研究中為了方便計(jì)算,參考魏洋,等[12]針對(duì)人體出汗率的研究將強(qiáng)體力勞動(dòng)的產(chǎn)濕量取定值X為206.741 g/(h·m2);何騫,等[3]對(duì)冷卻服的性能設(shè)計(jì)可取降溫服吸濕層的面積Ab為0.55 m2;為簡便計(jì)算,假定Yang,等[4]制備的PAAAM/PVA高吸水性纖維在4 h內(nèi)以最大吸濕率進(jìn)行工作。

計(jì)算公式為公式(9):

λ=(X·Ab·t)/δ

(9)

式中:λ--吸濕材料的用量,g;

X--人體產(chǎn)濕量,g/(h·m2);

Ab--吸濕層面積,m2;

t--工作時(shí)長,s;

δ--每克吸濕面料的最大吸濕率,g/h。

計(jì)算結(jié)果為:

λ=(206.741×0.55×4)/4.16≈109.33(g)

2.2.3 吸濕材料和透氣面料的布置形式

為了使吸濕材料均勻分布于降溫服內(nèi),保證上軀體各處產(chǎn)生的汗液都能被吸收,所以在設(shè)計(jì)中將吸濕層設(shè)置為背心式的樣式,透氣面料也設(shè)計(jì)成背心形式,二者相互結(jié)合用于縫制若干口袋裝相變材料,放置在降溫服最內(nèi)層與作業(yè)人員體表皮膚接觸,網(wǎng)格透氣層為縫制口袋的外層。具體布置形式見圖4,圖中虛線為吸附吸濕層。

圖4 吸濕材料的布置

2.3 網(wǎng)格透氣層的設(shè)計(jì)

在新型多功能降溫服的研究中,網(wǎng)格透氣層的設(shè)計(jì)有以下3點(diǎn)作用:①增強(qiáng)體表微環(huán)境氣流組織的擴(kuò)散,從而改善體表微環(huán)境;②降低體表微環(huán)境熱濕擴(kuò)散的阻力;③通過劃分網(wǎng)格面料,縫制6 cm×6 cm的口袋用于裝配相變材料,其與內(nèi)層吸附吸濕層連接,所以也能增強(qiáng)吸濕材料的抗拉能力。

選取蔣榮華[13]制備的高透氣/透濕雙組分微多孔涂層面料作為透氣面料,其材料關(guān)鍵性指標(biāo)包含透氣性大于5 mm/s、透濕量大于8 000 g/(m2·24 h)、靜水壓大于15 000 mm·H2O。

3 溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)

采用基于DS18B20溫度報(bào)警器系統(tǒng)[14],并在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化,提出一種溫度報(bào)警器系統(tǒng),結(jié)構(gòu)組成見圖5。

圖5 溫度報(bào)警器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

在設(shè)計(jì)溫度報(bào)警器中,報(bào)警電路采用分級(jí)報(bào)警的原理,當(dāng)人體溫度超過不同的閾值后報(bào)警器給予不同程度的警報(bào)聲提示,當(dāng)人體溫度超過37 ℃時(shí)報(bào)警器給予輕度提示然后繼續(xù)進(jìn)行判斷,當(dāng)溫度超過37.5 ℃時(shí)給予中度提示并中斷一級(jí)警報(bào),最后當(dāng)溫度超過38.5 ℃后中斷二級(jí)警報(bào),當(dāng)報(bào)警器給予危險(xiǎn)提示時(shí),強(qiáng)制作業(yè)人員停止工作,更換降溫服。報(bào)警器分級(jí)報(bào)警的流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

4 降溫服的局部設(shè)計(jì)

在新型多功能降溫服的設(shè)計(jì)中,基于人機(jī)工程學(xué)、服裝設(shè)計(jì)學(xué)理論,對(duì)服裝進(jìn)行局部設(shè)計(jì),使其降溫服具備方便、舒適、可靠等特點(diǎn)。

4.1 款式設(shè)計(jì)

降溫服按結(jié)構(gòu)款式來分一般有3大類:背心式、分體式和連體式。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)不同款式服裝的研究[15],考慮到降溫服用于石油化工領(lǐng)域,在不影響職工正常工作情況下,為更加人性化設(shè)計(jì),降溫服的設(shè)計(jì)應(yīng)具有穿脫方便、穿戴輕便、行動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn),背心式結(jié)構(gòu)為最優(yōu)選擇。

4.2 領(lǐng)口與門襟設(shè)計(jì)

考慮到人體頸部結(jié)構(gòu)呈圓臺(tái)狀,下粗上細(xì),稍向前傾,一般情況下服裝前領(lǐng)大于后領(lǐng)深。故在降溫服的設(shè)計(jì)中,采用V領(lǐng),加大領(lǐng)口開口,既可改善其透氣性能,也可節(jié)省面料成本,同時(shí)門襟設(shè)計(jì)采用魔術(shù)貼貼合的形式,更加方便使用者的穿著及脫卸。

4.3 肩部設(shè)計(jì)

人體肩部與上肢是相互聯(lián)系的,肩部的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致上肢相應(yīng)的反應(yīng)。此外,肩線聯(lián)系著袖窿和衣領(lǐng),因此在肩部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到它與袖窿和衣領(lǐng)的聯(lián)系。對(duì)于石油石化職工,會(huì)經(jīng)常使用肩部搬運(yùn)重物,重物會(huì)對(duì)肩部有一定的磨損和壓迫,長時(shí)間的搬運(yùn)會(huì)對(duì)肩造成損傷。

設(shè)計(jì)時(shí)采用較舒適的曲線形肩線,它不僅與肩端處運(yùn)動(dòng)特征相適應(yīng),此外,以肩線為準(zhǔn)在肩部前后添加棉質(zhì)材料,避免肩部受到磨損和損傷,如圖7所示。

圖7 服裝肩部設(shè)計(jì)示意

5 結(jié)論

為保證防護(hù)服內(nèi)職工的熱舒適性和安全性,針對(duì)現(xiàn)有降溫服的不足和缺點(diǎn),提出一款新型多功能降溫服的設(shè)計(jì),用于保障一線員工的職業(yè)健康。

a) 降溫服的相變吸熱層、吸附吸濕層以及網(wǎng)格透氣層的設(shè)計(jì)能夠最大程度地保證一線職工的熱舒適性。

b) 溫度報(bào)警功能的設(shè)計(jì)能夠最大程度給在一線作業(yè)的職工提供安全保障。

c) 降溫服的局部設(shè)計(jì)充分結(jié)合人機(jī)工程學(xué)理論與服裝設(shè)計(jì)學(xué)理論,可最大程度提升職工穿著的方便性以及舒適感。