基于相變材料與微型通風風扇的新型個體混合冷卻服在溫熱環境下的制冷效果研究

韋帆汝, 王發明,2

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院, 江蘇 蘇州 215021；2.現代絲綢國家工程實驗室, 江蘇 蘇州 215123)

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基于相變材料與微型通風風扇的新型個體混合冷卻服在溫熱環境下的制冷效果研究

韋帆汝1, 王發明1,2

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院, 江蘇 蘇州 215021；2.現代絲綢國家工程實驗室, 江蘇 蘇州 215123)

摘要:采用暖體假人研究了一種基于由相變材料和微型通風風扇的混合冷卻服在溫熱環境(溫度(30±0.5) ℃,相對濕度47%±5%,風速(0.4±0.1) m/s)下的制冷效果。混合冷卻服制冷效果的評價參數主要包括總熱阻、總濕阻、熱損耗和制冷功率,實驗方案包括Fan-off(通風關閉且移除相變材料)、Fan-on(通風開啟但相變材料移除)、PCM+Fan-off(通風關閉但內置固態相變材料)和PCM+Fan-on(通風開啟且內置固態相變材料)4種。假人出汗方式采用不出汗(干態測試)和出汗(濕態測試)2種。研究結果表明,開啟風扇顯著降低了冷卻服的總熱阻和總濕阻；在Fan-on和PCM+Fan-on兩種工況下,冷卻服的總熱損耗((332.0±3.6) W/m2和(332.0±6.6) W/m2)均顯著高于其在Fan-off工況下的總熱損耗((166.7±0.5) W/m2)；在干態測試條件下,該混合冷卻服的干熱損耗主要由相變材料提供,在PCM+Fan-off和PCM+Fan-on兩種工況下,冷卻服的平均制冷功率分別為62.8 W和63.9 W,制冷持續時間分別是8 min和110 min；在濕態測試條件下,該新型混合冷卻服的熱損耗主要由微型風扇組提供,在Fan-on和PCM+Fan-on兩種工況下的濕熱損耗分別占總熱損耗的84.4%±1.2%和83.1%±1.4%。

關鍵詞:個體混合冷卻服; 熱應激; 相變材料; 通風風扇; 暖體假人; 制冷功率

人體長期暴露在熱應激環境下會導致體溫上升、工作效率下降,繼而出現體溫過高、熱痙攣、中暑等熱疾病,最終可能會導致個體死亡[1]。高溫環境下作業人員的熱應激問題已成為近年來社會關注的焦點,而如何采取有效措施緩解個體熱應激、從而有效保護作業人員的個體生命安全則成為了國內外學者研究的熱門方向[2]。熱應激的主要構成物理參數有：環境溫度、環境濕度、風速、輻射、工作強度和服裝[3],因此,緩解個體熱應激的方法應從調整這6個參數中的某一個或多個入手。這6個熱應激參數中,對于工作環境和個體勞動強度的調整是困難且不太現實的，因此,通過調整個體所穿戴的服裝來緩解個體熱應激是最為方便且可行的方案。

個體冷卻服裝(personal cooling system, PCS)是當前緩解熱環境條件下個體熱應激的最有效手段之一,其制冷方式主要有管道氣冷、管道液冷、相變材料制冷和通風風扇制冷等。管道氣冷是將預冷卻的壓縮空氣通入植入服裝中的管道網絡中,借助氣閥使冷卻空氣循環流動,通過對流和傳導促進個體散熱的制冷方式。前人的研究表明,管道氣冷背心穿著于防護服內,能夠有效緩解人體熱應激,但是由于其過于笨重,降低了作業人員的工作時間。管道液冷是將冷卻液體通入植入服裝中的管道網絡,借助水泵將冷卻液體不斷循環流動,通過傳導和對流給個體散熱的制冷方式[4-5]。相關研究發現,管道液冷背心穿著于防護服內,能夠提升個體生理指標,但是由于管道液冷存在制冷延遲、冷卻劑溫度難以確定等因素,導致個體主觀熱舒適性出現波動的情況[6]。由于上述大部分冷卻服需要外部提供持續的能量供應,加之該類冷卻服存在便攜性差和價格昂貴等缺陷,因此,開發適用于高溫作業下的相對低廉且具有良好便攜性的冷卻服是學者們當前的重點研究目標。

相變材料(phase change materials, PCMs)是一種具有高潛熱的儲能物質,當其發生相變時,吸收或釋放大量能量,但溫度幾乎恒定不變。相變材料有四種相位變化,即“固-液、液-氣、固-氣和固-固”,其中“固-液”相變提供了相對高的能量儲存密度,更具實際意義[7]。張寅平等[8]利用相變材料研制的醫用降溫服具有良好的降溫效果,能夠顯著提升人體的熱舒適感。Arngrímson等[9]研究了穿著相變冷卻背心對運動員在濕熱環境下進行長跑運動的影響,研究表明,相變冷卻背心顯著抑制了運動員的體溫、心率的上升,提升了運動員的運動表現。Gao等[10]發現,相變冷卻背心能夠提升辦公人員的熱舒適感,相對于使用空調更加節能環保。通風服(air ventilation garments)將微型風扇嵌于服裝上,通過將環境中的空氣不斷吸入服裝內部,加速了人體體表蒸發散熱,從而達到人體降溫的作用。肖居霞[11]設計制作了一款智能微空調通風服,該通風服對人體的局部制冷效果較好,提升了人體整體熱舒適感。曾彥彰等[12]研制的通風服在熱環境條件下有效降低了人體皮膚溫度。

從熱傳遞的角度來說,不同的制冷方法通過不同的傳熱途徑帶走人體體表熱量,采取單一制冷方法冷卻服的制冷效果具有較大的局限性,通常單一冷卻方式制冷服無法在多變的環境中充分發揮其最佳制冷效果。例如,通風服在干熱的環境下對人體的制冷效果是最好的,而其在濕熱的環境下的制冷效果則較差。相對于干熱環境,相變服裝在濕熱環境下的制冷效果會更好，因此,很有必要研制一種適用于多變熱環境下制冷效果較好的冷卻服。將兩種或兩種以上的制冷方法與服裝結合起來的混合冷卻服便是其中一種最為有效的方法。本研究研制了一種基于相變材料與微型通風風扇的便攜式新型個體混合冷卻服,采用出汗暖體假人,研究該新型個體混合冷卻服在溫熱環境(Ta=30 ℃,相對濕度=47%)下的制冷效果。此外,本研究將分析并計算暖體假人在穿著該新型混合冷卻服時的總熱損耗、干熱損耗、濕熱損耗和制冷功率,為如何合理設計及使用個體混合冷卻服降低個體熱應激和增強人體舒適性提供科學指導和技術基礎。

1　研究方法

1.1混合冷卻服

為達到最佳冷卻效果,設計個體混合冷卻服時需要考慮以下因素：首先,通風風扇進風口處需與人體保持一定距離且距出風口處距離較遠(即保證通風風道較長且通過面積足夠大,有利于增強汗液蒸發);其次,相變材料需與人體各部位貼合性較好且不宜排列過密,需為通風提供風道。因此,本研究中混合冷卻服采用上下衣分體結構,上衣下擺和褲子腰部處的松緊帶確保了服裝與人體緊貼,從而保證了上下衣的單向出風。冷卻服面料為半透氣滌棉斜紋布,上衣為長袖特種夾克衫,上衣和褲子共結合4個微型風扇和24塊相變材料。上衣的兩個微型風扇嵌于背面腰圍線處,褲子上的兩個微型風扇分別嵌于左右大腿側縫線處。微型電風扇的直徑為10 cm,其最大通風量為12 L/s,上衣部分以網格布為里料,制成了18個獨立的口袋,褲子部分用同樣材料的里料制作了6個獨立口袋,用于裝塊狀相變材料袋。個體混合冷卻服的款式及相變材料袋的分布見圖1,服裝前中線和后中線處分別留5 cm的通道便于通風,相變材料塊之間分別留2 cm的空隙便于服裝內部的空氣流通,所有微型風扇并聯于可調穩壓電源(DX3005DS型,廣東東莞達興公司)。本研究中,穩壓電源的電壓設定為6.0 V。相變材料的主要成分為Na2SO4·10H2O,其融化溫度和潛熱分別為21 ℃和14 J/g。每塊相變材料包的規格為7.0 cm×13.2 cm,24塊相變材料的總質量為86 g×24=2 064 g,潛熱為297.2 kJ；個體混合冷卻服的總質量為3 589 g。

圖1　基于相變材料和微型通風風扇的新型個體混合冷卻服Fig.1　The portable hybrid personal cooling system based on PCMs and micro-ventilation fans

通常情況下,人體穿著工作服需同時穿著內衣,本研究采取的著裝方式是：緊身吸濕排汗滌綸內衣和純棉內褲穿在里層,個體混合冷卻服穿在外層。個體混合冷卻服的尺寸依據出汗暖體假人的體型設計,其各部位的具體尺寸見表1。

1.2出汗暖體假人與測試環境條件

實驗采用34區段出汗暖體假人“Newton”(美國Thermetrics公司)進行測試,其總體表面積為1.697 m2。出汗暖體假人配置了緊身滌綸織物“皮膚”,用于模擬人體出汗狀態及服裝濕阻等測試。暖體假人通過ThermDAC?(美國Thermetrics公司)軟件可以實時記錄假人各區段的表面溫度和熱流。本研究中出汗暖體假人采用假人表面溫度恒定模式,表面溫度設定為34.0 ℃。

表1　個體混合冷卻服的規格尺寸

測試實驗共分為三部分：冷卻服熱阻測試實驗、冷卻服濕阻測試實驗和冷卻服冷卻性能測試實驗,所有的測試是在人工氣候室內完成的。個體混合冷卻服熱阻的測試嚴格按照國際標準ISO 15831—2004《服裝—生理效應—采用暖體假人測試服裝熱阻》[13]執行,測試環境溫度設定為(20±0.5) ℃,相對濕度為(50±5)%,風速為(0.4±0.1) m/s；個體混合冷卻服濕阻測試實驗是按照國際標準ASTM F2370—10《使用出汗暖體假人測試服裝濕阻的標準測試方法》[14]執行的,測試環境溫度為(34±0.5) ℃,相對濕度為(40±5)%,風速為(0.4±0.1) m/s；個體混合冷卻服冷卻性能實驗分為干態實驗和濕態實驗,干態實驗和濕態實驗的測試環境相同,測試溫度為(30±0.5) ℃,相對濕度為(47±5)%,大氣壓強為2 kPa,風速為(0.4±0.1) m/s。

1.3測試方法與試驗步驟

混合冷卻服的熱阻和濕阻測試實驗選取了4種工況：通風關閉且移除相變材料的冷卻服(Fan-off,對照組)；通風開啟但相變材料移除的冷卻服(Fan-on)；通風關閉但內置完全融化的相變材料的冷卻服(mPCM+Fan-off)和通風開啟并內置完全融化的相變材料的混合冷卻服(mPCM+Fan-on)。

混合冷卻服的冷卻性能是通過測定穿著混合冷卻服的假人的總熱損耗、干熱損耗、濕熱損耗及制冷功率來表征的。該部分實驗同樣選取了4種工況：通風關閉且移除相變材料的冷卻服(Fan off,對照組)；通風開啟但相變材料移除的冷卻服(Fan-on)；通風關閉但內置固態相變材料的冷卻服(PCM+Fan-off)和通風開啟且內置固態相變材料的混合冷卻服(PCM+Fan-on)。本研究針對上述4種工況分別進行干態和濕態測試,實驗前將相變材料放置于5 ℃的環境條件下凝固至少12 h。

測試冷卻服熱阻及干態制冷效果時,假人不穿織物“皮膚”,運行干態測試,假人不出汗。測試冷卻服濕阻與濕態冷卻制冷效果測試時,假人穿著織物“皮膚”,運行濕態測試,出汗量設定為1 200 mL/h·m-2以保證在測試過程中織物“皮膚”完全濕潤,供應假人出汗的水流溫度設定為34.0 ℃。由ThermDAC?軟件記錄假人各區段的實時表面溫度和熱流量,數據采集頻率為1 min,實驗穩態時間至少持續60 min。每種工況下重復測量3次,所測熱流量的誤差控制在10%以內,若大于10%,繼續重復實驗,直至達到要求為止。

1.4計算公式

服裝總熱阻It的計算式[13]，在等溫條件下(即假人表面溫度Tmanikin等于測試環境溫度Ta),混合冷卻服總濕阻Ret的計算式[14-16]，在非等溫測試環境下,冷卻服的蒸發熱損耗Hevap的計算式[17]，混合冷卻服的制冷功率P的計算式如下：

(1)

(2)

Hevap=Htot-Hdry

(3)

(4)

1.5統計分析

實驗數據采用SPSS 17.0軟件進行分析。采用單因素方差分析來判斷4種工況下的個體混合冷卻服的總熱阻和總濕阻值是否存在顯著差異,并采用配對樣本T檢驗判斷有無相變材料和微型風扇工作狀態(開啟或關閉)是否顯著影響混合冷卻服的熱損耗和制冷功率。統計分析的顯著性水平設置為p<0.05。

2　結果與討論

2.1混合冷卻服的總熱阻和總濕阻

在Fan-off、Fan-on、mPCM+Fan-off和mPCM+Fan-on這4種工況下,個體混合冷卻服的總熱阻和總濕阻值如圖2所示。由圖2可以看出,混合冷卻服內有無完全融化的相變材料不會顯著影響服裝總熱阻和總濕阻。混合冷卻服在mPCM+Fan-off和Fan-off工況下的總熱阻均為0.17 m2·℃/W；而開啟通風風扇組(Fan-on)則顯著降低了混合冷卻服的總熱阻和總濕阻(p<0.01)。這主要是因為微型風扇的開啟增強了混合冷卻服內的空氣對流,促進了假人體表散熱,最終導致兩種工況下的服裝總熱阻和總濕阻顯著下降。

*表示p<0.05,**表示p<0.01圖2　個體混合冷卻服在4種工況下的總熱阻和總濕阻Fig.2　Total thermal resistance and total evaporative resistance of the hybrid PCS in four test scenarios

2.2個體混合冷卻服的總熱損耗和制冷功率

個體混合冷卻服在溫熱環境下(Ta=30 ℃,相對濕度=47%)的總熱損耗見圖3(a)。由圖3(a)可以看出,是否開啟風扇會顯著影響假人的總熱損耗。冷卻服在Fan-on工況下的熱損耗要顯著高于其在Fan-off工況下的熱損耗(熱損耗分別為(332.0±3.6)和(166.7±0.5) W/m2；兩者之間的熱損耗差異為165.3 W/m2)。在PCM+Fan-on和PCM+Fan-off工況下,混合冷卻服在前24 min的測試時間內的熱損耗分別顯著高于其在Fan-on和Fan-off工況下的總熱損耗。這主要是由于相變材料在相變過程中從假人體表吸收了大量的熱量,從而致使假人的總熱損耗明顯增大。當相變過程臨近結束時,冷卻服在PCM+Fan-on和Fan-on工況下的熱損耗差異逐漸減小,直至最終消失。同樣,PCM相變過程臨近結束時,冷卻服在PCM+Fan-off和Fan-off工況下的總熱損耗并無顯著差異。

個體混合冷卻服在Fan-on、PCM+Fan-off和PCM+Fan-on工況下的制冷功率見圖3(b)。混合冷卻服在Fan-on和PCM+Fan-on工況下的制冷功率(分別是(280.0±6.8) W和(263.1±12.0) W)顯著大于其在PCM+Fan-off工況下的制冷功率((4.2±8.9) W),這表明冷卻服的制冷效果主要由微型風扇組提供。Chinevere等[18]的研究表明,通風服可以為人體提供持續穩定制冷,減輕了熱應激。通過對比混合冷卻服在Fan-on 與PCM+Fan-on工況的制冷功率可以得出,在最初的24 min測試時間段內,冷卻服在PCM+Fan-on的工況下的制冷功率是相變材料和微型風扇組共同作用的結果。實驗在進行了24 min后,由于PCM相變臨近結束,相變材料從假人表面吸熱明顯減小,因此此時段上個體混合冷卻服的制冷功率與其在Fan-on工況下的制冷功率無顯著差異。該發現與ZHAO等[19]研究結果一致,盡管相變材料增大了服裝的總濕阻,但相變背心外層軍裝本身的濕阻較大,因此相變材料背心穿著于軍用服裝下仍然能夠帶來制冷效果。

圖3　個體混合冷卻服在4種工況下的總熱損耗和總制冷功率Fig.3　The total heat loss and cooling power of the hybridPCS in four test scenarios

2.3混合冷卻服的干熱損耗和干態制冷功率(干態實驗)

個體混合冷卻服的干熱損耗見圖4(a)。對比圖3與圖4(a)可以看出,混合冷卻服在溫熱環境下(Ta=30 ℃,相對濕度=47%)的干熱損耗占其總熱損耗的比例較小。冷卻服在Fan-off、Fan-on、PCM+Fan-off和PCM+Fan-on工況下的干熱損耗分別占其總熱損耗的15.2%±1.7%、15.6%±0.2%、18.1%±0.3%和16.9%±0.4%。這是由于環境溫度與假人表面溫度的溫差小,從而干熱損耗較小。在最初的40 min測試時間段內,由于相變材料處于相變過程中,冷卻服的干熱損耗較大。此外,個體混合冷卻服在Fan-off和PCM+Fan-off工況下的干熱損耗在實驗進行144 min后無顯著差異,說明相變材料的相變時間大約持續了144 min。

干態實驗測試條件下,混合冷卻服的干態制冷功率如圖4(b)所示。根據美國材料與測試協會標準ASTM F2371—10《使用出汗暖體假人測試個體冷卻系統散熱率的標準測試方法》[17],只有大于50 W的制冷功率才能用于計算個體冷卻系統的冷卻速率和制冷持續時間。混合冷卻服在PCM+Fan-off工況下,由于只有相變材料提供制冷,可以得出在溫熱環境條件下(Ta=30 ℃,相對濕度=47%)冷卻服的平均制冷功率為62.8 W,制冷持續時間是8 min。混合冷卻服在PCM+Fan-on工況下的平均制冷功率為63.9 W,制冷持續時間為110 min。

圖4　個體混合冷卻服在4種工況下的干熱損耗和干態制冷功率Fig.4　The dry heat loss and dry cooling power of the hybrid PCS in four test scenarios

2.4混合冷卻服的濕熱損耗和濕態制冷功率(濕態實驗)

混合冷卻服的濕熱損耗(即蒸發散熱)見圖5(a)。由于在溫熱環境條件下(Ta=(30±0.5) ℃,相對濕度=47%±5%),環境溫度與假人表面溫度的溫差小且汽壓差較大,因此在該測試環境條件下主要由蒸發散熱起主導作用,蒸發散熱占總熱損失的比重大(即冷卻服在Fan off、Fan on、PCM+Fan-off和PCM+Fan-on這4種工況下的蒸發散熱占總散熱量的比例分別為85.0%±2.5%、84.4%±1.2%、81.9%±1.3%和83.1%±1.4%)。ZHAO等[20]的研究表明,在Ta=34 ℃,相對濕度=60%,va=0.4 m/s測試環境下,開啟通風時假人軀干部位的蒸發熱損耗增大了205%,因此本研究結果與上述研究發現基本一致。

混合冷卻服在30 ℃測試環境下的濕態制冷功率如圖5(b)所示。混合冷卻服在PCM+Fan-off、Fan on和PCM+Fan-on工況下的濕態制冷功率分別為(-5.2±10.8) W、(234.5±9.5) W和(213.4±17.8) W。在Fan-on工況下,由于相變材料相變持續時間較短,并且在相變結束后,完全融化的相變材料增大了混合冷卻服的不透汽性,所以在PCM+Fan-off的工況下,平均濕態制冷功率為負值(即-5.23 W)。負值制冷功率再次驗證了當PCM材料相變過程結束后,液態PCM的存在抑制了冷卻服的整體蒸發散熱。

圖5　個體混合冷卻服在4種工況下的濕熱損耗和濕態制冷功率Fig.5　The evaporative heat loss and wet cooling power of the hybrid PCS in four test scenarios

3　結　論

本研究研制了一種基于相變材料和微型通風風扇的新型便攜式個體混合冷卻服,采用出汗暖體假人深入研究了該混合冷卻服在溫熱環境條件下的冷卻性能。研究結果表明,開啟通風風扇可以顯著降低混合冷卻服的總熱阻和濕阻,從而提升了該冷卻服在溫熱環境中的散熱效果。溫熱環境下(Ta=30 ℃,相對濕度=47%),當人體處于出汗發展過程中或出汗量較小時段時,混合冷卻服內置的相變材料可以為人體帶來較佳的制冷效果。當人體出汗量穩定后(或出汗量較大時),微型通風風扇開始提供較佳的制冷功率。通常高容量鋰電池可以為通風風扇提供長達8 h的供電,因此基本可以滿足人體一天工作時間段上的制冷需求。綜上所述,研制的便攜式個體混合冷卻服在本研究選取的實驗條件環境下展現了比單一通風或者相變材料制冷服裝更為優越的制冷效果。

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DOI:研究與技術10.3969/j.issn.1001-7003.2016.03.001

收稿日期:2015-07-27; 修回日期:2016-01-04

基金項目:江蘇省自然科學基金(BK20130312)

作者簡介:韋帆汝(1991),女,碩士研究生,研究方向為個體冷卻服裝的設計及其性能評價。通信作者：王發明,教授,博士生導師,dr.famingwang@gmail.com。

中圖分類號:TS941.17

文獻標志碼:A

文章編號:1001-7003(2016)03-0001-08引用頁碼:031101

The cooling performance of a portable hybrid personal cooling system (PCS) based on phase change materials and micro-ventilation fans in a warm environment

WEI Fanru1, WANG Faming1,2

(1.College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2.National Engineering Laboratory for Modern Silk, Soochow University, Suzhou 215123, China)

Abstract:In this study, a portable hybrid personal cooling system (PCS) based on phase change materials (PCMs) and micro-ventilation fans was developed.Its cooling efficiency was investigated on a thermal manikin in a warm environment (i.e.Ta=(30±0.5) ℃, RH=(47±5)%, νa=(0.4±0.1) m/s).The evaluation parameters of cooling effect of hybrid cooling system mainly include total thermal resistance, total evaporative resistance, heat loss and the cooling power.Four test scenarios were chosen:Fan-off (no PCMs; fans were turned off), Fan-on (no PCMs, fans were turned on), PCM+Fan-off (PCMs were added but fans were turned off) and PCMs+Fan-on (PCMs were added and fans were turned on).Besides, two sweating modes were selected:non-sweating (dry test) and sweating (wet test).Results show that the total thermal resistance and total evaporative resistance of the PCS in Fan-on significantly lowered.The total heat loss in Fan-on and PCM+Fan-on (i.e.(332.0±3.6) and (332.0±6.6) W/m2) was significantly higher than that in Fan-off (i.e.(166.7±0.5) W/m2).Under dry test condition,dry heat loss of the PCS is mainly provided by PCMs.Under two conditions of PCM+Fan-off and PCM+Fan-on, the average cooling power of PCS is 62.8 W and 62.9 W respectively.The cooling duration of the PCS is 8 and 110 min in PCM+Fan-off and PCM+Fan-on respectively.Under wet test condition, the total heat loss of the PCS is mainly provided by the micro-ventilation fans.In addition, the evaporative heat loss is about (84.4±1.2) and (83.1±1.4)% of the total heat loss in Fan-on and PCM+Fan-on, respectively.

Key words:hybrid personal cooling system (PCS); heat strain; phase change materials (PCMs); ventilation fans; thermal manikin; cooling power