超輕相變降溫服的優化設計與熱舒適評價

梁永輝，李為林，朱佳音，劉昌海，寧柏松

(鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001)

據報道，各類建筑及交通工具中大都設置了空調系統，建筑能耗占到社會總能耗的1/3[1]，但仍有許多情況下，人們無法享受到空調系統的便利。例如夏季人們因工作原因需在不同空調區域進行轉移，如值班交警、戶外作業工人、飯店廚師等職業需經常在建筑非空調區域或室外等高溫環境中作業，高溫環境會導致體核溫度升高、血壓升高，引起心情煩躁，影響人體感知、記憶、識別和智力等[2]，進而影響工作效率，對身體造成傷害。降溫服作為一種便攜式降溫設備，通過穿戴的形式調節人體溫度，可有效地解決上述問題[3]。

相變降溫服以相變材料為制冷介質[4]，吸收人體的代謝熱，達到降溫的目的。相變降溫服具有造價低、結構簡單、使用方便、相變材料種類多等優點[5]，是目前降溫服研究中的熱點，廣泛應用于醫用、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相變材料制作了醫用降溫服，總質量為1.8 kg；王云儀等[8]設計了一種凝膠蓄冷劑的煉鋼工人用防護服，總質量為1.884 kg；梁國治等[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，總質量為1.5 kg，在環境溫度35 ℃時，可維持放冷4～5 h；張奮奮等[10]所使用的礦用降溫服總質量為1.2 kg，在35 ℃條件下，有效降溫時間為2.5 h；何騫[11]用相變溫度在26～30 ℃的石蠟制作了降溫服，僅相變材料質量為1 kg；楊晨雨[12]提出輕度勞動2 h情況下，維持人體熱舒適所需相變材料質量為3.29 kg。

現有研究表明，相變降溫服具有較好的降溫效果，但其質量較大，制冷時間較長。相變材料固定在衣服中，需對降溫服整體蓄冷，使用不便。且現有相變降溫服未能應用于日常生活中。人們日常生活工作通常只是短時間暴露于高溫，所以完全可以縮短降溫服的降溫時間，從而減少充注量；通過優化擺放位置，讓最小的充注量發揮最大的作用。若需持續降溫，則可通過自主增添降溫模塊實現。

本文將相變降溫服應用于日常生活中，提出了相變材料最小充注量通用計算方法，設計了一種質量輕且蓄冷方式簡單的模塊式相變降溫服，并通過不同工況下的實驗來測試降溫服性能。

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、導熱性好的優點[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、脂肪酸及復合相變材料等。本研究選用的相變材料為TH-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，屬復合有機相變材料。該相變材料熔化潛熱高，液相過冷能力低，熱和化學性質穩定，無反應，無腐蝕，相變溫度適宜(23 ℃)，相變潛熱較高(220 kJ/kg)，過冷度較低(小于1 ℃)，造價較低(30元/kg)，為可再生相變材料。

選用23 ℃相變材料時，利用常見冷源對相變模塊進行蓄冷，如冰箱或冷水。蓄冷時，冷源所提供冷量較大，選用相變材料過冷度小于1 ℃，相變材料的過冷特性對此過程影響極小。同時有部分冷量以顯熱形式儲存在相變模塊內導致相變模塊溫度較低。相變材料存儲的顯熱冷量遠小于相變冷量，因此，將其短暫置于空氣內，便可散去其存儲的顯熱冷量。在釋冷過程中，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冷度對降溫服使用效果的影響。

1.2 最小充注量計算

為減輕相變降溫服質量，需要確定相變材料的最小充注量。根據熱舒適理論，當人體蓄熱率為零，即人體的散熱量和產熱量相等時，人體處于熱舒適狀態。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；hc為人體表面對流換熱系數，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，取決于人體活動量大小，W/m2；W為人體所做的機械功，W/m2。

相變降溫服通過相變材料發生相變吸收人體的散熱，當相變材料吸收的熱量等于人體散熱量時，人體將處于熱平衡狀態，從而維持熱舒適，因此，理論上所需相變材料的質量m可由式(2)計算。

m=QτA/q

(2)

式中：τ為相變降溫服連續使用時間，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)計算。

(3)

式中：m1為體重，kg；h為身高，m。

本文研究所設計的相變降溫服的基礎服裝采用聚酯纖維材料，該材料的導熱系數為0.084 W/(m·℃)，具有隔熱效果，可以減少降溫服向外部環境的散冷量。服裝形式采用馬甲式，其服裝面積系數fcl通過查文獻[15]取1.35；人體表面對流換熱系數hc為4.0 W/(m2·℃)；相變降溫服的工作環境溫度控制在(35±0.5) ℃，濕度為(50 ±5)%；通過實驗測試獲得降溫服的外表面溫度為33.5 ℃；利用黑球溫度計測出黑球溫度，并計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[16]取60 W/m2；人體所做的機械功取0；通過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，通過減少相變降溫服的連續使用時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人們的日常工作生活，其運行時長通常為20～30 min。從而計算得出需要的相變材料質量為212～318 g。所采用的基礎服裝總質量為300 g，整個相變降溫服的總質量僅為512～618 g，質量遠小于目前大多數研究中為特殊環境而設計的降溫服。此外，使用者可根據穿著時長自主調節放置的相變材料模塊數量。

1.3 相變降溫服形式

本文的相變降溫服采用“插袋式”，由基礎服裝、內側預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境中，使相變材料充分蓄冷；使用時，將相變材料模塊放置于降溫服內側預置的口袋中便可開始使用；結束時再將相變材料取出重新蓄冷即可。

①—基礎服裝；②—內側預置口袋；③—封裝相變材料模塊。圖1 相變降溫服結構Fig.1 Phase change cooling suit structure

研究表明，人體前胸和后背的發熱量最大，同時也對溫度變化最為敏感[17]，因此，本研究所設計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個模塊，每個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。為保持人體胸部、背部的熱舒適，應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 相變降溫服的實驗方案

2.1 實驗對象

選擇15名健康男大學生作為受試者，年齡、身高、體重和身體質量指數BMI分別為(22±1)歲，(175±3) cm，(65±5) kg，(22.1±1.6) kg/m2。受試者進行實驗前2 h不能劇烈運動，穿著實驗服裝較為合體，不能出現緊繃或其他不適感。

2.2 實驗方案

通過情景實驗的方式對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行測試。實驗共分為1組室外工況和2組室內工況，制冷效果測試方案如表1所示。

表1 制冷效果測試方案Tab.1 Refrigeration effect test scheme table

每組實驗前，先將相變材料模塊放在冷水中充分蓄冷，使之全部凝結成固體；受試人員先穿著未放入相變材料模塊的基礎服裝，進行10 min的皮膚表面溫度測試，并以10 min內各測點的平均溫度為基礎溫度。

實驗時，將相變材料模塊布置于基礎服裝內側的預置口袋中；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，直至實驗結束，同時記錄受試人員熱舒適感受的反饋。

實驗期間的主要測試參數為受試者所處環境的溫濕度以及人體表面溫度。其中：環境的溫濕度采用RC-4HC溫濕度自記儀(江蘇省精創電氣股份有限公司)進行測量；人體表面溫度采用RC-4溫度自記儀(江蘇省精創電氣股份有限公司)進行測量。

2.3 實驗環境

室外測試當天的室外最高溫度為35 ℃，實驗期間受試人員周圍環境溫度為33～34 ℃，濕度為53%～56%。

室內測試在實驗室進行，如圖3所示。實驗期間，通過實驗室內空氣調節設備維持室內溫度為(35±0.5) ℃，相對濕度為(50±5) %。

單位：mm。圖3 室內工況測試用實驗室Fig.3 Laboratory for indoor condition testing

3 實驗結果分析與討論

3.1 室外步行實驗結果

室外步行實驗(1#)結果見圖4。室外步行工況下，受試人員僅穿著基礎服裝(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比如圖4(a)所示，各測點的皮膚表面溫度均有明顯降低，平均溫度降低了1.35 ℃。進一步分析相變降溫服工作期間受試人員皮膚表面各測點的溫度變化情況，如圖4(b)所示。測試期間受試人員皮膚各測點的溫度均呈現先上升后下降的趨勢，但是背部、腰部和腹部的溫度均較為平穩。胸部由于受到太陽的直射，有較為明顯的短暫溫升，但依然低于對照組的測試溫度。且隨著相變材料的融化，胸部溫度也呈明顯下降趨勢。

圖4 室外步行實驗結果(1#)Fig.4 Outdoor walking experiment results(1#).(a) Skin temperature contrast; (b) Skin temperature change

圖5 室內靜坐實驗結果(2#)Fig.5 Indoor meditation experiment results(2#).(a) Skin temperature contrast; (b) Skin temperature change

3.2 室內靜坐實驗結果

室內靜坐實驗(2#)結果見圖5。室內靜坐工況下，受試人員僅穿著基礎服裝(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比如圖5(a)所示，各測點的皮膚表面溫度均有明顯降低，平均溫度降低了1.10 ℃。進一步分析相變降溫服工作期間受試人員皮膚表面各測點的溫度變化情況，如圖5(b)所示。測試期間受試人員胸部、腹部、腰部的溫度均呈現先上升后下降的趨勢，背部溫度始終呈下降趨勢。實驗初期溫度自記儀探頭未與人體達到熱平衡，同時相變材料暫時未開始融化，有較為明顯的短暫溫升，但依然低于對照組的測試溫度。且隨著相變材料的融化，4處測點溫度均呈明顯下降趨勢。

3.3 室內步行實驗結果

室內步行實驗(3#)結果見圖6。室內步行工況下，受試人員僅穿著基礎服裝(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比如圖6(a)所示，各測點的皮膚表面溫度均有明顯降低，平均溫度降低了1.78 ℃。進一步分析相變降溫服工作期間受試人員皮膚表面各測點的溫度變化情況，如圖6(b)所示。測試期間受試人員皮膚各測點的溫度均呈現先上升后下降的趨勢，但是背部、腰部的溫度均較為平穩。隨著人體活動量的增加，胸部和腹部有較為明顯的短暫溫升，但依然低于對照組的測試溫度。且隨著相變材料的融化，4處測點溫度均呈明顯下降趨勢。

圖6 室內步行實驗結果(3#)Fig.6 Indoor walking experiment results(3#).(a) Skin temperature contrast; (b) Skin temperature change

3.4 降溫服效果評價

放入相變材料的3組實驗對比的結果如圖7所示。室內步行工況的人體胸部和背部的溫度最低，且室內步行工況降溫量也大于其余2組工況。這是因為增加活動量后，人體產生的熱量能促進相變材料發生相變，進而吸收人體的產熱，降溫效果更加明顯。同時，在室外實驗模擬實際工作條件下的降溫效果，太陽直射也可促進相變材料發生相變；但由于室外太陽直射溫度較高，人體皮膚溫度也高于室內，因此，室外步行降溫效果稍差于室內步行降溫效果。

圖7 3組實驗結果對比Fig.7 Comparison of three groups of experimental results.(a) Skin temperature contrast; (b) Reduce temperature contrast

無論哪種工況下，在實驗測試的時長內人體都能通過穿著降溫服達到熱舒適，且受試人員在3組實驗測試期間其均未產生過冷、過熱等不適的感覺。3組測試結束時，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機的風冷降溫服及以冰袋為冷卻介質的相變降溫服。風冷降溫服需隨身攜帶電源，增加了設備的復雜性和質量，不方便使用。而冰袋溫度較低，容易造成人體皮膚過冷，引起不適，且冰袋需放入冰箱蓄冷?，F有研究中的相變降溫服質量較大，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，不會引起皮膚過冷，質量較輕，可在生活中廣泛使用。

4 結 論

本文提出了一種適用于人們日常工作生活使用的相變降溫服。通過理論研究計算了降溫服相變材料的最小充注量，并對所提出的降溫服在不同工況下的降溫效果進行了測試。主要結論如下：

①通過選用相變潛熱更大的相變材料并根據使用工況適當縮減降溫服的單次工作時長可有效降低相變降溫服的整體質量?；谙嘧儾牧献钚〕渥⒘坑嬎愕贸?，選用相變材料TH-SL-23時，降溫服維持30 min工作的總質量僅為618 g。

②通過多種情景下的實驗測試得到，無論是在室外步行、室內步行還是室內靜坐，受試人員均能通過穿著相變降溫服得到一定時間的熱舒適。且在受試人員活動散熱和室外陽光照射下，相變材料會加速融化提供更多的冷量，這和受試人員的需冷量規律一致。

③每組工況下降溫服中的相變材料模塊均未完全發生相變，這說明該相變降溫服仍有一定的制冷能力，且具有進一步減少相變材料充注量、降低降溫服整體質量的潛力。

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、穿戴便捷等優勢，使用人員亦可根據自己的使用需求對其中的相變材料模塊進行增減，適用于人們日常工作和生活期間的多種常見情景，有效提高人們在非空調環境中的熱舒適。后續研究將探索如何在保證降溫效果的同時進一步降低該降溫服的總體質量，并探索更簡便的使用方式。