相變冷卻服熱濕傳遞模型構建及其應用的研究進展

吳珺秋, 李 俊,2,3, 王 敏,2

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院, 上海 200051; 2. 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室(東華大學), 上海 200051; 3. 上海市紡織智能制造與工程一帶一路國際聯合實驗室, 上海 200051)

人體-服裝-環境系統存在著復雜的熱濕傳遞過程[1],人體著裝熱濕舒適性受到人體活動水平、服裝熱濕性能以及環境溫濕度條件等因素的共同影響。采用服裝性能實驗測試相關指標,可以從一定程度上解析著裝熱濕舒適性的影響機制[2]。在此基礎上,許多學者建立了織物或服裝層面的熱濕傳遞模型[3-5],并以此預測著裝人體的熱濕舒適狀態[6-7],以及基于模型進行更為深入的機制研究。已有模型通常分為干熱傳遞模型和熱濕耦合傳遞模型兩類,其中,基于對織物內部或衣下空間復雜形態和傳熱行為的細化考慮,干熱傳遞模型已從一維發展至三維[8-9]。由于水分傳遞對能量轉換的影響較為復雜,熱濕耦合傳遞模型多集中于一維[10]。

作為一類特殊的功能服裝,相變冷卻服多用于高溫環境下的熱防護[11]。由于服裝中包含相變材料,通過其相態變化吸收或釋放熱量[12],使其熱傳遞過程相對于普通服裝更為復雜[13]。另外,研究也發現,由于相變材料透濕性較差且表面溫度較低,導致皮膚表面水分不僅不能及時向環境擴散[14],還會在相變材料表面產生冷凝[15],這使得針對相變冷卻服熱濕傳遞模型的構建更為困難。對相變材料相態變化及其傳熱過程的模擬、解析水分的傳遞過程及其對能量轉換的影響,是相變冷卻服熱濕傳遞模型構建的研究難點。

本文在剖析相變冷卻服中熱濕傳遞方式與路徑的基礎上,討論其熱濕傳遞模型構建的相關研究進展,以及模型在相變冷卻服開發與性能優化方面的應用現狀,以期為相變冷卻服熱濕傳遞機制研究工作提供參考。

1 相變冷卻服中的熱濕傳遞

1.1 相變材料對熱濕傳遞的影響

相變冷卻服由外到內依次由外層織物、相變材料及內層織物構成,相變材料以材料包的形式置于內層織物上口袋內的形式較為常見,如圖1(a)[14]所示。相變冷卻服通過相變材料的熔化過程吸收人體熱量,無需額外制冷裝置,且相變材料包可以重復利用,具有降溫效果好、便攜、節能的優勢。

然而,相變材料的物理性能會對其濕傳遞產生影響,從而在一定程度上影響整個服裝的冷卻效果。一方面由于其透濕性較差,阻礙衣下微氣候內水分及時傳遞到環境中,從而引起皮膚較明顯濕感和不舒適感[13];另一方面由于相變材料表面溫度較低,微氣候內水分可能會在其表面產生冷凝,冷凝釋放的熱量加速相變材料熔化,導致其對人體所釋放潛熱的吸收減少[16-17]。針對這一問題,有學者進一步開發了結合相變材料和通風風扇的混合冷卻服[18-19],通過增強對流和汗液蒸發來降低衣下微氣候濕度,如圖1(b)[19]所示。

圖1 冷卻服Fig. 1 Cooling clothing. (a) Phase change cooling clothing; (b) Hybrid cooling clothing

1.2 人體-服裝-環境系統內的熱濕傳遞

在冷卻服穿用過程中,環境條件變化、人體運動、衣下空氣流動、相變材料的相態變化、織物動態吸放濕等都使得人體-冷卻服-環境系統內熱濕傳遞處于動態變化之中。

在人體-冷卻服-環境系統內,傳導、對流、輻射3種熱傳遞方式同時存在并相互影響[20],如圖2所示。首先,相變材料本身的吸放熱是研究重點。其次,構成相變冷卻服的各層織物以傳導和輻射的方式在人體與環境之間交換熱量。第三,通常相變冷卻服與人體之間會存在基礎服裝,兩層服裝之間的空氣含量較多,由于空氣導熱系數較小,導熱可以忽略不計,此空間中發生的熱對流是研究的關注點,包括自然對流和強制對流2種情形。自然對流由相變冷卻服衣下空間內因流體中溫度差所導致的浮升力引發[21],而當環境氣流增強、人體運動或通風風扇運行時會產生強制對流。強制對流除了引起衣下空間的空氣流動之外,還會促進織物間隙中的空氣發生流動,從而改變織物的隔熱能力。第四,人體與基礎服裝之間間隙很小,二者之間的空氣對流難以形成,研究中通常關注其間的熱傳導和熱輻射。

圖2 人體-冷卻服-環境系統內熱傳遞Fig. 2 Heat transfer in human body-cooling clothing-environmental system. (a) Phase change cooling clothing; (b) Hybrid cooling clothing

人體-冷卻服-環境系統內的濕傳遞分為氣態和液態2種形式,如圖3所示。當人體處于潛汗狀態時,水分以水蒸氣形式擴散,包括由于層間蒸汽壓差和空氣對流時流體中水分濃度差產生的水蒸氣擴散,織物的吸濕性會促進這種擴散,但相變材料的低透濕性會阻礙這種擴散。隨著人體出汗量增加,當皮膚表面汗液累積量大于35 g/m2時[22],織物的吸水性及芯吸性能使得液態水從皮膚向外傳遞[23]。

圖3 人體-冷卻服-環境系統內濕傳遞Fig. 3 Moisture transfer in human body-cooling clothing-environmental system. (a) Phase change cooling clothing; (b) Hybrid cooling clothing

此外,通過相變冷卻服的熱濕傳遞同樣存在耦合作用。水分傳遞過程中會產生相變潛熱、吸附和解吸顯熱;同時,水分也會影響織物層和空氣層的熱物理性質,織物層吸濕后其有效導熱系數會發生變化,而空氣層相對濕度的增加導致其蓄熱量增加,從而影響熱傳導速率。水蒸氣擴散過程中會出現冷凝,釋放熱量,同時冷凝水在織物中積聚[24],而冷凝水的再次蒸發又會吸收熱量。此外,在空氣層與相變材料對流換熱過程中,當相變材料溫度低于空氣露點溫度時,空氣中水蒸氣也會在相變材料表面冷凝并釋放熱量。

2 相變冷卻服熱濕傳遞模型構建研究

相變冷卻服熱濕傳遞模型的構建,主要針對織物-相變材料這一組合為對象進行,發展過程主要分為3個階段。

第1階段,建立了不考慮水分對熱傳遞影響的織物-相變材料干熱傳遞模型。

第2階段,建立了織物-相變材料熱濕耦合傳遞模型。濕傳遞機制較為復雜,水分傳遞受到織物吸放濕性能、人體活動水平和環境條件等多方面的影響,且傳遞過程中還存在相態變化,這一階段對熱濕傳遞模型的研究集中在水分相態變化及其對熱傳遞的影響方面。

第3階段,針對混合相變冷卻服及其它改進手段,對模型進行優化,建立更為復雜的熱濕耦合傳遞模型。如:加入固體干燥劑層吸收微氣候多余的水分;加入風扇增強汗液蒸發以降低微氣候濕度;以及加入隔熱層以減少相變材料熔化過程中從環境吸收的熱量。

2.1 織物-相變材料干熱傳遞模型

為分析相變冷卻服與人體之間的熱流量,Qiu等[25]基于焓法在包括固相、液相及兩相移動界面的全域建立統一的相變材料傳熱方程,但在設定皮膚與相變材料的邊界條件時,忽略了服裝熱阻對導熱過程的影響。

有學者[26]利用有限元方法模擬人體-冷卻服-環境系統,根據Marin[27]提出的相變材料-焓曲線定義相變傳熱階段,同時考慮了織物層對熱傳導的影響。但其僅考慮作為主要降溫方式的傳導散熱,而忽略了對流、輻射等熱傳遞方式。

干熱傳遞模型忽略了水分傳遞對能量交換的影響,與實際傳熱情況差異較大。

2.2 織物-相變材料熱濕耦合傳遞模型

為模擬人體-冷卻服-環境系統中各層之間的熱濕傳遞,Hamdan等[28]開發了織物-相變材料熱濕耦合傳遞模型,采用顯熱容法建立溫度為唯一待求參數的相變階段傳熱方程。該模型將相變換熱過程視作一個較小溫度變化范圍內的一個大顯熱容量,從而把分區描述的相變問題簡化為單一區域上的非線性導熱問題,但Hamdan提出的模型忽略了水分相態變化引起的能量交換。Itani等[29]在此基礎上加入水蒸氣在相變材料表面冷凝釋放的熱量,但考慮的冷凝位置仍不全面。

2.3 織物-相變材料復雜熱濕耦合傳遞模型

當衣下微氣候內相對濕度超過冷凝閾值時,相變冷卻服的降溫效果和可用性會受到影響[30];因此,Itani等[31]在相變材料包內表面加入固體干燥劑層以吸附微氣候內多余水分,建立織物-相變材料-干燥劑熱濕耦合傳遞模型,考慮了干燥劑吸附熱以及相變材料、干燥劑與貼身織物之間的輻射熱傳遞,但濕傳遞和熱濕耦合傳遞仍未考慮全面,忽略了貼身織物吸濕過程中水分傳遞形式的改變,及其濕態熱阻的動態變化。

也有學者在服裝下背部加入通風風扇,通過增強汗液蒸發來降低微氣候濕度,建立了織物-相變材料-風扇熱濕耦合傳遞模型[15,22,32]。Bachnak等[22]考慮到織物吸濕后其有效導熱系數會根據纖維、氣體混合物和液態水的混合比例而發生變化[24],建立了貼身織物在吸收水蒸氣和液態水狀態下的熱濕傳遞方程。其中,分別加入了吸附水蒸氣和冷凝、吸收液態水和蒸發釋放的熱量,進一步完善了熱濕耦合傳遞過程。

上述模型針對冷卻服中織物層、空氣層和相變材料層分別建立熱濕傳遞方程,較為繁瑣。Wan等[15]建立了適用于織物-相變材料-風扇模型任意層之間的熱濕傳遞方程,預測結果顯示相變材料在熔化過程中從外界環境吸收了超過50%的熱量。基于此,Kang等[32]在相變材料包外加入膨脹聚乙烯隔熱層,以減少熔化過程中吸收的環境熱量,使用Wan的建模方法和邊界條件建立了織物-相變材料-隔熱層-風扇熱濕傳遞模型。

2.4 當前模型存在的問題

當前具有代表性的相變冷卻服模型的發展過程及其特點與不足歸納見表1。綜合看,當前針對相變冷卻服所構建的熱濕傳遞模型仍存在以下問題,可以在后續的研究中加以深入研究和優化。

表1 模型研究發展過程Tab. 1 Development process of models

1)將通風過程簡化為衣下微氣候與環境之間的空氣交換,認為各節段的空氣流速和空氣層厚度呈均勻分布,從而忽略對熱傳遞的影響。但有學者采用計算流體力學(computation fluid dynamics,CFD)研究表明外界空氣從服裝下端進入時通風率更大[33],與人體接觸后空氣流速變慢,熱通量降低[9]。并且,由于人體表面呈幾何形態,各節段與服裝之間的空氣層并不呈均勻分布,隨著空氣層厚度增加,空氣導熱減小,而自然對流愈益明顯[21,34]。

2)輻射傳熱過程較為復雜,現有模型忽略或簡化了熱傳遞主要方式之一的輻射熱傳遞。

3)未考慮纖維吸濕特性、紗線結構、織物中各成分混合比例等微觀因素對相變冷卻服熱濕性能的影響。

3 模型在相變冷卻服研發中的應用

人體穿著相變冷卻服時的熱舒適狀態受冷卻服性能、人體活動水平、環境條件等因素的綜合影響[35]。為此,有學者將相變冷卻服模型與人體熱生理模型[36]、熱舒適模型[37]集成,不僅可以模擬人體-冷卻服-環境系統內的熱濕傳遞過程,評估著裝人體的熱濕舒適性,還可以通過修改模型設置,預測選用不同相變材料時的冷卻效果,研究不同人體活動水平和環境條件下相變冷卻服的最優設計參數和工作模式,從而達到優化相變冷卻服性能的目的。

3.1 相變材料選擇

相變材料直接決定相變冷卻服的冷卻效果,因此對相變材料參數的選擇與優化十分重要。相關熱濕傳遞模型可以通過性能預測為材料選擇提供建議。

Hamdan等[28]利用集成的分段熱生理模型[36]和織物-相變材料熱濕耦合傳遞模型研究表明,使用低熔點相變材料可以實現快速冷卻效果,但由于其通常具有較低熔化潛熱和較大液態密度,存在冷卻時間短、額外增重大、蓄冷耗能多的缺陷。Kang等[32]發現相變材料的冷卻持續時間隨著熔化溫度和潛熱的增大而延長,但在高溫環境中使用高熔點相變材料不足以從人體中吸收足夠熱量來緩解熱應激。為此,Zheng等[38]提出了多熔點相變材料的復合應用,分別采用15 ℃和23 ℃熔點的相變材料作為內層和外層,從而在加快冷卻速率的同時延長冷卻持續時間。Itani等[39]提出兩階段冷卻策略,采用集成的分段熱生理模型[36]和織物-相變材料熱濕耦合傳遞模型[28],研究適用于不同工作階段的相變材料熔化溫度,其認為剛開始工作時人體蓄熱量較少,可以選用高熔點相變材料包,工作一段時間后需要選用低熔點相變材料包來緩解長時間工作造成的熱感覺和疲勞感,從而實現以較低的相變材料質量、材料成本和能源消耗,達到與降溫效果最優的持續冷卻策略相似的熱舒適狀態。

相變材料的冷卻持續時間不僅取決于熔化潛熱,還與其添加量有關。Hamdan等[28]的研究表明增加相變材料量可以延長冷卻持續時間,然而,相變材料的很大一部分冷卻效果被其額外增重、吸收外界環境熱量等負面影響所抵消[40]。Itani等[30,41]采用修正了相變冷卻服附加質量對人體代謝影響的集成模型[29],研究如何在滿足人體熱舒適需求的前提下最大限度地減少額外增重,發現可以根據環境溫度和作業時長調節相變材料包數量。Kang等[32]采用集成的65節點體溫調節模型[42]和織物-相變材料-隔熱層-風扇熱濕耦合傳遞模型研究了隔熱層熱阻對人體-冷卻服-環境系統內熱濕傳遞的影響,結果顯示相變材料從熱環境中吸收的熱量隨著隔熱層熱阻的增加而減少,因此,可以通過添加熱阻大且質量輕的隔熱層,以實現在延長冷卻持續時間的同時降低人體生理負荷的效果。

由于人體軀干的區域性生理特點不同,其對冷卻的敏感程度也存在差異,將相變材料均勻分配到整個軀干區域難以發揮最大冷卻潛力。Itani等[41]采用集成的分段熱生理模型[36]、熱舒適模型[37]和織物-相變材料熱濕耦合傳遞模型[28]研究了相變材料包分布方式對人體熱濕舒適性的影響,發現將相變材料包放在對冷卻更敏感的背部可獲得最佳整體熱感覺和熱舒適。

3.2 風扇工作模式設計

運行風扇引起的空氣循環會引起2種相互競爭的效果:一方面促進環境向人體和相變材料的顯熱傳遞;另一方面加強皮膚表面汗液蒸發產生的潛熱損失。當出汗量較少時運行風扇無法有效增強蒸發散熱,反而會增加人體熱負荷[43],因此,確定合適的運行風扇時間點對混合冷卻服的有效使用至關重要。

人體活動水平決定著皮膚表面出汗量的多少,Bachnak等[22]利用集成的分段熱生理模型[36]和織物-相變材料-風扇熱濕耦合傳遞模型,研究不同人體活動水平下干燥貼身織物吸收汗液達到飽和狀態所需的時間,即蒸發熱損失明顯大于外界環境顯熱傳遞的時間點,結果顯示該時間點隨著人體活動水平的增加而提前。與持續運行風扇相比,織物吸濕飽和后再運行風扇的工作模式不僅可以提供更顯著的冷卻效果,還減少了相變材料吸收的環境熱量,從而增大冷卻效率,因此,使用混合冷卻服時可以根據實際活動水平或出汗量來設置運行風扇時間點,以實現冷卻效率最大化。

3.3 環境適用性分析

環境條件直接影響著衣下微氣候狀態,從而決定了不同除濕手段的可用性。在濕熱環境中,由于人體皮膚表面與空氣之間的溫度差和濕度差較小,通過運行風扇增強對流和蒸發的散熱方式受到限制[44];干燥劑可以通過吸附衣下空間內水分來增強蒸發散熱,但同時也會由于釋放吸附熱而加速相變材料熔化[31]。

Itani等[45]采用前人建立的冷卻服模型[22,29,31]比較了相變冷卻服、相變材料-干燥劑冷卻服和相變材料-風扇冷卻服在不同環境溫濕度條件下的降溫效果,以期得出最適用的冷卻服類型。結果表明,相變冷卻服不適用于干熱環境,因為相變材料包阻礙汗液蒸發,減少了人體潛熱損失并引起皮膚明顯濕感覺;相變材料-風扇冷卻服和相變材料-干燥劑冷卻服的熱濕舒適性在中等濕度環境下相似,但隨著濕度升高,由相變材料-干燥劑冷卻服引起的蒸發熱損失和軀干降溫效果比相變材料-風扇冷卻服更顯著,因此相變材料-干燥劑冷卻服更適用于高溫高濕環境。

4 結束語

本文基于相變冷卻服的熱濕傳遞分析,回顧了這一類特殊熱防護服裝的熱濕傳遞模型構建及其應用方面的研究進展,相關研究存在的主要問題及未來的研究方向可總結為4方面。

1)全面考慮熱濕傳遞的多因素耦合。目前建立的相變冷卻服模型中熱傳遞過程主要考慮了傳導和對流,忽略了較為復雜的輻射傳熱,濕傳遞過程及其對系統內各層熱濕性能的影響仍未考慮全面。應綜合考慮傳導、對流和輻射傳熱及各傳熱之間的耦合,進一步完善水分傳遞對能量交換的影響,減少模型簡化造成的誤差。

2)基于計算流體力學CFD的冷卻服內通風過程動態模擬和預測。衣下空間內空氣流動十分復雜,現有模型將通風過程簡化為衣下微氣候與環境之間的空氣交換,而忽略了空氣流動過程中流速、空氣層厚度等的動態變化及其對熱傳遞的影響。采用CFD模擬衣下微氣候中的空氣流動和傳熱行為,不僅可以更準確地評價冷卻效果,還可以針對通風冷卻效果較差的部位進行設計優化。

3)構建多維熱濕傳遞模型。目前相變冷卻服熱濕傳遞模型多為織物厚度方向的一維模型,而冷卻服降溫效果與人體幾何形態、服裝合體性等因素均有關,僅考慮一維熱濕傳遞顯然存在不足。隨著三維掃描和CFD技術的發展,相變冷卻服模型將從一維平面逐漸發展為三維系統。

4)熱濕傳遞模型構建從宏觀角度向微觀角度轉變。現階段,熱濕傳遞模型將織物視為具有一定厚度的多孔介質,較少考慮到纖維成分、紗線結構等微觀因素對于相變冷卻服熱濕性能的影響。未來應進一步從微觀角度出發,考慮溫度和水分對織物層性能的影響,優化熱濕傳遞模型。