對(duì)相變降溫服的相變材料充注量及擺放位置的研究

李璐娜 陳磊 梁永輝 王岳斌 魯子琛

摘 要：為了研究相變降溫服中相變材料的充注量及其擺放位置，該文提出了一種新型的空氣式相變降溫服方案。通過(guò)建立熱舒適模型對(duì)相變材料的質(zhì)量進(jìn)行了理論計(jì)算，并設(shè)置不同的材料擺放方案，模擬夏季高溫環(huán)境對(duì)相變降溫服的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，真人穿著相變降溫服時(shí)人體表面平均溫度比未穿著相變降溫服時(shí)降低3 ℃，由此該文所提出的相變降溫服方案可以有效降低人員的皮膚溫度。

關(guān)鍵詞：相變降溫服；分布間隙；相變材料充注量

中圖分類號(hào)：TS941 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

服裝是人體的“第二皮膚”，在調(diào)節(jié)人體熱舒適方面具有重要的作用?，F(xiàn)在一些行業(yè)對(duì)服裝的要求越來(lái)越高，而傳統(tǒng)的服裝難以滿足消費(fèi)者的需求。因此研制一種能夠吸熱的降溫服，改善人們?cè)谙募緯r(shí)的熱舒適，具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，也是解決一些特殊場(chǎng)合下的供冷問(wèn)題的有效方法。

為了使人體在高溫條件下保持一定的溫濕度，采取在服裝內(nèi)添加制冷裝置的方法，此類服裝稱為降溫服。降溫服有通過(guò)加入微型風(fēng)扇來(lái)增強(qiáng)空氣對(duì)流換熱的方式，也有通過(guò)在服裝中添加相變材料的方式。相變材料是指在一定的溫度范圍內(nèi)可改變物理狀態(tài)的材料，以環(huán)境與人體的溫度差為推動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)、放熱功能。通常在相變降溫服表面縫制口袋，將相變材料置于口袋內(nèi)，使相變材料發(fā)生相變而達(dá)到吸熱降溫的效果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)相變降溫服的性能進(jìn)行了研究，王云儀等利用相變材料研制的高溫強(qiáng)輻射下的相變降溫背心，對(duì)于降低煉鋼工人體表溫度有顯著作用。張寅平等利用TH-27復(fù)合蓄熱相變材料，對(duì)醫(yī)用降溫服進(jìn)行了熱舒適評(píng)價(jià)，說(shuō)明了該降溫服具有良好的熱舒適性。曾彥彰等研制的通風(fēng)服在高溫環(huán)境條件下有效降低了人體皮膚溫度。

該文將在前期研究相變材料的質(zhì)量和位置對(duì)人體熱舒適的影響上，采取真人著裝實(shí)驗(yàn)對(duì)相變降溫服的熱防護(hù)性能進(jìn)行一定的研究，并通過(guò)管道連接相變降溫服內(nèi)的相變材料，連接制冷機(jī)利用冷空氣使相變材料恢復(fù)固態(tài)的方法，從而使相變降溫服的使用更加便捷。

1 理論建模

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

2.1.1 降溫服

相變服裝由服裝和相變材料組成（如圖1所示），降溫服為無(wú)袖套形式，不遮蔽前臂和上臂。服裝的質(zhì)量為0.35 kg。密封袋為很薄的塑料袋，每個(gè)塑料袋放入相變材料后總質(zhì)量為35 g，相變服裝的尺寸為衣長(zhǎng)69.5 cm，胸圍112 cm，肩寬48 cm。服裝上有多個(gè)口袋，在每個(gè)口袋之間連接了管道，可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置不同的放置方案。相變材料置于塑料袋中，使用時(shí)將塑料袋放入服裝的口袋中，當(dāng)相變吸熱完成后，可通過(guò)注入冷空氣來(lái)使相變材料恢復(fù)制冷能力。每個(gè)塑料袋間距3 cm，塑料袋的尺寸長(zhǎng)為5 cm，寬為4 cm。

相變材料選用某廠家生產(chǎn)的TH-SL-23型相變材料，其相變潛熱為220 kJ/kg，相變溫度為23 ℃。

2.1.2 人體皮膚溫度

人體上身的皮膚溫度與胸部、腹部、腰部、背部、前臂、上臂處的溫度有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量以上六處的溫度

2.1.3 恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室

在恒溫恒濕條件下實(shí)驗(yàn)以減小外部環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。實(shí)驗(yàn)室溫度設(shè)置為35 ℃，濕度為50 %，室內(nèi)風(fēng)速不超過(guò)0.1 m/s。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)前，將塑料袋置于-20 ℃的冰箱中2 h后取出。當(dāng)室內(nèi)溫度為21 ℃、空氣流速為0.05 m/s、相對(duì)濕度為50 %，成年男子靜坐于室內(nèi)時(shí)，通過(guò)ASHRAE Handbook查得Icl=0.67 clo。在無(wú)風(fēng)或風(fēng)速很小的條件下，人體周圍的自然對(duì)流換熱系數(shù)采用Rapp推薦值hc=4.0 W/（m2℃）。能量代謝率取M=60 W/m2，人體對(duì)外所做的機(jī)械功為0。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度ta=35 ℃，服裝表面溫度為tcl=36 ℃，黑球輻射溫度為tr=32 ℃，設(shè)相變服裝的工作時(shí)間為1 h，將以上各值代入（1）～（6）式可計(jì)算出需要提供的冷量為Q=27.6 W/m2，需要放置的相變材料的理論質(zhì)量為m=754.8 g。

控制相變材料的質(zhì)量不變，該次實(shí)驗(yàn)另一變量是相變材料的分布，相變材料放置方案如圖2、圖3、圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 未穿著降溫服

當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫濕度穩(wěn)定后，受試人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜坐0.5 h，測(cè)量受試人員的胸部、腹部、腰部、背部、前臂、上臂處的溫度，并做出熱舒適評(píng)價(jià)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

未穿著降溫服時(shí)各部位的皮膚溫度為前臂35.9 ℃，上臂36.4 ℃，腹部36.3 ℃，背部36.5 ℃，胸部36.1 ℃，腰部36.5 ℃。

3.2 穿著降溫服

3.2.1 方案一

相變材料按照方案一布置，受試人員穿著相變降溫服。實(shí)驗(yàn)時(shí)，每2 min采集6點(diǎn)的皮膚溫度，實(shí)驗(yàn)持續(xù)30 min，并記錄受試人員的熱舒適評(píng)價(jià)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，受試人員不能進(jìn)食和飲水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖中可以看出，隨著時(shí)間的增加，人體的皮膚溫度逐漸下降。上臂和前臂由于沒(méi)有覆蓋相變材料導(dǎo)致其溫度高于其余部位，這表明使用降溫服能降低被覆蓋部位的皮膚溫度。此外，背部和腰部較其余部位下降程度較大，這說(shuō)明在相變材料擺放多的地方溫度下降較明顯。從熱舒適評(píng)價(jià)來(lái)看，在達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)后，受試人員在局部部位有較明顯的冷感。

相變材料并未完全融化，說(shuō)明相變材料可以使用較長(zhǎng)的時(shí)間。從理論分析中得出，當(dāng)外界對(duì)人體的輻射、人體的其他得熱量和人體對(duì)外界以對(duì)流、輻射形式散發(fā)的熱量以及相變材料的吸熱量代數(shù)和為零時(shí)，人體的蓄熱量也為零。但相變材料并不完全融化，這與相變材料的擺放密度、相變溫度以及質(zhì)量有關(guān)，同時(shí)相變材料與塑料袋、服裝之間均有一定的熱阻，這些都導(dǎo)致理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的差距，在實(shí)際操作中相變材料的質(zhì)量應(yīng)考慮一定的富余量。

3.2.2 方案二

受試人員靜坐半小時(shí)后，調(diào)整相變材料的擺放位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

與沒(méi)有穿相變降溫服相比，穿著相變降溫服能降低被相變材料覆蓋部位的人體皮膚溫度。

3.2.3 方案三

受試人員靜坐0.5 h后，調(diào)整相變材料的擺放位置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。方案三的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

可以看出，腰部的降溫效果最為明顯，但受試人員在腰部有局部冷感。

3.2.4 方案對(duì)比

3種方案的對(duì)象，如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表面使用相變降溫服能降低人體皮膚溫度，降低程度與相變材料擺放位置和質(zhì)量有關(guān)。綜合以上各圖可以看出，與方案一、三相比，在改變了相變材料的擺放位置后，方案二腹部、背部以及胸部降溫效果較好，熱舒適評(píng)價(jià)也較好。

4 結(jié)論

該文通過(guò)理論模型，建立了對(duì)相變制冷服中相變材料充注量的計(jì)算方法。通過(guò)真人著裝實(shí)驗(yàn)研究了穿著相變降溫服后受試者皮膚溫度的變化，并對(duì)相變材料的擺放方案進(jìn)行了一定的研究。結(jié)果表明，在設(shè)置的實(shí)驗(yàn)條件下，相變材料按照方案二擺放時(shí)，降溫效果更好。該文所提出的相變降溫服方案可以有效降低人員的皮膚溫度，也可以為相變服裝的相變材料的定量設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

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