基于相变材料与微型通风风扇的新型个体混合冷却服在温热环境下的制冷效果研究

韦帆汝, 王发明,2

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院, 江苏 苏州 215021；2.现代丝绸国家工程实验室, 江苏 苏州 215123)



基于相变材料与微型通风风扇的新型个体混合冷却服在温热环境下的制冷效果研究

韦帆汝1, 王发明1,2

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院, 江苏 苏州 215021；2.现代丝绸国家工程实验室, 江苏 苏州 215123)

摘要:采用暖体假人研究了一种基于由相变材料和微型通风风扇的混合冷却服在温热环境(温度(30±0.5) ℃,相对湿度47%±5%,风速(0.4±0.1) m/s)下的制冷效果。混合冷却服制冷效果的评价参数主要包括总热阻、总湿阻、热损耗和制冷功率,实验方案包括Fan-off(通风关闭且移除相变材料)、Fan-on(通风开启但相变材料移除)、PCM+Fan-off(通风关闭但内置固态相变材料)和PCM+Fan-on(通风开启且内置固态相变材料)4种。假人出汗方式采用不出汗(干态测试)和出汗(湿态测试)2种。研究结果表明,开启风扇显著降低了冷却服的总热阻和总湿阻；在Fan-on和PCM+Fan-on两种工况下,冷却服的总热损耗((332.0±3.6) W/m2和(332.0±6.6) W/m2)均显著高于其在Fan-off工况下的总热损耗((166.7±0.5) W/m2)；在干态测试条件下,该混合冷却服的干热损耗主要由相变材料提供,在PCM+Fan-off和PCM+Fan-on两种工况下,冷却服的平均制冷功率分别为62.8 W和63.9 W,制冷持续时间分别是8 min和110 min；在湿态测试条件下,该新型混合冷却服的热损耗主要由微型风扇组提供,在Fan-on和PCM+Fan-on两种工况下的湿热损耗分别占总热损耗的84.4%±1.2%和83.1%±1.4%。

关键词:个体混合冷却服; 热应激; 相变材料; 通风风扇; 暖体假人; 制冷功率

人体长期暴露在热应激环境下会导致体温上升、工作效率下降,继而出现体温过高、热痉挛、中暑等热疾病,最终可能会导致个体死亡[1]。高温环境下作业人员的热应激问题已成为近年来社会关注的焦点,而如何采取有效措施缓解个体热应激、从而有效保护作业人员的个体生命安全则成为了国内外学者研究的热门方向[2]。热应激的主要构成物理参数有：环境温度、环境湿度、风速、辐射、工作强度和服装[3],因此,缓解个体热应激的方法应从调整这6个参数中的某一个或多个入手。这6个热应激参数中,对于工作环境和个体劳动强度的调整是困难且不太现实的，因此,通过调整个体所穿戴的服装来缓解个体热应激是最为方便且可行的方案。

个体冷却服装(personal cooling system, PCS)是当前缓解热环境条件下个体热应激的最有效手段之一,其制冷方式主要有管道气冷、管道液冷、相变材料制冷和通风风扇制冷等。管道气冷是将预冷却的压缩空气通入植入服装中的管道网络中,借助气阀使冷却空气循环流动,通过对流和传导促进个体散热的制冷方式。前人的研究表明,管道气冷背心穿着于防护服内,能够有效缓解人体热应激,但是由于其过于笨重,降低了作业人员的工作时间。管道液冷是将冷却液体通入植入服装中的管道网络,借助水泵将冷却液体不断循环流动,通过传导和对流给个体散热的制冷方式[4-5]。相关研究发现,管道液冷背心穿着于防护服内,能够提升个体生理指标,但是由于管道液冷存在制冷延迟、冷却剂温度难以确定等因素,导致个体主观热舒适性出现波动的情况[6]。由于上述大部分冷却服需要外部提供持续的能量供应,加之该类冷却服存在便携性差和价格昂贵等缺陷,因此,开发适用于高温作业下的相对低廉且具有良好便携性的冷却服是学者们当前的重点研究目标。

相变材料(phase change materials, PCMs)是一种具有高潜热的储能物质,当其发生相变时,吸收或释放大量能量,但温度几乎恒定不变。相变材料有四种相位变化,即“固-液、液-气、固-气和固-固”,其中“固-液”相变提供了相对高的能量储存密度,更具实际意义[7]。张寅平等[8]利用相变材料研制的医用降温服具有良好的降温效果,能够显著提升人体的热舒适感。Arngrímson等[9]研究了穿着相变冷却背心对运动员在湿热环境下进行长跑运动的影响,研究表明,相变冷却背心显著抑制了运动员的体温、心率的上升,提升了运动员的运动表现。Gao等[10]发现,相变冷却背心能够提升办公人员的热舒适感,相对于使用空调更加节能环保。通风服(air ventilation garments)将微型风扇嵌于服装上,通过将环境中的空气不断吸入服装内部,加速了人体体表蒸发散热,从而达到人体降温的作用。肖居霞[11]设计制作了一款智能微空调通风服,该通风服对人体的局部制冷效果较好,提升了人体整体热舒适感。曾彦彰等[12]研制的通风服在热环境条件下有效降低了人体皮肤温度。

从热传递的角度来说,不同的制冷方法通过不同的传热途径带走人体体表热量,采取单一制冷方法冷却服的制冷效果具有较大的局限性,通常单一冷却方式制冷服无法在多变的环境中充分发挥其最佳制冷效果。例如,通风服在干热的环境下对人体的制冷效果是最好的,而其在湿热的环境下的制冷效果则较差。相对于干热环境,相变服装在湿热环境下的制冷效果会更好，因此,很有必要研制一种适用于多变热环境下制冷效果较好的冷却服。将两种或两种以上的制冷方法与服装结合起来的混合冷却服便是其中一种最为有效的方法。本研究研制了一种基于相变材料与微型通风风扇的便携式新型个体混合冷却服,采用出汗暖体假人,研究该新型个体混合冷却服在温热环境(Ta=30 ℃,相对湿度=47%)下的制冷效果。此外,本研究将分析并计算暖体假人在穿着该新型混合冷却服时的总热损耗、干热损耗、湿热损耗和制冷功率,为如何合理设计及使用个体混合冷却服降低个体热应激和增强人体舒适性提供科学指导和技术基础。

1　研究方法

1.1混合冷却服

为达到最佳冷却效果,设计个体混合冷却服时需要考虑以下因素：首先,通风风扇进风口处需与人体保持一定距离且距出风口处距离较远(即保证通风风道较长且通过面积足够大,有利于增强汗液蒸发);其次,相变材料需与人体各部位贴合性较好且不宜排列过密,需为通风提供风道。因此,本研究中混合冷却服采用上下衣分体结构,上衣下摆和裤子腰部处的松紧带确保了服装与人体紧贴,从而保证了上下衣的单向出风。冷却服面料为半透气涤棉斜纹布,上衣为长袖特种夹克衫,上衣和裤子共结合4个微型风扇和24块相变材料。上衣的两个微型风扇嵌于背面腰围线处,裤子上的两个微型风扇分别嵌于左右大腿侧缝线处。微型电风扇的直径为10 cm,其最大通风量为12 L/s,上衣部分以网格布为里料,制成了18个独立的口袋,裤子部分用同样材料的里料制作了6个独立口袋,用于装块状相变材料袋。个体混合冷却服的款式及相变材料袋的分布见图1,服装前中线和后中线处分别留5 cm的通道便于通风,相变材料块之间分别留2 cm的空隙便于服装内部的空气流通,所有微型风扇并联于可调稳压电源(DX3005DS型,广东东莞达兴公司)。本研究中,稳压电源的电压设定为6.0 V。相变材料的主要成分为Na2SO4·10H2O,其融化温度和潜热分别为21 ℃和14 J/g。每块相变材料包的规格为7.0 cm×13.2 cm,24块相变材料的总质量为86 g×24=2 064 g,潜热为297.2 kJ；个体混合冷却服的总质量为3 589 g。

图1　基于相变材料和微型通风风扇的新型个体混合冷却服Fig.1　The portable hybrid personal cooling system based on PCMs and micro-ventilation fans

通常情况下,人体穿着工作服需同时穿着内衣,本研究采取的着装方式是：紧身吸湿排汗涤纶内衣和纯棉内裤穿在里层,个体混合冷却服穿在外层。个体混合冷却服的尺寸依据出汗暖体假人的体型设计,其各部位的具体尺寸见表1。

1.2出汗暖体假人与测试环境条件

实验采用34区段出汗暖体假人“Newton”(美国Thermetrics公司)进行测试,其总体表面积为1.697 m2。出汗暖体假人配置了紧身涤纶织物“皮肤”,用于模拟人体出汗状态及服装湿阻等测试。暖体假人通过ThermDAC®(美国Thermetrics公司)软件可以实时记录假人各区段的表面温度和热流。本研究中出汗暖体假人采用假人表面温度恒定模式,表面温度设定为34.0 ℃。

表1　个体混合冷却服的规格尺寸

测试实验共分为三部分：冷却服热阻测试实验、冷却服湿阻测试实验和冷却服冷却性能测试实验,所有的测试是在人工气候室内完成的。个体混合冷却服热阻的测试严格按照国际标准ISO 15831—2004《服装—生理效应—采用暖体假人测试服装热阻》[13]执行,测试环境温度设定为(20±0.5) ℃,相对湿度为(50±5)%,风速为(0.4±0.1) m/s；个体混合冷却服湿阻测试实验是按照国际标准ASTM F2370—10《使用出汗暖体假人测试服装湿阻的标准测试方法》[14]执行的,测试环境温度为(34±0.5) ℃,相对湿度为(40±5)%,风速为(0.4±0.1) m/s；个体混合冷却服冷却性能实验分为干态实验和湿态实验,干态实验和湿态实验的测试环境相同,测试温度为(30±0.5) ℃,相对湿度为(47±5)%,大气压强为2 kPa,风速为(0.4±0.1) m/s。

1.3测试方法与试验步骤

混合冷却服的热阻和湿阻测试实验选取了4种工况：通风关闭且移除相变材料的冷却服(Fan-off,对照组)；通风开启但相变材料移除的冷却服(Fan-on)；通风关闭但内置完全融化的相变材料的冷却服(mPCM+Fan-off)和通风开启并内置完全融化的相变材料的混合冷却服(mPCM+Fan-on)。

混合冷却服的冷却性能是通过测定穿着混合冷却服的假人的总热损耗、干热损耗、湿热损耗及制冷功率来表征的。该部分实验同样选取了4种工况：通风关闭且移除相变材料的冷却服(Fan off,对照组)；通风开启但相变材料移除的冷却服(Fan-on)；通风关闭但内置固态相变材料的冷却服(PCM+Fan-off)和通风开启且内置固态相变材料的混合冷却服(PCM+Fan-on)。本研究针对上述4种工况分别进行干态和湿态测试,实验前将相变材料放置于5 ℃的环境条件下凝固至少12 h。

测试冷却服热阻及干态制冷效果时,假人不穿织物“皮肤”,运行干态测试,假人不出汗。测试冷却服湿阻与湿态冷却制冷效果测试时,假人穿着织物“皮肤”,运行湿态测试,出汗量设定为1 200 mL/h·m-2以保证在测试过程中织物“皮肤”完全湿润,供应假人出汗的水流温度设定为34.0 ℃。由ThermDAC®软件记录假人各区段的实时表面温度和热流量,数据采集频率为1 min,实验稳态时间至少持续60 min。每种工况下重复测量3次,所测热流量的误差控制在10%以内,若大于10%,继续重复实验,直至达到要求为止。

1.4计算公式

服装总热阻It的计算式[13]，在等温条件下(即假人表面温度Tmanikin等于测试环境温度Ta),混合冷却服总湿阻Ret的计算式[14-16]，在非等温测试环境下,冷却服的蒸发热损耗Hevap的计算式[17]，混合冷却服的制冷功率P的计算式如下：

(1)

(2)

Hevap=Htot-Hdry

(3)

(4)

1.5统计分析

实验数据采用SPSS 17.0软件进行分析。采用单因素方差分析来判断4种工况下的个体混合冷却服的总热阻和总湿阻值是否存在显著差异,并采用配对样本T检验判断有无相变材料和微型风扇工作状态(开启或关闭)是否显著影响混合冷却服的热损耗和制冷功率。统计分析的显著性水平设置为p<0.05。

2　结果与讨论

2.1混合冷却服的总热阻和总湿阻

在Fan-off、Fan-on、mPCM+Fan-off和mPCM+Fan-on这4种工况下,个体混合冷却服的总热阻和总湿阻值如图2所示。由图2可以看出,混合冷却服内有无完全融化的相变材料不会显著影响服装总热阻和总湿阻。混合冷却服在mPCM+Fan-off和Fan-off工况下的总热阻均为0.17 m2·℃/W；而开启通风风扇组(Fan-on)则显著降低了混合冷却服的总热阻和总湿阻(p<0.01)。这主要是因为微型风扇的开启增强了混合冷却服内的空气对流,促进了假人体表散热,最终导致两种工况下的服装总热阻和总湿阻显著下降。

*表示p<0.05,**表示p<0.01图2　个体混合冷却服在4种工况下的总热阻和总湿阻Fig.2　Total thermal resistance and total evaporative resistance of the hybrid PCS in four test scenarios

2.2个体混合冷却服的总热损耗和制冷功率

个体混合冷却服在温热环境下(Ta=30 ℃,相对湿度=47%)的总热损耗见图3(a)。由图3(a)可以看出,是否开启风扇会显著影响假人的总热损耗。冷却服在Fan-on工况下的热损耗要显著高于其在Fan-off工况下的热损耗(热损耗分别为(332.0±3.6)和(166.7±0.5) W/m2；两者之间的热损耗差异为165.3 W/m2)。在PCM+Fan-on和PCM+Fan-off工况下,混合冷却服在前24 min的测试时间内的热损耗分别显著高于其在Fan-on和Fan-off工况下的总热损耗。这主要是由于相变材料在相变过程中从假人体表吸收了大量的热量,从而致使假人的总热损耗明显增大。当相变过程临近结束时,冷却服在PCM+Fan-on和Fan-on工况下的热损耗差异逐渐减小,直至最终消失。同样,PCM相变过程临近结束时,冷却服在PCM+Fan-off和Fan-off工况下的总热损耗并无显著差异。

个体混合冷却服在Fan-on、PCM+Fan-off和PCM+Fan-on工况下的制冷功率见图3(b)。混合冷却服在Fan-on和PCM+Fan-on工况下的制冷功率(分别是(280.0±6.8) W和(263.1±12.0) W)显著大于其在PCM+Fan-off工况下的制冷功率((4.2±8.9) W),这表明冷却服的制冷效果主要由微型风扇组提供。Chinevere等[18]的研究表明,通风服可以为人体提供持续稳定制冷,减轻了热应激。通过对比混合冷却服在Fan-on 与PCM+Fan-on工况的制冷功率可以得出,在最初的24 min测试时间段内,冷却服在PCM+Fan-on的工况下的制冷功率是相变材料和微型风扇组共同作用的结果。实验在进行了24 min后,由于PCM相变临近结束,相变材料从假人表面吸热明显减小,因此此时段上个体混合冷却服的制冷功率与其在Fan-on工况下的制冷功率无显著差异。该发现与ZHAO等[19]研究结果一致,尽管相变材料增大了服装的总湿阻,但相变背心外层军装本身的湿阻较大,因此相变材料背心穿着于军用服装下仍然能够带来制冷效果。

图3　个体混合冷却服在4种工况下的总热损耗和总制冷功率Fig.3　The total heat loss and cooling power of the hybridPCS in four test scenarios

2.3混合冷却服的干热损耗和干态制冷功率(干态实验)

个体混合冷却服的干热损耗见图4(a)。对比图3与图4(a)可以看出,混合冷却服在温热环境下(Ta=30 ℃,相对湿度=47%)的干热损耗占其总热损耗的比例较小。冷却服在Fan-off、Fan-on、PCM+Fan-off和PCM+Fan-on工况下的干热损耗分别占其总热损耗的15.2%±1.7%、15.6%±0.2%、18.1%±0.3%和16.9%±0.4%。这是由于环境温度与假人表面温度的温差小,从而干热损耗较小。在最初的40 min测试时间段内,由于相变材料处于相变过程中,冷却服的干热损耗较大。此外,个体混合冷却服在Fan-off和PCM+Fan-off工况下的干热损耗在实验进行144 min后无显著差异,说明相变材料的相变时间大约持续了144 min。

干态实验测试条件下,混合冷却服的干态制冷功率如图4(b)所示。根据美国材料与测试协会标准ASTM F2371—10《使用出汗暖体假人测试个体冷却系统散热率的标准测试方法》[17],只有大于50 W的制冷功率才能用于计算个体冷却系统的冷却速率和制冷持续时间。混合冷却服在PCM+Fan-off工况下,由于只有相变材料提供制冷,可以得出在温热环境条件下(Ta=30 ℃,相对湿度=47%)冷却服的平均制冷功率为62.8 W,制冷持续时间是8 min。混合冷却服在PCM+Fan-on工况下的平均制冷功率为63.9 W,制冷持续时间为110 min。

图4　个体混合冷却服在4种工况下的干热损耗和干态制冷功率Fig.4　The dry heat loss and dry cooling power of the hybrid PCS in four test scenarios

2.4混合冷却服的湿热损耗和湿态制冷功率(湿态实验)

混合冷却服的湿热损耗(即蒸发散热)见图5(a)。由于在温热环境条件下(Ta=(30±0.5) ℃,相对湿度=47%±5%),环境温度与假人表面温度的温差小且汽压差较大,因此在该测试环境条件下主要由蒸发散热起主导作用,蒸发散热占总热损失的比重大(即冷却服在Fan off、Fan on、PCM+Fan-off和PCM+Fan-on这4种工况下的蒸发散热占总散热量的比例分别为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 ℃,相对湿度=60%,va=0.4 m/s测试环境下,开启通风时假人躯干部位的蒸发热损耗增大了205%,因此本研究结果与上述研究发现基本一致。

混合冷却服在30 ℃测试环境下的湿态制冷功率如图5(b)所示。混合冷却服在PCM+Fan-off、Fan on和PCM+Fan-on工况下的湿态制冷功率分别为(-5.2±10.8) W、(234.5±9.5) W和(213.4±17.8) W。在Fan-on工况下,由于相变材料相变持续时间较短,并且在相变结束后,完全融化的相变材料增大了混合冷却服的不透汽性,所以在PCM+Fan-off的工况下,平均湿态制冷功率为负值(即-5.23 W)。负值制冷功率再次验证了当PCM材料相变过程结束后,液态PCM的存在抑制了冷却服的整体蒸发散热。

图5　个体混合冷却服在4种工况下的湿热损耗和湿态制冷功率Fig.5　The evaporative heat loss and wet cooling power of the hybrid PCS in four test scenarios

3　结　论

本研究研制了一种基于相变材料和微型通风风扇的新型便携式个体混合冷却服,采用出汗暖体假人深入研究了该混合冷却服在温热环境条件下的冷却性能。研究结果表明,开启通风风扇可以显著降低混合冷却服的总热阻和湿阻,从而提升了该冷却服在温热环境中的散热效果。温热环境下(Ta=30 ℃,相对湿度=47%),当人体处于出汗发展过程中或出汗量较小时段时,混合冷却服内置的相变材料可以为人体带来较佳的制冷效果。当人体出汗量稳定后(或出汗量较大时),微型通风风扇开始提供较佳的制冷功率。通常高容量锂电池可以为通风风扇提供长达8 h的供电,因此基本可以满足人体一天工作时间段上的制冷需求。综上所述,研制的便携式个体混合冷却服在本研究选取的实验条件环境下展现了比单一通风或者相变材料制冷服装更为优越的制冷效果。

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DOI:研究与技术10.3969/j.issn.1001-7003.2016.03.001

收稿日期:2015-07-27; 修回日期:2016-01-04

基金项目:江苏省自然科学基金(BK20130312)

作者简介:韦帆汝(1991),女,硕士研究生,研究方向为个体冷却服装的设计及其性能评价。通信作者：王发明,教授,博士生导师,dr.famingwang@gmail.com。

中图分类号:TS941.17

文献标志码:A

文章编号:1001-7003(2016)03-0001-08引用页码: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