對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。通過建立熱舒適模型對相變材料的質量進行了理論計算，并設置不同的材料擺放方案，模擬夏季高溫環(huán)境對相變降溫服的效果進行了實驗。結果顯示，真人穿著相變降溫服時人體表面平均溫度比未穿著相變降溫服時降低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。

關鍵詞：相變降溫服；分布間隙；相變材料充注量

中圖分類號：TS941 文獻標志碼：A

0 前言

服裝是人體的“第二皮膚”，在調節(jié)人體熱舒適方面具有重要的作用。現在一些行業(yè)對服裝的要求越來越高，而傳統(tǒng)的服裝難以滿足消費者的需求。因此研制一種能夠吸熱的降溫服，改善人們在夏季時的熱舒適，具有重大的社會效益和經濟效益，也是解決一些特殊場合下的供冷問題的有效方法。

為了使人體在高溫條件下保持一定的溫濕度，采取在服裝內添加制冷裝置的方法，此類服裝稱為降溫服。降溫服有通過加入微型風扇來增強空氣對流換熱的方式，也有通過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力，實現儲、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，使相變材料發(fā)生相變而達到吸熱降溫的效果。

國內外學者對相變降溫服的性能進行了研究，王云儀等利用相變材料研制的高溫強輻射下的相變降溫背心，對于降低煉鋼工人體表溫度有顯著作用。張寅平等利用TH-27復合蓄熱相變材料，對醫(yī)用降溫服進行了熱舒適評價，說明了該降溫服具有良好的熱舒適性。曾彥彰等研制的通風服在高溫環(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量和位置對人體熱舒適的影響上，采取真人著裝實驗對相變降溫服的熱防護性能進行一定的研究，并通過管道連接相變降溫服內的相變材料，連接制冷機利用冷空氣使相變材料恢復固態(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 實驗研究

2.1 實驗條件

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），降溫服為無袖套形式，不遮蔽前臂和上臂。服裝的質量為0.35 kg。密封袋為很薄的塑料袋，每個塑料袋放入相變材料后總質量為35 g，相變服裝的尺寸為衣長69.5 cm，胸圍112 cm，肩寬48 cm。服裝上有多個口袋，在每個口袋之間連接了管道，可以根據不同實驗條件設置不同的放置方案。相變材料置于塑料袋中，使用時將塑料袋放入服裝的口袋中，當相變吸熱完成后，可通過注入冷空氣來使相變材料恢復制冷能力。每個塑料袋間距3 cm，塑料袋的尺寸長為5 cm，寬為4 cm。

相變材料選用某廠家生產的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，在實驗過程中測量以上六處的溫度

2.1.3 恒溫恒濕實驗室

在恒溫恒濕條件下實驗以減小外部環(huán)境對實驗的影響。實驗室溫度設置為35 ℃，濕度為50 %，室內風速不超過0.1 m/s。

2.2 實驗方案

實驗前，將塑料袋置于-20 ℃的冰箱中2 h后取出。當室內溫度為21 ℃、空氣流速為0.05 m/s、相對濕度為50 %，成年男子靜坐于室內時，通過ASHRAE Handbook查得Icl=0.67 clo。在無風或風速很小的條件下，人體周圍的自然對流換熱系數采用Rapp推薦值hc=4.0 W/（m2℃）。能量代謝率取M=60 W/m2，人體對外所做的機械功為0。實驗室內溫度ta=35 ℃，服裝表面溫度為tcl=36 ℃，黑球輻射溫度為tr=32 ℃，設相變服裝的工作時間為1 h，將以上各值代入（1）～（6）式可計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量為m=754.8 g。

控制相變材料的質量不變，該次實驗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 實驗結果與分析

3.1 未穿著降溫服

當實驗室內溫濕度穩(wěn)定后，受試人員在實驗室內靜坐0.5 h，測量受試人員的胸部、腹部、腰部、背部、前臂、上臂處的溫度，并做出熱舒適評價，記錄實驗數據。

未穿著降溫服時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。實驗時，每2 min采集6點的皮膚溫度，實驗持續(xù)30 min，并記錄受試人員的熱舒適評價。在實驗時，受試人員不能進食和飲水。實驗結果如圖5所示。

從圖中可以看出，隨著時間的增加，人體的皮膚溫度逐漸下降。上臂和前臂由于沒有覆蓋相變材料導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，這說明在相變材料擺放多的地方溫度下降較明顯。從熱舒適評價來看，在達到較為穩(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，說明相變材料可以使用較長的時間。從理論分析中得出，當外界對人體的輻射、人體的其他得熱量和人體對外界以對流、輻射形式散發(fā)的熱量以及相變材料的吸熱量代數和為零時，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、相變溫度以及質量有關，同時相變材料與塑料袋、服裝之間均有一定的熱阻，這些都導致理論計算與實驗結果有一定的差距，在實際操作中相變材料的質量應考慮一定的富余量。

3.2.2 方案二

受試人員靜坐半小時后，調整相變材料的擺放位置進行實驗。實驗結果如圖6所示。

與沒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，調整相變材料的擺放位置，進行實驗。方案三的實驗結果如圖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 方案對比

3種方案的對象，如圖8所示。

實驗數據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量有關。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，熱舒適評價也較好。

4 結論

該文通過理論模型，建立了對相變制冷服中相變材料充注量的計算方法。通過真人著裝實驗研究了穿著相變降溫服后受試者皮膚溫度的變化，并對相變材料的擺放方案進行了一定的研究。結果表明，在設置的實驗條件下，相變材料按照方案二擺放時，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計提供一定的依據。

參考文獻

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