濕熱地區(qū)相變背心的調(diào)節(jié)性能與影響因素研究

鄭佩萍 吳會(huì)軍、2

1 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院

2 廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在高溫高濕的環(huán)境下，對(duì)人們的舒適、健康、安全提出了很大的挑戰(zhàn)[1-3]。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境，可采用空調(diào)設(shè)備對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行制冷實(shí)現(xiàn)熱舒適。而對(duì)于室外環(huán)境，通過(guò)穿著性化熱調(diào)控背心實(shí)現(xiàn)人體的降溫減濕就顯得非常重要。個(gè)性化熱調(diào)控背心已經(jīng)逐漸出現(xiàn)在人們生活中的各個(gè)領(lǐng)域[4-7]，主要分為主動(dòng)式（如氣體制冷背心[5]、液體制冷背心[8]等）和被動(dòng)式（如相變背心[9]等）。Zhao 等[10]通過(guò)假人模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相變背心在高濕熱環(huán)境中調(diào)節(jié)效果更為顯著。本文針對(duì)高溫高濕室外環(huán)境，建立相變背心的熱濕傳遞模型，研究高溫、高濕環(huán)境下相變背心的熱調(diào)控性能。

1 相變背心熱濕傳遞模型與計(jì)算

1.1 物理模型及假設(shè)條件

相變背心的物理模型如圖1 所示。人體皮膚表面與相變背心之間有一個(gè)空氣層，相變背心由內(nèi)衣層、相變材料、外衣層組成。由于人體-衣服模型中人體內(nèi)部傳熱，衣服的構(gòu)造復(fù)雜，本文對(duì)模型推導(dǎo)求解過(guò)程中作了有關(guān)假設(shè)：織物各向同性且氣體物質(zhì)為理想氣體狀態(tài)。忽略皮膚表面與衣服層、衣服層與相變材料層的輻射換熱。忽略空氣層與外界環(huán)境因通風(fēng)產(chǎn)生的熱交換。忽略相變材料表面冷凝現(xiàn)象。局部熱濕迅速達(dá)到平衡。相變材料緊貼著衣服層。

圖1 相變背心物理模型圖

1.2 熱、濕傳遞數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量守恒考慮了相鄰層之間的水汽輸送，以及皮膚表面多余的汗液被內(nèi)衣層所吸收引起的水蒸氣質(zhì)量變化。熱平衡考慮由于溫差引起的熱量傳遞，衣服的吸濕或者脫濕，或是由于冷凝或蒸發(fā)所引起的熱量變化。

利用下式預(yù)測(cè)皮膚表面溫度、出汗率。

式中：ρ、C、V、T、P、A、hsf代表密度，W/(m·℃)、比熱容，J/(kg·℃)、體積，m3、溫度，℃、壓力，Pa、面積，m2、蒸發(fā)潛熱，J/kg，下標(biāo)skin 表示皮膚，air 表示空氣層，c 為人體核心；t 為時(shí)間，s；Rc為人體核心到皮膚表面綜合熱阻[11]，m·2℃/W；Rair空氣層對(duì)流換熱熱阻，m2·Pa/W；Reair為空氣層蒸發(fā)熱阻，m2·Pa/W；ms皮膚表面汗液積累量，kg/m2；Reskin皮膚蒸發(fā)熱阻，m2·Pa/W，對(duì)于一個(gè)水分充足的人來(lái)說(shuō)，取330 m2Pa/W[12]；mr為皮膚表面出汗率，kg/(m·2s)。

空氣層、內(nèi)衣層、外衣層質(zhì)量守恒、熱平衡方程：

式中：m 為某層的單位面積濕質(zhì)量，kg/m2；Mk-1、Mk是單位面積濕質(zhì)量從k-1 層到k 層的擴(kuò)散或傳遞速率，kg/(m2·)；Msk多余的汗液從皮膚表面被內(nèi)層衣服吸收kg/(m2·s)，只針對(duì)內(nèi)衣層，其他層為0；T 為某層的溫度，℃；qk-1、qk是由于熱傳導(dǎo)或?qū)α饕鸬臒崃浚琖，溫度從k-1 層到k 層；qvc由于衣服吸濕或凝結(jié)在內(nèi)衣層放出的熱量，W，空氣層為0。各項(xiàng)的具體計(jì)算可參考文獻(xiàn)[13]。

相變材料層不透氣，不考慮表面凝結(jié)，其熱平衡方程需考慮相變材料是否達(dá)到相變溫度。

當(dāng)相變材料還未發(fā)生相變時(shí)（相變材料還沒(méi)有達(dá)到相變溫度）：

當(dāng)相變材料發(fā)生相變時(shí)（相變材料已經(jīng)達(dá)到相變溫度）：

式中：下標(biāo)PCM 表示相變材料層；hsf相變材料融化潛熱，J/kg；mPCM為相變材料質(zhì)量，kg；α 為相變材料的融化體積分?jǐn)?shù)；Rcl2衣服層導(dǎo)熱熱阻，m2·Pa/W。

1.3 數(shù)值求解

本模擬環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、相變材料初始溫度，根據(jù)具體模擬條件確定，數(shù)值模擬中考慮的不同衣服層、空氣層和皮膚層的默認(rèn)輸入?yún)?shù)如表1 所示。

表1 各層默認(rèn)屬性參數(shù)

空氣層、衣服層的初始溫度設(shè)置與室內(nèi)溫度一致，為25 ℃。人體核心溫度37 ℃。采用顯式歐拉法，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.05s，采用用Matlab 編制程序進(jìn)行求解。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

模型設(shè)置條件為：環(huán)境溫度40 ℃，相對(duì)濕度40%，風(fēng)速0.2 m/s，相變材料初始溫度為16 ℃（參考文獻(xiàn)[9]）。對(duì)于皮膚表面溫度，模型模擬結(jié)果如圖2 所示，并與文獻(xiàn)[9]實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可看出兩者基本吻合。普通衣服在20 分鐘時(shí)出現(xiàn)最大差距，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)皮膚表面溫度為35.80 ℃，模型模擬結(jié)果為35.11 ℃，相差0.69 ℃。穿相變背心時(shí)，在15 分鐘時(shí)溫度相差最大，相差0.52 ℃。普通衣服、相變個(gè)性化可穿戴時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果兩者相差的溫度值都在1 ℃以內(nèi)的可接受范圍。

圖2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

2.2 不同環(huán)境相對(duì)濕度下相變背心性能

圖3 表示相對(duì)濕度不同，環(huán)境溫度為38 ℃時(shí)人體熱響應(yīng)（皮膚表面溫度、出汗率）減小幅度。圖3（a）為皮膚表面溫差變化。由圖可知，環(huán)境相對(duì)濕度為34%時(shí)，皮膚表面溫度差值變化趨勢(shì)為先增加，接著短時(shí)間的減小，后逐漸趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定時(shí)，皮膚表面溫度只降低了約1.74 ℃。當(dāng)處于80%相對(duì)環(huán)境濕度時(shí)，皮膚表面溫度溫降始終呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最大皮膚表面溫差為4.21 ℃。不同環(huán)境相對(duì)濕度，皮膚表面溫差出現(xiàn)先增加，是因?yàn)榇┫嘧儽承臅r(shí)，相變材料初始溫度低，皮膚表面溫度降低，而穿普通衣服受高溫環(huán)境影響皮膚溫度升高，所以開(kāi)始皮膚表面溫差呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。短時(shí)間的溫差減小是由于穿相變服的皮膚表面溫度升高幅度比穿普通衣服的升高幅度大，因此皮膚表面溫差值減小。再到后面皮膚溫度基本穩(wěn)定，溫差基本不變。相對(duì)濕度80%皮膚表面溫降在整個(gè)過(guò)程中都比34%大。圖3（b）表示環(huán)境相對(duì)濕度不同，皮膚表面出汗率差值。由圖3（b）可見(jiàn)，穩(wěn)定時(shí)相對(duì)濕度34%時(shí)，穿相變個(gè)性化可穿戴空調(diào)，皮膚表面出汗率減少了1.1mg/(m2·s)，相對(duì)濕度80%時(shí)，出汗率減少了3.8 mg/(m2·s)。不同相對(duì)濕度工況下，皮膚表面溫度差值、出汗率差值在變化過(guò)程都大于0，一個(gè)小時(shí)后，環(huán)境相對(duì)濕度80%皮膚表面溫差比34%多降低了2.47 ℃，出汗率多減少了2.7 mg/(m2·s)。可見(jiàn)高溫高濕環(huán)境工況下，相變背心能降低人體熱響應(yīng)，且在高濕環(huán)境下，相變背心的調(diào)節(jié)效果比低濕環(huán)境好。

圖3 不同相對(duì)濕度人體熱響應(yīng)減小幅度

2.3 相變材料的相變溫度對(duì)相變背心性能的影響

圖4 表示了相變材料五種相變溫度下人體熱響應(yīng)。由圖4（a）可見(jiàn)，相變材料的相變溫度為18 ℃時(shí)，皮膚表面溫度變化趨勢(shì)是：前40 分鐘下降幅度大，后面緩慢下降，到逐漸平緩。28 ℃相變溫度的皮膚表面溫度在前10 分鐘先下降，然后開(kāi)始緩慢上升到維持穩(wěn)定，相變溫度為21 ℃、24 ℃的皮膚表面溫度變化介于18 ℃和28 ℃之間。相變材料五種相變溫度由低到高，1 小時(shí)后皮膚表面溫度依次為：30.55 ℃、31.20 ℃、31.84 ℃、32.67 ℃、33.07 ℃，可見(jiàn)隨著相變材料相變溫度的降低，皮膚表面溫度跟著下降，最大值與最小值相差2.52 ℃。圖4（b）表示相變材料不同相變溫度，外出1 小時(shí)后皮膚表面出汗率。相變材料相變溫度由高到低，出汗率依次為1.8 mg/(m2·s)，1.6 mg/(m2·s)，1.2 mg/(m2·s)，0.9 mg/(m2·s)，0.7 mg/(m2·s)，最大出汗率與最小相差1.1 mg/(m2·s)。可見(jiàn)相變材料相變溫度高，皮膚表面溫度、出汗率越高。

圖4 相變材料不同相變溫度下人體熱響應(yīng)

表2 表示不同相變溫度下，相變材料完全相變持續(xù)時(shí)間。由表可以看出，相變溫度越高，相變材料完全相變的時(shí)間越長(zhǎng)。相變溫度30 ℃，完全相變時(shí)間可達(dá)158 分鐘。相變持續(xù)時(shí)間不同，是因?yàn)橄嘧儾牧系南嘧儨囟仍礁撸c室外環(huán)境、人體皮膚表面溫差越小，同等質(zhì)量、相變材料潛熱條件下，相同時(shí)間內(nèi)吸收環(huán)境和人體的熱量少，相變材料完全相變持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)。

表2 相變材料完全相變時(shí)間

由上，可知相變材料相變溫度低，雖然能有效降低皮膚表面溫度，減少皮膚表面出汗率。但是如果皮膚溫度太低會(huì)影響人的舒適性和身體健康。由圖可見(jiàn)相變溫度18 ℃、21 ℃、24 ℃穩(wěn)定時(shí)皮膚溫度都低于人體可接受的皮膚溫度[14]，可能會(huì)引起人體不舒適，而且如果外出時(shí)間長(zhǎng)，相變材料相變持續(xù)時(shí)間短，不足以支撐外出時(shí)降溫所需。當(dāng)相變材料的相變溫度超過(guò)30 ℃時(shí)，皮膚表面溫度比在室內(nèi)時(shí)的初始溫度高，當(dāng)相變材料相變溫度超過(guò)30 ℃時(shí)，皮膚表面溫度逐漸升高，相變溫度太高，會(huì)使皮膚表面溫度超過(guò)人體可接受溫度，達(dá)不到降溫的效果。綜上高溫高濕環(huán)境下，相變材料的相變溫度最佳取值范圍為28～30 ℃。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)人體-空氣-相變背心-環(huán)境建立熱、濕傳遞數(shù)學(xué)模型，得到以下結(jié)論：

1）模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，穿普通衣服、相變背心時(shí)皮膚表面溫度最大偏差分別為0.69 ℃、0.52 ℃，在1 ℃以內(nèi)，驗(yàn)證了模型模擬可行性。

2）在高溫、高濕室外環(huán)境下，相變背心能降低人體熱響應(yīng)（皮膚表面溫度、出汗率）。如在溫度38 ℃、相對(duì)濕度80%環(huán)境下，與穿普通衣服相比，穿背心皮膚表面溫度可降低4.2 ℃，出汗率減少3.8 mg/(m2·s)。

3）在高濕環(huán)境工況下，相變背心調(diào)節(jié)效果比干濕環(huán)境好。如在溫度38 ℃、相對(duì)濕度80%環(huán)境下，與相對(duì)濕度34%環(huán)境相比，皮膚表面溫度、出汗率分別降低2.47 ℃和2.7 mg/(m2·s)。

4）在高溫、高濕環(huán)境下，相變材料相變溫度范圍宜在28～30 ℃間。