濕熱地區相變背心的調節性能與影響因素研究

鄭佩萍 吳會軍、2

1 廣州大學土木工程學院

2 廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室

在高溫高濕的環境下，對人們的舒適、健康、安全提出了很大的挑戰[1-3]。對于室內環境，可采用空調設備對室內環境進行制冷實現熱舒適。而對于室外環境，通過穿著性化熱調控背心實現人體的降溫減濕就顯得非常重要。個性化熱調控背心已經逐漸出現在人們生活中的各個領域[4-7]，主要分為主動式（如氣體制冷背心[5]、液體制冷背心[8]等）和被動式（如相變背心[9]等）。Zhao 等[10]通過假人模擬實驗，發現相變背心在高濕熱環境中調節效果更為顯著。本文針對高溫高濕室外環境，建立相變背心的熱濕傳遞模型，研究高溫、高濕環境下相變背心的熱調控性能。

1 相變背心熱濕傳遞模型與計算

1.1 物理模型及假設條件

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空氣層，相變背心由內衣層、相變材料、外衣層組成。由于人體-衣服模型中人體內部傳熱，衣服的構造復雜，本文對模型推導求解過程中作了有關假設：織物各向同性且氣體物質為理想氣體狀態。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境因通風產生的熱交換。忽略相變材料表面冷凝現象。局部熱濕迅速達到平衡。相變材料緊貼著衣服層。

圖1 相變背心物理模型圖

1.2 熱、濕傳遞數學模型

質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衣層所吸收引起的水蒸氣質量變化。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所引起的熱量變化。

利用下式預測皮膚表面溫度、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、蒸發潛熱，J/kg，下標skin 表示皮膚，air 表示空氣層，c 為人體核心；t 為時間，s；Rc為人體核心到皮膚表面綜合熱阻[11]，m·2℃/W；Rair空氣層對流換熱熱阻，m2·Pa/W；Reair為空氣層蒸發熱阻，m2·Pa/W；ms皮膚表面汗液積累量，kg/m2；Reskin皮膚蒸發熱阻，m2·Pa/W，對于一個水分充足的人來說，取330 m2Pa/W[12]；mr為皮膚表面出汗率，kg/(m·2s)。

空氣層、內衣層、外衣層質量守恒、熱平衡方程：

式中：m 為某層的單位面積濕質量，kg/m2；Mk-1、Mk是單位面積濕質量從k-1 層到k 層的擴散或傳遞速率，kg/(m2·)；Msk多余的汗液從皮膚表面被內層衣服吸收kg/(m2·s)，只針對內衣層，其他層為0；T 為某層的溫度，℃；qk-1、qk是由于熱傳導或對流引起的熱量，W，溫度從k-1 層到k 層；qvc由于衣服吸濕或凝結在內衣層放出的熱量，W，空氣層為0。各項的具體計算可參考文獻[13]。

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

當相變材料還未發生相變時（相變材料還沒有達到相變溫度）：

當相變材料發生相變時（相變材料已經達到相變溫度）：

式中：下標PCM 表示相變材料層；hsf相變材料融化潛熱，J/kg；mPCM為相變材料質量，kg；α 為相變材料的融化體積分數；Rcl2衣服層導熱熱阻，m2·Pa/W。

1.3 數值求解

本模擬環境溫度、相對濕度、相變材料初始溫度，根據具體模擬條件確定，數值模擬中考慮的不同衣服層、空氣層和皮膚層的默認輸入參數如表1 所示。

表1 各層默認屬性參數

空氣層、衣服層的初始溫度設置與室內溫度一致，為25 ℃。人體核心溫度37 ℃。采用顯式歐拉法，時間步長設置為0.05s，采用用Matlab 編制程序進行求解。

2 結果與討論

2.1 模型驗證

模型設置條件為：環境溫度40 ℃，相對濕度40%，風速0.2 m/s，相變材料初始溫度為16 ℃（參考文獻[9]）。對于皮膚表面溫度，模型模擬結果如圖2 所示，并與文獻[9]實驗測試數據進行比較，可看出兩者基本吻合。普通衣服在20 分鐘時出現最大差距，實驗測試時皮膚表面溫度為35.80 ℃，模型模擬結果為35.11 ℃，相差0.69 ℃。穿相變背心時，在15 分鐘時溫度相差最大，相差0.52 ℃。普通衣服、相變個性化可穿戴時，模擬結果與實驗測試結果兩者相差的溫度值都在1 ℃以內的可接受范圍。

圖2 模擬結果與實驗結果對比圖

2.2 不同環境相對濕度下相變背心性能

圖3 表示相對濕度不同，環境溫度為38 ℃時人體熱響應（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，環境相對濕度為34%時，皮膚表面溫度差值變化趨勢為先增加，接著短時間的減小，后逐漸趨于穩定。穩定時，皮膚表面溫度只降低了約1.74 ℃。當處于80%相對環境濕度時，皮膚表面溫度溫降始終呈現上升趨勢，最大皮膚表面溫差為4.21 ℃。不同環境相對濕度，皮膚表面溫差出現先增加，是因為穿相變背心時，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境影響皮膚溫度升高，所以開始皮膚表面溫差呈現上升趨勢。短時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定，溫差基本不變。相對濕度80%皮膚表面溫降在整個過程中都比34%大。圖3（b）表示環境相對濕度不同，皮膚表面出汗率差值。由圖3（b）可見，穩定時相對濕度34%時，穿相變個性化可穿戴空調，皮膚表面出汗率減少了1.1mg/(m2·s)，相對濕度80%時，出汗率減少了3.8 mg/(m2·s)。不同相對濕度工況下，皮膚表面溫度差值、出汗率差值在變化過程都大于0，一個小時后，環境相對濕度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)。可見高溫高濕環境工況下，相變背心能降低人體熱響應，且在高濕環境下，相變背心的調節效果比低濕環境好。

圖3 不同相對濕度人體熱響應減小幅度

2.3 相變材料的相變溫度對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。由圖4（a）可見，相變材料的相變溫度為18 ℃時，皮膚表面溫度變化趨勢是：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，然后開始緩慢上升到維持穩定，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 小時后皮膚表面溫度依次為：30.55 ℃、31.20 ℃、31.84 ℃、32.67 ℃、33.07 ℃，可見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

表2 表示不同相變溫度下，相變材料完全相變持續時間。由表可以看出，相變溫度越高，相變材料完全相變的時間越長。相變溫度30 ℃，完全相變時間可達158 分鐘。相變持續時間不同，是因為相變材料的相變溫度越高，與室外環境、人體皮膚表面溫差越小，同等質量、相變材料潛熱條件下，相同時間內吸收環境和人體的熱量少，相變材料完全相變持續的時間長。

表2 相變材料完全相變時間

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影響人的舒適性和身體健康。由圖可見相變溫度18 ℃、21 ℃、24 ℃穩定時皮膚溫度都低于人體可接受的皮膚溫度[14]，可能會引起人體不舒適，而且如果外出時間長，相變材料相變持續時間短，不足以支撐外出時降溫所需。當相變材料的相變溫度超過30 ℃時，皮膚表面溫度比在室內時的初始溫度高，當相變材料相變溫度超過30 ℃時，皮膚表面溫度逐漸升高，相變溫度太高，會使皮膚表面溫度超過人體可接受溫度，達不到降溫的效果。綜上高溫高濕環境下，相變材料的相變溫度最佳取值范圍為28～30 ℃。

3 結論

通過對人體-空氣-相變背心-環境建立熱、濕傳遞數學模型，得到以下結論：

1）模型計算結果與實驗測試結果對比，穿普通衣服、相變背心時皮膚表面溫度最大偏差分別為0.69 ℃、0.52 ℃，在1 ℃以內，驗證了模型模擬可行性。

2）在高溫、高濕室外環境下，相變背心能降低人體熱響應（皮膚表面溫度、出汗率）。如在溫度38 ℃、相對濕度80%環境下，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）在高濕環境工況下，相變背心調節效果比干濕環境好。如在溫度38 ℃、相對濕度80%環境下，與相對濕度34%環境相比，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、高濕環境下，相變材料相變溫度范圍宜在28～30 ℃間。