室外濕熱條件下便攜式制冷服裝的研究與應用進展

曹憶雪 吳會軍

廣州大學土木工程學院

0 引言

隨著全球變暖趨勢的嚴峻化，濕熱地區的夏季時間延長，且在此期間呈現氣溫高，濕度高，無風或少風的特點。在此環境下勞動，顯然不能滿足人體的熱舒適[1]，甚至還可能對人體的生理、心理產生危害。

濕熱環境對人造成的影響不可忽略，因此，近年來已有許多學者提出了室外濕熱天氣狀況下的解決方案，包括有可穿戴式空調服、可移動降溫設備[2-3]、降溫噴霧等，其中應用最廣泛的是可穿戴式空調服。根據冷卻方式的不同，空調服的形式可分為氣冷式，相變式，熱電式及混合式。

本文根據近年來國內外最新研究成果，對可穿戴式制冷空調服進行了分類介紹，并剖析了其應用的關鍵技術，對其降溫效果、可提升空間進行了分析，且對此后研究方向和趨勢進行了展望。

1 氣冷式空調服

氣冷式空調服屬于主動型空調服，其利用氣體壓縮機或小型風機等供給氣源，經風管連接服裝，在人體表面微氣候區進行降溫排濕。按冷氣吹向人體表面的形式，可以分為管道式氣體空調服和服裝透過式空調服。按散熱方式的不同，還可以分為蒸發型氣冷服和對流型氣冷服。蒸發型氣冷服對通風溫度要求較低，一般是通過風機將環境空氣送入空調服內部，利用水蒸氣分壓力差，帶走體表產生的水蒸氣從而達到蒸發散熱的目的。對流型氣冷服通常在通入空氣前對空氣進行冷卻處理，要求通風氣體溫度低于體表皮膚平均溫度，從而通過對流換熱達到降溫的目的。

管道式氣體空調服[3（]如圖1）通過空氣壓縮機將空氣預冷，再通過渦流管將空氣送至空調服中的管道系統，最后到達皮膚表面，通過對流與蒸發的形式對人體進行冷卻。

圖1 管道式氣體空調服

服裝透過式空調服[4]在服裝上設置了前后兩個氣囊，且空調服內表面設有均勻分布的小孔，壓縮機將空氣進行預冷后將空氣送入氣囊，氣囊中的氣體通過小孔吹向皮膚，對流換熱后由領口、袖口處排出，形成置換的氣流形式。鼓風式空調服[5]通過微型風扇陣列，提高空調服內部空氣流速，通過提高空氣換熱效率達到降溫的目的，其流動與傳熱示意圖如圖2 所示。

圖2 鼓風式空調服氣體流動及能量傳遞示意圖

目前，氣冷式空調服的應用較為廣泛，多見與礦井下/機械車間等高溫高濕勞動場所以及航空航天項目，普通工業用及民用相對較少。

Timothy C.Ernst[6]等人研制了一種引擎驅動蒸汽壓縮式的對流式氣冷服。系統裝設于人體后背，并且在空調服中設置緊貼人體皮膚的制冷劑管路系統，以降低體表溫度。實驗設置環境溫度變化范圍在37.7 至47.5℃之間。當環境溫度為43.3℃時，散熱系統速率將達到300 W，此時仍可以滿足人體熱舒適。Mengmeng Zhao[7]等人利用暖體假人，對鼓風式氣冷服中不同風扇布置情況時的冷卻效果進行了實驗研究。實驗采用5 套不同風扇擺放位置的同款氣體式空調服。實驗結果表明：穿著氣體式空調服后，最佳擺放位置款的空調服中，整個軀干冷卻散熱量提高137%～251%，且服裝總體蒸發阻力降低43%～69%。

現有常規氣冷式空調服采用空氣或壓縮空氣配合渦流機進行冷卻，其優點是原料易取得，但同時也存在壓縮效率低，小型渦流機出風口溫度較高等問題。面對這一問題，同時基于環保方面的考慮，C hady Al Sayed[8]等人開發了一種冷卻服裝，利用液態二氧化碳來創造一個平均溫度為12.5℃的涼爽人體微氣候，應用于礦井下的高溫高濕情況。該空調服屬于對流式氣體空調服，其由三個主要部分組成：服裝構成物，空氣處理系統和氣體分布管道。外層衣物材料為聚酯纖維，可在服裝內的周圍空氣和衣物內微氣候區之間創造一個屏障。中間層由吸濕織物組成，其主要目的是增加佩戴者通過吸收多余的的汗水來滿足濕感覺舒適。最內層與穿著者的內衣直接接觸，由網狀聚酯制成，使人體表面更好地與衣物內微氣候區進行熱濕交換。研究結果表明，該款空調服顯著降低了受試者在礦井中勞動時的核心溫度和心率，并且提高了熱舒適性。

除近幾年新研制的氣冷式空調服及對其的實驗研究外，許多學者也對氣冷式空調服做了理論分析的研究，以便更好地從機理上去改善氣冷服的冷卻效果和降溫均勻性。2013 年，盛偉[9]等人建立了氣冷式空調服的數學模型，得出結論：服裝熱阻越小，其導熱效果越好。隨著環境溫度的增大，衣服的內外層溫度均增大，且內層溫度增長速率要高于外層服裝。分析結果為氣冷式降溫服的設計提供了參考。2017 年，許鵬飛[10]等人采用數值模擬的方法研究了對流式氣體空調服的近體調溫性能。結果表明：體表上半部分溫度高于下半部分溫度。進氣溫度每降低1℃，則平均皮膚溫度降低0.39℃，而溫差上升0.41℃。散熱率每增大5 W/m2，平均皮膚溫度升高0.6℃。

由近幾年的研究可以看出，對流式氣冷空調服在高溫高濕環境中有較高的冷卻效率。但同時，因蒸發式氣冷空調服在其原理上的缺陷，當人體未大量出汗時，或處于熱輻射強度較高的環境中，或應用于夏季濕度水平較高的濕熱地區時，降溫效果將會大幅下降。同時，若氣冷式空調服的外層空調服材質透濕性較差，將會導致水蒸氣無法順利排出，在人體表面有大量汗液積聚，造成較大的不舒適感。其次，鼓風式氣體式空調服內產生的氣流容易導致衣物的膨脹，妨礙人體正常勞動。除此之外，對流式氣冷空調服因其需要帶有壓縮機、渦流機、蓄電池等裝置，則其無法實現戶外行走或長久室外勞動的需求，便攜性較差，這也是今后研究需要重點關注和進行改進的突破點。

2 液體式空調服

液體式空調服一般設計為緊身服形式，由基礎服裝構成層、聚氯乙烯換熱管、泵等裝置組成。其服裝外層與內層的中間隙層中裝設有液體冷介質管路，制冷系統和循環背心使用快速接頭和軟管相連接，后將循環水注入空調服的循環管道中，從而與與人體之間進行換熱。液體冷介質一般包括有水、冰水混合物、水與乙烯基乙二醇組成低于零度的冷凍液以及液體相變材料等。

液體式空調服中應用較為廣泛的蓄冷式液冷服[11]，其冷卻系統中冷卻液初步設計為液態水，冷源為固態冰。在微型泵的驅動下，水在管路中循環流動，對人體進行散熱。實驗結果表明：將制冷劑改設為相變溫度為25℃、質量分數為10%的相變微膠囊乳狀液時，初期水溫達到22.9℃，有效冷卻時間延長，能達到110 min。

液冷式空調服中的冷卻液介質與外界的熱交換程度在很大程度上影響著液冷服的降溫性能，因此，采用合理的保溫隔熱材料就顯得尤為重要。Grazyna Bartkowiak[12]等人用實驗對比了液冷式空調服在三種情況下的性能。三種情況分別是：1）只穿鍍鋁保護服。2）鍍鋁保護服+液冷服，冷卻液溫度22.5℃。3）鍍鋁保護服+液冷服，冷卻液溫度19℃。實驗結果發現：在第三種情況下，個體熱舒適度最高。

除常規液冷式空調服外，相變材料與液冷服的結合在近年來也得到了較多應用。Jin Hou[13]等人設計了一款新型的相變材料-液體冷卻背心（PLV），如圖3。其有三種工作模式：冷卻存儲模式，穿著模式和冷卻存儲與穿著組合模式。冷卻儲存模式下，微冷器連接到背心上，并向背心提供冷水以凍結相變材料。穿著模式下，背心與微制動器分離，并由受試者穿戴以冷卻身體。在冷卻-儲存和穿著組合模式下，背心由受試者穿著來冷卻身體，并連接到微冷器上，由循環的冷水充電。利用這種設計，可實現循環重復，且可避免另一種冷卻過程的中斷。實驗結果表明，所制備的這種 PLV 可在不犧牲整體熱穩定性的情況下，可以為室內工作的用戶提供至少兩小時的有效冷卻時間。

相對氣冷式空調服而言，液冷式空調服因采用液體作為冷卻介質，而一般的液體比熱較大，故其降溫效果更加顯著，能夠更有效地處理人體勞動過程中產生的代謝熱量。且其冷卻系統中的冷卻液溫度能夠較為精準地進行調控，以滿足不同場合和勞動強度的需求。但同時，液冷服的設計和使用過程中也存在許多不足之處。首先，在液冷服的衣物設計上存在有兩大固有缺陷：1）液冷服的重量比氣冷服和熱電式空調服要大得多，給使用者增加了負重。2）因其冷卻液管道需要緊貼人體，則在穿著上可能會造成束縛的感覺，且勞動強度、活動范圍受限。其次，在使用過程中，當冷卻功率較大時，易產生冷凝水，附結在人體內層衣物表面，造成人體不舒適。最后，液冷式空調服的冷卻液管道布置一般是單管進出，則容易出現局部過冷，身體各部分冷熱不均的現象，可能會導致人體的局部不舒適甚至導致感冒等問題。

3 相變式空調服

相變式空調服屬于被動式空調服的一種，通常由基礎服裝構成層、相變材料（PCMs）口袋、隔熱板等組成，如圖4。基礎服裝的前后內面布置有多個用于降溫的PCMs 口袋。在使用時，需要先將降溫袋預先置于冷環境中進行儲能，待使用時取出裝入服裝的PCMs 口袋中。

圖4 相變式空調服示意圖

其傳熱示意圖如圖5 所示，原理是通過當環境溫度或人體皮膚溫度達到服裝內相變材料的熔點，導致相變材料吸熱從固態轉化為液態。使用時，相變材料從貼近皮膚處吸取人體熱量，在服裝層內產生制冷效果，降低皮膚溫度，提高人體舒適度，從而延長人在高溫環境中的工作時間。

圖5 相變式空調服傳熱示意圖

相變材料的融化速率與環境溫度有著密不可分的聯系，C huansi Gao[14]等人在人工氣候室使用穿著相變材料背心的暖體假人，分別研究了溫差，質量和覆蓋面積對相變材料冷卻背心的影響。實驗所采用的相變材料的熔點分別是24℃、28℃及32℃。所用暖體假人的溫度分別是34℃和38℃。實驗結果發現：冷卻背心的制冷速率與溫差有很大關聯，溫差越大，制冷速率越大。使用所需冷卻溫差最好在6℃以上。在相同溫差的前提下，制冷速率則取決于覆蓋面積，而持續制冷效果則依賴于相變材料的質量和潛熱。

目前市面上常用于個體冷卻的相變材料分為常溫相變材料以及低溫相變材料，常溫相變材料的相變潛熱雖不如低溫相變材料的高，但不會造成過冷等問題。因此，H wasook Yoo[15]將正十九烷用納米銀包裹，作為相變材料，并用實驗測試了相變材料數量及分布位置對調溫服體溫調節性能的影響。作者采用人體— 服裝—環境仿真裝置進行實驗，測量服裝微環境中空氣層的溫度變化，用以評估相變材料制冷、制熱效果。實驗得出結論：①服裝中相變材料越多，制冷、制熱效果越明顯。②在相變材料數量相同的前提下，相變材料分布位置不同，其產生的效果也不同。③相比于服裝內層，服裝外層更適合布置相變材料。

低溫相變材料制成的冷卻服因其材料的易取得及造價低等特點，較常出現在市面上進行售賣。但低溫相變材料與液冷服有著一個共同的缺點：容易造成過冷問題。而以常溫相變材料或微膠囊相變乳狀液為冷卻液的液冷服,同時具有液冷式空調服的優點,且還能克服過冷現象,也能改善冷凝水大量積聚在內衣物表面的問題，這樣極大地提高了液冷服的穿著舒適性,故將這兩種相變材料應用于冷卻服將是今后研究工作的一個方向。當一定要采用熔點低于零度的相變材料時，且 PCM 內袋未采用保溫隔板時，此時過冷現象明顯，且產生的冷凝水甚至會將內層衣物浸濕，造成較大的不方便。因此，在選擇低溫相變材料空調服的基礎服裝材質時應更多地考慮透濕性以及外層和中間層的隔熱保溫性。

4 熱電式空調服

熱電制冷又稱半導體制冷、溫差電制冷等，其原理為：電荷載體在不同材料是能級不同，當其由高能級向低能級運動時，便向外釋放能量。反之，由低能級向高能級運動時，需要吸收能量[16]。如圖6 所示，當一塊 P 型半導體材料和一塊N 型半導體材料連接成熱電偶，在電路中接上直流電源，就會產生溫差和能量的轉移。在結點1，電流由N 流向P，溫度下降并且從外界吸熱，成為冷端。在結點2，電流由P 流向N，溫度上升并且向外界放熱，成為熱端[16-17]。

圖6 半導體制冷原理示意圖

SahngkiHong[18]等人根據此原理設計了第一款長期（＞8 h）和高效的（＞10℃）主動冷卻效果的柔性可穿戴熱電裝置（TED），如圖7 所示。集成有該設備的服裝可以在22℃至36℃不同的環境溫度下，使皮膚保持在32℃的舒適溫度。

圖7 可穿戴熱電裝置構造圖

熱電冷卻的冷卻指向性較好，因此 Hecheng Yang[19]等人利用熱電冷卻服對軀干不同部位進行冷卻，探究降溫效果及差異性。在本研究中，局部冷卻部位包括胸部、腹部、上背部和下背部，分別應用于20 例（10名男性和10 名女性），在低代謝率，28℃，30℃和32℃（相對濕度為保持在50%RH）的情況中。結果表明，軀干局部冷卻可顯著改善熱環境下受試者的整體熱感覺和熱舒適性。在軀干四個部位中，上背部冷卻效果最好，其次是下背部冷卻和腹部冷卻，胸部降溫效果最差。這項研究的結果不僅可以用來評估軀干部分局部冷卻系統的潛力，而且可以為可穿戴冷卻服裝在軀干部分的分布設計提供一個設計方向。

熱電式空調服最大的優點在其裝置體積較小，穿戴體驗和舒適度遠遠高于其他三類空調服，但同時它的優點也是它最大的缺點，熱電裝置通常只能裝設在人體軀干的某幾個部位，并不能做到面面俱到。如 SONY 公司于2019 年新推出的 Reon Pocket 便是如此，其冷卻范圍僅限于后頸，用于降低人體通向腦部的血液溫度，從而達到降溫的目的，其實際降溫均勻性未可知。因此，要同時兼顧穿戴舒適與降溫均勻性，熱電式空調服還有很長的一段路要走。

5 混合式空調服

目前，效果較好且可行性較高的空調服為前述四種類型，但因各款都存在有一些問題，故將四種中的優點進行結合，從而創造出更高效的空調服便成為現下研究的大趨勢。現有的混合式空調服包括有氣冷-相變材料型、氣冷-熱電型、氣冷-液冷型，一般都是將鼓風式氣冷空調服與其他三種進行結合，提高對流換熱效率，從而提高降溫效率。

Faming Wang[20-23]等人研制了一種新型相變材料和微型通風風扇的混合冷卻服，如圖7，并針對溫熱環境溫度（30±0.5）℃，相對濕度47%±5 %，風速（0.4±0.1）m/s)，探究了其制冷效果。并且建立了一個數值模型來對通過該服裝的傳熱和傳質進行分析。研究結果表明，開啟通風風扇可以顯著降低混合冷卻服的總熱阻和濕阻，從而提升了該冷卻服在溫熱環境中的散熱效果.溫熱環境下(Ta=30℃，相對濕度φ=47%)。當人體處于出汗發展過程中或出汗量較小時段時，混合冷卻服內置的相變材料，可以為人體帶來較佳的制冷效果。

圖7 基于相變材料和微型通風風扇的新型個體混合冷卻服

6 結束語

隨著現代科學技術的發展和人類對于自身熱防護、熱舒適情況的日漸重視，可穿戴式空調服已不僅限于其初始的航空航天領域，其發展空間已非常廣闊，目前，已逐步擴展至民用工業和日常生活的熱防護中。但同時，這種設備的技術目前也存在著一些問題。首先，氣冷式和液冷式因其需攜帶微型壓縮機/微型冷凍機，其便攜性降低，且蓄電池的使用使得設備整體重量增加，人體穿著舒適感降低。其次，若空調服基礎服裝的材料透濕性不佳，則所有種類的空調服均可能會導致內層衣物的浸濕，造成人體不舒適。最后，熱電式空調服雖有著較好的便攜性和穿著舒適感，但其降溫節點的布置仍可能會造成冷不均勻，從而導致不舒適。針對以上現有空調服存在的問題，應相應地做出進一步的研究和改進。其改進的關鍵技術和發展方向有以下四點：

1）微型壓縮機、微型冷凍機的制造技術：由于壓縮機、冷凍機要進一步縮小，則其零部件也應該要相應的微型化，這給設計提出了更高的要求。其次，應采用小型且高效的蓄電池，如結合太陽能、風能等。此外，如何避免制冷劑泄漏也是需要進一步解決的技術難題。

2）基礎服裝的材質選擇：因可穿戴式空調服對于透濕、吸濕性的要求較高，今后的設計中可以采用如基于NaFion 膜設計的溫度響應型智能衣物，這種膜可以在幾秒內根據環境濕度做出響應并改變自己的形狀。除此之外，熱電式空調服也可考慮采用輻射降溫織物材料，如納米多孔聚乙烯材料等。有效實現人體熱量更大程度上向環境散失。

3）相變材料微囊化：采用常溫相變材料，以抵抗過冷效應，且從根源上減少冷凝水的產生，提高降溫均勻性，從而提高人體穿著舒適感。

4）混合式空調服：將現有四種空調服的優點進行結合，以揚長避短。且目前市面上一般只有單冷/單熱式空調服，面向復雜極端環境的需要,可以預見未來空調服的發展必將向制冷制熱雙功能結合方向發展。