对相变降温服的相变材料充注量及摆放位置的研究

李璐娜 陈磊 梁永辉 王岳斌 鲁子琛

摘 要：为了研究相变降温服中相变材料的充注量及其摆放位置，该文提出了一种新型的空气式相变降温服方案。通过建立热舒适模型对相变材料的质量进行了理论计算，并设置不同的材料摆放方案，模拟夏季高温环境对相变降温服的效果进行了实验。结果显示，真人穿着相变降温服时人体表面平均温度比未穿着相变降温服时降低3 ℃，由此该文所提出的相变降温服方案可以有效降低人员的皮肤温度。

关键词：相变降温服；分布间隙；相变材料充注量

中图分类号：TS941 文献标志码：A

0 前言

服装是人体的“第二皮肤”，在调节人体热舒适方面具有重要的作用。现在一些行业对服装的要求越来越高，而传统的服装难以满足消费者的需求。因此研制一种能够吸热的降温服，改善人们在夏季时的热舒适，具有重大的社会效益和经济效益，也是解决一些特殊场合下的供冷问题的有效方法。

为了使人体在高温条件下保持一定的温湿度，采取在服装内添加制冷装置的方法，此类服装称为降温服。降温服有通过加入微型风扇来增强空气对流换热的方式，也有通过在服装中添加相变材料的方式。相变材料是指在一定的温度范围内可改变物理状态的材料，以环境与人体的温度差为推动力，实现储、放热功能。通常在相变降温服表面缝制口袋，将相变材料置于口袋内，使相变材料发生相变而达到吸热降温的效果。

国内外学者对相变降温服的性能进行了研究，王云仪等利用相变材料研制的高温强辐射下的相变降温背心，对于降低炼钢工人体表温度有显著作用。张寅平等利用TH-27复合蓄热相变材料，对医用降温服进行了热舒适评价，说明了该降温服具有良好的热舒适性。曾彦彰等研制的通风服在高温环境条件下有效降低了人体皮肤温度。

该文将在前期研究相变材料的质量和位置对人体热舒适的影响上，采取真人着装实验对相变降温服的热防护性能进行一定的研究，并通过管道连接相變降温服内的相变材料，连接制冷机利用冷空气使相变材料恢复固态的方法，从而使相变降温服的使用更加便捷。

1 理论建模

2 实验研究

2.1 实验条件

2.1.1 降温服

相变服装由服装和相变材料组成（如图1所示），降温服为无袖套形式，不遮蔽前臂和上臂。服装的质量为0.35 kg。密封袋为很薄的塑料袋，每个塑料袋放入相变材料后总质量为35 g，相变服装的尺寸为衣长69.5 cm，胸围112 cm，肩宽48 cm。服装上有多个口袋，在每个口袋之间连接了管道，可以根据不同实验条件设置不同的放置方案。相变材料置于塑料袋中，使用时将塑料袋放入服装的口袋中，当相变吸热完成后，可通过注入冷空气来使相变材料恢复制冷能力。每个塑料袋间距3 cm，塑料袋的尺寸长为5 cm，宽为4 cm。

相变材料选用某厂家生产的TH-SL-23型相变材料，其相变潜热为220 kJ/kg，相变温度为23 ℃。

2.1.2 人体皮肤温度

人体上身的皮肤温度与胸部、腹部、腰部、背部、前臂、上臂处的温度有关，在实验过程中测量以上六处的温度

2.1.3 恒温恒湿实验室

在恒温恒湿条件下实验以减小外部环境对实验的影响。实验室温度设置为35 ℃，湿度为50 %，室内风速不超过0.1 m/s。

2.2 实验方案

实验前，将塑料袋置于-20 ℃的冰箱中2 h后取出。当室内温度为21 ℃、空气流速为0.05 m/s、相对湿度为50 %，成年男子静坐于室内时，通过ASHRAE Handbook查得Icl=0.67 clo。在无风或风速很小的条件下，人体周围的自然对流换热系数采用Rapp推荐值hc=4.0 W/（m2℃）。能量代谢率取M=60 W/m2，人体对外所做的机械功为0。实验室内温度ta=35 ℃，服装表面温度为tcl=36 ℃，黑球辐射温度为tr=32 ℃，设相变服装的工作时间为1 h，将以上各值代入（1）～（6）式可计算出需要提供的冷量为Q=27.6 W/m2，需要放置的相变材料的理论质量为m=754.8 g。

控制相变材料的质量不变，该次实验另一变量是相变材料的分布，相变材料放置方案如图2、图3、图4所示。

3 实验结果与分析

3.1 未穿着降温服

当实验室内温湿度稳定后，受试人员在实验室内静坐0.5 h，测量受试人员的胸部、腹部、腰部、背部、前臂、上臂处的温度，并做出热舒适评价，记录实验数据。

未穿着降温服时各部位的皮肤温度为前臂35.9 ℃，上臂36.4 ℃，腹部36.3 ℃，背部36.5 ℃，胸部36.1 ℃，腰部36.5 ℃。

3.2 穿着降温服

3.2.1 方案一

相变材料按照方案一布置，受试人员穿着相变降温服。实验时，每2 min采集6点的皮肤温度，实验持续30 min，并记录受试人员的热舒适评价。在实验时，受试人员不能进食和饮水。实验结果如图5所示。

从图中可以看出，随着时间的增加，人体的皮肤温度逐渐下降。上臂和前臂由于没有覆盖相变材料导致其温度高于其余部位，这表明使用降温服能降低被覆盖部位的皮肤温度。此外，背部和腰部较其余部位下降程度较大，这说明在相变材料摆放多的地方温度下降较明显。从热舒适评价来看，在达到较为稳定的状态后，受试人员在局部部位有较明显的冷感。

相变材料并未完全融化，说明相变材料可以使用较长的时间。从理论分析中得出，当外界对人体的辐射、人体的其他得热量和人体对外界以对流、辐射形式散发的热量以及相变材料的吸热量代数和为零时，人体的蓄热量也为零。但相变材料并不完全融化，这与相变材料的摆放密度、相变温度以及质量有关，同时相变材料与塑料袋、服装之间均有一定的热阻，这些都导致理论计算与实验结果有一定的差距，在实际操作中相变材料的质量应考虑一定的富余量。

3.2.2 方案二

受试人员静坐半小时后，调整相变材料的摆放位置进行实验。实验结果如图6所示。

与没有穿相变降温服相比，穿着相变降温服能降低被相变材料覆盖部位的人体皮肤温度。

3.2.3 方案三

受试人员静坐0.5 h后，调整相变材料的摆放位置，进行实验。方案三的实验结果如图7所示。

可以看出，腰部的降温效果最为明显，但受试人员在腰部有局部冷感。

3.2.4 方案对比

3种方案的对象，如图8所示。

实验数据表面使用相变降温服能降低人体皮肤温度，降低程度与相变材料摆放位置和质量有关。综合以上各图可以看出，与方案一、三相比，在改变了相变材料的摆放位置后，方案二腹部、背部以及胸部降温效果较好，热舒适评价也较好。

4 结论

该文通过理论模型，建立了对相变制冷服中相变材料充注量的计算方法。通过真人着装实验研究了穿着相变降温服后受试者皮肤温度的变化，并对相变材料的摆放方案进行了一定的研究。结果表明，在设置的实验条件下，相变材料按照方案二摆放时，降温效果更好。该文所提出的相变降温服方案可以有效降低人员的皮肤温度，也可以为相变服装的相变材料的定量设计提供一定的依据。

参考文献

[1]朱颖心.建筑环境学4版[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2]张寅平，朱颖心，等.医用降温服热性能与应用效果研究[J].暖通空调，2003（33）：58-61.

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