超轻相变降温服的优化设计与热舒适评价

梁永辉，李为林，朱佳音，刘昌海，宁柏松

(郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001)

据报道，各类建筑及交通工具中大都设置了空调系统，建筑能耗占到社会总能耗的1/3[1]，但仍有许多情况下，人们无法享受到空调系统的便利。例如夏季人们因工作原因需在不同空调区域进行转移，如值班交警、户外作业工人、饭店厨师等职业需经常在建筑非空调区域或室外等高温环境中作业，高温环境会导致体核温度升高、血压升高，引起心情烦躁，影响人体感知、记忆、识别和智力等[2]，进而影响工作效率，对身体造成伤害。降温服作为一种便携式降温设备，通过穿戴的形式调节人体温度，可有效地解决上述问题[3]。

相变降温服以相变材料为制冷介质[4]，吸收人体的代谢热，达到降温的目的。相变降温服具有造价低、结构简单、使用方便、相变材料种类多等优点[5]，是目前降温服研究中的热点，广泛应用于医用、冶金、消防及矿用等特殊工种[6]。张寅平等[7]用一种相变潜热为190 kJ/kg的TH-27相变材料制作了医用降温服，总质量为1.8 kg；王云仪等[8]设计了一种凝胶蓄冷剂的炼钢工人用防护服，总质量为1.884 kg；梁国治等[9]以聚乙烯醇系蓄冷材料和聚丙烯酸钠系蓄冷材料为基本原料制备了矿用降温服，总质量为1.5 kg，在环境温度35 ℃时，可维持放冷4～5 h；张奋奋等[10]所使用的矿用降温服总质量为1.2 kg，在35 ℃条件下，有效降温时间为2.5 h；何骞[11]用相变温度在26～30 ℃的石蜡制作了降温服，仅相变材料质量为1 kg；杨晨雨[12]提出轻度劳动2 h情况下，维持人体热舒适所需相变材料质量为3.29 kg。

现有研究表明，相变降温服具有较好的降温效果，但其质量较大，制冷时间较长。相变材料固定在衣服中，需对降温服整体蓄冷，使用不便。且现有相变降温服未能应用于日常生活中。人们日常生活工作通常只是短时间暴露于高温，所以完全可以缩短降温服的降温时间，从而减少充注量；通过优化摆放位置，让最小的充注量发挥最大的作用。若需持续降温，则可通过自主增添降温模块实现。

本文将相变降温服应用于日常生活中，提出了相变材料最小充注量通用计算方法，设计了一种质量轻且蓄冷方式简单的模块式相变降温服，并通过不同工况下的实验来测试降温服性能。

1 相变降温服的理论研究

1.1 相变材料选取原则

相变降温服通常采用固-液相变材料，固-液相变材料具有相变潜热高、导热性好的优点[13]，且相变前后体积变化不大。目前用于相变降温服的材料有石蜡、水、脂肪醇、脂肪酸及复合相变材料等。本研究选用的相变材料为TH-SL-23混合型固-液相变材料，该相变材料主要成分为三硬脂酸甘油酯、三棕榈酸甘油酯和三肉豆蔻酸甘油酯，属复合有机相变材料。该相变材料熔化潜热高，液相过冷能力低，热和化学性质稳定，无反应，无腐蚀，相变温度适宜(23 ℃)，相变潜热较高(220 kJ/kg)，过冷度较低(小于1 ℃)，造价较低(30元/kg)，为可再生相变材料。

选用23 ℃相变材料时，利用常见冷源对相变模块进行蓄冷，如冰箱或冷水。蓄冷时，冷源所提供冷量较大，选用相变材料过冷度小于1 ℃，相变材料的过冷特性对此过程影响极小。同时有部分冷量以显热形式储存在相变模块内导致相变模块温度较低。相变材料存储的显热冷量远小于相变冷量，因此，将其短暂置于空气内，便可散去其存储的显热冷量。在释冷过程中，人体表面温度明显高于相变材料的相变温度，因此可忽略此相变材料的过冷度对降温服使用效果的影响。

1.2 最小充注量计算

为减轻相变降温服质量，需要确定相变材料的最小充注量。根据热舒适理论，当人体蓄热率为零，即人体的散热量和产热量相等时，人体处于热舒适状态。热舒适方程如式(1)，所示[14]。

Q=fclhc(tcl-ta)+3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-(tr+273)4]+3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]+0.42(M-W-58.2)+0.001 73M(5.867-Pa)+0.001 4M(34-ta)

(1)

式中：Q为人体散热量，J；fcl为服装面积系数；hc为人体表面对流换热系数，W/(m2·℃)；tcl为衣服外表面温度，℃；ta为人体周围空气温度，℃；tr为平均辐射温度，℃；Pa为人体周围水蒸气分压力，kPa；M为人体能量代谢率，取决于人体活动量大小，W/m2；W为人体所做的机械功，W/m2。

相变降温服通过相变材料发生相变吸收人体的散热，当相变材料吸收的热量等于人体散热量时，人体将处于热平衡状态，从而维持热舒适，因此，理论上所需相变材料的质量m可由式(2)计算。

m=QτA/q

(2)

式中：τ为相变降温服连续使用时间，s；A为人体表面积，m2；q为相变材料相变潜热，kJ/kg。

人体表面积可由式(3)计算。

(3)

式中：m1为体重，kg；h为身高，m。

本文研究所设计的相变降温服的基础服装采用聚酯纤维材料，该材料的导热系数为0.084 W/(m·℃)，具有隔热效果，可以减少降温服向外部环境的散冷量。服装形式采用马甲式，其服装面积系数fcl通过查文献[15]取1.35；人体表面对流换热系数hc为4.0 W/(m2·℃)；相变降温服的工作环境温度控制在(35±0.5) ℃，湿度为(50 ±5)%；通过实验测试获得降温服的外表面温度为33.5 ℃；利用黑球温度计测出黑球温度，并计算得该工况下的黑球辐射温度为30 ℃；人体能量代谢率M在静坐时[16]取60 W/m2；人体所做的机械功取0；通过查焓湿图获得人体周围水蒸气分压力为2.662 kPa。

由式(2)可以得到，通过减少相变降温服的连续使用时间并选取相变潜热较大的材料可降低相变材料的使用量。本文研究选取的TH-SL-23相变材料相变潜热为220 kJ/kg，且该相变降温服旨在服务人们的日常工作生活，其运行时长通常为20～30 min。从而计算得出需要的相变材料质量为212～318 g。所采用的基础服装总质量为300 g，整个相变降温服的总质量仅为512～618 g，质量远小于目前大多数研究中为特殊环境而设计的降温服。此外，使用者可根据穿着时长自主调节放置的相变材料模块数量。

1.3 相变降温服形式

本文的相变降温服采用“插袋式”，由基础服装、内侧预置口袋和相变材料模块组成(如图1所示)。穿着前，将相变材料模块取下放置于冰箱、冷水等低于相变材料相变温度的环境中，使相变材料充分蓄冷；使用时，将相变材料模块放置于降温服内侧预置的口袋中便可开始使用；结束时再将相变材料取出重新蓄冷即可。

①—基础服装；②—内侧预置口袋；③—封装相变材料模块。图1 相变降温服结构Fig.1 Phase change cooling suit structure

研究表明，人体前胸和后背的发热量最大，同时也对温度变化最为敏感[17]，因此，本研究所设计的降温服采用马甲形式，并以维持30 min供冷量的最小充注量为例，将318 g相变材料平均分为22个模块，每个模块的相变材料充注量为15 g。模块尺寸为5 cm×4 cm×1 cm，相变材料可以在模块中充分布开。为保持人体胸部、背部的热舒适，应尽量选取胸部背部降温效果明显的方案[18]，相变材料摆放位置方案如图2所示。

图2 相变材料摆放位置方案Fig.2 Phase change material placement scheme

2 相变降温服的实验方案

2.1 实验对象

选择15名健康男大学生作为受试者，年龄、身高、体重和身体质量指数BMI分别为(22±1)岁，(175±3) cm，(65±5) kg，(22.1±1.6) kg/m2。受试者进行实验前2 h不能剧烈运动，穿着实验服装较为合体，不能出现紧绷或其他不适感。

2.2 实验方案

通过情景实验的方式对本研究所提出的超轻相变降温服在不同情况下的制冷效果进行测试。实验共分为1组室外工况和2组室内工况，制冷效果测试方案如表1所示。

表1 制冷效果测试方案Tab.1 Refrigeration effect test scheme table

每组实验前，先将相变材料模块放在冷水中充分蓄冷，使之全部凝结成固体；受试人员先穿着未放入相变材料模块的基础服装，进行10 min的皮肤表面温度测试，并以10 min内各测点的平均温度为基础温度。

实验时，将相变材料模块布置于基础服装内侧的预置口袋中；受试人员穿着放入相变材料模块的降温服，每隔2 min采集受试人员的皮肤表面温度，直至实验结束，同时记录受试人员热舒适感受的反馈。

实验期间的主要测试参数为受试者所处环境的温湿度以及人体表面温度。其中：环境的温湿度采用RC-4HC温湿度自记仪(江苏省精创电气股份有限公司)进行测量；人体表面温度采用RC-4温度自记仪(江苏省精创电气股份有限公司)进行测量。

2.3 实验环境

室外测试当天的室外最高温度为35 ℃，实验期间受试人员周围环境温度为33～34 ℃，湿度为53%～56%。

室内测试在实验室进行，如图3所示。实验期间，通过实验室内空气调节设备维持室内温度为(35±0.5) ℃，相对湿度为(50±5) %。

单位：mm。图3 室内工况测试用实验室Fig.3 Laboratory for indoor condition testing

3 实验结果分析与讨论

3.1 室外步行实验结果

室外步行实验(1#)结果见图4。室外步行工况下，受试人员仅穿着基础服装(未放置相变材料模块)与穿着相变降温服后的皮肤表面温度对比如图4(a)所示，各测点的皮肤表面温度均有明显降低，平均温度降低了1.35 ℃。进一步分析相变降温服工作期间受试人员皮肤表面各测点的温度变化情况，如图4(b)所示。测试期间受试人员皮肤各测点的温度均呈现先上升后下降的趋势，但是背部、腰部和腹部的温度均较为平稳。胸部由于受到太阳的直射，有较为明显的短暂温升，但依然低于对照组的测试温度。且随着相变材料的融化，胸部温度也呈明显下降趋势。

图4 室外步行实验结果(1#)Fig.4 Outdoor walking experiment results(1#).(a) Skin temperature contrast; (b) Skin temperature change

图5 室内静坐实验结果(2#)Fig.5 Indoor meditation experiment results(2#).(a) Skin temperature contrast; (b) Skin temperature change

3.2 室内静坐实验结果

室内静坐实验(2#)结果见图5。室内静坐工况下，受试人员仅穿着基础服装(未放置相变材料模块)与穿着相变降温服后的皮肤表面温度对比如图5(a)所示，各测点的皮肤表面温度均有明显降低，平均温度降低了1.10 ℃。进一步分析相变降温服工作期间受试人员皮肤表面各测点的温度变化情况，如图5(b)所示。测试期间受试人员胸部、腹部、腰部的温度均呈现先上升后下降的趋势，背部温度始终呈下降趋势。实验初期温度自记仪探头未与人体达到热平衡，同时相变材料暂时未开始融化，有较为明显的短暂温升，但依然低于对照组的测试温度。且随着相变材料的融化，4处测点温度均呈明显下降趋势。

3.3 室内步行实验结果

室内步行实验(3#)结果见图6。室内步行工况下，受试人员仅穿着基础服装(未放置相变材料模块)与穿着相变降温服后的皮肤表面温度对比如图6(a)所示，各测点的皮肤表面温度均有明显降低，平均温度降低了1.78 ℃。进一步分析相变降温服工作期间受试人员皮肤表面各测点的温度变化情况，如图6(b)所示。测试期间受试人员皮肤各测点的温度均呈现先上升后下降的趋势，但是背部、腰部的温度均较为平稳。随着人体活动量的增加，胸部和腹部有较为明显的短暂温升，但依然低于对照组的测试温度。且随着相变材料的融化，4处测点温度均呈明显下降趋势。

图6 室内步行实验结果(3#)Fig.6 Indoor walking experiment results(3#).(a) Skin temperature contrast; (b) Skin temperature change

3.4 降温服效果评价

放入相变材料的3组实验对比的结果如图7所示。室内步行工况的人体胸部和背部的温度最低，且室内步行工况降温量也大于其余2组工况。这是因为增加活动量后，人体产生的热量能促进相变材料发生相变，进而吸收人体的产热，降温效果更加明显。同时，在室外实验模拟实际工作条件下的降温效果，太阳直射也可促进相变材料发生相变；但由于室外太阳直射温度较高，人体皮肤温度也高于室内，因此，室外步行降温效果稍差于室内步行降温效果。

图7 3组实验结果对比Fig.7 Comparison of three groups of experimental results.(a) Skin temperature contrast; (b) Reduce temperature contrast

无论哪种工况下，在实验测试的时长内人体都能通过穿着降温服达到热舒适，且受试人员在3组实验测试期间其均未产生过冷、过热等不适的感觉。3组测试结束时，相变材料均未完全融化。

目前市售降温服中，主要分为佩戴小型风机的风冷降温服及以冰袋为冷却介质的相变降温服。风冷降温服需随身携带电源，增加了设备的复杂性和质量，不方便使用。而冰袋温度较低，容易造成人体皮肤过冷，引起不适，且冰袋需放入冰箱蓄冷。现有研究中的相变降温服质量较大，不宜用于日常生活中。本文所提出的超轻相变降温服无需随身携带电源，相变模块放入冷水中即可完成蓄冷，且相变温度较高，不会引起皮肤过冷，质量较轻，可在生活中广泛使用。

4 结 论

本文提出了一种适用于人们日常工作生活使用的相变降温服。通过理论研究计算了降温服相变材料的最小充注量，并对所提出的降温服在不同工况下的降温效果进行了测试。主要结论如下：

①通过选用相变潜热更大的相变材料并根据使用工况适当缩减降温服的单次工作时长可有效降低相变降温服的整体质量。基于相变材料最小充注量计算得出，选用相变材料TH-SL-23时，降温服维持30 min工作的总质量仅为618 g。

②通过多种情景下的实验测试得到，无论是在室外步行、室内步行还是室内静坐，受试人员均能通过穿着相变降温服得到一定时间的热舒适。且在受试人员活动散热和室外阳光照射下，相变材料会加速融化提供更多的冷量，这和受试人员的需冷量规律一致。

③每组工况下降温服中的相变材料模块均未完全发生相变，这说明该相变降温服仍有一定的制冷能力，且具有进一步减少相变材料充注量、降低降温服整体质量的潜力。

本文研究所提出的超轻模块式相变降温服具有轻便、蓄冷方便、穿戴便捷等优势，使用人员亦可根据自己的使用需求对其中的相变材料模块进行增减，适用于人们日常工作和生活期间的多种常见情景，有效提高人们在非空调环境中的热舒适。后续研究将探索如何在保证降温效果的同时进一步降低该降温服的总体质量，并探索更简便的使用方式。