相变冷却服热湿传递模型构建及其应用的研究进展

吴珺秋, 李 俊,2,3, 王 敏,2

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院, 上海 200051; 2. 现代服装设计与技术教育部重点实验室(东华大学), 上海 200051; 3. 上海市纺织智能制造与工程一带一路国际联合实验室, 上海 200051)

人体-服装-环境系统存在着复杂的热湿传递过程[1],人体着装热湿舒适性受到人体活动水平、服装热湿性能以及环境温湿度条件等因素的共同影响。采用服装性能实验测试相关指标,可以从一定程度上解析着装热湿舒适性的影响机制[2]。在此基础上,许多学者建立了织物或服装层面的热湿传递模型[3-5],并以此预测着装人体的热湿舒适状态[6-7],以及基于模型进行更为深入的机制研究。已有模型通常分为干热传递模型和热湿耦合传递模型两类,其中,基于对织物内部或衣下空间复杂形态和传热行为的细化考虑,干热传递模型已从一维发展至三维[8-9]。由于水分传递对能量转换的影响较为复杂,热湿耦合传递模型多集中于一维[10]。

作为一类特殊的功能服装,相变冷却服多用于高温环境下的热防护[11]。由于服装中包含相变材料,通过其相态变化吸收或释放热量[12],使其热传递过程相对于普通服装更为复杂[13]。另外,研究也发现,由于相变材料透湿性较差且表面温度较低,导致皮肤表面水分不仅不能及时向环境扩散[14],还会在相变材料表面产生冷凝[15],这使得针对相变冷却服热湿传递模型的构建更为困难。对相变材料相态变化及其传热过程的模拟、解析水分的传递过程及其对能量转换的影响,是相变冷却服热湿传递模型构建的研究难点。

本文在剖析相变冷却服中热湿传递方式与路径的基础上,讨论其热湿传递模型构建的相关研究进展,以及模型在相变冷却服开发与性能优化方面的应用现状,以期为相变冷却服热湿传递机制研究工作提供参考。

1 相变冷却服中的热湿传递

1.1 相变材料对热湿传递的影响

相变冷却服由外到内依次由外层织物、相变材料及内层织物构成,相变材料以材料包的形式置于内层织物上口袋内的形式较为常见,如图1(a)[14]所示。相变冷却服通过相变材料的熔化过程吸收人体热量,无需额外制冷装置,且相变材料包可以重复利用,具有降温效果好、便携、节能的优势。

然而,相变材料的物理性能会对其湿传递产生影响,从而在一定程度上影响整个服装的冷却效果。一方面由于其透湿性较差,阻碍衣下微气候内水分及时传递到环境中,从而引起皮肤较明显湿感和不舒适感[13];另一方面由于相变材料表面温度较低,微气候内水分可能会在其表面产生冷凝,冷凝释放的热量加速相变材料熔化,导致其对人体所释放潜热的吸收减少[16-17]。针对这一问题,有学者进一步开发了结合相变材料和通风风扇的混合冷却服[18-19],通过增强对流和汗液蒸发来降低衣下微气候湿度,如图1(b)[19]所示。

图1 冷却服Fig. 1 Cooling clothing. (a) Phase change cooling clothing; (b) Hybrid cooling clothing

1.2 人体-服装-环境系统内的热湿传递

在冷却服穿用过程中,环境条件变化、人体运动、衣下空气流动、相变材料的相态变化、织物动态吸放湿等都使得人体-冷却服-环境系统内热湿传递处于动态变化之中。

在人体-冷却服-环境系统内,传导、对流、辐射3种热传递方式同时存在并相互影响[20],如图2所示。首先,相变材料本身的吸放热是研究重点。其次,构成相变冷却服的各层织物以传导和辐射的方式在人体与环境之间交换热量。第三,通常相变冷却服与人体之间会存在基础服装,两层服装之间的空气含量较多,由于空气导热系数较小,导热可以忽略不计,此空间中发生的热对流是研究的关注点,包括自然对流和强制对流2种情形。自然对流由相变冷却服衣下空间内因流体中温度差所导致的浮升力引发[21],而当环境气流增强、人体运动或通风风扇运行时会产生强制对流。强制对流除了引起衣下空间的空气流动之外,还会促进织物间隙中的空气发生流动,从而改变织物的隔热能力。第四,人体与基础服装之间间隙很小,二者之间的空气对流难以形成,研究中通常关注其间的热传导和热辐射。

图2 人体-冷却服-环境系统内热传递Fig. 2 Heat transfer in human body-cooling clothing-environmental system. (a) Phase change cooling clothing; (b) Hybrid cooling clothing

人体-冷却服-环境系统内的湿传递分为气态和液态2种形式,如图3所示。当人体处于潜汗状态时,水分以水蒸气形式扩散,包括由于层间蒸汽压差和空气对流时流体中水分浓度差产生的水蒸气扩散,织物的吸湿性会促进这种扩散,但相变材料的低透湿性会阻碍这种扩散。随着人体出汗量增加,当皮肤表面汗液累积量大于35 g/m2时[22],织物的吸水性及芯吸性能使得液态水从皮肤向外传递[23]。

图3 人体-冷却服-环境系统内湿传递Fig. 3 Moisture transfer in human body-cooling clothing-environmental system. (a) Phase change cooling clothing; (b) Hybrid cooling clothing

此外,通过相变冷却服的热湿传递同样存在耦合作用。水分传递过程中会产生相变潜热、吸附和解吸显热;同时,水分也会影响织物层和空气层的热物理性质,织物层吸湿后其有效导热系数会发生变化,而空气层相对湿度的增加导致其蓄热量增加,从而影响热传导速率。水蒸气扩散过程中会出现冷凝,释放热量,同时冷凝水在织物中积聚[24],而冷凝水的再次蒸发又会吸收热量。此外,在空气层与相变材料对流换热过程中,当相变材料温度低于空气露点温度时,空气中水蒸气也会在相变材料表面冷凝并释放热量。

2 相变冷却服热湿传递模型构建研究

相变冷却服热湿传递模型的构建,主要针对织物-相变材料这一组合为对象进行,发展过程主要分为3个阶段。

第1阶段,建立了不考虑水分对热传递影响的织物-相变材料干热传递模型。

第2阶段,建立了织物-相变材料热湿耦合传递模型。湿传递机制较为复杂,水分传递受到织物吸放湿性能、人体活动水平和环境条件等多方面的影响,且传递过程中还存在相态变化,这一阶段对热湿传递模型的研究集中在水分相态变化及其对热传递的影响方面。

第3阶段,针对混合相变冷却服及其它改进手段,对模型进行优化,建立更为复杂的热湿耦合传递模型。如:加入固体干燥剂层吸收微气候多余的水分;加入风扇增强汗液蒸发以降低微气候湿度;以及加入隔热层以减少相变材料熔化过程中从环境吸收的热量。

2.1 织物-相变材料干热传递模型

为分析相变冷却服与人体之间的热流量,Qiu等[25]基于焓法在包括固相、液相及两相移动界面的全域建立统一的相变材料传热方程,但在设定皮肤与相变材料的边界条件时,忽略了服装热阻对导热过程的影响。

有学者[26]利用有限元方法模拟人体-冷却服-环境系统,根据Marin[27]提出的相变材料-焓曲线定义相变传热阶段,同时考虑了织物层对热传导的影响。但其仅考虑作为主要降温方式的传导散热,而忽略了对流、辐射等热传递方式。

干热传递模型忽略了水分传递对能量交换的影响,与实际传热情况差异较大。

2.2 织物-相变材料热湿耦合传递模型

为模拟人体-冷却服-环境系统中各层之间的热湿传递,Hamdan等[28]开发了织物-相变材料热湿耦合传递模型,采用显热容法建立温度为唯一待求参数的相变阶段传热方程。该模型将相变换热过程视作一个较小温度变化范围内的一个大显热容量,从而把分区描述的相变问题简化为单一区域上的非线性导热问题,但Hamdan提出的模型忽略了水分相态变化引起的能量交换。Itani等[29]在此基础上加入水蒸气在相变材料表面冷凝释放的热量,但考虑的冷凝位置仍不全面。

2.3 织物-相变材料复杂热湿耦合传递模型

当衣下微气候内相对湿度超过冷凝阈值时,相变冷却服的降温效果和可用性会受到影响[30];因此,Itani等[31]在相变材料包内表面加入固体干燥剂层以吸附微气候内多余水分,建立织物-相变材料-干燥剂热湿耦合传递模型,考虑了干燥剂吸附热以及相变材料、干燥剂与贴身织物之间的辐射热传递,但湿传递和热湿耦合传递仍未考虑全面,忽略了贴身织物吸湿过程中水分传递形式的改变,及其湿态热阻的动态变化。

也有学者在服装下背部加入通风风扇,通过增强汗液蒸发来降低微气候湿度,建立了织物-相变材料-风扇热湿耦合传递模型[15,22,32]。Bachnak等[22]考虑到织物吸湿后其有效导热系数会根据纤维、气体混合物和液态水的混合比例而发生变化[24],建立了贴身织物在吸收水蒸气和液态水状态下的热湿传递方程。其中,分别加入了吸附水蒸气和冷凝、吸收液态水和蒸发释放的热量,进一步完善了热湿耦合传递过程。

上述模型针对冷却服中织物层、空气层和相变材料层分别建立热湿传递方程,较为繁琐。Wan等[15]建立了适用于织物-相变材料-风扇模型任意层之间的热湿传递方程,预测结果显示相变材料在熔化过程中从外界环境吸收了超过50%的热量。基于此,Kang等[32]在相变材料包外加入膨胀聚乙烯隔热层,以减少熔化过程中吸收的环境热量,使用Wan的建模方法和边界条件建立了织物-相变材料-隔热层-风扇热湿传递模型。

2.4 当前模型存在的问题

当前具有代表性的相变冷却服模型的发展过程及其特点与不足归纳见表1。综合看,当前针对相变冷却服所构建的热湿传递模型仍存在以下问题,可以在后续的研究中加以深入研究和优化。

表1 模型研究发展过程Tab. 1 Development process of models

1)将通风过程简化为衣下微气候与环境之间的空气交换,认为各节段的空气流速和空气层厚度呈均匀分布,从而忽略对热传递的影响。但有学者采用计算流体力学(computation fluid dynamics,CFD)研究表明外界空气从服装下端进入时通风率更大[33],与人体接触后空气流速变慢,热通量降低[9]。并且,由于人体表面呈几何形态,各节段与服装之间的空气层并不呈均匀分布,随着空气层厚度增加,空气导热减小,而自然对流愈益明显[21,34]。

2)辐射传热过程较为复杂,现有模型忽略或简化了热传递主要方式之一的辐射热传递。

3)未考虑纤维吸湿特性、纱线结构、织物中各成分混合比例等微观因素对相变冷却服热湿性能的影响。

3 模型在相变冷却服研发中的应用

人体穿着相变冷却服时的热舒适状态受冷却服性能、人体活动水平、环境条件等因素的综合影响[35]。为此,有学者将相变冷却服模型与人体热生理模型[36]、热舒适模型[37]集成,不仅可以模拟人体-冷却服-环境系统内的热湿传递过程,评估着装人体的热湿舒适性,还可以通过修改模型设置,预测选用不同相变材料时的冷却效果,研究不同人体活动水平和环境条件下相变冷却服的最优设计参数和工作模式,从而达到优化相变冷却服性能的目的。

3.1 相变材料选择

相变材料直接决定相变冷却服的冷却效果,因此对相变材料参数的选择与优化十分重要。相关热湿传递模型可以通过性能预测为材料选择提供建议。

Hamdan等[28]利用集成的分段热生理模型[36]和织物-相变材料热湿耦合传递模型研究表明,使用低熔点相变材料可以实现快速冷却效果,但由于其通常具有较低熔化潜热和较大液态密度,存在冷却时间短、额外增重大、蓄冷耗能多的缺陷。Kang等[32]发现相变材料的冷却持续时间随着熔化温度和潜热的增大而延长,但在高温环境中使用高熔点相变材料不足以从人体中吸收足够热量来缓解热应激。为此,Zheng等[38]提出了多熔点相变材料的复合应用,分别采用15 ℃和23 ℃熔点的相变材料作为内层和外层,从而在加快冷却速率的同时延长冷却持续时间。Itani等[39]提出两阶段冷却策略,采用集成的分段热生理模型[36]和织物-相变材料热湿耦合传递模型[28],研究适用于不同工作阶段的相变材料熔化温度,其认为刚开始工作时人体蓄热量较少,可以选用高熔点相变材料包,工作一段时间后需要选用低熔点相变材料包来缓解长时间工作造成的热感觉和疲劳感,从而实现以较低的相变材料质量、材料成本和能源消耗,达到与降温效果最优的持续冷却策略相似的热舒适状态。

相变材料的冷却持续时间不仅取决于熔化潜热,还与其添加量有关。Hamdan等[28]的研究表明增加相变材料量可以延长冷却持续时间,然而,相变材料的很大一部分冷却效果被其额外增重、吸收外界环境热量等负面影响所抵消[40]。Itani等[30,41]采用修正了相变冷却服附加质量对人体代谢影响的集成模型[29],研究如何在满足人体热舒适需求的前提下最大限度地减少额外增重,发现可以根据环境温度和作业时长调节相变材料包数量。Kang等[32]采用集成的65节点体温调节模型[42]和织物-相变材料-隔热层-风扇热湿耦合传递模型研究了隔热层热阻对人体-冷却服-环境系统内热湿传递的影响,结果显示相变材料从热环境中吸收的热量随着隔热层热阻的增加而减少,因此,可以通过添加热阻大且质量轻的隔热层,以实现在延长冷却持续时间的同时降低人体生理负荷的效果。

由于人体躯干的区域性生理特点不同,其对冷却的敏感程度也存在差异,将相变材料均匀分配到整个躯干区域难以发挥最大冷却潜力。Itani等[41]采用集成的分段热生理模型[36]、热舒适模型[37]和织物-相变材料热湿耦合传递模型[28]研究了相变材料包分布方式对人体热湿舒适性的影响,发现将相变材料包放在对冷却更敏感的背部可获得最佳整体热感觉和热舒适。

3.2 风扇工作模式设计

运行风扇引起的空气循环会引起2种相互竞争的效果:一方面促进环境向人体和相变材料的显热传递;另一方面加强皮肤表面汗液蒸发产生的潜热损失。当出汗量较少时运行风扇无法有效增强蒸发散热,反而会增加人体热负荷[43],因此,确定合适的运行风扇时间点对混合冷却服的有效使用至关重要。

人体活动水平决定着皮肤表面出汗量的多少,Bachnak等[22]利用集成的分段热生理模型[36]和织物-相变材料-风扇热湿耦合传递模型,研究不同人体活动水平下干燥贴身织物吸收汗液达到饱和状态所需的时间,即蒸发热损失明显大于外界环境显热传递的时间点,结果显示该时间点随着人体活动水平的增加而提前。与持续运行风扇相比,织物吸湿饱和后再运行风扇的工作模式不仅可以提供更显著的冷却效果,还减少了相变材料吸收的环境热量,从而增大冷却效率,因此,使用混合冷却服时可以根据实际活动水平或出汗量来设置运行风扇时间点,以实现冷却效率最大化。

3.3 环境适用性分析

环境条件直接影响着衣下微气候状态,从而决定了不同除湿手段的可用性。在湿热环境中,由于人体皮肤表面与空气之间的温度差和湿度差较小,通过运行风扇增强对流和蒸发的散热方式受到限制[44];干燥剂可以通过吸附衣下空间内水分来增强蒸发散热,但同时也会由于释放吸附热而加速相变材料熔化[31]。

Itani等[45]采用前人建立的冷却服模型[22,29,31]比较了相变冷却服、相变材料-干燥剂冷却服和相变材料-风扇冷却服在不同环境温湿度条件下的降温效果,以期得出最适用的冷却服类型。结果表明,相变冷却服不适用于干热环境,因为相变材料包阻碍汗液蒸发,减少了人体潜热损失并引起皮肤明显湿感觉;相变材料-风扇冷却服和相变材料-干燥剂冷却服的热湿舒适性在中等湿度环境下相似,但随着湿度升高,由相变材料-干燥剂冷却服引起的蒸发热损失和躯干降温效果比相变材料-风扇冷却服更显著,因此相变材料-干燥剂冷却服更适用于高温高湿环境。

4 结束语

本文基于相变冷却服的热湿传递分析,回顾了这一类特殊热防护服装的热湿传递模型构建及其应用方面的研究进展,相关研究存在的主要问题及未来的研究方向可总结为4方面。

1)全面考虑热湿传递的多因素耦合。目前建立的相变冷却服模型中热传递过程主要考虑了传导和对流,忽略了较为复杂的辐射传热,湿传递过程及其对系统内各层热湿性能的影响仍未考虑全面。应综合考虑传导、对流和辐射传热及各传热之间的耦合,进一步完善水分传递对能量交换的影响,减少模型简化造成的误差。

2)基于计算流体力学CFD的冷却服内通风过程动态模拟和预测。衣下空间内空气流动十分复杂,现有模型将通风过程简化为衣下微气候与环境之间的空气交换,而忽略了空气流动过程中流速、空气层厚度等的动态变化及其对热传递的影响。采用CFD模拟衣下微气候中的空气流动和传热行为,不仅可以更准确地评价冷却效果,还可以针对通风冷却效果较差的部位进行设计优化。

3)构建多维热湿传递模型。目前相变冷却服热湿传递模型多为织物厚度方向的一维模型,而冷却服降温效果与人体几何形态、服装合体性等因素均有关,仅考虑一维热湿传递显然存在不足。随着三维扫描和CFD技术的发展,相变冷却服模型将从一维平面逐渐发展为三维系统。

4)热湿传递模型构建从宏观角度向微观角度转变。现阶段,热湿传递模型将织物视为具有一定厚度的多孔介质,较少考虑到纤维成分、纱线结构等微观因素对于相变冷却服热湿性能的影响。未来应进一步从微观角度出发,考虑温度和水分对织物层性能的影响,优化热湿传递模型。