湿热地区相变背心的调节性能与影响因素研究

郑佩萍 吴会军、2

1 广州大学土木工程学院

2 广东省建筑节能与应用技术重点实验室

在高温高湿的环境下，对人们的舒适、健康、安全提出了很大的挑战[1-3]。对于室内环境，可采用空调设备对室内环境进行制冷实现热舒适。而对于室外环境，通过穿着性化热调控背心实现人体的降温减湿就显得非常重要。个性化热调控背心已经逐渐出现在人们生活中的各个领域[4-7]，主要分为主动式（如气体制冷背心[5]、液体制冷背心[8]等）和被动式（如相变背心[9]等）。Zhao 等[10]通过假人模拟实验，发现相变背心在高湿热环境中调节效果更为显著。本文针对高温高湿室外环境，建立相变背心的热湿传递模型，研究高温、高湿环境下相变背心的热调控性能。

1 相变背心热湿传递模型与计算

1.1 物理模型及假设条件

相变背心的物理模型如图1 所示。人体皮肤表面与相变背心之间有一个空气层，相变背心由内衣层、相变材料、外衣层组成。由于人体-衣服模型中人体内部传热，衣服的构造复杂，本文对模型推导求解过程中作了有关假设：织物各向同性且气体物质为理想气体状态。忽略皮肤表面与衣服层、衣服层与相变材料层的辐射换热。忽略空气层与外界环境因通风产生的热交换。忽略相变材料表面冷凝现象。局部热湿迅速达到平衡。相变材料紧贴着衣服层。

图1 相变背心物理模型图

1.2 热、湿传递数学模型

质量守恒考虑了相邻层之间的水汽输送，以及皮肤表面多余的汗液被内衣层所吸收引起的水蒸气质量变化。热平衡考虑由于温差引起的热量传递，衣服的吸湿或者脱湿，或是由于冷凝或蒸发所引起的热量变化。

利用下式预测皮肤表面温度、出汗率。

式中：ρ、C、V、T、P、A、hsf代表密度，W/(m·℃)、比热容，J/(kg·℃)、体积，m3、温度，℃、压力，Pa、面积，m2、蒸发潜热，J/kg，下标skin 表示皮肤，air 表示空气层，c 为人体核心；t 为时间，s；Rc为人体核心到皮肤表面综合热阻[11]，m·2℃/W；Rair空气层对流换热热阻，m2·Pa/W；Reair为空气层蒸发热阻，m2·Pa/W；ms皮肤表面汗液积累量，kg/m2；Reskin皮肤蒸发热阻，m2·Pa/W，对于一个水分充足的人来说，取330 m2Pa/W[12]；mr为皮肤表面出汗率，kg/(m·2s)。

空气层、内衣层、外衣层质量守恒、热平衡方程：

式中：m 为某层的单位面积湿质量，kg/m2；Mk-1、Mk是单位面积湿质量从k-1 层到k 层的扩散或传递速率，kg/(m2·)；Msk多余的汗液从皮肤表面被内层衣服吸收kg/(m2·s)，只针对内衣层，其他层为0；T 为某层的温度，℃；qk-1、qk是由于热传导或对流引起的热量，W，温度从k-1 层到k 层；qvc由于衣服吸湿或凝结在内衣层放出的热量，W，空气层为0。各项的具体计算可参考文献[13]。

相变材料层不透气，不考虑表面凝结，其热平衡方程需考虑相变材料是否达到相变温度。

当相变材料还未发生相变时（相变材料还没有达到相变温度）：

当相变材料发生相变时（相变材料已经达到相变温度）：

式中：下标PCM 表示相变材料层；hsf相变材料融化潜热，J/kg；mPCM为相变材料质量，kg；α 为相变材料的融化体积分数；Rcl2衣服层导热热阻，m2·Pa/W。

1.3 数值求解

本模拟环境温度、相对湿度、相变材料初始温度，根据具体模拟条件确定，数值模拟中考虑的不同衣服层、空气层和皮肤层的默认输入参数如表1 所示。

表1 各层默认属性参数

空气层、衣服层的初始温度设置与室内温度一致，为25 ℃。人体核心温度37 ℃。采用显式欧拉法，时间步长设置为0.05s，采用用Matlab 编制程序进行求解。

2 结果与讨论

2.1 模型验证

模型设置条件为：环境温度40 ℃，相对湿度40%，风速0.2 m/s，相变材料初始温度为16 ℃（参考文献[9]）。对于皮肤表面温度，模型模拟结果如图2 所示，并与文献[9]实验测试数据进行比较，可看出两者基本吻合。普通衣服在20 分钟时出现最大差距，实验测试时皮肤表面温度为35.80 ℃，模型模拟结果为35.11 ℃，相差0.69 ℃。穿相变背心时，在15 分钟时温度相差最大，相差0.52 ℃。普通衣服、相变个性化可穿戴时，模拟结果与实验测试结果两者相差的温度值都在1 ℃以内的可接受范围。

图2 模拟结果与实验结果对比图

2.2 不同环境相对湿度下相变背心性能

图3 表示相对湿度不同，环境温度为38 ℃时人体热响应（皮肤表面温度、出汗率）减小幅度。图3（a）为皮肤表面温差变化。由图可知，环境相对湿度为34%时，皮肤表面温度差值变化趋势为先增加，接着短时间的减小，后逐渐趋于稳定。稳定时，皮肤表面温度只降低了约1.74 ℃。当处于80%相对环境湿度时，皮肤表面温度温降始终呈现上升趋势，最大皮肤表面温差为4.21 ℃。不同环境相对湿度，皮肤表面温差出现先增加，是因为穿相变背心时，相变材料初始温度低，皮肤表面温度降低，而穿普通衣服受高温环境影响皮肤温度升高，所以开始皮肤表面温差呈现上升趋势。短时间的温差减小是由于穿相变服的皮肤表面温度升高幅度比穿普通衣服的升高幅度大，因此皮肤表面温差值减小。再到后面皮肤温度基本稳定，温差基本不变。相对湿度80%皮肤表面温降在整个过程中都比34%大。图3（b）表示环境相对湿度不同，皮肤表面出汗率差值。由图3（b）可见，稳定时相对湿度34%时，穿相变个性化可穿戴空调，皮肤表面出汗率减少了1.1mg/(m2·s)，相对湿度80%时，出汗率减少了3.8 mg/(m2·s)。不同相对湿度工况下，皮肤表面温度差值、出汗率差值在变化过程都大于0，一个小时后，环境相对湿度80%皮肤表面温差比34%多降低了2.47 ℃，出汗率多减少了2.7 mg/(m2·s)。可见高温高湿环境工况下，相变背心能降低人体热响应，且在高湿环境下，相变背心的调节效果比低湿环境好。

图3 不同相对湿度人体热响应减小幅度

2.3 相变材料的相变温度对相变背心性能的影响

图4 表示了相变材料五种相变温度下人体热响应。由图4（a）可见，相变材料的相变温度为18 ℃时，皮肤表面温度变化趋势是：前40 分钟下降幅度大，后面缓慢下降，到逐渐平缓。28 ℃相变温度的皮肤表面温度在前10 分钟先下降，然后开始缓慢上升到维持稳定，相变温度为21 ℃、24 ℃的皮肤表面温度变化介于18 ℃和28 ℃之间。相变材料五种相变温度由低到高，1 小时后皮肤表面温度依次为：30.55 ℃、31.20 ℃、31.84 ℃、32.67 ℃、33.07 ℃，可见随着相变材料相变温度的降低，皮肤表面温度跟着下降，最大值与最小值相差2.52 ℃。图4（b）表示相变材料不同相变温度，外出1 小时后皮肤表面出汗率。相变材料相变温度由高到低，出汗率依次为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)，最大出汗率与最小相差1.1 mg/(m2·s)。可见相变材料相变温度高，皮肤表面温度、出汗率越高。

图4 相变材料不同相变温度下人体热响应

表2 表示不同相变温度下，相变材料完全相变持续时间。由表可以看出，相变温度越高，相变材料完全相变的时间越长。相变温度30 ℃，完全相变时间可达158 分钟。相变持续时间不同，是因为相变材料的相变温度越高，与室外环境、人体皮肤表面温差越小，同等质量、相变材料潜热条件下，相同时间内吸收环境和人体的热量少，相变材料完全相变持续的时间长。

表2 相变材料完全相变时间

由上，可知相变材料相变温度低，虽然能有效降低皮肤表面温度，减少皮肤表面出汗率。但是如果皮肤温度太低会影响人的舒适性和身体健康。由图可见相变温度18 ℃、21 ℃、24 ℃稳定时皮肤温度都低于人体可接受的皮肤温度[14]，可能会引起人体不舒适，而且如果外出时间长，相变材料相变持续时间短，不足以支撑外出时降温所需。当相变材料的相变温度超过30 ℃时，皮肤表面温度比在室内时的初始温度高，当相变材料相变温度超过30 ℃时，皮肤表面温度逐渐升高，相变温度太高，会使皮肤表面温度超过人体可接受温度，达不到降温的效果。综上高温高湿环境下，相变材料的相变温度最佳取值范围为28～30 ℃。

3 结论

通过对人体-空气-相变背心-环境建立热、湿传递数学模型，得到以下结论：

1）模型计算结果与实验测试结果对比，穿普通衣服、相变背心时皮肤表面温度最大偏差分别为0.69 ℃、0.52 ℃，在1 ℃以内，验证了模型模拟可行性。

2）在高温、高湿室外环境下，相变背心能降低人体热响应（皮肤表面温度、出汗率）。如在温度38 ℃、相对湿度80%环境下，与穿普通衣服相比，穿背心皮肤表面温度可降低4.2 ℃，出汗率减少3.8 mg/(m2·s)。

3）在高湿环境工况下，相变背心调节效果比干湿环境好。如在温度38 ℃、相对湿度80%环境下，与相对湿度34%环境相比，皮肤表面温度、出汗率分别降低2.47 ℃和2.7 mg/(m2·s)。

4）在高温、高湿环境下，相变材料相变温度范围宜在28～30 ℃间。