个体降温服优化设计对其降温效果影响的研究进展

赵 辰, 王 敏,2, 李 俊,2,3

(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)

热应激是职业工人在炎热工作场景中从事高强度体力劳动时影响健康和安全的主要因素之一[1]。长时间暴露在热环境中的作业人员,受到来自环境高温或高热辐射以及来自人体的代谢产热升高的双重威胁。人体热负荷的不断上升会引起健康问题,甚至影响生命安全。此时,不仅要阻止外界热量传至人体,而且要促进人体产热向外散发。服装作为人体的“第二皮肤”,一直以来被认为是维持人体热平衡的重要手段之一[2]。在职业服装中添加外部冷却装置是缓解人体热应激的有效方法,即个体降温服[3]。

国内外学者针对个体降温服的功能设计已进行了大量研究。服装的降温功能早期出现在航天航空领域的水冷服上[4],通过优化冷却介质的性能,达到最大程度减轻宇航员所受热危害的目的。随着气体、相变材料(PCM)等不同冷却介质的出现[5],降温服逐步进入石油化工、冶金制造和消防等领域。有学者探究不同介质冷却效果的影响因素及其降温机制,优化其功能设计[6-7];有学者研发新型冷却介质,促使冷却系统向微型化、便携化发展[8];还有学者在不同冷却介质之间寻求优势互补,研发多介质混合降温服[9-10]。一系列研究[11-12]表明:个体降温服的降温效果多以降温时长、降温速率及人体热湿舒适性等指标进行评估,会受到冷却介质、基础服装、环境及人体活动等因素的综合影响,其功能设计方法也因此呈现复杂性。

然而,以往研究多集中于冷却介质的降温机制上,对过度降温造成的人体过冷关注不够;同时,对承载冷却系统的基础服装在整体降温效果和人体热湿舒适中的作用,如辅助散热、排湿作用等缺乏全面的考虑,这影响了个体降温服的功能设计方法及体系的建立。本文从分析主要类型个体降温服的工作原理入手,回顾国内外最新研究成果,从冷却介质与基础服装的优化设计探讨其对个体降温服冷却速率、冷却时长和人体热湿舒适性的影响,提炼总结不同类型降温服的设计要点,旨在为降温服的功能设计提供新思路和参考。

1 降温服的工作原理及设计要素

1.1 工作原理

着装条件下人体的温度性舒适取决于人体经由服装与外界的热交换情况,即人体与环境之间的热平衡水平。在环境高温或高热辐射的作用下,人体散热会受到限制,甚至可能成为负值。此时,个体降温服中的冷却介质可通过对流、传导和蒸发中的一种或多种方式促进人体散热,使服装微气候的温度维持在舒适的范围内[13]。服装微气候的温度是表征人体热平衡的重要指标之一[14]。同时,冷却介质也可吸收部分来自外界环境的热量,减少或减缓这部分热量传递至人体。

在个体降温服中,传导散热主要依赖冷却介质与人体表面的温差。对流散热常与传导散热同时作用:一种是将预冷气体吹向人体,吸收体表热量后气体升温,再与后续流入的冷空气形成对流,持续带走人体热量;另一种是通过预冷液体在人体表面流动以吸收人体热量。蒸发散热则是利用通风气体与人体皮肤表面形成的水气压差促进汗液蒸发并降低衣下微气候的相对湿度。

1.2 设计要素

降温服的设计可从2个方面考量:冷却介质及其所附着的基础服装。冷却介质是决定降温效果的主要因素。依据不同降温方式,设计要素主要涉及介质流量(质量)、温度及湿度。不同降温方式下个体降温服的设计要素如表1所示。

表1 不同降温方式下个体降温服的设计要素Tab. 1 Design parameters of personal cooling garments under different cooling methods

基础服装对降温系统的散热、排湿起到辅助作用,从一定程度上影响冷却介质作用的发挥。其设计要素一般包含:织物隔热性能、透气性能、弹性性能、透湿性能,以及服装的开口、款式和尺寸等。同样,服装的各细分设计要素所发挥的作用也因降温方式的不同而不同(见表1)。

2 冷却介质对降温效果的影响

2.1 不同类型冷却介质的对比

根据冷却介质的不同,个体降温服的冷却方式可分为气体降温、液体降温和相变降温。3种降温介质的具体特性如表2所示。

表2 3种降温介质的特性对比Tab. 2 Comparison of characteristics of three cooling media

气体作为冷却介质时,通过对流、蒸发和传导形式促进人体微气候内热量与水分的排出,但由于空气导热系数很小,传导散热比例很低。气冷式降温服又可依据其主要降温方式分为蒸发型和对流型[13]。此类降温服的缺点是,过多气流容易使服装膨胀从而降低穿着者的活动能力。

液体作为冷却介质时,通过对流和传导形式增强人体热量向外散发,降温效果最好,但需配套冷源和制冷器,且可能造成人体局部过冷。

相变材料作为冷却介质时,通过材料相态变化以传导形式吸收人体热量,降温效果良好且携带方便,但受到PCM质量的限制,降温时长有限。

此外,液体和相变材料降温均会存在热空气遇冷凝结放热的现象,这对其降温效果和人体的湿舒适性都会产生一定影响。

2.2 冷却介质量的影响

对于气冷式降温服,通风量的增大会使服装微气候空气流速加快,增大对流换热系数,同时会通过促进汗液蒸发,利用相变潜热带走人体的热量。

有研究[15]表明,对流型气冷式降温服通风量的适度增大不仅会加快人体局部空气流速,而且能够促进人体更多区域的对流换热,如图1[15]所示。但长时间保持较大通风量对能源的要求很高,且通风量增大到一定程度后,若继续增大对降低人体皮肤温度的作用并不显著[16],因此,出于提高降温效率的考虑,通风量不宜设计过大。且Davey[17]提出通过适当设计通风间歇,促进人体适度出汗以提高蒸发散热,不仅可以实现与持续通风相同的人体热感觉并且能够降低能源消耗。

图1 不同空气流速下衣服微气候中的流体速度Fig. 1 Streamlines showing fluid velocity in clothing microclimate for various air flow rates

对于蒸发型气冷式降温服,增大通风量能够增强汗液蒸发,因而带来强大的冷却效果[18],但过度依靠蒸发散热有造成人体脱水的危险和过冷的情况[19],此外,当环境温度高于人体皮肤温度时,通风量的增大也会导致环境向人体的传热增强,这也是设计气冷式降温服介质时需要综合考虑的问题。

对于液冷式降温服而言,有研究[20]表明,在较低的流量下,载冷液流量的增大有助于加快人体与载冷液之间的换热,但在较高的流量下,增大流量对冷却效果改善不大。同时,Guo等[21]发现相对其它设计参数,液体流量与人体热感觉和皮肤温度的相关性最小。然而,液体流量的增大对冷却速率的提升作用是明确的,但冷却时长也会相应缩短[22]。

对于相变式降温服,通常认为PCM质量越大,储存热量的能力越大[23],即从人体吸收的热量越多。Gao等[24]发现PCM的质量决定其总熔化时间(即降温服冷却时长),覆盖面积则决定冷却速率。然而,过多的相变材料会增加人体负荷,并导致人体产热增加。目前鲜有研究深入涉及到PCM质量对人体作业工效的影响,且PCM的潜热即相态转变过程中的吸热量也决定了降温系统的冷却时长[24],因此应对相变材料的质量设计进行综合考虑。

此外,介质在服装中的分布密度不同也会导致实际发挥作用的介质量有所不同。牛丽等[25]通过数值模拟精准得出在40 ℃的环境下,间隔3.5 cm的液冷管路排列能够使人体的热湿舒适达到平衡;但由于换热管网中的分叉和弯曲部位会出现液体流动的局部阻力损失,因此管路的回路数量不宜过多,一般选用2～4路。姬长发等[26]通过数值模拟方法提出相变材料包以4 mm 间隙分布能兼顾其热防护性和湿传递性能。

2.3 冷却介质特征参数的影响

2.3.1 介质温度

以气体为冷却介质时,保持较低的通风温度并辅以较大通风量会明显减轻人体热应激程度,并使出汗程度减弱[27]。然而,有学者基于综合降温效果的考虑,提出不同的设计思路。李衍等[28]认为在冷源有限情况下,通风温度不宜太低,此时适当的人体出汗可以通过蒸发散热实现更好的冷却效果。

降低载冷液温度,直接增加了液体与人体皮肤的传导换热,Shu等[22]发现进口温度对人体散热的影响更为明显,但有学者进一步指出,过低的温度容易对人体造成伤害,建议将进出口液体温差维持在2 ℃以内以避免过冷现象的发生[21]。

相变材料的熔点决定了其产生固-液物理状态变化的温度。Gao等[24]认为,较低的熔点能够使PCM与人体皮肤表面形成较大温差,从而加快降温服的冷却速率。Hamdan等[29]也发现,较高熔点的PCM会使其开始熔化的时间延迟,且熔化总时间也会被延长。在此基础上,Zheng等[30]提出了多熔点相变材料复合应用的观点,以熔点为15 ℃的PCM作为内层,熔点为23 ℃的PCM作为外层,对比单一熔点(15 ℃)的设计,前者可表现出较高的冷却速率,并能延长冷却时间。

2.3.2 介质湿度

介质湿度的影响多在气冷式降温服中被关注。通风气体与人体皮肤表面的湿度梯度越大,蒸发的冷却效果越强。且有研究[31]表明,相比于通风温度,通风湿度对气冷式降温服冷却效果的影响更为明显。当通风湿度无法改变时,如风扇式通风服,此时湿度梯度仅依靠人体皮肤表面湿度的大小,即排汗量的多少。在没有排汗的情况下冷却效果不明显且易造成过度出汗导致身体失水[32]。

2.4 冷却介质组合应用的作用

冷却介质组合应用的目的多为优势互补,其中以PCM和微型风扇结合的便携降温系统最为常见,融合了传导、对流和蒸发3种降温方式,既弥补了热环境中风扇降温效果不佳的不足,也改善了相变式降温服湿舒适性较差的问题。

上述2种介质的组合应用也存在一定的问题。有研究[33]发现,当环境温度高于体温时,通风将大大增加环境向人体的热量传递,同时加速PCM的融化,从而缩短冷却时长,在人体未产生明显汗液蒸发时,该降温系统的冷却效果反而会变差。为此,Wang等[34]通过建立织物-PCM-风扇模型,并与生物模型集成求解,基于服装内层织物捕捉到汗液的时间,以确定风扇起始运行的时间。

3 织物与服装结构的辅助降温作用

3.1 织物性能的影响

3.1.1 隔热性能

织物所具备的隔热能力,既阻碍人体热量向外传递,也降低热环境向人体微气候传递热量,可见,织物的热传递性能在降温服中的作用具有双重性,需要结合具体的冷却介质综合考虑。

相关研究[35]表明,液体和相变材料会从高温环境中吸收超过50%的热量。此时,若降温服的目的是对外界热环境的防护,那么基础服装应选用隔热能力强的织物;若以缓解人体热应激为主要目标,则应选择隔热能力稍弱的织物。对于后者,为提高介质的冷却效率,需采用在介质表面辅助隔热的设计方法。Kang等[36]通过数值参数研究得出在PCM包与外环境之间添加热阻为0.233 m2·K/W的保温垫,可使PCM对热环境的吸热率降低20%。

3.1.2 透气性能

织物透气性能的影响在气冷式降温服上表现得更为明显。透气性能较好的织物会提高其孔隙的气体交换率[32]。学者们发现通过面料孔隙的气体交换对降低服装湿阻及促进汗液蒸发散热有重要作用,对增强空气与人体表面的热量交换效率有积极影响[37]。然而,对于对流型气冷式降温服,透气性能的增强会增加冷却气体从面料孔隙的流出,从而减弱其与人体之间的对流换热[38]。

3.1.3 弹 性

冷却介质与人体的接触面积影响到二者之间的传导散热量,而织物的弹性则能改变冷却介质与人体之间贴合程度。Cao等[39]探究了不同纤维成分、织造工艺的织物作为液冷式降温服内层材料的适用性发现,涤纶/氨纶针织物的性能最优,其较高的弹性性能有助于载冷液贴紧人体,并可增加二者的接触面积,从而提高其降温效率。

3.1.4 透湿性能

织物的透湿性能在液体和相变式降温服的设计中被较多关注。透湿性好的织物能够有效提升人体微气候的湿舒适性,从一定程度上缓解液冷和相变式降温服出现的冷凝现象。Bartkowiak等[40]在液冷降温服中选用吸湿性能存在差异的内外层面料,通过吸湿性能较强的外层面料将人体水分和水蒸气导出,从而改善人体的湿舒适性。

3.2 服装结构设计的作用

3.2.1 服装开口

服装开口作为人体与环境热湿交换的通道,影响服装热阻和蒸发阻力。液体和相变式降温服为阻挡高温环境热量传向人体,多采用减小服装的开口。

对于气冷式降温服,开口设计可以增强对流,降低服装的蒸发阻力。Zhao等[41]通过对比不同部位的开口设计(无、胸部、背部、胸背部)对蒸发型气冷式降温服冷却效果的影响,提出开口应设计在气流覆盖最大的皮肤区域。随后,有学者[42]进一步探究了开口大小与位置的最优方案,发现前胸联合后背的小孔洞(直径为1 cm)设计对人体皮肤平均温度和核心温度的降低作用最好。此外,孔洞设计还降低了服装的膨胀度,分散了空气从衣领排出的压力。

3.2.2 服装款式

气冷式降温服的款式多为长袖、长裤或连身式,确保气体可流动至身体的各个部位。为提高降温效率,张昭华等[38]提出,除躯干外应考虑同时对头部降温,并发现在总通风量一致时,躯干与头部同时通风的热湿感及不舒适感都低于仅躯干通风的情形。

针对液冷式降温服的研究[43]同样表明,除人体躯干外,将头部甚至脚部一起纳入冷却的范围也能提高对人体整体的降温效果。

相变式降温服由于PCM包具有一定的体积和质量常以背心款式对人体的躯干进行冷却。

3.2.3 服装尺寸

服装的合体度会改变衣下微空间的大小及其中的气流速度,从而影响人体与环境间的热湿交换。有研究[37]表明,通风气体的降温效果取决于服装尺寸和通风率的综合影响,微气候内较高的空气流速会导致对流传热系数增大,但也会使气流与人体不能充分接触,从而降低了吸热量,因此,服装微气候对通风服降温效果的影响还有待深入量化研究。

4 个体降温服功能设计要点

基于上述对冷却介质和基础服装2个方面的研究回顾,本文针对不同类型介质的降温服归纳出其功能设计要点。

1)气冷式降温服。通风温度、湿度和通风量是气冷式降温服的重要设计参数。尽管通风湿度对其降温效果的影响最为明显,然而过低会有导致人体脱水的风险,此时可采用适当增大通风量的方法来满足人体的降温需求。此外,在能源有限的情况下,通风温度不宜过低,并可在间歇通风策略下通过适度促进汗液蒸发来提升冷却效果。

在基础服装设计中,在人体头部设置冷却介质有利于提升整体降温效果。其中:蒸发型降温服可通过开口设计提高人体的散热量;对流型则应关注服装规格尺寸的设计,二者对织物透气性都有一定要求,但是前者要求略高。

2)液冷式降温服。载冷液的主要设计参数为温度与流量,前者相对更为有效。对进口温度的调节可在大体上控制系统的冷却能力,且可通过对进出口温差的控制来避免过冷风险。液体流量的设计将影响冷却速率和冷却时间,换热管路网的密度设计也是流量设计中需要综合考虑的因素。

基础服装的织物选择对于液冷式降温服非常重要,选择较高弹性的织物作为服装内层能有效提升换热面积。外层织物的隔热能力则有助于提高其降温效率。此外,提高织物的透湿性可改善着装的湿舒适性。在人体头部设置冷却介质同样有利于整体降温。

3)相变式降温服。相变材料的熔点、潜热和质量是重要的设计参数。PCM熔点决定了相变式降温服的冷却速率,其潜热和质量决定了冷却时长。相变材料的质量设计应合理把控,以平衡冷却功能的提升和人体负荷的增加。而其密度设计应综合人体热、湿舒适性进行考量。

在基础服装设计上,对织物隔热性能和透湿性能的要求与液冷式降温服类似。

4)组合式介质降温服。介质组合是增强降温服冷却效果、改善人体热湿舒适性的有效方法,其中以将PCM和微型风扇组合应用的便携降温系统最为常见,但应在人体显著出汗的时候运行风扇。

5 结束语

本文针对不同类型个体降温服的功能优化设计研究进行了回顾和分析,从冷却介质和基础服装对降温服冷却效果及人体热湿舒适性的影响2个方面分别展开探讨,总结出不同类型降温服各自的设计要点。

冷却介质的优化设计可从介质的量、特征参数、及组合应用等方面进行。每种冷却介质的量及特征参数对降温服的冷却效果有主次之分或作用分工,可依据主次作用或降温需求对相应的设计参数进行调整优化。组合介质设计在优势互补的前提下也应选择合适的应用场景或采取适当的冷却策略。设计基础服装时,织物的隔热性能、透气性能、弹性、透湿性能,以及服装的开口、款式和尺寸设计均需要分别加以考虑,选择与冷却介质相适应的织物及款式结构。

未来的降温服功能设计应该在全面分析作业环境、人体活动的基础上,根据人体实际的热量散失需求开展。一方面可对不同降温方式下基础服装织物性能和服装结构的配置设计进行深入探究;另一方面可通过数值参数研究为不同环境及不同人体活动水平下冷却介质和基础服装的配置提供精确的设计参数。在考虑人体工程学的基础上平衡人体的热、湿舒适性,从而为个体降温服的整体优化设计提供科学的依据和可行的方法。此外,低能源消耗也是未来降温服功能设计的重要发展方向。