韋帆汝, 王發(fā)明,2

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 蘇州 215123)

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基于相變材料與微型通風(fēng)風(fēng)扇的新型個(gè)體混合冷卻服在溫?zé)岘h(huán)境下的制冷效果研究

韋帆汝1, 王發(fā)明1,2

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 蘇州 215123)

摘要:采用暖體假人研究了一種基于由相變材料和微型通風(fēng)風(fēng)扇的混合冷卻服在溫?zé)岘h(huán)境(溫度(30±0.5) ℃,相對(duì)濕度47%±5%,風(fēng)速(0.4±0.1) m/s)下的制冷效果?；旌侠鋮s服制冷效果的評(píng)價(jià)參數(shù)主要包括總熱阻、總濕阻、熱損耗和制冷功率,實(shí)驗(yàn)方案包括Fan-off(通風(fēng)關(guān)閉且移除相變材料)、Fan-on(通風(fēng)開啟但相變材料移除)、PCM+Fan-off(通風(fēng)關(guān)閉但內(nèi)置固態(tài)相變材料)和PCM+Fan-on(通風(fēng)開啟且內(nèi)置固態(tài)相變材料)4種。假人出汗方式采用不出汗(干態(tài)測(cè)試)和出汗(濕態(tài)測(cè)試)2種。研究結(jié)果表明,開啟風(fēng)扇顯著降低了冷卻服的總熱阻和總濕阻；在Fan-on和PCM+Fan-on兩種工況下,冷卻服的總熱損耗((332.0±3.6) W/m2和(332.0±6.6) W/m2)均顯著高于其在Fan-off工況下的總熱損耗((166.7±0.5) W/m2)；在干態(tài)測(cè)試條件下,該混合冷卻服的干熱損耗主要由相變材料提供,在PCM+Fan-off和PCM+Fan-on兩種工況下,冷卻服的平均制冷功率分別為62.8 W和63.9 W,制冷持續(xù)時(shí)間分別是8 min和110 min；在濕態(tài)測(cè)試條件下,該新型混合冷卻服的熱損耗主要由微型風(fēng)扇組提供,在Fan-on和PCM+Fan-on兩種工況下的濕熱損耗分別占總熱損耗的84.4%±1.2%和83.1%±1.4%。

關(guān)鍵詞:個(gè)體混合冷卻服; 熱應(yīng)激; 相變材料; 通風(fēng)風(fēng)扇; 暖體假人; 制冷功率

人體長期暴露在熱應(yīng)激環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致體溫上升、工作效率下降,繼而出現(xiàn)體溫過高、熱痙攣、中暑等熱疾病,最終可能會(huì)導(dǎo)致個(gè)體死亡[1]。高溫環(huán)境下作業(yè)人員的熱應(yīng)激問題已成為近年來社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn),而如何采取有效措施緩解個(gè)體熱應(yīng)激、從而有效保護(hù)作業(yè)人員的個(gè)體生命安全則成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門方向[2]。熱應(yīng)激的主要構(gòu)成物理參數(shù)有：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、風(fēng)速、輻射、工作強(qiáng)度和服裝[3],因此,緩解個(gè)體熱應(yīng)激的方法應(yīng)從調(diào)整這6個(gè)參數(shù)中的某一個(gè)或多個(gè)入手。這6個(gè)熱應(yīng)激參數(shù)中,對(duì)于工作環(huán)境和個(gè)體勞動(dòng)強(qiáng)度的調(diào)整是困難且不太現(xiàn)實(shí)的，因此,通過調(diào)整個(gè)體所穿戴的服裝來緩解個(gè)體熱應(yīng)激是最為方便且可行的方案。

個(gè)體冷卻服裝(personal cooling system, PCS)是當(dāng)前緩解熱環(huán)境條件下個(gè)體熱應(yīng)激的最有效手段之一,其制冷方式主要有管道氣冷、管道液冷、相變材料制冷和通風(fēng)風(fēng)扇制冷等。管道氣冷是將預(yù)冷卻的壓縮空氣通入植入服裝中的管道網(wǎng)絡(luò)中,借助氣閥使冷卻空氣循環(huán)流動(dòng),通過對(duì)流和傳導(dǎo)促進(jìn)個(gè)體散熱的制冷方式。前人的研究表明,管道氣冷背心穿著于防護(hù)服內(nèi),能夠有效緩解人體熱應(yīng)激,但是由于其過于笨重,降低了作業(yè)人員的工作時(shí)間。管道液冷是將冷卻液體通入植入服裝中的管道網(wǎng)絡(luò),借助水泵將冷卻液體不斷循環(huán)流動(dòng),通過傳導(dǎo)和對(duì)流給個(gè)體散熱的制冷方式[4-5]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),管道液冷背心穿著于防護(hù)服內(nèi),能夠提升個(gè)體生理指標(biāo),但是由于管道液冷存在制冷延遲、冷卻劑溫度難以確定等因素,導(dǎo)致個(gè)體主觀熱舒適性出現(xiàn)波動(dòng)的情況[6]。由于上述大部分冷卻服需要外部提供持續(xù)的能量供應(yīng),加之該類冷卻服存在便攜性差和價(jià)格昂貴等缺陷,因此,開發(fā)適用于高溫作業(yè)下的相對(duì)低廉且具有良好便攜性的冷卻服是學(xué)者們當(dāng)前的重點(diǎn)研究目標(biāo)。

相變材料(phase change materials, PCMs)是一種具有高潛熱的儲(chǔ)能物質(zhì),當(dāng)其發(fā)生相變時(shí),吸收或釋放大量能量,但溫度幾乎恒定不變。相變材料有四種相位變化,即“固-液、液-氣、固-氣和固-固”,其中“固-液”相變提供了相對(duì)高的能量?jī)?chǔ)存密度,更具實(shí)際意義[7]。張寅平等[8]利用相變材料研制的醫(yī)用降溫服具有良好的降溫效果,能夠顯著提升人體的熱舒適感。Arngrímson等[9]研究了穿著相變冷卻背心對(duì)運(yùn)動(dòng)員在濕熱環(huán)境下進(jìn)行長跑運(yùn)動(dòng)的影響,研究表明,相變冷卻背心顯著抑制了運(yùn)動(dòng)員的體溫、心率的上升,提升了運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。Gao等[10]發(fā)現(xiàn),相變冷卻背心能夠提升辦公人員的熱舒適感,相對(duì)于使用空調(diào)更加節(jié)能環(huán)保。通風(fēng)服(air ventilation garments)將微型風(fēng)扇嵌于服裝上,通過將環(huán)境中的空氣不斷吸入服裝內(nèi)部,加速了人體體表蒸發(fā)散熱,從而達(dá)到人體降溫的作用。肖居霞[11]設(shè)計(jì)制作了一款智能微空調(diào)通風(fēng)服,該通風(fēng)服對(duì)人體的局部制冷效果較好,提升了人體整體熱舒適感。曾彥彰等[12]研制的通風(fēng)服在熱環(huán)境條件下有效降低了人體皮膚溫度。

從熱傳遞的角度來說,不同的制冷方法通過不同的傳熱途徑帶走人體體表熱量,采取單一制冷方法冷卻服的制冷效果具有較大的局限性,通常單一冷卻方式制冷服無法在多變的環(huán)境中充分發(fā)揮其最佳制冷效果。例如,通風(fēng)服在干熱的環(huán)境下對(duì)人體的制冷效果是最好的,而其在濕熱的環(huán)境下的制冷效果則較差。相對(duì)于干熱環(huán)境,相變服裝在濕熱環(huán)境下的制冷效果會(huì)更好，因此,很有必要研制一種適用于多變熱環(huán)境下制冷效果較好的冷卻服。將兩種或兩種以上的制冷方法與服裝結(jié)合起來的混合冷卻服便是其中一種最為有效的方法。本研究研制了一種基于相變材料與微型通風(fēng)風(fēng)扇的便攜式新型個(gè)體混合冷卻服,采用出汗暖體假人,研究該新型個(gè)體混合冷卻服在溫?zé)岘h(huán)境(Ta=30 ℃,相對(duì)濕度=47%)下的制冷效果。此外,本研究將分析并計(jì)算暖體假人在穿著該新型混合冷卻服時(shí)的總熱損耗、干熱損耗、濕熱損耗和制冷功率,為如何合理設(shè)計(jì)及使用個(gè)體混合冷卻服降低個(gè)體熱應(yīng)激和增強(qiáng)人體舒適性提供科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)基礎(chǔ)。

1　研究方法

1.1混合冷卻服

為達(dá)到最佳冷卻效果,設(shè)計(jì)個(gè)體混合冷卻服時(shí)需要考慮以下因素：首先,通風(fēng)風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口處需與人體保持一定距離且距出風(fēng)口處距離較遠(yuǎn)(即保證通風(fēng)風(fēng)道較長且通過面積足夠大,有利于增強(qiáng)汗液蒸發(fā));其次,相變材料需與人體各部位貼合性較好且不宜排列過密,需為通風(fēng)提供風(fēng)道。因此,本研究中混合冷卻服采用上下衣分體結(jié)構(gòu),上衣下擺和褲子腰部處的松緊帶確保了服裝與人體緊貼,從而保證了上下衣的單向出風(fēng)。冷卻服面料為半透氣滌棉斜紋布,上衣為長袖特種夾克衫,上衣和褲子共結(jié)合4個(gè)微型風(fēng)扇和24塊相變材料。上衣的兩個(gè)微型風(fēng)扇嵌于背面腰圍線處,褲子上的兩個(gè)微型風(fēng)扇分別嵌于左右大腿側(cè)縫線處。微型電風(fēng)扇的直徑為10 cm,其最大通風(fēng)量為12 L/s,上衣部分以網(wǎng)格布為里料,制成了18個(gè)獨(dú)立的口袋,褲子部分用同樣材料的里料制作了6個(gè)獨(dú)立口袋,用于裝塊狀相變材料袋。個(gè)體混合冷卻服的款式及相變材料袋的分布見圖1,服裝前中線和后中線處分別留5 cm的通道便于通風(fēng),相變材料塊之間分別留2 cm的空隙便于服裝內(nèi)部的空氣流通,所有微型風(fēng)扇并聯(lián)于可調(diào)穩(wěn)壓電源(DX3005DS型,廣東東莞達(dá)興公司)。本研究中,穩(wěn)壓電源的電壓設(shè)定為6.0 V。相變材料的主要成分為Na2SO4·10H2O,其融化溫度和潛熱分別為21 ℃和14 J/g。每塊相變材料包的規(guī)格為7.0 cm×13.2 cm,24塊相變材料的總質(zhì)量為86 g×24=2 064 g,潛熱為297.2 kJ；個(gè)體混合冷卻服的總質(zhì)量為3 589 g。

圖1　基于相變材料和微型通風(fēng)風(fēng)扇的新型個(gè)體混合冷卻服Fig.1　The portable hybrid personal cooling system based on PCMs and micro-ventilation fans

通常情況下,人體穿著工作服需同時(shí)穿著內(nèi)衣,本研究采取的著裝方式是：緊身吸濕排汗滌綸內(nèi)衣和純棉內(nèi)褲穿在里層,個(gè)體混合冷卻服穿在外層。個(gè)體混合冷卻服的尺寸依據(jù)出汗暖體假人的體型設(shè)計(jì),其各部位的具體尺寸見表1。

1.2出汗暖體假人與測(cè)試環(huán)境條件

實(shí)驗(yàn)采用34區(qū)段出汗暖體假人“Newton”(美國Thermetrics公司)進(jìn)行測(cè)試,其總體表面積為1.697 m2。出汗暖體假人配置了緊身滌綸織物“皮膚”,用于模擬人體出汗?fàn)顟B(tài)及服裝濕阻等測(cè)試。暖體假人通過ThermDAC?(美國Thermetrics公司)軟件可以實(shí)時(shí)記錄假人各區(qū)段的表面溫度和熱流。本研究中出汗暖體假人采用假人表面溫度恒定模式,表面溫度設(shè)定為34.0 ℃。

表1　個(gè)體混合冷卻服的規(guī)格尺寸

測(cè)試實(shí)驗(yàn)共分為三部分：冷卻服熱阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)、冷卻服濕阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)和冷卻服冷卻性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),所有的測(cè)試是在人工氣候室內(nèi)完成的。個(gè)體混合冷卻服熱阻的測(cè)試嚴(yán)格按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15831—2004《服裝—生理效應(yīng)—采用暖體假人測(cè)試服裝熱阻》[13]執(zhí)行,測(cè)試環(huán)境溫度設(shè)定為(20±0.5) ℃,相對(duì)濕度為(50±5)%,風(fēng)速為(0.4±0.1) m/s；個(gè)體混合冷卻服濕阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)是按照國際標(biāo)準(zhǔn)ASTM F2370—10《使用出汗暖體假人測(cè)試服裝濕阻的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》[14]執(zhí)行的,測(cè)試環(huán)境溫度為(34±0.5) ℃,相對(duì)濕度為(40±5)%,風(fēng)速為(0.4±0.1) m/s；個(gè)體混合冷卻服冷卻性能實(shí)驗(yàn)分為干態(tài)實(shí)驗(yàn)和濕態(tài)實(shí)驗(yàn),干態(tài)實(shí)驗(yàn)和濕態(tài)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境相同,測(cè)試溫度為(30±0.5) ℃,相對(duì)濕度為(47±5)%,大氣壓強(qiáng)為2 kPa,風(fēng)速為(0.4±0.1) m/s。

1.3測(cè)試方法與試驗(yàn)步驟

混合冷卻服的熱阻和濕阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)選取了4種工況：通風(fēng)關(guān)閉且移除相變材料的冷卻服(Fan-off,對(duì)照組)；通風(fēng)開啟但相變材料移除的冷卻服(Fan-on)；通風(fēng)關(guān)閉但內(nèi)置完全融化的相變材料的冷卻服(mPCM+Fan-off)和通風(fēng)開啟并內(nèi)置完全融化的相變材料的混合冷卻服(mPCM+Fan-on)。

混合冷卻服的冷卻性能是通過測(cè)定穿著混合冷卻服的假人的總熱損耗、干熱損耗、濕熱損耗及制冷功率來表征的。該部分實(shí)驗(yàn)同樣選取了4種工況：通風(fēng)關(guān)閉且移除相變材料的冷卻服(Fan off,對(duì)照組)；通風(fēng)開啟但相變材料移除的冷卻服(Fan-on)；通風(fēng)關(guān)閉但內(nèi)置固態(tài)相變材料的冷卻服(PCM+Fan-off)和通風(fēng)開啟且內(nèi)置固態(tài)相變材料的混合冷卻服(PCM+Fan-on)。本研究針對(duì)上述4種工況分別進(jìn)行干態(tài)和濕態(tài)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)前將相變材料放置于5 ℃的環(huán)境條件下凝固至少12 h。

測(cè)試?yán)鋮s服熱阻及干態(tài)制冷效果時(shí),假人不穿織物“皮膚”,運(yùn)行干態(tài)測(cè)試,假人不出汗。測(cè)試?yán)鋮s服濕阻與濕態(tài)冷卻制冷效果測(cè)試時(shí),假人穿著織物“皮膚”,運(yùn)行濕態(tài)測(cè)試,出汗量設(shè)定為1 200 mL/h·m-2以保證在測(cè)試過程中織物“皮膚”完全濕潤,供應(yīng)假人出汗的水流溫度設(shè)定為34.0 ℃。由ThermDAC?軟件記錄假人各區(qū)段的實(shí)時(shí)表面溫度和熱流量,數(shù)據(jù)采集頻率為1 min,實(shí)驗(yàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)間至少持續(xù)60 min。每種工況下重復(fù)測(cè)量3次,所測(cè)熱流量的誤差控制在10%以內(nèi),若大于10%,繼續(xù)重復(fù)實(shí)驗(yàn),直至達(dá)到要求為止。

1.4計(jì)算公式

服裝總熱阻It的計(jì)算式[13]，在等溫條件下(即假人表面溫度Tmanikin等于測(cè)試環(huán)境溫度Ta),混合冷卻服總濕阻Ret的計(jì)算式[14-16]，在非等溫測(cè)試環(huán)境下,冷卻服的蒸發(fā)熱損耗Hevap的計(jì)算式[17]，混合冷卻服的制冷功率P的計(jì)算式如下：

(1)

(2)

Hevap=Htot-Hdry

(3)

(4)

1.5統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行分析。采用單因素方差分析來判斷4種工況下的個(gè)體混合冷卻服的總熱阻和總濕阻值是否存在顯著差異,并采用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)判斷有無相變材料和微型風(fēng)扇工作狀態(tài)(開啟或關(guān)閉)是否顯著影響混合冷卻服的熱損耗和制冷功率。統(tǒng)計(jì)分析的顯著性水平設(shè)置為p<0.05。

2　結(jié)果與討論

2.1混合冷卻服的總熱阻和總濕阻

在Fan-off、Fan-on、mPCM+Fan-off和mPCM+Fan-on這4種工況下,個(gè)體混合冷卻服的總熱阻和總濕阻值如圖2所示。由圖2可以看出,混合冷卻服內(nèi)有無完全融化的相變材料不會(huì)顯著影響服裝總熱阻和總濕阻?；旌侠鋮s服在mPCM+Fan-off和Fan-off工況下的總熱阻均為0.17 m2·℃/W；而開啟通風(fēng)風(fēng)扇組(Fan-on)則顯著降低了混合冷卻服的總熱阻和總濕阻(p<0.01)。這主要是因?yàn)槲⑿惋L(fēng)扇的開啟增強(qiáng)了混合冷卻服內(nèi)的空氣對(duì)流,促進(jìn)了假人體表散熱,最終導(dǎo)致兩種工況下的服裝總熱阻和總濕阻顯著下降。

*表示p<0.05,**表示p<0.01圖2　個(gè)體混合冷卻服在4種工況下的總熱阻和總濕阻Fig.2　Total thermal resistance and total evaporative resistance of the hybrid PCS in four test scenarios

2.2個(gè)體混合冷卻服的總熱損耗和制冷功率

個(gè)體混合冷卻服在溫?zé)岘h(huán)境下(Ta=30 ℃,相對(duì)濕度=47%)的總熱損耗見圖3(a)。由圖3(a)可以看出,是否開啟風(fēng)扇會(huì)顯著影響假人的總熱損耗。冷卻服在Fan-on工況下的熱損耗要顯著高于其在Fan-off工況下的熱損耗(熱損耗分別為(332.0±3.6)和(166.7±0.5) W/m2；兩者之間的熱損耗差異為165.3 W/m2)。在PCM+Fan-on和PCM+Fan-off工況下,混合冷卻服在前24 min的測(cè)試時(shí)間內(nèi)的熱損耗分別顯著高于其在Fan-on和Fan-off工況下的總熱損耗。這主要是由于相變材料在相變過程中從假人體表吸收了大量的熱量,從而致使假人的總熱損耗明顯增大。當(dāng)相變過程臨近結(jié)束時(shí),冷卻服在PCM+Fan-on和Fan-on工況下的熱損耗差異逐漸減小,直至最終消失。同樣,PCM相變過程臨近結(jié)束時(shí),冷卻服在PCM+Fan-off和Fan-off工況下的總熱損耗并無顯著差異。

個(gè)體混合冷卻服在Fan-on、PCM+Fan-off和PCM+Fan-on工況下的制冷功率見圖3(b)?；旌侠鋮s服在Fan-on和PCM+Fan-on工況下的制冷功率(分別是(280.0±6.8) W和(263.1±12.0) W)顯著大于其在PCM+Fan-off工況下的制冷功率((4.2±8.9) W),這表明冷卻服的制冷效果主要由微型風(fēng)扇組提供。Chinevere等[18]的研究表明,通風(fēng)服可以為人體提供持續(xù)穩(wěn)定制冷,減輕了熱應(yīng)激。通過對(duì)比混合冷卻服在Fan-on 與PCM+Fan-on工況的制冷功率可以得出,在最初的24 min測(cè)試時(shí)間段內(nèi),冷卻服在PCM+Fan-on的工況下的制冷功率是相變材料和微型風(fēng)扇組共同作用的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行了24 min后,由于PCM相變臨近結(jié)束,相變材料從假人表面吸熱明顯減小,因此此時(shí)段上個(gè)體混合冷卻服的制冷功率與其在Fan-on工況下的制冷功率無顯著差異。該發(fā)現(xiàn)與ZHAO等[19]研究結(jié)果一致,盡管相變材料增大了服裝的總濕阻,但相變背心外層軍裝本身的濕阻較大,因此相變材料背心穿著于軍用服裝下仍然能夠帶來制冷效果。

圖3　個(gè)體混合冷卻服在4種工況下的總熱損耗和總制冷功率Fig.3　The total heat loss and cooling power of the hybridPCS in four test scenarios

2.3混合冷卻服的干熱損耗和干態(tài)制冷功率(干態(tài)實(shí)驗(yàn))

個(gè)體混合冷卻服的干熱損耗見圖4(a)。對(duì)比圖3與圖4(a)可以看出,混合冷卻服在溫?zé)岘h(huán)境下(Ta=30 ℃,相對(duì)濕度=47%)的干熱損耗占其總熱損耗的比例較小。冷卻服在Fan-off、Fan-on、PCM+Fan-off和PCM+Fan-on工況下的干熱損耗分別占其總熱損耗的15.2%±1.7%、15.6%±0.2%、18.1%±0.3%和16.9%±0.4%。這是由于環(huán)境溫度與假人表面溫度的溫差小,從而干熱損耗較小。在最初的40 min測(cè)試時(shí)間段內(nèi),由于相變材料處于相變過程中,冷卻服的干熱損耗較大。此外,個(gè)體混合冷卻服在Fan-off和PCM+Fan-off工況下的干熱損耗在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行144 min后無顯著差異,說明相變材料的相變時(shí)間大約持續(xù)了144 min。

干態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件下,混合冷卻服的干態(tài)制冷功率如圖4(b)所示。根據(jù)美國材料與測(cè)試協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM F2371—10《使用出汗暖體假人測(cè)試個(gè)體冷卻系統(tǒng)散熱率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》[17],只有大于50 W的制冷功率才能用于計(jì)算個(gè)體冷卻系統(tǒng)的冷卻速率和制冷持續(xù)時(shí)間。混合冷卻服在PCM+Fan-off工況下,由于只有相變材料提供制冷,可以得出在溫?zé)岘h(huán)境條件下(Ta=30 ℃,相對(duì)濕度=47%)冷卻服的平均制冷功率為62.8 W,制冷持續(xù)時(shí)間是8 min。混合冷卻服在PCM+Fan-on工況下的平均制冷功率為63.9 W,制冷持續(xù)時(shí)間為110 min。

圖4　個(gè)體混合冷卻服在4種工況下的干熱損耗和干態(tài)制冷功率Fig.4　The dry heat loss and dry cooling power of the hybrid PCS in four test scenarios

2.4混合冷卻服的濕熱損耗和濕態(tài)制冷功率(濕態(tài)實(shí)驗(yàn))

混合冷卻服的濕熱損耗(即蒸發(fā)散熱)見圖5(a)。由于在溫?zé)岘h(huán)境條件下(Ta=(30±0.5) ℃,相對(duì)濕度=47%±5%),環(huán)境溫度與假人表面溫度的溫差小且汽壓差較大,因此在該測(cè)試環(huán)境條件下主要由蒸發(fā)散熱起主導(dǎo)作用,蒸發(fā)散熱占總熱損失的比重大(即冷卻服在Fan off、Fan on、PCM+Fan-off和PCM+Fan-on這4種工況下的蒸發(fā)散熱占總散熱量的比例分別為85.0%±2.5%、84.4%±1.2%、81.9%±1.3%和83.1%±1.4%)。ZHAO等[20]的研究表明,在Ta=34 ℃,相對(duì)濕度=60%,va=0.4 m/s測(cè)試環(huán)境下,開啟通風(fēng)時(shí)假人軀干部位的蒸發(fā)熱損耗增大了205%,因此本研究結(jié)果與上述研究發(fā)現(xiàn)基本一致。

混合冷卻服在30 ℃測(cè)試環(huán)境下的濕態(tài)制冷功率如圖5(b)所示?；旌侠鋮s服在PCM+Fan-off、Fan on和PCM+Fan-on工況下的濕態(tài)制冷功率分別為(-5.2±10.8) W、(234.5±9.5) W和(213.4±17.8) W。在Fan-on工況下,由于相變材料相變持續(xù)時(shí)間較短,并且在相變結(jié)束后,完全融化的相變材料增大了混合冷卻服的不透汽性,所以在PCM+Fan-off的工況下,平均濕態(tài)制冷功率為負(fù)值(即-5.23 W)。負(fù)值制冷功率再次驗(yàn)證了當(dāng)PCM材料相變過程結(jié)束后,液態(tài)PCM的存在抑制了冷卻服的整體蒸發(fā)散熱。

圖5　個(gè)體混合冷卻服在4種工況下的濕熱損耗和濕態(tài)制冷功率Fig.5　The evaporative heat loss and wet cooling power of the hybrid PCS in four test scenarios

3　結(jié)　論

本研究研制了一種基于相變材料和微型通風(fēng)風(fēng)扇的新型便攜式個(gè)體混合冷卻服,采用出汗暖體假人深入研究了該混合冷卻服在溫?zé)岘h(huán)境條件下的冷卻性能。研究結(jié)果表明,開啟通風(fēng)風(fēng)扇可以顯著降低混合冷卻服的總熱阻和濕阻,從而提升了該冷卻服在溫?zé)岘h(huán)境中的散熱效果。溫?zé)岘h(huán)境下(Ta=30 ℃,相對(duì)濕度=47%),當(dāng)人體處于出汗發(fā)展過程中或出汗量較小時(shí)段時(shí),混合冷卻服內(nèi)置的相變材料可以為人體帶來較佳的制冷效果。當(dāng)人體出汗量穩(wěn)定后(或出汗量較大時(shí)),微型通風(fēng)風(fēng)扇開始提供較佳的制冷功率。通常高容量鋰電池可以為通風(fēng)風(fēng)扇提供長達(dá)8 h的供電,因此基本可以滿足人體一天工作時(shí)間段上的制冷需求。綜上所述,研制的便攜式個(gè)體混合冷卻服在本研究選取的實(shí)驗(yàn)條件環(huán)境下展現(xiàn)了比單一通風(fēng)或者相變材料制冷服裝更為優(yōu)越的制冷效果。

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DOI:研究與技術(shù)10.3969/j.issn.1001-7003.2016.03.001

收稿日期:2015-07-27; 修回日期:2016-01-04

基金項(xiàng)目:江蘇省自然科學(xué)基金(BK20130312)

作者簡(jiǎn)介:韋帆汝(1991),女,碩士研究生,研究方向?yàn)閭€(gè)體冷卻服裝的設(shè)計(jì)及其性能評(píng)價(jià)。通信作者：王發(fā)明,教授,博士生導(dǎo)師,dr.famingwang@gmail.com。

中圖分類號(hào):TS941.17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-7003(2016)03-0001-08引用頁碼:031101

The cooling performance of a portable hybrid personal cooling system (PCS) based on phase change materials and micro-ventilation fans in a warm environment

WEI Fanru1, WANG Faming1,2

(1.College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2.National Engineering Laboratory for Modern Silk, Soochow University, Suzhou 215123, China)

Abstract:In this study, a portable hybrid personal cooling system (PCS) based on phase change materials (PCMs) and micro-ventilation fans was developed.Its cooling efficiency was investigated on a thermal manikin in a warm environment (i.e.Ta=(30±0.5) ℃, RH=(47±5)%, νa=(0.4±0.1) m/s).The evaluation parameters of cooling effect of hybrid cooling system mainly include total thermal resistance, total evaporative resistance, heat loss and the cooling power.Four test scenarios were chosen:Fan-off (no PCMs; fans were turned off), Fan-on (no PCMs, fans were turned on), PCM+Fan-off (PCMs were added but fans were turned off) and PCMs+Fan-on (PCMs were added and fans were turned on).Besides, two sweating modes were selected:non-sweating (dry test) and sweating (wet test).Results show that the total thermal resistance and total evaporative resistance of the PCS in Fan-on significantly lowered.The total heat loss in Fan-on and PCM+Fan-on (i.e.(332.0±3.6) and (332.0±6.6) W/m2) was significantly higher than that in Fan-off (i.e.(166.7±0.5) W/m2).Under dry test condition,dry heat loss of the PCS is mainly provided by PCMs.Under two conditions of PCM+Fan-off and PCM+Fan-on, the average cooling power of PCS is 62.8 W and 62.9 W respectively.The cooling duration of the PCS is 8 and 110 min in PCM+Fan-off and PCM+Fan-on respectively.Under wet test condition, the total heat loss of the PCS is mainly provided by the micro-ventilation fans.In addition, the evaporative heat loss is about (84.4±1.2) and (83.1±1.4)% of the total heat loss in Fan-on and PCM+Fan-on, respectively.

Key words:hybrid personal cooling system (PCS); heat strain; phase change materials (PCMs); ventilation fans; thermal manikin; cooling power