趙 辰, 王 敏,2, 李 俊,2,3

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院, 上海 200051; 2. 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華大學(xué)),上海 200051; 3. 上海市紡織智能制造與工程一帶一路國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 上海 200051)

熱應(yīng)激是職業(yè)工人在炎熱工作場(chǎng)景中從事高強(qiáng)度體力勞動(dòng)時(shí)影響健康和安全的主要因素之一[1]。長(zhǎng)時(shí)間暴露在熱環(huán)境中的作業(yè)人員,受到來(lái)自環(huán)境高溫或高熱輻射以及來(lái)自人體的代謝產(chǎn)熱升高的雙重威脅。人體熱負(fù)荷的不斷上升會(huì)引起健康問(wèn)題,甚至影響生命安全。此時(shí),不僅要阻止外界熱量傳至人體,而且要促進(jìn)人體產(chǎn)熱向外散發(fā)。服裝作為人體的“第二皮膚”,一直以來(lái)被認(rèn)為是維持人體熱平衡的重要手段之一[2]。在職業(yè)服裝中添加外部冷卻裝置是緩解人體熱應(yīng)激的有效方法,即個(gè)體降溫服[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)個(gè)體降溫服的功能設(shè)計(jì)已進(jìn)行了大量研究。服裝的降溫功能早期出現(xiàn)在航天航空領(lǐng)域的水冷服上[4],通過(guò)優(yōu)化冷卻介質(zhì)的性能,達(dá)到最大程度減輕宇航員所受熱危害的目的。隨著氣體、相變材料(PCM)等不同冷卻介質(zhì)的出現(xiàn)[5],降溫服逐步進(jìn)入石油化工、冶金制造和消防等領(lǐng)域。有學(xué)者探究不同介質(zhì)冷卻效果的影響因素及其降溫機(jī)制,優(yōu)化其功能設(shè)計(jì)[6-7];有學(xué)者研發(fā)新型冷卻介質(zhì),促使冷卻系統(tǒng)向微型化、便攜化發(fā)展[8];還有學(xué)者在不同冷卻介質(zhì)之間尋求優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),研發(fā)多介質(zhì)混合降溫服[9-10]。一系列研究[11-12]表明:個(gè)體降溫服的降溫效果多以降溫時(shí)長(zhǎng)、降溫速率及人體熱濕舒適性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,會(huì)受到冷卻介質(zhì)、基礎(chǔ)服裝、環(huán)境及人體活動(dòng)等因素的綜合影響,其功能設(shè)計(jì)方法也因此呈現(xiàn)復(fù)雜性。

然而,以往研究多集中于冷卻介質(zhì)的降溫機(jī)制上,對(duì)過(guò)度降溫造成的人體過(guò)冷關(guān)注不夠;同時(shí),對(duì)承載冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)服裝在整體降溫效果和人體熱濕舒適中的作用,如輔助散熱、排濕作用等缺乏全面的考慮,這影響了個(gè)體降溫服的功能設(shè)計(jì)方法及體系的建立。本文從分析主要類型個(gè)體降溫服的工作原理入手,回顧國(guó)內(nèi)外最新研究成果,從冷卻介質(zhì)與基礎(chǔ)服裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討其對(duì)個(gè)體降溫服冷卻速率、冷卻時(shí)長(zhǎng)和人體熱濕舒適性的影響,提煉總結(jié)不同類型降溫服的設(shè)計(jì)要點(diǎn),旨在為降溫服的功能設(shè)計(jì)提供新思路和參考。

1 降溫服的工作原理及設(shè)計(jì)要素

1.1 工作原理

著裝條件下人體的溫度性舒適取決于人體經(jīng)由服裝與外界的熱交換情況,即人體與環(huán)境之間的熱平衡水平。在環(huán)境高溫或高熱輻射的作用下,人體散熱會(huì)受到限制,甚至可能成為負(fù)值。此時(shí),個(gè)體降溫服中的冷卻介質(zhì)可通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)和蒸發(fā)中的一種或多種方式促進(jìn)人體散熱,使服裝微氣候的溫度維持在舒適的范圍內(nèi)[13]。服裝微氣候的溫度是表征人體熱平衡的重要指標(biāo)之一[14]。同時(shí),冷卻介質(zhì)也可吸收部分來(lái)自外界環(huán)境的熱量,減少或減緩這部分熱量傳遞至人體。

在個(gè)體降溫服中,傳導(dǎo)散熱主要依賴?yán)鋮s介質(zhì)與人體表面的溫差。對(duì)流散熱常與傳導(dǎo)散熱同時(shí)作用:一種是將預(yù)冷氣體吹向人體,吸收體表熱量后氣體升溫,再與后續(xù)流入的冷空氣形成對(duì)流,持續(xù)帶走人體熱量;另一種是通過(guò)預(yù)冷液體在人體表面流動(dòng)以吸收人體熱量。蒸發(fā)散熱則是利用通風(fēng)氣體與人體皮膚表面形成的水氣壓差促進(jìn)汗液蒸發(fā)并降低衣下微氣候的相對(duì)濕度。

1.2 設(shè)計(jì)要素

降溫服的設(shè)計(jì)可從2個(gè)方面考量:冷卻介質(zhì)及其所附著的基礎(chǔ)服裝。冷卻介質(zhì)是決定降溫效果的主要因素。依據(jù)不同降溫方式,設(shè)計(jì)要素主要涉及介質(zhì)流量(質(zhì)量)、溫度及濕度。不同降溫方式下個(gè)體降溫服的設(shè)計(jì)要素如表1所示。

表1 不同降溫方式下個(gè)體降溫服的設(shè)計(jì)要素Tab. 1 Design parameters of personal cooling garments under different cooling methods

基礎(chǔ)服裝對(duì)降溫系統(tǒng)的散熱、排濕起到輔助作用,從一定程度上影響冷卻介質(zhì)作用的發(fā)揮。其設(shè)計(jì)要素一般包含:織物隔熱性能、透氣性能、彈性性能、透濕性能,以及服裝的開(kāi)口、款式和尺寸等。同樣,服裝的各細(xì)分設(shè)計(jì)要素所發(fā)揮的作用也因降溫方式的不同而不同(見(jiàn)表1)。

2 冷卻介質(zhì)對(duì)降溫效果的影響

2.1 不同類型冷卻介質(zhì)的對(duì)比

根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同,個(gè)體降溫服的冷卻方式可分為氣體降溫、液體降溫和相變降溫。3種降溫介質(zhì)的具體特性如表2所示。

表2 3種降溫介質(zhì)的特性對(duì)比Tab. 2 Comparison of characteristics of three cooling media

氣體作為冷卻介質(zhì)時(shí),通過(guò)對(duì)流、蒸發(fā)和傳導(dǎo)形式促進(jìn)人體微氣候內(nèi)熱量與水分的排出,但由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)很小,傳導(dǎo)散熱比例很低。氣冷式降溫服又可依據(jù)其主要降溫方式分為蒸發(fā)型和對(duì)流型[13]。此類降溫服的缺點(diǎn)是,過(guò)多氣流容易使服裝膨脹從而降低穿著者的活動(dòng)能力。

液體作為冷卻介質(zhì)時(shí),通過(guò)對(duì)流和傳導(dǎo)形式增強(qiáng)人體熱量向外散發(fā),降溫效果最好,但需配套冷源和制冷器,且可能造成人體局部過(guò)冷。

相變材料作為冷卻介質(zhì)時(shí),通過(guò)材料相態(tài)變化以傳導(dǎo)形式吸收人體熱量,降溫效果良好且攜帶方便,但受到PCM質(zhì)量的限制,降溫時(shí)長(zhǎng)有限。

此外,液體和相變材料降溫均會(huì)存在熱空氣遇冷凝結(jié)放熱的現(xiàn)象,這對(duì)其降溫效果和人體的濕舒適性都會(huì)產(chǎn)生一定影響。

2.2 冷卻介質(zhì)量的影響

對(duì)于氣冷式降溫服,通風(fēng)量的增大會(huì)使服裝微氣候空氣流速加快,增大對(duì)流換熱系數(shù),同時(shí)會(huì)通過(guò)促進(jìn)汗液蒸發(fā),利用相變潛熱帶走人體的熱量。

有研究[15]表明,對(duì)流型氣冷式降溫服通風(fēng)量的適度增大不僅會(huì)加快人體局部空氣流速,而且能夠促進(jìn)人體更多區(qū)域的對(duì)流換熱,如圖1[15]所示。但長(zhǎng)時(shí)間保持較大通風(fēng)量對(duì)能源的要求很高,且通風(fēng)量增大到一定程度后,若繼續(xù)增大對(duì)降低人體皮膚溫度的作用并不顯著[16],因此,出于提高降溫效率的考慮,通風(fēng)量不宜設(shè)計(jì)過(guò)大。且Davey[17]提出通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)通風(fēng)間歇,促進(jìn)人體適度出汗以提高蒸發(fā)散熱,不僅可以實(shí)現(xiàn)與持續(xù)通風(fēng)相同的人體熱感覺(jué)并且能夠降低能源消耗。

圖1 不同空氣流速下衣服微氣候中的流體速度Fig. 1 Streamlines showing fluid velocity in clothing microclimate for various air flow rates

對(duì)于蒸發(fā)型氣冷式降溫服,增大通風(fēng)量能夠增強(qiáng)汗液蒸發(fā),因而帶來(lái)強(qiáng)大的冷卻效果[18],但過(guò)度依靠蒸發(fā)散熱有造成人體脫水的危險(xiǎn)和過(guò)冷的情況[19],此外,當(dāng)環(huán)境溫度高于人體皮膚溫度時(shí),通風(fēng)量的增大也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境向人體的傳熱增強(qiáng),這也是設(shè)計(jì)氣冷式降溫服介質(zhì)時(shí)需要綜合考慮的問(wèn)題。

對(duì)于液冷式降溫服而言,有研究[20]表明,在較低的流量下,載冷液流量的增大有助于加快人體與載冷液之間的換熱,但在較高的流量下,增大流量對(duì)冷卻效果改善不大。同時(shí),Guo等[21]發(fā)現(xiàn)相對(duì)其它設(shè)計(jì)參數(shù),液體流量與人體熱感覺(jué)和皮膚溫度的相關(guān)性最小。然而,液體流量的增大對(duì)冷卻速率的提升作用是明確的,但冷卻時(shí)長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)縮短[22]。

對(duì)于相變式降溫服,通常認(rèn)為PCM質(zhì)量越大,儲(chǔ)存熱量的能力越大[23],即從人體吸收的熱量越多。Gao等[24]發(fā)現(xiàn)PCM的質(zhì)量決定其總?cè)刍瘯r(shí)間(即降溫服冷卻時(shí)長(zhǎng)),覆蓋面積則決定冷卻速率。然而,過(guò)多的相變材料會(huì)增加人體負(fù)荷,并導(dǎo)致人體產(chǎn)熱增加。目前鮮有研究深入涉及到PCM質(zhì)量對(duì)人體作業(yè)工效的影響,且PCM的潛熱即相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的吸熱量也決定了降溫系統(tǒng)的冷卻時(shí)長(zhǎng)[24],因此應(yīng)對(duì)相變材料的質(zhì)量設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合考慮。

此外,介質(zhì)在服裝中的分布密度不同也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際發(fā)揮作用的介質(zhì)量有所不同。牛麗等[25]通過(guò)數(shù)值模擬精準(zhǔn)得出在40 ℃的環(huán)境下,間隔3.5 cm的液冷管路排列能夠使人體的熱濕舒適達(dá)到平衡;但由于換熱管網(wǎng)中的分叉和彎曲部位會(huì)出現(xiàn)液體流動(dòng)的局部阻力損失,因此管路的回路數(shù)量不宜過(guò)多,一般選用2～4路。姬長(zhǎng)發(fā)等[26]通過(guò)數(shù)值模擬方法提出相變材料包以4 mm 間隙分布能兼顧其熱防護(hù)性和濕傳遞性能。

2.3 冷卻介質(zhì)特征參數(shù)的影響

2.3.1 介質(zhì)溫度

以氣體為冷卻介質(zhì)時(shí),保持較低的通風(fēng)溫度并輔以較大通風(fēng)量會(huì)明顯減輕人體熱應(yīng)激程度,并使出汗程度減弱[27]。然而,有學(xué)者基于綜合降溫效果的考慮,提出不同的設(shè)計(jì)思路。李衍等[28]認(rèn)為在冷源有限情況下,通風(fēng)溫度不宜太低,此時(shí)適當(dāng)?shù)娜梭w出汗可以通過(guò)蒸發(fā)散熱實(shí)現(xiàn)更好的冷卻效果。

降低載冷液溫度,直接增加了液體與人體皮膚的傳導(dǎo)換熱,Shu等[22]發(fā)現(xiàn)進(jìn)口溫度對(duì)人體散熱的影響更為明顯,但有學(xué)者進(jìn)一步指出,過(guò)低的溫度容易對(duì)人體造成傷害,建議將進(jìn)出口液體溫差維持在2 ℃以內(nèi)以避免過(guò)冷現(xiàn)象的發(fā)生[21]。

相變材料的熔點(diǎn)決定了其產(chǎn)生固-液物理狀態(tài)變化的溫度。Gao等[24]認(rèn)為,較低的熔點(diǎn)能夠使PCM與人體皮膚表面形成較大溫差,從而加快降溫服的冷卻速率。Hamdan等[29]也發(fā)現(xiàn),較高熔點(diǎn)的PCM會(huì)使其開(kāi)始熔化的時(shí)間延遲,且熔化總時(shí)間也會(huì)被延長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上,Zheng等[30]提出了多熔點(diǎn)相變材料復(fù)合應(yīng)用的觀點(diǎn),以熔點(diǎn)為15 ℃的PCM作為內(nèi)層,熔點(diǎn)為23 ℃的PCM作為外層,對(duì)比單一熔點(diǎn)(15 ℃)的設(shè)計(jì),前者可表現(xiàn)出較高的冷卻速率,并能延長(zhǎng)冷卻時(shí)間。

2.3.2 介質(zhì)濕度

介質(zhì)濕度的影響多在氣冷式降溫服中被關(guān)注。通風(fēng)氣體與人體皮膚表面的濕度梯度越大,蒸發(fā)的冷卻效果越強(qiáng)。且有研究[31]表明,相比于通風(fēng)溫度,通風(fēng)濕度對(duì)氣冷式降溫服冷卻效果的影響更為明顯。當(dāng)通風(fēng)濕度無(wú)法改變時(shí),如風(fēng)扇式通風(fēng)服,此時(shí)濕度梯度僅依靠人體皮膚表面濕度的大小,即排汗量的多少。在沒(méi)有排汗的情況下冷卻效果不明顯且易造成過(guò)度出汗導(dǎo)致身體失水[32]。

2.4 冷卻介質(zhì)組合應(yīng)用的作用

冷卻介質(zhì)組合應(yīng)用的目的多為優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),其中以PCM和微型風(fēng)扇結(jié)合的便攜降溫系統(tǒng)最為常見(jiàn),融合了傳導(dǎo)、對(duì)流和蒸發(fā)3種降溫方式,既彌補(bǔ)了熱環(huán)境中風(fēng)扇降溫效果不佳的不足,也改善了相變式降溫服濕舒適性較差的問(wèn)題。

上述2種介質(zhì)的組合應(yīng)用也存在一定的問(wèn)題。有研究[33]發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境溫度高于體溫時(shí),通風(fēng)將大大增加環(huán)境向人體的熱量傳遞,同時(shí)加速PCM的融化,從而縮短冷卻時(shí)長(zhǎng),在人體未產(chǎn)生明顯汗液蒸發(fā)時(shí),該降溫系統(tǒng)的冷卻效果反而會(huì)變差。為此,Wang等[34]通過(guò)建立織物-PCM-風(fēng)扇模型,并與生物模型集成求解,基于服裝內(nèi)層織物捕捉到汗液的時(shí)間,以確定風(fēng)扇起始運(yùn)行的時(shí)間。

3 織物與服裝結(jié)構(gòu)的輔助降溫作用

3.1 織物性能的影響

3.1.1 隔熱性能

織物所具備的隔熱能力,既阻礙人體熱量向外傳遞,也降低熱環(huán)境向人體微氣候傳遞熱量,可見(jiàn),織物的熱傳遞性能在降溫服中的作用具有雙重性,需要結(jié)合具體的冷卻介質(zhì)綜合考慮。

相關(guān)研究[35]表明,液體和相變材料會(huì)從高溫環(huán)境中吸收超過(guò)50%的熱量。此時(shí),若降溫服的目的是對(duì)外界熱環(huán)境的防護(hù),那么基礎(chǔ)服裝應(yīng)選用隔熱能力強(qiáng)的織物;若以緩解人體熱應(yīng)激為主要目標(biāo),則應(yīng)選擇隔熱能力稍弱的織物。對(duì)于后者,為提高介質(zhì)的冷卻效率,需采用在介質(zhì)表面輔助隔熱的設(shè)計(jì)方法。Kang等[36]通過(guò)數(shù)值參數(shù)研究得出在PCM包與外環(huán)境之間添加熱阻為0.233 m2·K/W的保溫墊,可使PCM對(duì)熱環(huán)境的吸熱率降低20%。

3.1.2 透氣性能

織物透氣性能的影響在氣冷式降溫服上表現(xiàn)得更為明顯。透氣性能較好的織物會(huì)提高其孔隙的氣體交換率[32]。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)通過(guò)面料孔隙的氣體交換對(duì)降低服裝濕阻及促進(jìn)汗液蒸發(fā)散熱有重要作用,對(duì)增強(qiáng)空氣與人體表面的熱量交換效率有積極影響[37]。然而,對(duì)于對(duì)流型氣冷式降溫服,透氣性能的增強(qiáng)會(huì)增加冷卻氣體從面料孔隙的流出,從而減弱其與人體之間的對(duì)流換熱[38]。

3.1.3 彈 性

冷卻介質(zhì)與人體的接觸面積影響到二者之間的傳導(dǎo)散熱量,而織物的彈性則能改變冷卻介質(zhì)與人體之間貼合程度。Cao等[39]探究了不同纖維成分、織造工藝的織物作為液冷式降溫服內(nèi)層材料的適用性發(fā)現(xiàn),滌綸/氨綸針織物的性能最優(yōu),其較高的彈性性能有助于載冷液貼緊人體,并可增加二者的接觸面積,從而提高其降溫效率。

3.1.4 透濕性能

織物的透濕性能在液體和相變式降溫服的設(shè)計(jì)中被較多關(guān)注。透濕性好的織物能夠有效提升人體微氣候的濕舒適性,從一定程度上緩解液冷和相變式降溫服出現(xiàn)的冷凝現(xiàn)象。Bartkowiak等[40]在液冷降溫服中選用吸濕性能存在差異的內(nèi)外層面料,通過(guò)吸濕性能較強(qiáng)的外層面料將人體水分和水蒸氣導(dǎo)出,從而改善人體的濕舒適性。

3.2 服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的作用

3.2.1 服裝開(kāi)口

服裝開(kāi)口作為人體與環(huán)境熱濕交換的通道,影響服裝熱阻和蒸發(fā)阻力。液體和相變式降溫服為阻擋高溫環(huán)境熱量傳向人體,多采用減小服裝的開(kāi)口。

對(duì)于氣冷式降溫服,開(kāi)口設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)對(duì)流,降低服裝的蒸發(fā)阻力。Zhao等[41]通過(guò)對(duì)比不同部位的開(kāi)口設(shè)計(jì)(無(wú)、胸部、背部、胸背部)對(duì)蒸發(fā)型氣冷式降溫服冷卻效果的影響,提出開(kāi)口應(yīng)設(shè)計(jì)在氣流覆蓋最大的皮膚區(qū)域。隨后,有學(xué)者[42]進(jìn)一步探究了開(kāi)口大小與位置的最優(yōu)方案,發(fā)現(xiàn)前胸聯(lián)合后背的小孔洞(直徑為1 cm)設(shè)計(jì)對(duì)人體皮膚平均溫度和核心溫度的降低作用最好。此外,孔洞設(shè)計(jì)還降低了服裝的膨脹度,分散了空氣從衣領(lǐng)排出的壓力。

3.2.2 服裝款式

氣冷式降溫服的款式多為長(zhǎng)袖、長(zhǎng)褲或連身式,確保氣體可流動(dòng)至身體的各個(gè)部位。為提高降溫效率,張昭華等[38]提出,除軀干外應(yīng)考慮同時(shí)對(duì)頭部降溫,并發(fā)現(xiàn)在總通風(fēng)量一致時(shí),軀干與頭部同時(shí)通風(fēng)的熱濕感及不舒適感都低于僅軀干通風(fēng)的情形。

針對(duì)液冷式降溫服的研究[43]同樣表明,除人體軀干外,將頭部甚至腳部一起納入冷卻的范圍也能提高對(duì)人體整體的降溫效果。

相變式降溫服由于PCM包具有一定的體積和質(zhì)量常以背心款式對(duì)人體的軀干進(jìn)行冷卻。

3.2.3 服裝尺寸

服裝的合體度會(huì)改變衣下微空間的大小及其中的氣流速度,從而影響人體與環(huán)境間的熱濕交換。有研究[37]表明,通風(fēng)氣體的降溫效果取決于服裝尺寸和通風(fēng)率的綜合影響,微氣候內(nèi)較高的空氣流速會(huì)導(dǎo)致對(duì)流傳熱系數(shù)增大,但也會(huì)使氣流與人體不能充分接觸,從而降低了吸熱量,因此,服裝微氣候?qū)νL(fēng)服降溫效果的影響還有待深入量化研究。

4 個(gè)體降溫服功能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基于上述對(duì)冷卻介質(zhì)和基礎(chǔ)服裝2個(gè)方面的研究回顧,本文針對(duì)不同類型介質(zhì)的降溫服歸納出其功能設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1)氣冷式降溫服。通風(fēng)溫度、濕度和通風(fēng)量是氣冷式降溫服的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。盡管通風(fēng)濕度對(duì)其降溫效果的影響最為明顯,然而過(guò)低會(huì)有導(dǎo)致人體脫水的風(fēng)險(xiǎn),此時(shí)可采用適當(dāng)增大通風(fēng)量的方法來(lái)滿足人體的降溫需求。此外,在能源有限的情況下,通風(fēng)溫度不宜過(guò)低,并可在間歇通風(fēng)策略下通過(guò)適度促進(jìn)汗液蒸發(fā)來(lái)提升冷卻效果。

在基礎(chǔ)服裝設(shè)計(jì)中,在人體頭部設(shè)置冷卻介質(zhì)有利于提升整體降溫效果。其中:蒸發(fā)型降溫服可通過(guò)開(kāi)口設(shè)計(jì)提高人體的散熱量;對(duì)流型則應(yīng)關(guān)注服裝規(guī)格尺寸的設(shè)計(jì),二者對(duì)織物透氣性都有一定要求,但是前者要求略高。

2)液冷式降溫服。載冷液的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為溫度與流量,前者相對(duì)更為有效。對(duì)進(jìn)口溫度的調(diào)節(jié)可在大體上控制系統(tǒng)的冷卻能力,且可通過(guò)對(duì)進(jìn)出口溫差的控制來(lái)避免過(guò)冷風(fēng)險(xiǎn)。液體流量的設(shè)計(jì)將影響冷卻速率和冷卻時(shí)間,換熱管路網(wǎng)的密度設(shè)計(jì)也是流量設(shè)計(jì)中需要綜合考慮的因素。

基礎(chǔ)服裝的織物選擇對(duì)于液冷式降溫服非常重要,選擇較高彈性的織物作為服裝內(nèi)層能有效提升換熱面積。外層織物的隔熱能力則有助于提高其降溫效率。此外,提高織物的透濕性可改善著裝的濕舒適性。在人體頭部設(shè)置冷卻介質(zhì)同樣有利于整體降溫。

3)相變式降溫服。相變材料的熔點(diǎn)、潛熱和質(zhì)量是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。PCM熔點(diǎn)決定了相變式降溫服的冷卻速率,其潛熱和質(zhì)量決定了冷卻時(shí)長(zhǎng)。相變材料的質(zhì)量設(shè)計(jì)應(yīng)合理把控,以平衡冷卻功能的提升和人體負(fù)荷的增加。而其密度設(shè)計(jì)應(yīng)綜合人體熱、濕舒適性進(jìn)行考量。

在基礎(chǔ)服裝設(shè)計(jì)上,對(duì)織物隔熱性能和透濕性能的要求與液冷式降溫服類似。

4)組合式介質(zhì)降溫服。介質(zhì)組合是增強(qiáng)降溫服冷卻效果、改善人體熱濕舒適性的有效方法,其中以將PCM和微型風(fēng)扇組合應(yīng)用的便攜降溫系統(tǒng)最為常見(jiàn),但應(yīng)在人體顯著出汗的時(shí)候運(yùn)行風(fēng)扇。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)不同類型個(gè)體降溫服的功能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)行了回顧和分析,從冷卻介質(zhì)和基礎(chǔ)服裝對(duì)降溫服冷卻效果及人體熱濕舒適性的影響2個(gè)方面分別展開(kāi)探討,總結(jié)出不同類型降溫服各自的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

冷卻介質(zhì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可從介質(zhì)的量、特征參數(shù)、及組合應(yīng)用等方面進(jìn)行。每種冷卻介質(zhì)的量及特征參數(shù)對(duì)降溫服的冷卻效果有主次之分或作用分工,可依據(jù)主次作用或降溫需求對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。組合介質(zhì)設(shè)計(jì)在優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的前提下也應(yīng)選擇合適的應(yīng)用場(chǎng)景或采取適當(dāng)?shù)睦鋮s策略。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)服裝時(shí),織物的隔熱性能、透氣性能、彈性、透濕性能,以及服裝的開(kāi)口、款式和尺寸設(shè)計(jì)均需要分別加以考慮,選擇與冷卻介質(zhì)相適應(yīng)的織物及款式結(jié)構(gòu)。

未來(lái)的降溫服功能設(shè)計(jì)應(yīng)該在全面分析作業(yè)環(huán)境、人體活動(dòng)的基礎(chǔ)上,根據(jù)人體實(shí)際的熱量散失需求開(kāi)展。一方面可對(duì)不同降溫方式下基礎(chǔ)服裝織物性能和服裝結(jié)構(gòu)的配置設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探究;另一方面可通過(guò)數(shù)值參數(shù)研究為不同環(huán)境及不同人體活動(dòng)水平下冷卻介質(zhì)和基礎(chǔ)服裝的配置提供精確的設(shè)計(jì)參數(shù)。在考慮人體工程學(xué)的基礎(chǔ)上平衡人體的熱、濕舒適性,從而為個(gè)體降溫服的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)和可行的方法。此外,低能源消耗也是未來(lái)降溫服功能設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向。