制冷與制熱空調(diào)服的研究進(jìn)展

范一強(qiáng)， 賀建蕓， 劉士成， 高克鑫， 張亞軍

( 北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100029)

空調(diào)服作為一種具有溫度調(diào)節(jié)功能的特殊服裝，在維持極冷極熱環(huán)境中的人體溫度方面具有特殊重要作用。在高溫環(huán)境中，當(dāng)人體的自身溫度調(diào)節(jié)機(jī)制不能滿足散熱需要，人體核心溫度接近40 ℃時(shí)，就容易發(fā)生熱射病[1]、熱痙攣[2]以及熱衰竭[3]等疾病。相反的，在極低溫環(huán)境中，如果人體熱量散失過快，核心溫度低于35 ℃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致低溫癥；人體核心溫度進(jìn)一步下降接近30 ℃時(shí)，就會(huì)逐漸喪失意識(shí)[4]。

空調(diào)服作為一種可對(duì)人體溫度進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)的可穿戴設(shè)備，其應(yīng)用非常廣泛。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于特殊疾病病人的體溫控制、神經(jīng)外科手術(shù)中病人的體溫保持等；在工業(yè)領(lǐng)域，可用于在極端環(huán)境(井下、玻璃/鋼鐵熔爐中)各類作業(yè)工人的體溫保持；在體育領(lǐng)域，還可用于調(diào)節(jié)賽車手比賽過程中的體溫，以及各類運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究等；在軍事領(lǐng)域，不僅可協(xié)助調(diào)節(jié)士兵體溫適應(yīng)各類戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的需要，還可應(yīng)用在各類軍用車輛的高溫環(huán)境或寒冷深海潛水等活動(dòng)中。

本文根據(jù)近年來國內(nèi)外最新研究成果，嘗試將制冷、制熱空調(diào)服按照制冷/制熱原理進(jìn)行分類介紹和比較，并對(duì)制冷/制熱空調(diào)服的融合發(fā)展趨勢(shì)，以及空調(diào)服與可穿戴生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一體化進(jìn)行展望。

1 人體體溫調(diào)節(jié)機(jī)制

人體由于新陳代謝而產(chǎn)生熱量，除去人體用于做機(jī)械功的熱量外，其他熱量通過熱傳導(dǎo)、熱輻射、呼吸以及汗液蒸發(fā)等方式被擴(kuò)散到環(huán)境中[5]。人體新陳代謝速率與人體所做機(jī)械功的差值是人體通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射、出汗蒸發(fā)與外界環(huán)境熱交換之間的和[6]。

正常情況下，人體體溫為37 ℃，并通過人體自身的體溫調(diào)節(jié)機(jī)制將人體核心溫度維持在(37±1)℃，人體自身體溫調(diào)節(jié)機(jī)制的有效工作范圍為35～40 ℃。人體肌肉在運(yùn)動(dòng)時(shí)，所消耗的能量只有30%～70%被轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能，其他消耗的能量都轉(zhuǎn)化為熱量[6]。靜態(tài)情況下成年人體的產(chǎn)熱量為70～100 W，在走路時(shí)發(fā)熱量為280～350 W，極限情況下的發(fā)熱量可達(dá)1 000 W以上[5]。

人體與外界環(huán)境的熱量傳遞主要通過2個(gè)途徑：一是借助人體核心與外界環(huán)境的溫度梯度，通過人體組織間的熱傳導(dǎo)完成熱量傳遞，這種熱傳導(dǎo)方式在外界環(huán)境溫度很高時(shí)對(duì)于散熱的貢獻(xiàn)非常有限；二是通過人體的動(dòng)靜脈循環(huán)，通過血液將人體熱量傳送到溫度較低的四肢等部位進(jìn)行散熱[7]。人體穿著衣物后，對(duì)這2種散熱方式都產(chǎn)生了顯著影響，衣物的積極作用是，通過衣物可在外界高溫和寒冷環(huán)境情況下阻礙人體向外界的過度吸熱/放熱；衣物的消極作用是，當(dāng)人體進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)而發(fā)熱時(shí)衣物阻礙了人體向外界環(huán)境的快速散熱[8]?？梢?，衣物對(duì)于人體與外界環(huán)境的熱交換起到了關(guān)鍵作用。

人體體表溫度的差異很大，一般分為手腳、四肢、軀干和頭頸部4個(gè)區(qū)域[9]。其中，發(fā)熱量最大的是軀干，其次是血管密集的頭頸部。空調(diào)服作為人體體溫調(diào)節(jié)的輔助手段，通常情況下也是通過對(duì)軀干[10]和頭頸部[11]溫度的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)平衡人體吸放熱，維持人體核心溫度的目的。

2 制冷空調(diào)服

制冷空調(diào)服用于降低和維持在高溫高濕環(huán)境中作業(yè)人員的體溫，不同研究者對(duì)于制冷空調(diào)服的分類不盡相同，本文根據(jù)制冷空調(diào)服的工作原理將制冷空調(diào)服分為空氣制冷、凝膠/冰袋制冷、相變制冷以及液體制冷4類，并分別加以介紹和比較。其他幾種不常見或者還只停留在概念階段的空調(diào)服，如半導(dǎo)體制冷空調(diào)服[12]、真空干燥制冷空調(diào)服[13-14]則不在本文討論范圍之內(nèi)。

空氣冷卻空調(diào)服通過加速干燥空氣在皮膚表面的流動(dòng)：一方面加速蒸發(fā)汗液，帶走熱量；另一方面對(duì)體表進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流冷卻，以達(dá)到降溫的目的。凝膠/冰袋冷卻方法則是將冷凍后的凝膠或冰袋放置在空調(diào)服內(nèi)層的口袋中，通過凝膠/冰袋融化吸熱達(dá)到降低人體溫度的目的。相變冷卻則利用某些材料(如石蠟)在從固體到液體相變時(shí)吸熱的性質(zhì)，將相變材料整合在空調(diào)服內(nèi)部，當(dāng)人體溫度升高時(shí)通過相變材料吸熱帶走多余熱量。液體冷卻空調(diào)服則使用埋藏在空調(diào)服內(nèi)部的液體管道，通過低溫液體在管道內(nèi)的循環(huán)達(dá)到降低人體溫度的目的。

2.1 空氣冷卻空調(diào)服

在沒有空調(diào)服對(duì)人體進(jìn)行體溫主動(dòng)調(diào)節(jié)的情況下，排汗是人體最為原始和有效的散熱方式。研究表明，1 L汗液蒸發(fā)大約可帶走2 400 kJ的熱量。汗液的蒸發(fā)效率與皮膚面積、人體與外界的水蒸氣壓力差以及衣物的透氣性能直接相關(guān)。

空氣冷卻空調(diào)服一般具有2種結(jié)構(gòu)形式。第1種空氣冷卻空調(diào)服具有2層結(jié)構(gòu)：外層的不透氣材料和內(nèi)層的透氣材料。經(jīng)干燥和冷卻的空氣在2層織物間流動(dòng)，通過加速汗液蒸發(fā)和對(duì)皮膚表面進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱[15-16]降低人體體表溫度。第2種空氣冷卻空調(diào)服只具有1層結(jié)構(gòu)，由安裝在空調(diào)服織物上不同部位風(fēng)扇或風(fēng)扇陣列直接將外界空氣送入空調(diào)服中，加速空調(diào)服內(nèi)的空氣流動(dòng)[17-18]。

從空氣制冷空調(diào)服的發(fā)展來看，由于其應(yīng)用場(chǎng)合較為單一，不能在空調(diào)服內(nèi)外穿著其他衣物，且在外界環(huán)境溫度很高的情況下無法實(shí)現(xiàn)制冷效果，僅在室內(nèi)環(huán)境工作人員中使用，目前還未在工業(yè)或軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.2 凝膠/冰袋冷卻空調(diào)服

通過凝膠/冰袋進(jìn)行制冷的空調(diào)服內(nèi)層一般具有數(shù)個(gè)用來裝凝膠/冰袋的口袋，人體熱量通過血液循環(huán)帶到體表后被凝膠或者冰袋吸收。通常情況下，單個(gè)冰袋的質(zhì)量為400～700 g,空調(diào)服內(nèi)使用2～6個(gè)，計(jì)算結(jié)果表明，1 kg冰融化可吸熱335 kJ[19]。使用凝膠/冰袋空調(diào)服可有效降低高溫環(huán)境中穿著者的心率以及體表溫度[20-21]。

通過凝膠/冰袋進(jìn)行冷卻的空調(diào)服結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，且凝膠/冰袋可以重復(fù)利用。凝膠/冰袋冷卻空調(diào)服具有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：1)凝膠/冰袋使用過后需要重新冷凍才能再使用(過程可能需要數(shù)小時(shí))；2)凝膠/冰袋在使用過程中表面會(huì)產(chǎn)生冷凝水，浸透衣物后增加空調(diào)服穿著者的不適，可能導(dǎo)致皮膚過敏；3)凝膠/冰袋的溫度較低，穿著過程中緊貼皮膚可能導(dǎo)致血管收縮，導(dǎo)致皮膚附近外周血回流，反而影響了人體的自身溫度調(diào)節(jié)機(jī)制，導(dǎo)致身體核心溫度上升、心跳加快。

2.3 相變冷卻空調(diào)服

相變冷卻空調(diào)服基于相變材料(PCM)可在相變時(shí)吸收熱量但溫度不發(fā)生變化的原理，吸收人體表面熱量，降低人體溫度。常用的相變材料有基于石蠟[22-23]、聚乙二醇(PEG)[24-25]等的混合物，其常見的融化吸熱溫度區(qū)間為20～40 ℃；在人體正常體溫范圍內(nèi)，其固化吸熱的溫度區(qū)間為-30～10 ℃[26]。相變材料與空調(diào)服的常見結(jié)合方式有3種：1)將相變材料袋(5～15 cm大小)裝入空調(diào)服內(nèi)的口袋中[22]；2)將含有相變材料的微膠囊(10～100 μm)編織在空調(diào)服中[27]；3)將相變材料納米纖維埋藏在空調(diào)服織物中[28]。

Yazdanirad等[29]研制的空調(diào)服中，將17個(gè)分別裝有135 g石蠟相變材料的鋁制袋子放入馬甲外形的空調(diào)服中，在30 min的輕度和中度運(yùn)動(dòng)測(cè)試中，受試者的體表溫度分別下降了0.32 ℃和1.96 ℃。Bartkowiak等[22]則介紹了3種由不同紡織方式加工成的含有相變材料微膠囊(微米直徑膠囊)或相變材料大顆粒(直徑為4 mm)的制冷空調(diào)服，結(jié)果表明這3種空調(diào)服均可有效將人體表面溫度降低2～4 ℃。

從相變制冷空調(diào)服相變材料的排布方式看，將含有微膠囊纖維編織成的空調(diào)服透氣性較好，柔軟舒適，但是由于相變材料的總量不足，只能維持大約15 W的吸熱，且能持續(xù)使用的時(shí)間不足；使用袋裝相變材料的空調(diào)服則由于與人體貼合面積較大，不利于濕氣排出，且影響了織物的柔軟度，穿著不舒適。

與其他制冷方式的空調(diào)服相比，相變制冷的空調(diào)服具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：1)相變吸熱過程中材料溫度不發(fā)生改變，不會(huì)像冰袋制冷那樣可能造成皮膚凍傷,能夠貼身穿戴降低熱損失；2)相變材料使用后從液態(tài)到固態(tài)的恢復(fù)快，只需要在冷水中浸泡約20 min。其缺點(diǎn)為：1)與冰袋相比，吸熱量不足，難以維持長時(shí)間(3 h以上)的工作；2)某些相變材料具有一定毒性，破裂后與人體直接接觸可能導(dǎo)致傷害。

2.4 液體冷卻空調(diào)服

凝膠/冰袋以及相變冷卻2種空調(diào)服的工作方式均為被動(dòng)工作，其吸熱量和速度并不能人為進(jìn)行控制，而液體冷卻空調(diào)服則通過冷卻液在換熱管道中循環(huán)的方式帶走人體多余熱量，這種制冷方式可根據(jù)人體和空調(diào)服的工作情況對(duì)液體工質(zhì)的溫度和流量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，具有主動(dòng)控制的能力，代表了制冷空調(diào)服未來的發(fā)展方向。

早期的液體冷卻空調(diào)服是提供給空間環(huán)境中的宇航員使用，在美國阿波羅計(jì)劃中登月用空調(diào)服就是基于液體冷卻原理[30]。到目前為止，液體冷卻空調(diào)服已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)[31]、礦井[32]、消防[33]、醫(yī)療[34]等領(lǐng)域。液體冷卻空調(diào)服通常由液體儲(chǔ)存罐、循環(huán)泵、換熱器、空調(diào)服內(nèi)排布的換熱管道以及各類流量和溫度傳感器組成[35]。

目前液體冷卻空調(diào)服對(duì)液體工質(zhì)的冷卻方法有2種：使用冰塊等[36]制冷劑對(duì)液體工質(zhì)進(jìn)行冷卻或者使用類似空調(diào)原理的壓縮機(jī)系統(tǒng)[37-38]對(duì)液體工質(zhì)進(jìn)行冷卻。其中：利用冰塊、冰袋等在換熱槽中對(duì)液體工質(zhì)進(jìn)行冷卻的方法較為常見且成本較低；使用壓縮機(jī)系統(tǒng)對(duì)循環(huán)液體工質(zhì)進(jìn)行冷卻的研究還集中于軍用方面。

大部分現(xiàn)有研究中，液體循環(huán)冷卻空調(diào)服由3層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，外層保護(hù)層、中間層以及內(nèi)層與皮膚接觸層，液體工質(zhì)循環(huán)管道被縫制在中間層與內(nèi)層之間[39]。由于需要保證換熱管與皮膚的緊密接觸提高換熱效率，空調(diào)服的外形設(shè)計(jì)上往往采取了一定程度的收緊。目前大部分換熱管采用了聚氯乙烯(PVC)材質(zhì)[40]，內(nèi)徑為1.5～1.7 mm，長度為90～100 m，覆蓋了15%～20%的皮膚面積，典型的循環(huán)速度為0.5～2 g/s，換熱速度為100～400 W[41]。常用的液體工質(zhì)為水，或者50%水和50%丙二醇的混合物。

目前液體冷卻空調(diào)服作為空調(diào)服領(lǐng)域應(yīng)用前景最為廣泛的技術(shù)，具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：1)換熱量可以根據(jù)空調(diào)服內(nèi)外溫濕度環(huán)境的變化利用液體工質(zhì)循環(huán)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)；2)與其他被動(dòng)式制冷空調(diào)服相比，持續(xù)使用時(shí)間長；3)換熱管可對(duì)頭部進(jìn)行冷卻，這是其他制冷空調(diào)服技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的。液冷空調(diào)服作為未來智能服裝的發(fā)展方向，還需克服以下幾個(gè)缺點(diǎn)：1)提高換熱效率，減少空調(diào)服質(zhì)量，需要開展空調(diào)服內(nèi)層織物、換熱管外形等方面的研究；2)需要與生命體征傳感器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)根據(jù)維持人體生命體征的需要，對(duì)空調(diào)服的運(yùn)行進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)的目的；3)優(yōu)化空調(diào)服的外形結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同體型的人群穿著，優(yōu)化換熱管的排布，提高換熱效率；4)考慮和增強(qiáng)頭部制冷，頭部的發(fā)熱量僅次于軀干且頭部過熱會(huì)直接導(dǎo)致神志不清甚至昏厥，在后續(xù)的空調(diào)服研究中，需要充分考慮頭部冷卻的需要。

2.5 小 結(jié)

表1所示內(nèi)容對(duì)上述討論的幾種空調(diào)服在換熱介質(zhì)、空調(diào)服成本、換熱速度、工作時(shí)間、穿戴舒適程度這幾個(gè)方面進(jìn)行了比較。實(shí)際研究和應(yīng)用中，還需要根據(jù)不同使用場(chǎng)合的具體需要合理選擇。在制冷空調(diào)服的試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)上，目前國內(nèi)尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國外可以參考的空調(diào)服檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)有2項(xiàng)：一是用于穿戴在暖體假人身上的空調(diào)服試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，ASTM F2371—2010e1《加熱人體模型測(cè)量個(gè)人冷卻系統(tǒng)的換熱效率標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》；二是用于真人穿戴空調(diào)服的試驗(yàn)檢測(cè)方法，ASTM F2300—2010《個(gè)人冷卻系統(tǒng)的性能測(cè)試方法》。

表1 不同制冷技術(shù)空調(diào)服比較表Tab.1 Various cooling methods for cooling garments

3 制熱空調(diào)服

人體暴露在極冷環(huán)境中，很容易發(fā)生凍結(jié)性[42]和非凍結(jié)性[43]損傷。在極冷環(huán)境中穿戴制熱空調(diào)服(或制熱頭套、手套等)，可有效主動(dòng)預(yù)防低體溫癥和手指、腳趾凍傷，適合應(yīng)用于寒冷地區(qū)或特殊環(huán)境(如冷庫)中低溫作業(yè)、深海潛水、登山等場(chǎng)合。近年來，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究者發(fā)現(xiàn)，制熱空調(diào)服可有效保持心臟、肝臟移植等手術(shù)中病人的體溫[44]；在體育領(lǐng)域研究者發(fā)現(xiàn)，使用制熱空調(diào)服可幫助游泳運(yùn)動(dòng)員在比賽前提高熱身環(huán)節(jié)的效率，從而提高比賽成績[45]。相比于制冷空調(diào)服，制熱空調(diào)服的發(fā)展較晚，發(fā)展過程中也充分借鑒了制冷空調(diào)服的換熱方法，形成了電制熱空調(diào)服、相變材料制熱空調(diào)服、化學(xué)反應(yīng)制熱空調(diào)服這3種結(jié)構(gòu)形式。

值得指出的是，制冷空調(diào)服的設(shè)計(jì)和使用是以降低人體核心溫度為主要目的，因此在四肢部位一般無需空調(diào)服覆蓋。然而，人體在低溫環(huán)境中伴隨著代謝降低，皮膚和肢端血管出現(xiàn)持續(xù)性收縮，因此皮膚和肢端非常容易發(fā)生局部凍傷，在制熱空調(diào)服的研究中需要著重于肢端(四肢手腳)的保護(hù)。這也是制冷與制熱空調(diào)服在外形設(shè)計(jì)上的最主要區(qū)別。

不同于制冷空調(diào)服，制熱空調(diào)服在國內(nèi)外還沒有成熟的設(shè)計(jì)與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3.1 電制熱空調(diào)服

使用電加熱方法通過衣物對(duì)人體加熱具有悠久的歷史，早在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期轟炸機(jī)飛行員就已經(jīng)使用具有電加熱功能的飛行夾克保持在高空環(huán)境的人體體溫[30]。

從制熱空調(diào)服的電加熱方法看，主要使用電阻絲、石墨烯[46-47]、導(dǎo)電橡膠[48]、導(dǎo)電紗線[49]等材料加熱。電制熱空調(diào)服的設(shè)計(jì)和加熱方法選擇上主要考慮盡量減少對(duì)穿戴者運(yùn)動(dòng)的限制以及使用合理高效的加熱方法。Liu等[50]則將具有銀質(zhì)涂層的導(dǎo)電紗線與棉線混合紡織制成了電制熱空調(diào)服。

碳纖維材料具有柔軟和熱轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，代表了未來電加熱空調(diào)服的發(fā)展方向。碳纖維進(jìn)行電加熱可達(dá)到99.9%的能量轉(zhuǎn)換效率，1 kW·h的制熱量可達(dá)到6.9 kJ，碳纖維發(fā)熱過程中的遠(yuǎn)紅外發(fā)射效率可達(dá)到0.95，且可在1.5～12 V的低電壓區(qū)間工作，安全性高[51]。從現(xiàn)階段電加熱空調(diào)服的發(fā)展看，盡管碳纖維材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于價(jià)格較高，其應(yīng)用還未普及。電加熱空調(diào)服的明顯缺點(diǎn)是耗電量大，往往電池只能維持30～40 min，且電池質(zhì)量對(duì)空調(diào)服的輕便靈活性造成了嚴(yán)重影響。伴隨環(huán)境溫度的下降，產(chǎn)熱要求逐漸提升，但是電池性能卻不斷下降，目前技術(shù)條件下低于-14 ℃環(huán)境中電加熱空調(diào)服就基本失去了有效制熱能力。

3.2 相變材料制熱空調(diào)服

本文2.3節(jié)中介紹了相變制冷空調(diào)服的基本原理，將相變材料的吸熱過程反過來變成放熱過程，就得到了基于相變材料的具有自主放熱能力的空調(diào)服。相變制熱空調(diào)服的結(jié)構(gòu)與相變制冷空調(diào)服完全一致，將各類相變溫度與人體溫度相近的材料通過微膠囊[52]、含有相變材料的纖維或者相變材料袋等方式整合在空調(diào)服中。

相變制熱空調(diào)服在穿著過程中，相變材料在較為溫暖的環(huán)境中從人體吸熱儲(chǔ)存，在人體進(jìn)入寒冷環(huán)境中后再向人體放熱。盡管相變材料空調(diào)服具有結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但從其工作過程不難看出其吸放熱過程完全取決于人體與外界環(huán)境的溫度梯度，然而，環(huán)境溫度變化范圍較大，很難保證人體進(jìn)入寒冷環(huán)境后相變空調(diào)服能實(shí)現(xiàn)向人體放熱的過程。后續(xù)研究中應(yīng)著重從相變材料和控制方法2個(gè)方面入手，研究具有主動(dòng)控制吸放熱能力的相變材料制熱空調(diào)服系統(tǒng)。

3.3 化學(xué)制熱空調(diào)服

化學(xué)制熱空調(diào)服利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量(通常為氧化反應(yīng))的方法對(duì)人體放熱，在潛水等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。Chan等[53]將鎂與鐵的混合顆粒裝在45 mm2的加熱袋中，加熱袋被海水激活后發(fā)生放熱反應(yīng)，可為50 m以下的潛水活動(dòng)提供輔助加熱功能，還可通過顆粒大小和混合比例等對(duì)放熱反應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

近年來，自發(fā)熱貼(暖寶寶)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，為化學(xué)制熱空調(diào)服的發(fā)展提供了新思路，發(fā)熱貼的主要成分是碳粉、NaCl固體、Fe2O3固體以及含鎂鋁的鹽類，暴露在空氣中后可發(fā)生緩慢的氧化反應(yīng)，放出熱量，其發(fā)熱時(shí)間可長達(dá)12 h，最高可達(dá)68 ℃，其反應(yīng)方程為

自發(fā)熱貼由3層材料構(gòu)成，分別為原料層、明膠層和非織造布袋，通過緩慢與氧氣發(fā)生反應(yīng)控制自發(fā)熱貼發(fā)熱速度。目前，還沒有成熟的基于暖寶原理的制熱空調(diào)服。

針對(duì)化學(xué)制熱空調(diào)服的研究目前還較少，現(xiàn)有各種加熱方法都使用了基于氧化反應(yīng)原理的加熱袋，加熱袋具有成本低，易于與各類衣物結(jié)合的特點(diǎn)。然而，其發(fā)熱過程控制較為困難，加熱袋的溫度在42 ℃以上老人和兒童使用就很容易發(fā)生燙傷，同時(shí)，如何避免使用過程中化學(xué)藥品發(fā)生泄漏也是后期研究中需要著重考慮的方面。

4 空調(diào)服發(fā)展中存在的問題

空調(diào)服目前的發(fā)展具有以下不足，需要進(jìn)一步研究。1)空調(diào)服功能單一。各類空調(diào)服都只具有單一的制冷或者制熱功能，還沒有同時(shí)具備制冷制熱雙向功能的空調(diào)服，無法滿足復(fù)雜氣候環(huán)境中使用的需要(如軍事用途)。2)自主控制性能缺失。本文介紹的各類加熱和制冷空調(diào)服中，相變冷卻、冰袋冷卻等在原理上無法對(duì)換熱過程進(jìn)行主動(dòng)控制，液體循環(huán)換熱空調(diào)服的研究中也還未形成基于空調(diào)服內(nèi)外環(huán)境變化的自適應(yīng)控制技術(shù)。3)缺少對(duì)使用者生命體征進(jìn)行監(jiān)控的功能?？照{(diào)服作為使用者的生存環(huán)境保障工具，對(duì)于使用者生命體征信息的獲知至關(guān)重要，現(xiàn)有空調(diào)服技術(shù)中還未形成對(duì)系統(tǒng)性的生命體征進(jìn)行全面檢測(cè)、監(jiān)控技術(shù)。

伴隨著可穿戴技術(shù)的發(fā)展，各類可與衣物結(jié)合或可直接穿戴的生命體征傳感器發(fā)展迅速，提供了血氧、心電、心率、血壓、體溫傳感器等生命體征信息。順應(yīng)這一發(fā)展，基于空調(diào)服的智能化需求，應(yīng)當(dāng)充分考慮將現(xiàn)有空調(diào)服技術(shù)與可穿戴生命體征傳感技術(shù)相結(jié)合的可能性。具備生命體征檢測(cè)功能的空調(diào)服一方面可對(duì)空調(diào)服穿戴者的生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；另一方面可使用生命體征監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)空調(diào)服的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)自主控制。

5 結(jié)束語

本文對(duì)制冷、制熱空調(diào)服現(xiàn)階段國內(nèi)外的發(fā)展情況進(jìn)行了分析和總結(jié)。在制冷空調(diào)服方面，梳理了液冷、冰袋制冷、相變制冷等類型空調(diào)服的工作原理和適用范圍；在制熱空調(diào)服方面，介紹和梳理了電熱、相變產(chǎn)熱、化學(xué)制熱空調(diào)服等的基本工作原理和應(yīng)用范圍。

未來空調(diào)服發(fā)展方向包括以下3個(gè)方面：1)新材料的應(yīng)用，伴隨材料科學(xué)的飛速發(fā)展，可以預(yù)見碳纖維、石墨烯、納米材料憑借其優(yōu)異的換熱性能與空調(diào)服相結(jié)合能夠顯著提升空調(diào)服的性能；2)制冷與制熱空調(diào)服相結(jié)合，目前絕大部分空調(diào)服都只具有單一制冷或制熱功能，面向復(fù)雜極端環(huán)境的需要，可以預(yù)見未來空調(diào)服的發(fā)展必將向制冷制熱雙功能結(jié)合方向發(fā)展；3)空調(diào)服與各類可穿戴生命體征檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，即在空調(diào)服內(nèi)部通過可穿戴技術(shù)整合一系列生命體征監(jiān)測(cè)傳感器，通過生命體征的監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)空調(diào)服進(jìn)行實(shí)時(shí)主動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自主控制的智能空調(diào)服。

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