降溫服的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

柯瑩， 張海棠

(江南大學 設計學院，江蘇 無錫 214122)

當從事生理學、職業(yè)健康和安全專業(yè)的工作人員，在炎熱的氣候條件下從事高強度體力勞動時，會使其健康和安全狀況受到極大的威脅。因此，在極端氣候條件下減輕從事體力勞動工作者的熱應激反應問題亟待解決。降溫服是一種能夠在高溫環(huán)境下保護穿著者不受熱害影響的個體防護裝備[1]，它將制冷裝置與服裝相結(jié)合，可以有效改善人體微氣候，使人體在高溫、高濕環(huán)境下保持一定的溫濕度，降低熱環(huán)境對人體的危害，提高人體的熱舒適性和工作效率[2]。個體降溫服作為直接有效的降溫防護裝備，及時保護了工作人員的生命健康，具有很高的研究價值和意義。

國外關(guān)于降溫服的研究是在20世紀50年代首次提出“水冷服”概念以后展開的。其主要應用領域從最初的航天航空逐步拓展到消防、軍事、煤礦等方面[3-5]。雖然國內(nèi)對降溫服的研究稍晚，但近年不少學者對降溫服的研究也取得了一些進展，尤其是各種相變材料的出現(xiàn)，為學者對降溫服的研究帶來了新的思路。

目前，國內(nèi)外有關(guān)降溫服的研究多集中在制冷裝備的性能開發(fā)上，有關(guān)降溫服的安全性、舒適性等綜合性能的評價也很多。文中主要依據(jù)國內(nèi)外最新研究成果，按照降溫服降溫介質(zhì)進行分類介紹，歸納整理降溫服在關(guān)鍵技術(shù)和測試方法兩方面的研究現(xiàn)狀，分析降溫服的研究瓶頸，對其未來的發(fā)展趨勢進行展望，為降溫服的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 降溫服的工作原理與分類

1.1 降溫服的工作原理

在人體皮膚表面和服裝內(nèi)層之間存在空氣層，這一微小空間被稱為服裝微氣候區(qū)，其溫度、濕度、氣流速度影響著人體的舒適性[6-7]。原田隆司[8]在研究服裝與人體間的微氣候時，總結(jié)出服裝微氣候區(qū)的溫濕度與人體熱舒適感之間的關(guān)系，具體如圖1所示。

圖1 服裝微氣候區(qū)的溫濕度與人體熱舒適感之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between temperature and humidity in clothing microclimate area and thermal comfort of human body

由圖1可知，當服裝微氣候區(qū)的溫度為32℃±1℃、相對濕度為50%±10%時，熱舒適度最高。影響服裝微氣候的因素包括人的生理及心理狀態(tài)、外界環(huán)境和人體運動狀態(tài)，同時也包括服裝自身的結(jié)構(gòu)與材料。降溫服的原理是通過制冷裝置對服裝微氣候區(qū)進行直接降溫，快速排除多余水分，使服裝微氣候區(qū)始終保持在舒適范圍內(nèi)，從而維持人體的熱量平衡[9]。

當人體處于高溫環(huán)境時，身體本身會通過生理及行為反應進行散熱，例如呼吸、排泄、汗液蒸發(fā)等。而降溫服則是通過其中的制冷裝置對服裝微氣候區(qū)進行降溫，其降溫方式主要包含3種：蒸發(fā)散熱、對流散熱、傳導散熱。一般蒸發(fā)型氣冷服，是通過風扇形成的對流空氣促進皮膚表面汗液蒸發(fā)時會帶走熱量這一特性來實現(xiàn)降溫效果；對流型氣冷服，通過預冷氣體與人體產(chǎn)生熱對流交換時可以帶走熱量來達到降溫目的；而傳導散熱型降溫服，則是通過接觸預冷液體或相變材料，使熱量從人體(高溫物體)傳遞到液體或相變材料(低溫物體)中，利用傳導散熱實現(xiàn)降溫。

1.2 降溫服的分類

降溫服的分類方式很多，按服裝結(jié)構(gòu)，分為全身性降溫服和局部降溫服；按降溫動力源，分為主動式降溫服和被動式降溫服；按制冷方式，分為蓄冷型降溫服、蒸汽壓縮式降溫服、渦流管式降溫服和電熱制冷式降溫服；按降溫介質(zhì)的不同，分為氣體降溫服、液體降溫服和相變降溫服。文中主要按照降溫介質(zhì)進行分類介紹，總結(jié)了3種降溫服的不同特性，具體見表1。

表1 3種降溫服的特性對比

1.2.1氣體降溫服 氣體降溫服以環(huán)境空氣或壓縮空氣為降溫介質(zhì)，通過通風管道使空氣吹向服裝微氣候區(qū)，從而達到降溫效果。根據(jù)散熱方式的不同，氣體降溫服分為蒸發(fā)型氣冷服和對流型氣冷服。兩種氣體降溫服的優(yōu)缺點見表2。

表2 兩種氣體降溫服的優(yōu)缺點對比

Tab.2 Advantages and disadvantages of two kinds of gas cooling suit

類型優(yōu)點缺點蒸發(fā)型氣冷服對通風溫度沒有要求,便攜需要電源對流型氣冷服效果好,效率高需要電源、制冷器,質(zhì)量重,體積大

蒸發(fā)型氣冷服主要利用水汽壓梯度促進汗液蒸發(fā)散熱。韓興旺等[10]研發(fā)了一款換氣式降溫服，其將風扇縫制在背心中，利用風扇形成的強對流空氣促進人體皮膚表面的汗液蒸發(fā)，評價實驗結(jié)果顯示，此款降溫服有效地減少了人體的熱應激。劉靜等[11]將微型風扇編織到服裝中，通過微電池驅(qū)動風扇運轉(zhuǎn)達到降溫目的，這款降溫服的穿著舒適性更高。

對流型氣冷服主要利用壓縮空氣在撤去外力后恢復到原來體積時會變冷這一特性，實現(xiàn)降溫效果。其原理為當空氣壓縮機把空氣凈化冷卻后，通過高壓管將空氣輸入降溫服內(nèi)，氣體與人體產(chǎn)生熱對流交換，從而對皮膚表面進行降溫。YANG Y F等[12]將真空干燥冷卻技術(shù)應用到降溫服中，實驗證明它的降溫效率高達373 W/m2。盛偉等[13]研究了一種無電自壓縮式降溫服，它是利用人們雙腳對地的瞬時壓力作為制冷裝置的動力源，節(jié)能環(huán)保，且可長時間持續(xù)工作。洪福銀[14]研發(fā)出軀干頭部共同降溫的風扇降溫服，將通風調(diào)整件裝置在服裝后背上部和后領處，形成立體通風道，空氣通過后領通風調(diào)整件到達頭部，讓頭部實現(xiàn)同步降溫。

氣體降溫服優(yōu)點是服裝質(zhì)量較輕、氣源豐富、降溫時間持久、降溫效果良好等。但由于氣體降溫服需要電源，且內(nèi)部充滿氣體，在一些存在危險氣體的環(huán)境中(如礦井)，存在很高的危險性，同時穿著者的活動受高壓管長度限制，自由度不高，影響工作效率。

1.2.2液體降溫服 液體降溫服主要由服裝、冷卻液循環(huán)系統(tǒng)和附件組成，具體如圖2所示。冷卻液循環(huán)系統(tǒng)決定了降溫服的降溫性能和效率，并影響著人體穿著的舒適度。冷卻液循環(huán)系統(tǒng)包括換熱管路、微型水泵、降溫介質(zhì)。其中一般的降溫介質(zhì)有水、冰水混合物、低于零度的冷凍液等[15-16]。液體降溫服的工作原理是利用微型泵將預冷過的液體通過降溫服中的換熱管路輸送到人體全身或需要降溫的部位，此時預冷液體與人體產(chǎn)生熱交換從而進行降溫。而流經(jīng)人體的液體也會通過出管口在制冷裝置內(nèi)降溫散熱，形成閉合回路，可循環(huán)使用。目前大部分研究中，液體降溫服在結(jié)構(gòu)設計上往往采用修身款式，以保證服裝中的換熱管與人體緊密接觸，提高降溫效果。

國內(nèi)外學者從換熱管路參數(shù)、降溫介質(zhì)溫度以及水泵特性等多方面研究了液體降溫服的性能。牛麗等[17]研究了換熱管路的排布結(jié)構(gòu)對液體降溫服的影響，得到橫向換熱管路的降溫效果高于縱向，且降溫時間更持久。一般當管路間隔3.5 cm時，管路處溫度升溫速率緩慢且時間較長，因此間隔處的降溫時間也有所延長[18]。郭庭輝[19]研究了水泵的結(jié)構(gòu)與特性對液體降溫服性能的影響，得出水泵流量和揚程分別為600 mL/min及48 kPa時，降溫服的效果最優(yōu)。

液體降溫服的平均散熱量可達726.9 W，能夠有效處理人體產(chǎn)生的大量代謝熱，降溫效果顯著。目前液體降溫服可以通過調(diào)整降溫介質(zhì)進口的溫度或流速，控制降溫服的整體溫度，以適應人體不同環(huán)境下的穿著需求。但是液體降溫服存在較高液體泄漏問題，且無論是移動式制冷裝置液體降溫服，還是固定式液體降溫服，其穿著時的活動自由度都較低。

1.2.3相變降溫服 相變降溫服是利用相變材料在環(huán)境溫度高于相變點時融化吸熱，低于相變點時凝固放熱的特性進行工作的[20]。相變降溫服的降溫介質(zhì)包括冰、干冰、凝膠、相變材料、微膠囊相變材料等。相變降溫服一般在使用前需要將相變材料袋(5～15 cm)進行預冷處理，再放置到降溫服內(nèi)部的若干口袋中，降溫過程一般可維持2～4 h，相變過程發(fā)生一段時間后，需取出相變材料袋，重新對其進行蓄冷，屬于被動式降溫服[21]。

BARTKOWIAK G等[21]研究提出，由3種不同紡織加工方式制成的含有微膠囊或相變大顆粒的降溫服，結(jié)果顯示這3種降溫服均使人體表面溫度降低了2～4℃。ALMQVIAT H O[22]研發(fā)了一種新型相變降溫服，該降溫服增設了一個可以指示相變材料冷卻能力的傳感器和一個具有活化物質(zhì)的便攜式容器。其中傳感器可根據(jù)材料溫度顯示不同顏色，提示使用者是否需要更換材料，而便攜式容器可供相變材料再次活化制冷。AYERS D 等[23]研制了一款同時具有降溫性和保暖性的服裝，當人體穿著其中一面時，服裝通過捕獲空氣和人體的熱量給人體加熱；而穿著另一面時，服裝又可以通過加速織物上的水分運動給人體降溫。

相變降溫服因其具有系統(tǒng)簡單、操作方便、無電子設備、無防爆要求、制冷效果好、污染低等優(yōu)點，具有廣泛的發(fā)展前景，是國內(nèi)外學者研究的熱點。但相變材料在應用過程中也存在一些問題，例如液相泄露、水蝕、過冷、溫度不可調(diào)控、需要反復蓄冷等。

2 影響降溫服的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 微型化設計

由于降溫服中的壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器會影響服裝整體系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，因此其微型化設計是未來的發(fā)展方向。其中壓縮機是運動部件，其性能關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行時長。壓縮機包括缸體型線、轉(zhuǎn)子、閥片、機械密封等多個部件，這些部件的設計是實現(xiàn)壓縮機微型化的關(guān)鍵。蒸發(fā)器和冷凝器的換熱系數(shù)也亟待提高，減小這兩個器件的體積和質(zhì)量對于整個系統(tǒng)的縮小具有重要作用。降溫服的供電電源質(zhì)量同樣需要大幅度減輕，尋找更高能量密度的供電電池或者微型內(nèi)燃機代替電機。

2.2 納米技術(shù)

相變降溫服在使用過程中受到變形和水的影響，相變材料容易發(fā)生液相泄漏、水蝕、過冷等問題，而相變材料的多功能封裝和復合技術(shù)的研究可有效解決這一問題。如納米技術(shù)在相變材料中的應用，將納米技術(shù)與復合相變材料結(jié)合，可以制備新型、高效的納米復合蓄能相變材料，這類相變材料可以克服傳統(tǒng)相變材料的泄露問題，增強材料的循環(huán)熱穩(wěn)定性，提高材料的導熱性能[24]。但納米復合蓄能相變材料也存在缺陷：在使用過程中會產(chǎn)生分層析出、團聚等現(xiàn)象；納米相變材料的精細結(jié)構(gòu)無法準確表征；制備工藝穩(wěn)定性不高等[25]。

3 降溫服的測試評價方法

對降溫服的綜合性能進行準確評價，可以提高降溫服的安全性與舒適性，規(guī)范其選用標準。降溫服的測試評價方法包括數(shù)值模擬法、暖體假人實驗和人體穿著實驗[25-27]。

3.1 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法可以對一些無法或者很難用理論分析求解的復雜問題進行模擬求解，比普通實驗更自由、靈活，可節(jié)約實驗成本，加快研究進度，擴大研究范圍。1939年HENRY P S H[28]首次提出動態(tài)條件下織物的熱傳遞模型，自此國內(nèi)外學者開展了大量關(guān)于服裝傳熱機制的研究，模型越來越復雜化。FARNWORTH B[29]基于出汗熱平板儀實驗，首次將織物的濕傳遞加入模型中。SANTOS M S等[30]建立了衣下微氣候數(shù)值傳熱模型，研究了衣下空氣層厚度對熱傳遞的影響。1948年P(guān)ENNES H H[31]提出了經(jīng)典的生物傳熱方程，自此拉開了人體傳熱模型研究的序幕。以HAVENITH G 等[32]建立的人體 -服裝 -熱生理模型為代表，此模型加入人體熱感覺模型，可以預測人體熱感和熱舒適感，具體如圖3所示，其中Tskin為人體皮膚溫度，Tcore為人體核心溫度，Tskin,local為人體皮膚局部溫度。

圖3 人體 -服裝 -熱生理模型 Fig.3 Human, clothing and thermophysiological model

數(shù)值模擬法一般是通過模擬降溫服與人體之間的氣流、熱流交換，對降溫服進行舒適性評價的[33]。王前進[34]用Gambit建立人體背部傳熱模型，用Matlab軟件計算背部組織溫度分布情況，分析了渦流式降溫服在礦井下對人體背部的降溫效果。SUN Y等[35]建立了氣體降溫服熱流、氣流傳遞的數(shù)值模型，分析了風扇的大小和數(shù)量對人體皮膚溫度的影響，以及風速對傳熱性能的影響。目前學者在對降溫服進行數(shù)值模型構(gòu)建時，越來越注重服裝微環(huán)境下的各類物理參數(shù)、影響熱環(huán)境因素和局部傳熱效果等，使模型更加接近人體真實的穿著狀態(tài)。但數(shù)值模擬法容易受到環(huán)境、服裝等多個因素的影響，測試結(jié)果的精度不如暖體假人和真人穿著實驗，其通用性和可比性也有待考證。

3.2 暖體假人實驗

暖體假人實驗一般通過模擬人體、服裝和環(huán)境之間的熱濕交換過程來測試服裝的性能。同時，配套的ThermDAC軟件也可以實時記錄暖體假人各部位的表面溫度和熱流，方便測試服裝整體或局部的熱學性能參數(shù)，精確度高、重復性好。WANG F等[36]采用暖體假人實驗，通過記錄暖體假人頭部溫度和平均皮膚溫度，研究兩種不同控制模式下的幾種降溫服裝的降溫效果。ZHAO M等[37]通過暖體假人實驗，對暖體假人表面皮膚溫度和各區(qū)域熱損失進行記錄，研究風扇的位置和服裝的開口形式對氣體降溫服降溫效果的影響。暖體假人測評裝置從傳統(tǒng)的出汗暖體假人、熱生理假人到數(shù)值熱生理假人，越來越接近真人的熱生理反應[38]。但是，目前的熱生理暖體假人與真人實驗結(jié)果仍存在局部差異。

3.3 人體穿著實驗

人體穿著實驗通過采集人體皮膚表面溫濕度、體核溫度、心率等生理數(shù)值和主觀感受，可以直接、客觀地評價降溫服對人體熱舒適性的影響，反映人體熱舒適度。人體穿著實驗一般在恒溫、恒濕的人工氣候環(huán)境倉中進行，可以模擬待測服裝的使用環(huán)境，實驗條件易控制，其誤差小。UDAY R等[39]人在環(huán)境倉中通過人體穿著實驗，對比在兩種降溫服(PCMs降溫服和添設風扇的PCMs降溫服)中添加質(zhì)量可忽略的保溫層對人體熱應激的影響。

人體穿著實驗還可以在室外環(huán)境中直接進行，但這種實驗方法受氣候條件的影響較大，易產(chǎn)生誤差且成本較高。CHAN A P[40-41]通過大量的室外人體穿著實驗，如香港地區(qū)建筑工地、馬路環(huán)衛(wèi)、機場工作人員穿著降溫服時的熱舒適度進行調(diào)查，結(jié)果表明受試者穿著降溫服的熱感明顯低于穿著普通作業(yè)服時的熱感。

人體穿著實驗相較于前兩種測試方法來講可以更直觀地評價降溫服的綜合性能，但其缺點是易受個體差異影響，實驗結(jié)果誤差較大，成本略高，而且無法表征極端環(huán)境。文中整理了降溫服3種測試方法的優(yōu)缺點，具體見表3。

表3 降溫服3種測試方法的優(yōu)缺點

4 降溫服的發(fā)展趨勢

未來降溫服的發(fā)展方向包括以下幾個方面：

1)新材料的應用。材料科學飛速發(fā)展，碳纖維、石墨烯、納米材料換熱性能優(yōu)異，如果將其與降溫服相結(jié)合，可提升降溫服的性能。目前微膠囊相變材料具有較顯著的蓄熱調(diào)溫功能，比一般相變材料的使用效率更高，已廣泛應用于醫(yī)藥、化工和農(nóng)業(yè)等領域，但其降溫持續(xù)時間短，在紡織服裝領域一直沒有取得長足發(fā)展。因此尋求持續(xù)時間較長、調(diào)溫性能良好的相變材料是降溫服發(fā)展的關(guān)鍵。

2)舒適性、功能性兼?zhèn)?。目前的降溫服質(zhì)量偏重、制冷溫度難以控制、穿著舒適性較低。因此可以通過零部件微型化、服裝結(jié)構(gòu)合理化等方式減負，提高人體穿著舒適度。制冷路徑也可以由單一制冷向復合制冷方向發(fā)展，實現(xiàn)降溫服的功能多樣化。

5 結(jié)語

文中對降溫服現(xiàn)階段的發(fā)展情況進行了分析和總結(jié)，根據(jù)不同降溫介質(zhì)對降溫服的原理和優(yōu)缺點進行了分類介紹，歸納整理降溫服在設計過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和測試評價方法。研究表明微型化設計和納米技術(shù)是影響降溫服發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，通過零部件的微型化設計可以有效改善目前降溫服質(zhì)量偏重、體積較大的問題；將納米技術(shù)應用到相變材料中，可以解決相變降溫服材料泄露問題，增強材料的循環(huán)熱穩(wěn)定性，提高材料的導熱性能。另外，關(guān)于降溫服的性能評價，數(shù)值模擬法、暖體假人實驗和人體穿著實驗3種評價方法各有優(yōu)缺點，可以結(jié)合實際情況根據(jù)不同降溫服選擇合適的評價方法。目前降溫服正往新材料的應用、舒適性高和功能多樣化方向發(fā)展，開發(fā)制冷性能好、蓄電池續(xù)航能力強、溫度可控、易拆洗、輕質(zhì)舒適的降溫服，可以給長期暴露于高溫環(huán)境下的工作人員提供安全、舒適的保障。