液冷背心冰水比例对人体热湿舒适性的影响 (1).pdf

研究与技术丝绸 液冷背心冰水比例对人体热湿舒适性的影响 周茜雅 郑 晴 柯 莹(江南大学.纺织科学与工程学院.设计学院江苏 无锡)摘要:为探究液冷服进水口温度对制冷效果及人体热舒适的影响文章采用不同比例冰水混合物(水、.冰加.水、冰加 水)作为冷源通过真人着装实验测试了皮肤温度、出汗量等客观指标及主观感受研究了高温环境下(温度为 和 、湿度为)液冷服的降温效果 研究结果表明本实验条件下 时冰水比例为 即可满足人体热舒适需求 时冰水比例需要达到 液冷服设计时应加强肩胛部位的降温关键词:液冷服热舒适冰水比例个体热管理热生理反应热暴露中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用页码:./.收稿日期:修回日期:基金项目:教育部人文社会科学研究青年基金项目()作者简介:周茜雅()女硕士研究生研究方向为调温防护服的研发和性能评价 通信作者:柯莹副教授 .在高温环境下工作劳动者因生理负担加重不仅影响其工作效率还可能引发中暑出现热痉挛、热射病严重时造成生命危险 因此设计灵活便携的降温服被运用于高温作业环境中常见降温服有通风服、相变降温服、液冷服和混合降温服液冷服作为一种传统的降温服其基本工作机制是由水泵驱动冷液体流过嵌入在基础服装中的管道网络并带走热量随后吸热升温的液体回到储液器中由冷源(如冰、压缩器、热电转换器等)降温 相比其他种类的降温服液冷服具有降温效果好、适用环境范围广的优势且冷源独立于服装便于更换 最初液冷服被广泛应用于航天航空、化学防护服、军事作战、消防等专业领域 而近年来液冷服的动力和功能设备趋于微型化成本降低为其用于日常生活中人体降温提供了可能性冰和水是液冷服最常用的冷源 陈培东等基于数值模拟用冰作为冷源为夏季高温环境下的工厂流水线工人设计并制作了一款可满足中轻度劳动需求的液冷服 等和 等利用冰水混合物作为液冷背心的冷源用于缓解高温环境中劳动者的热应激 唐剑兰等使用 冰与.水作为搜排爆用全身液冷服的冷源可在 内维持瓶内温度在 并使服装内表面温度持续下降 等将一款全身液冷服运用于玩偶表演者的服装内使用 冰和 水作为液冷服冷源且冷源中冰水比例对液冷服的降温效果有重要影响 邹浩等通过搭建简易暖体假人系统对液冷服进行测试以皮肤温度在 作为舒适区间判断液冷服的使用情况得出不同的冰水比例会影响降温持续时间和效率 但该研究中采用的暖体假人无法体现人体的真实热反应仍缺乏真人穿着实验探究冰水比例对人体热生理反应与主观舒适性的影响本文将模拟高温办公环境通过真人穿着实验评价液冷背心的降温效果 观察穿着液冷服对人体的影响衡量以冰、水作为冷源的液冷服满足人体舒适的条件及能够提供人体热舒适的有效时间从而为后续液冷服的设计与改进提供参考和建议 实 验.受试者招募 名健康男性大学生作为受试者 受试者年龄、身高、身体质量指数、体表面积分别为(.)岁(.)(.)/(.)受试者在参与实验前均被告知实验目的及实验流程并在实验前 内避免抽烟饮用茶、酒精及参与剧烈运动 若过度不适受试者可提前终止实验.液冷服实验所用液冷服系统(深圳 有限第 卷 第 期液冷背心冰水比例对人体热湿舒适性的影响公司)由套头式液冷背心和蓄水背包组成如图 所示 进出水口放置在液冷服的左下侧在前片下摆处进行液体的通入及通出 液冷背心共包含 根管道(包含 个回路)总管长.服装前片分布两根管道呈内外包围分布 另有 根管道跨越右肩缝于后片分别分布于后片的左右两侧图 液冷服设备.液冷背心为三层结构服装内层为高弹力网眼涤纶针织布(涤纶、氨纶)中间层为 水冷管道(内径、外径 )外层为帆布材料 液冷背心的侧缝与右肩缝使用魔术贴开合实现尺寸可调节保证服装贴合各类身材提高传热效果背包面料为牛津布内层为铝反射涂层具有隔热效果内部带有水泵、可充电电源和蓄水袋 蓄水袋中的冷却液在水泵的作用下进入液冷背心的管道内循环流动液体流量/实验用背包在装满 水或冰水混合物后总质量约为.液冷背心质量约为.测量指标.进水口温度使用 温度传感器(瑞士 公司)精度.贴于进出水口管道外侧并使用隔热海绵包裹测量进水口与出水口的水温.皮肤温度使用 温度传感器()贴于受试者身体皮肤表面 个部位(额头、胸部、上臂、前臂、手背、腹部、肩胛、后腰、大腿前侧、小腿后侧)测量对应部位的皮肤温度 采样周期为 精度为.参考 采用 点局部皮肤温度公式计算平均皮肤温度:皮肤.额头.肩胛.胸部.上臂.前臂.手背.大腿前侧.小腿后侧()式中:皮肤、额头、肩胛、胸、上臂、前臂、手背、大腿前侧、小腿后侧分别为平均皮肤温度、额头温度、肩胛温度、胸部温度、上臂温度、前臂温度、手背温度、大腿温度、小腿温度躯干平均温度计算公式如下:躯干.(胸部 腹部 肩胛 后腰)()式中:躯干、胸部、腹部、肩胛、后腰分别为平均躯干皮肤温度、胸部温度、腹部温度、肩胛温度、后腰温度.主观评价通过填写问卷的方式收集受试者的主观感觉包括全身、上半身和下半身的热感、湿感、热舒适感如图 所示图 主观评价标尺.出汗量在实验前后对受试者的裸体质量、着装质量及着装各部分服装质量分别称重 实验过程中由于受试者并未饮水及排尿忽略呼吸失水量按照下式计算出汗量、汗液蒸发量与汗液蒸发率 ()()/()式中:为出汗量、分别为实验后、实验前的裸体质量 为汗液蒸发量、分别为实验后、实验前的着装人体总质量 为汗液蒸发率.条 件实验在步入式高低温环境舱(日本 公司)进行 环.境温度设置为 和 相对湿度 风速小于./蓄水袋中装入 水()、.冰块与.的水()或 冰块与 水()实验前水和冰均放置在冰箱中储存一夜初始温度分别为 和 受试者参与不同工况实验的顺序随机且对实验工况未知.流 程受试者到达后在室内(温度 、湿度)静坐约 达到热平衡状态(平均皮肤温度为 感觉不冷不热且无显汗)随后穿着短袖 恤(涤纶)、纯棉短裤、纯棉短袜和运动鞋(基础服装热阻为.)粘贴温度传感器穿着或不穿着()液冷背心 在实验前将冰块和冰水依次加入水袋装入背包与并水泵相连运行时冷却液从水袋下口流出升温液体从上口流入与冷源混合降温 进入环境舱内打开水泵开关开始实验 受试者在环境仓内静坐 进行普通的办公活动(图)期间每隔 进行主观感觉评价图 实验现场.数据处理使用 .(公司)对实验数据进行分析并采用 检验进行正态分布检验 采用重复测量方差分析比较不同实验条件下数据指标(局部皮肤温度、平均皮肤温度、躯干平均温度、进出水口温度、出汗量与汗液蒸发量)和主观评价指标(热感、湿感、热舒适感)的差异 不满足球形检验时用 法对球对称系数进行优化显著性水平为 .“、”分别表示 与、组存在显著差异“、”表示 与、存在显著差异“”表示 与 存在显著差异“”表示 与 存在显著差异 结果与分析.水 温进水口水温和进出水口温差如图 所示 实验结束时 组、组、组、组、组、组的进水口水温分别为(.)、(.)、(.)、(.)、(.)、(.)随着冰的比例增加进水口水温明显降低 水温上升稍快于 环境温度与不同冰水比例对进水口温度均存在显著影响(.)图 进水口水温与进出水口温差.进出水口温差可反映液冷服的吸热量 由图()可见进出水口温差在实验前 迅速增大而后随着冷却液不断吸热水温上升降温效率下降进出水口温差逐渐减小 相同冰水比例液冷服在 和 热环境中的进出水口温差无显著差异(.)说明液冷服吸收外环境的热量较少吸热量主要来源于人体 冰的比例增加进水口温差更大表明液冷服具有更高的吸热量水温是影响液冷服降温效果的最重要因素之一不同冰第 卷 第 期液冷背心冰水比例对人体热湿舒适性的影响水比例将显著影响进水口温度和液冷服的吸热量 因此采用合理的冰水比例有利于提高此类蓄冷式液冷服的热舒适性.生理参数.躯干部位平均温度与局部温度由图 可见由于液冷背心主要覆盖躯干部位 组、组、组的躯干皮肤温度均在 后显著低于 组(.)结果表明不同实验条件下胸部、腹部、肩胛及后腰的局部温度均呈现先降低后缓慢升高的趋势最低温度与实验结束时的温度如表 所示图 躯干平均皮肤温度.表 最低局部皮肤温度与结束时局部皮肤温度.环境温度/组别最低皮肤温度/胸部腹部肩胛后腰结束时皮肤温度/胸部腹部肩胛后腰.随着冰比例提高躯干部位的各局部最低温度和结束时温度均降低 组、组、组肩胛最低温度显著高于其他部位腹部温度显著低于其他部位(.)组与 组的最低胸部温度显著高于后腰 降温程度由高到低依次为腹部、胸部、后腰、肩胛且冰水比例越高最低温度与结束时温度越接近造成躯干不同部位降温程度差异的主要原因是液冷服的管道排布设计和贴体性 有研究指出人体表面温度与液冷服管道间隔近似呈线性关系且沿管路长度方向管内冷却液温度提高与外界温差减小换热减少 由于进水口设置在前片下摆处冷却液首先流经腹部且此处管道排布密集(图()因此腹部与冷却液的换热更明显降温程度最高 另外该液冷服在侧缝处使用魔术贴调节在腰腹处可高度贴合人体但肩胛处的贴体性有所欠缺导致降温程度较低 等的研究发现对躯干降温时肩胛比其他部位具有更高的局部冷却阈值即能够承受更高的冷却强度更有利于改善热舒适感因此为提高热舒适和降温效果需更注重液冷服肩胛部位的结构设计提高贴合度使水流优先对此处降温或适当增加管道排布密度.平均皮肤温度 下的平均皮肤温度显著高于(.)除 与 之间无显著差异其余不同冰水比例的组别均存在显著差异(.)由图 可见 组皮肤温度自实验开始后迅速上升 后基本达到稳定且超过 与 组相比穿着液冷服显著降低抑制了平均皮肤温度的快速上升随着冰比例的提高平均皮肤温度升高速度减缓 在 环境中 和 组可在整个 的实验过程维持平均皮肤温度在 (稳 态 下 为 热 舒 适 温 度)在 环境中 组在 可使皮肤温度低于 图 平均皮肤温度.出汗量与汗液蒸发量表 为不同组别的出汗量与汗液蒸发量 下出汗量更高(.)组与 组出汗量显著低于 组(.)表明液冷服能有效减少出汗量缓解人体在热环境中的热应激反应 组、组、组的汗液蒸发率均显著低于 组()说明液冷服的吸湿放湿性性能不足影响人体的有效蒸发散热表 出汗量与汗液蒸发量.环境温度/组别出汗量/汗液蒸发量/汗液蒸发率/.主观结果.热感觉和热舒适图 为受试者全身、上半身、下半身热感觉 下的热感觉显著高于 下的热感觉 组全身热感觉在 和 两个环境温度中均显著高于、组(.)在 分别上升至.(介于暖与热)和.(介于热和很热)冰比例升高提高了液冷服降温效率使全身热感觉降低 组和 组的全身热感觉分别在 和 环境温度中介于(稍暖)与(稍凉)之间处于较为舒适的范围上半身热感觉变化趋势与全身基本相似 环境中 组的全身热感觉低于 且上半身热感觉在 接近“凉”感觉因此可能存在过冷 下 组、组、组的下半身热感较为接近均处于(不冷不热)与(稍暖)之间 而 组的下半身热感介于(稍暖)与(暖)下下半身热感基本呈上升趋势 实验结束时热感最高为 组达.(热)最低为 组为.(稍暖)虽然液冷服仅针对躯干部位进行降温仍可对下半身的热感觉产生影响在 下影响更明显(后 组、组均与 组存在显著差异.)图 热感觉比较.图 为全身、上半身、下半身的热舒适感环境温度对热舒适存在显著影响(.)与 组相比 组、组、的热舒适感提高 下 组、组、组全身热舒适与上半身热舒适均小于 (有点不舒适)可在 内基本满足人体热舒适 但 组的皮肤温度、热感觉显示人体已达稍暖状态 组热感觉评分偏低且腹部最低温度为.存在过凉对身体健康的影响 综合而言 下 的冰水比例()最为合适 下 的全身、上半身在 内大致满足低于(有点不舒适)其他情况组别均超出此范围 组的第 卷 第 期液冷背心冰水比例对人体热湿舒适性的影响全身热舒适情况在 显著优于 组及 组(.)故相比实验中的其他组别 组更为适宜可进一步提高冰比例降低躯干温度提高凉感和热舒适 但是 下 组最低皮肤温度已达(.)提高冰水比例会进一步降低躯干部位皮肤温度且到达最低温度的时间推后(图)而头部温度在 后基本稳定为.温差约 提高冰比例会加大人体皮肤温差增大热感差异增加不适感 在此情况下调整躯干部位冷量分配、提高液冷服的覆盖面积更有利于进一步提高人体热舒适下半身的热舒适感与热感觉结果相对应尽管未降温但热舒适感提高 下 组与 组存在显著差异 下 组与 组存在显著差异综上所述 下适宜采取 的冰水比例满足热舒适需求 环境下冰水比例须达到 图 热舒适比较.湿 感图 为全身、上半身、下半身湿感 环境下由于人体的对流和辐射散热比例减少主要依靠蒸发散热维持热平衡导致出汗量增加且 下液冷管道上冷凝现象更为明显故人体湿感较 环境更明显环境温度对湿感有显著影响(.)组的湿感与 组及 组存在显著差异(.)湿感由高到低排列依次为 组、组、组、组 尽管提高冰含量、降低进水口温度会产生更明显的冷凝现象但人体的湿感降低说明冷凝水对人体湿感的影响低于出汗对人体湿感的影响图 湿感比较.结 论本文使用不同冰水比例测试了穿着液冷服在高温环境下办公的实际效果得出以下结论:)使用液冷服对躯干部位进行降温不仅能够降低覆盖部位的热感同时可以降低全身热感和下半身热感提高全身热舒适性 在本实验条件下 下适宜采取 的冰水比例满足热舒适需求 环境下冰水比例须达到 冰比例的提高也降低了人体的湿感出汗减少是主要原因.)冰比例的提高延长了躯干皮肤温度的持续下降时间并延缓了平均皮肤温度的上升 本实验条件下采取 的冰水比例躯干可持续降温超 但人体表面温差超 为进一步提高舒适性应增加水冷服覆盖面积)本实验选用的液冷服对躯干不同部位的降温程度不同由高到低依次为腹部、胸部、后腰、肩胛故需加强对肩胛部位的降温以提升液冷服整体降温效果丝绸官网下载中国知网下载参考文献:张昭华 李璐瑶 安瑞平.管道式通风服头部与躯干部位的热湿舒适性评价.纺织学报 ():.():.():.():./:.:.唐剑兰 何湘 尤晓东 等.搜排爆用水冷服性能研究.中国安全防范技术与应用():.():.牛丽 钱晓明 范金土 等.可降温式消防服的设计与降温效果评价.纺织学报 ():.():.:.():.(/):.陈培东 王飞 蔡德华 等.液冷服数值模拟及舒适性实验研究.低温与超导 ():.():.():.():.:.邹浩 罗小兵 舒伟程 等.液冷服系统的性能测试研究.工程热物理学报 ():.():.高海庆 李皖皖 王军.流态冰蓄冷式空调衣的设计及制冷特性研究.低温与超导 ():.():.郭庭辉.液冷服中的流动与传热及其系统研制.武汉:华中科技大学.:.:.第 卷 第 期液冷背心冰水比例对人体热湿舒适性的影响 .