1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第8 期2023,23(8):03272-08科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:马旭东,马瑞,宁粤,等.保暖服传热分析及数值模拟J.科学技术与工程,2023,23(8):3272-3279.Ma Xudong,Ma Rui,Ning Yue,et al.Heat transfer analysis and numerical simulation of heating garmentJ.Science Technology and Engi-
2、neering,2023,23(8):3272-3279.能源与动力工程保暖服传热分析及数值模拟马旭东1,2,马瑞1,2,宁粤1,2,郭嘉敏1,2,吴玉庭3(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院,呼和浩特 010051;2.内蒙古工业大学内蒙古自治区风能太阳能利用机理及优化重点实验室,呼和浩特 010051;3.北京工业大学环境与能源工程学院,北京 100124)摘 要 个体保暖注重人体周围微环境的调节,在满足热舒适度的前提下可以实现节能。使用 COMSOL Multiphysics 软件建立了人体保暖服的流动传热模型,研究了循环水入口速度、循环水入口温度、人体代谢率和环境温度对保暖服保暖性能
3、的影响。结果表明:循环水入口速度和入口温度的增大都会提高保暖效果,保暖服的最佳入口速度为 0.6 m/s;循环水入口温度每增加5,人体平均温度增加3.92,人体表面平均温度增加3.90;人体代谢率对保暖效果几乎没有影响。设计保暖服时选取合适的循环水入口速度和温度可以满足热舒适度,同时也可以实现节能。关键词 保暖服;数值模拟;优化设计;热舒适性;节能中图法分类号 TK123;文献标志码 A收稿日期:2022-07-03;修订日期:2022-12-25基金项目:国家自然科学基金(51906116);内蒙古自然科学基金(2019BS05007);内蒙古科技计划(2021GG0253)第一作者:马旭东
4、(1997),男,汉族,内蒙古乌兰察布人,硕士研究生。研究方向:人体热管理技术。E-mail:。通信作者:马瑞(1988),女,汉族,内蒙古鄂尔多斯人,博士,副教授。研究方向:储能技术、先进制冷技术、微重力两相流及强化换热技术。E-mail:。Heat Transfer Analysis and Numerical Simulation of Heating GarmentMA Xu-dong1,2,MA Rui1,2,NING Yue1,2,GUO Jia-min1,2,WU Yu-ting3(1.College of Energy and Power Engineering,Inner M
5、ongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;2.Key Laboratory of Wind and Solar Energy Utilization Mechanism and Optimization in Inner Mongolia Autonomous Region,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;3.College of Environment and Energy Engineering,Beijing University of
6、Technology,Beijing 100124,China)Abstract Individual heating focuses on the regulation of the microenvironment around the body,which can achieve energy savingwhile satisfying the thermal comfort.Using COMSOL Multiphysics software,the flow heat transfer model of body-heating garment wasestablished and
7、 the effects of circulating water inlet speed,circulating water inlet temperature,human metabolic rate and ambient tem-perature on the heating performance of heating garment were studied.The results show that the increase of circulating water inlet speedand inlet temperature will improve the heating
8、 effect,and the optimal inlet speed of the heating garment is 0.6 m/s.For every 5 in-crease of circulating water inlet temperature,the average body temperature increases by 3.92 and the average body surface tempera-ture increases by 3.90.The human metabolic rate has almost no effect on the heating e
9、ffect.Selecting the appropriate circulatingwater inlet speed and temperature when designing the heating garment can meet the thermal comfort and also achieve energy saving.Keywords heating garment;numerical simulation;optimal design;thermal comfort;energy saving 人体在严寒或炎热的气候条件下,会出现心脏功能减弱或热量调节机能失效的现象,
10、这些都严重影响工作人员的身体健康和工作质量1-2。针对该问题,众多研究机构从20 世纪70 年代开始个体空调的研究,主要是针对炎热环境下液冷服的研究3。个体空调系统一般由液冷服主体、微型制冷系统及液体载冷剂循环管路等组成4。液冷服利用设置在服装内部管束中的低温液体循环流动吸收人体热量,实现对衣内微环境的降温,避免人体遭受高温侵害5。Buettner6利用 40 根细的塑料管编织在一套棉制内衣里,成功研制了第一套液冷服。Bue 等7研制了用醋酸乙烯冷却管和高导热材料制作的轻质液冷服。Li 等8设计了一款热电制冷便携式液冷服,研究了环境温度和冷却单元热端温度对液冷服冷却性能的影响,结果表明:液冷服
11、热侧散热是影响冷却性能的主要投稿网址:因素,且随着环境温度的升高,影响逐渐增大。Shu 等9设计了一种具有温度调节系统的智能液冷服,结果表明:进水温度是影响液冷服热舒适性的主要因素。Xu 等10设计了一种热电制冷便携式液冷服。结果表明:液冷服的冷却能力不会随着电功率的增加而增加,液冷服具有最大冷却能力。Bartkowiak 等11设计了一种主动液冷服,通过在30、40%相对湿度和 0.4 m/s 空气流速的气候室对志愿者进行测试,证实了液冷服对皮肤平均温度和参与者的主观热感评估的有益影响。Yuan 等12通过实验对比研究了穿戴液冷服工作人员的生理参数和知觉反应。结果表明:液冷服没有显著降低人体
12、核心温度、心率、出汗量、耗氧量和运 动 限 制,但 减 弱 了 热 感 觉 的 增 加。Shu等13通过正交实验研究了冰量、流速、入口温度等对液冷服性能的影响,提出了不舒适时间比来评估液冷服的性能。除了对液冷服的设计和实验研究,还有一些学者对液冷服的传热传质进行了研究14。邱义芬等15对舱外航天液冷服结构、功能进行了介绍,给出了液冷服传热传质的数学模型。Fulcher16提出了两种控制液冷服温度平衡的方式。一种是通过控制液冷服流体的速度来控温,另一种是通过控制冷却液的进口温度来控温,结果表明:控制进口温度手段更有效。Nunneley17研究表明,影响液冷服性能的因素主要有环境温度、湿度、入口水
13、温、液体的质量流量等。商博锋等18对液冷服流动传热过程进行了模拟,结果表明:人体代谢率、进口水温、管道布置都与人体表面温度呈线性关系。郭庭辉19建立了人体-液冷服-环境系统传热模型,对液冷服系统存在的流动和传热过程进行了研究,推导得到了液冷服总体冷却能力和体积流量、环境温度、管路入口温度以及相关传热系数之间的理论方程。Li 等20建立了液冷服与环境和人体之间的传热模型,并进行了模型验证,分析了热电冷却器电压和流量对液冷服冷却性能的影响。Huang 等21建立了电加热服的热传导、自然对流和辐射的理论模型,为不同热工况下的电加热服设计提供了理论指导。目前前人都是对液冷服的设计、实验和数值模拟研究,
14、对严寒环境条件下个人保暖的研究很少。严寒环境对人体和保暖服传热的影响远远大于炎热环境的影响,而且严寒环境中对于保暖服及配套系统的制造和要求更高。为此,针对保暖服的保暖特性进行数值模拟分析,对于保暖服系统的设计制造具有一定的指导意义。1 保暖服传热分析模型1.1 模型简化人体具有在正常温度范围内平衡体温的能力,避免对新陈代谢有害的核心温度大幅度波动。人体作为一个系统时,其穿着保暖服时整体的热平衡方程为Qbody=(Qw+Qm)-(Qconv+Qcond+Qrad+Qeva+Qres)(1)式(1)中:Qbody为人体蓄热量,W;Qm为人体新陈代谢产热量,W;Qw为保暖服传递的热量,W;Qcond
15、为人体与环境的导热散热量,W;Qconv为人体与环境的对流散热量,W;Qrad为人体与环境的辐射散热量,W;Qeva为人体皮肤汗液蒸发散热量,W;Qres为人体的呼吸散热量,W。由于空气的导热系数0.026 17 W/(m K)和保暖服采用的材料导热系数0.022 W/(mK)都比较低,所以热导损失 Qcond可以忽略不计。由于冬季环境温度比较低,人体皮肤表面被保暖服吸收的汗液非常少,因此汗液蒸发散热量 Qeva可以忽略不计。又因为呼吸散热量不影响保暖服与人体之间的热量传递,所以呼吸散热量 Qres可以忽略不计。当人体、衣服和环境之间的热传递达到稳态时,人体和保暖服释放的热量等于向环境释放的热
16、量,此时 Qbody=0。因此,热平衡方程可简化为Qw=Qconv+Qrad-Qm(2)简化后的人体-服装-环境之间的传热模型如图 1所示。Rs为保暖服与人体的热阻;Rrad为人体与环境的辐射热阻;Rconv为人体与环境的对流热阻图 1 人体-保暖服-环境传热模型示意图Fig.1 Schematic diagram of the human body-heatinggarment-ambient heat transfer model1.2 几何模型国标人体模型尺寸参数如表 1 所示,结合国家标准中国成年人人体尺寸(GB/T 100001988),选取中国成年人的人体尺寸中百分位数为 95 的男性数据作为参照。使用 SolidWorks 三维建模软件建立了人体-服装简化模型,保暖服实物图如图 2 所示,人体-服装简化模型如图 3 所示。其中人体的高500 mm,长为400 mm,宽为100 mm。包围在人体周37232023,23(8)马旭东,等:保暖服传热分析及数值模拟投稿网址:围的循环管路直径为6 mm,共 4 根,可以分为两组,图 3 中循环管路 A 和 B 为其中一组,另一组在
