你听说过“制冷空调服”吗？
你听说过制冷与制热空调服吗？空调服作为一种可对人体温度进行主动调节的可穿戴设备，其应用非常广泛。在医学领域，可用于特殊疾病病人的体温控制、神经外科手术中病人的体温保持等;在工业领域，可用于在极端环境( 井下、玻璃/钢铁熔炉中) 各类作业工人的体温保持;在体育领域，还可用于调节赛车手比赛过程中的体温，以及各类运动医学研究等;在军事领域，不仅可协助调节士兵体温适应各类战场环境的需要，还可应用在各类军用车辆的高温环境或寒冷深海潜水等活动中。
首先我们给制冷空调服分一下类：
（1）空气制冷：空气冷却空调服通过加速干燥空气在皮肤表面的流动: 一方面加速蒸发汗液，带走热量; 另一方面对体表进行强制对流冷却，以达到降温的目的。
（2）凝胶/冰袋制冷：凝胶/冰袋冷却方法则是将冷冻后的凝胶或冰袋放置在空调服内层的口袋中，通过凝胶/冰袋融化吸热达到降低人体温度的目的。
（3）相变制冷：相变冷却则利用某些材料( 如石蜡) 在从固体到液体相变时吸热的性质，将相变材料整合在空调服内部，当人体温度升高时通过相变材料吸热带走多余热量。
（4）液体制冷：液体冷却空调服则使用埋藏在空调服内部的液体管道，通过低温液体在管道内的循环达到降低人体温度的目的。
1.1 空气冷却空调服
在没有空调服对人体进行体温主动调节的情况下，排汗是人体最为原始和有效的散热方式。研究表明，1L 汗液蒸发大约可带走2400kJ的热量。汗液的蒸发效率与皮肤面积、人体与外界的水蒸气压力差以及衣物的透气性能直接相关。
空气冷却空调服一般具有2种结构形式。第1种空气冷却空调服具有2层结构: 外层的不透气材料和内层的透气材料。经干燥和冷却的空气在2 层织物间流动，通过加速汗液蒸发和对皮肤表面进行强制对流散热降低人体体表温度。第2种空气冷却空调服只具有1层结构，由安装在空调服织物上不同部位风扇或风扇阵列直接将外界空气送入空调服中，加速空调服内的空气流动。
从空气制冷空调服的发展来看，由于其应用场合较为单一，不能在空调服内外穿着其他衣物，且在外界环境温度很高的情况下无法实现制冷效果，仅在室内环境工作人员中使用，目前还未在工业或军事等领域得到广泛应用。
1. 2 凝胶/冰袋冷却空调服
通过凝胶/冰袋进行制冷的空调服内层一般具有数个用来装凝胶/冰袋的口袋，人体热量通过血液循环带到体表后被凝胶或者冰袋吸收。通常情况下，单个冰袋的质量为400 ～ 700 g，空调服内使用2 ～ 6个，计算结果表明，1 kg 冰融化可吸热335 kJ。使用凝胶/冰袋空调服可有效降低高温环境中穿着者的心率以及体表温度。
通过凝胶/冰袋进行冷却的空调服结构简单，成本低廉，且凝胶/冰袋可以重复利用。凝胶/冰袋冷却空调服具有以下几个缺点:
1) 凝胶/冰袋使用过后需要重新冷冻才能再使用( 过程可能需要数小时) ;
2) 凝胶/冰袋在使用过程中表面会产生冷凝水，浸透衣物后增加空调服穿着者的不适，可能导致皮肤过敏;
3) 凝胶/冰袋的温度较低，穿着过程中紧贴皮肤可能导致血管收缩，导致皮肤附近外周血回流，反而影响了人体的自身温度调节机制，导致身体核心温度上升、心跳加快。
1. 3 相变冷却空调服
相变冷却空调服基于相变材料(PCM) 可在相变时吸收热量但温度不发生变化的原理，吸收人体表面热量，降低人体温度。常用的相变材料有基于石蜡、聚乙二醇( PEG)等的混合物，其常见的融化吸热温度区间为20 ～ 40 ℃; 在人体正常体温范围内，其固化吸热的温度区间为-30 ～10 ℃。
相变材料与空调服的常见结合方式有3 种:
1) 将相变材料袋( 5 ～ 15 cm 大小) 装入空调服内的口袋中;
2) 将含有相变材料的微胶囊( 10 ～100 μm) 编织在空调服中;
3) 将相变材料纳米纤维埋藏在空调服织物中。
从相变制冷空调服相变材料的排布方式看，将含有微胶囊纤维编织成的空调服透气性较好，柔软舒适，但是由于相变材料的总量不足，只能维持大约15 W 的吸热，且能持续使用的时间不足; 使用袋装相变材料的空调服则由于与人体贴合面积较大，不利于湿气排出，且影响了织物的柔软度，穿着不舒适。
与其他制冷方式的空调服相比，相变制冷的空调服具有以下独特优势:
1) 相变吸热过程中材料温度不发生改变，不会像冰袋制冷那样可能造成皮肤冻伤，能够贴身穿戴降低热损失;
2) 相变材料使用后从液态到固态的恢复快，只需要在冷水中浸泡约20 min。
其缺点为:
1) 与冰袋相比，吸热量不足，难以维持长时间( 3h 以上) 的工作;
2) 某些相变材料具有一定毒性，破裂后与人体直接接触可能导致伤害。
1. 4 液体冷却空调服
凝胶/冰袋以及相变冷却2 种空调服的工作方式均为被动工作，其吸热量和速度并不能人为进行控制，而液体冷却空调服则通过冷却液在换热管道中循环的方式带走人体多余热量，这种制冷方式可根据人体和空调服的工作情况对液体工质的温度和流量进行实时控制，具有主动控制的能力，代表了制冷空调服未来的发展方向。
早期的液体冷却空调服是提供给空间环境中的宇航员使用，在美国阿波罗计划中登月用空调服就是基于液体冷却原理。到目前为止，液体冷却空调服已被广泛应用在工业、矿井、消防、医疗等领域。液体冷却空调服通常由液体储存罐、循环泵、换热器、空调服内排布的换热管道以及各类流量和温度传感器组成。
目前液体冷却空调服对液体工质的冷却方法有2 种:
使用冰块等制冷剂对液体工质进行冷却或者使用类似空调原理的压缩机系统对液体工质进行冷却。其中: 利用冰块、冰袋等在换热槽中对液体工质进行冷却的方法较为常见且成本较低; 使用压缩机系统对循环液体工质进行冷却的研究还集中于军用方面。
大部分现有研究中，液体循环冷却空调服由3 层结构构成，外层保护层、中间层以及内层与皮肤接触层，液体工质循环管道被缝制在中间层与内层之间。由于需要保证换热管与皮肤的紧密接触提高换热效率，空调服的外形设计上往往采取了一定程度的收紧。目前大部分换热管采用了聚氯乙烯( PVC) 材质，内径为1.5 ～1.7 mm，长度为90 ～ 100 m，覆盖了15% ～ 20%的皮肤面积，典型的循环速度为0.5 ～2 g /s，换热速度为100～ 400 W。
常用的液体工质为水，或者50%水和50%丙二醇的混合物。
目前液体冷却空调服作为空调服领域应用前景最为广泛的技术，具有以下几个显著优点:
1) 换热量可以根据空调服内外温湿度环境的变化利用液体工质循环速度进行调节;
2) 与其他被动式制冷空调服相比，持续使用时间长;
3) 换热管可对头部进行冷却，这是其他制冷空调服技术不能实现的。
液冷空调服作为未来智能服装的发展方向，还需克服以下几个缺点:
1) 提高换热效率，减少空调服质量，需要开展空调服内层织物、换热管外形等方面的研究;
2) 需要与生命体征传感器结合，实现根据维持人体生命体征的需要，对空调服的运行进行主动调节的目的;
3) 优化空调服的外形结构，以适应不同体型的人群穿着，优化换热管的排布，提高换热效率;
4)考虑和增强头部制冷，头部的发热量仅次于躯干且头部过热会直接导致神志不清甚至昏厥，在后续的空调服研究中，需要充分考虑头部冷却的需要。
表1所示内容对上述讨论的几种空调服在换热介质、空调服成本、换热速度、工作时间、穿戴舒适程度这几个方面进行了比较。实际研究和应用中，还需要根据不同使用场合的具体需要合理选择。在制冷空调服的试验检测标准上，目前国内尚无相关标准，国外可以参考的空调服检测标准有2 项:
一是用于穿戴在暖体假人身上的空调服试验标准，ASTMF2371—2010e1《加热人体模型测量个人冷却系统的换热效率标准试验方法》;
二是用于真人穿戴空调服的试验检测方法，ASTM F2300—2010《个人冷却系统的性能测试方法》。