相變降溫礦工服的設計與評價

鄭 晴， 王宏付， 柯 瑩， 李 爽

(江南大學 江蘇省非物質文化遺產研究基地， 江蘇 無錫 214122)

我國的煤炭生產約九成均為井下開采，開采深度逐年增加，且機械化程度不斷提高，地熱和機械設備產熱使得礦井的熱害問題日益嚴峻，成為制約深井開采的主要因素之一[1-2]。在高溫礦井中，礦工更容易出現頭昏頭疼、呼吸困難、注意力不集中、動作失誤等癥狀。高溫高濕的作業環境不但直接損害井下作業人員身體健康，還使礦工的勞動能力、反應能力降低，導致勞動生產率下降、事故發生率上升[3]。

目前國內高溫礦井的降溫手段以大型空調制冷為主，雖能緩解礦井熱害，但其高能耗的問題也不容忽視。穿著個體降溫服是一種有效又經濟的人體降溫方法，可直接作用于人體體表，減緩衣下微環境的熱感，因此，為井下煤礦作業人員開發個體降溫服，可經濟有效地緩解深井煤礦的熱害問題。國內外已有一些研究人員為應對礦井熱害問題研制了降溫服。如南非的多家公司為礦山熱防護研制了干冰降溫服和冰水降溫背心[4]。柳源等[5]針對礦井熱害研制了氣冷式的降溫防護服，但此類降溫服裝需要使用電源或蓄電池，不能滿足礦井的防爆要求，因此，無電降溫服的研究對解決礦井熱害問題更有實際性意義[5]。

相變降溫服是一種利用相變材料(PCM)的相變潛熱吸收熱量，達到降溫目的的服裝系統[6]，使用簡單方便且無需供電。相變材料在防護服中的使用方式是將相變材料封裝在密封袋中，再裝入服裝的口袋[7]。這種相變降溫服是近年來廣泛應用和研究的熱點。Zhao等[8]對添加了相變材料的背心進行測評，發現相變背心能有效降低服裝微環境的溫度。Gao等[9]分析了服裝中相變材料的溫度、使用量及覆蓋面積對降溫效果的影響。不少研究者將相變材料應用于各種需要熱防護的領域，如醫療[10]、冶金[11]、消防[12-13]等。在煤礦行業，有研究人員開發了加入相變材料的礦工工作服[14-15]，雖然有較好的降溫效果，但其所用材料的相變溫度非常低，存在過冷、持續時間短、材料冷凍過程能耗大的問題。

本文將相變材料應用于礦工服中，模擬礦井下高溫高濕的工作環境，采用真人著裝實驗測試和評價該相變降溫礦工服的降溫效果。

1 研究方案

1.1 實驗服裝

實驗服裝包括礦工服、基礎服裝和防護裝備。礦工服包括外套和褲子，采用含有導電纖維的斜紋織物(80%棉、20%滌綸)，以陜西有色榆林煤業有限公司的工作服為樣板，由專業制衣人員制作。服裝規格尺寸按照行業標準MT/T 843—1999《礦工普通工作服》中的180/(96～84)號型設計，上衣長、胸圍、袖長、肩寬、領圍、褲長、腰圍和臀圍分別為78.0、118.0、64.0、48.4、43.0、110、86和113.4 cm，整體較為寬松，可適合不同體型的受試者穿著?；A服裝包括純棉T恤、純棉內褲和純棉短襪。防護裝備包括礦用安全頭盔、棉線手套和礦靴。

此次設計的降溫礦工服款式如圖1所示，在前胸、腹部、后背及大腿前側添加網眼布并縫有口袋，用于放置PCM封裝袋。降溫礦工服共使用144個PCM封裝袋，每個口袋重疊裝入2個PCM封裝袋。每個PCM封裝袋的尺寸為3.0 cm×6.5 cm，質量為9 g，相變溫度為15 ℃，相變潛熱為182 J/g。相變材料在每次實驗前均置于7 ℃的冰箱中冷藏至少24 h，保證完全凝固。實驗開始前將相變材料從冰箱中拿出，在20 ℃的室溫下放置約20 min，使其表面溫度升至12 ℃左右，避免其初始溫度過低，對受試者產生過冷刺激。

圖1 PCM封裝袋在降溫礦工服上的配置方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of way that PCM packs were arranged on cooling miner′s clothing

對照實驗服裝選擇不加入相變材料的普通礦工服，服裝的其他規格與降溫礦工服完全相同。

1.2 實驗對象

選擇10名健康男性作為受試對象，年齡為(24±0.7)歲，身高為(180±2)cm，體重為(76.6±8.1)kg，身體質量指數BMI為(23.6±2.2)kg/m2。所有受試者穿著實驗服裝均較為合體，無緊繃或其他不適感。

1.3 實驗環境

實驗在人工氣候室(日本ESPEC公司)中進行，模擬井下煤礦的高溫高濕環境，溫度為(30 ± 0.5) ℃，濕度為(80 ± 5)%[16]，風速小于0.2 m/s。

1.4 實驗步驟

實驗前，受試者在室內(溫度為20 ℃,相對濕度為50%)靜坐休息30 min，達到不冷不熱，無顯汗的舒適狀態(平均皮膚溫度為32～34 ℃[17])。

之后隨機穿著實驗服裝(降溫礦工服或普通礦工服)，在額頭、前胸、腹部、肩胛、后腰、上臂、小臂、手背、大腿、小腿10個部位的皮膚表面黏貼溫度測量傳感器(iButton DS1922L，美國Maxim Integrated公司)，每分鐘記錄1次數據。

受試者進入人工氣候室開始實驗，在跑步機上以3.5 km/h 的速度行走50 min后靜坐休息20 min(共70 min)。圖2示出實驗現場照片。期間每10 min詢問受試者主觀熱感、濕感和熱舒適感。主觀感受評價標尺如表1所示。問卷參考ISO10551—2001《熱環境人類工效學：主觀評判熱環境影響》設計。

圖2 實驗照片Fig.2 Experiment photo

實驗前后用體重秤(ICS439，瑞士Mettler-Toledo公司)稱量受試者的凈體重、著裝體重及每件服裝的質量，以計算出汗量。

1.5 數據分析方法

使用SPSS 22.0進行數據分析。采用Shapiro-Wild test檢驗數據正態分布。用雙因素重復測量方差分析比較不同測試條件下的各皮膚溫度、心率及各主觀評價數據的差異，其中被試內因素為服裝因素和時間因素。當因素的主效應顯著時，進一步進行兩兩比較，并用Bonferroni法校正顯著性指標P值。不同服裝條件下的出汗量和汗液蒸發率用配對T檢驗進行比較。所有數據分析的顯著性設為P<0.05。

表1 主觀感受評價標尺Tab.1 Evaluation vote of perceptual responses

2 實驗結果與分析

2.1 皮膚溫度

2.1.1 局部皮膚溫度

所設計的降溫礦工服主要在胸部、腹部、背部和大腿4個部位設置了相變材料，因此選取胸部、腹部、后腰和大腿的局部皮膚溫度來分析相變材料在礦工服中的降溫效果，結果如圖3所示。圖中*標注的區域內P<0.05。

需要指出的是，X404上堰溝主次峰在峰值和數據點的分布上差距較明顯，在粒度區間-1Φ～0.27Φ主峰數據點個數占總個數的12.5%，而峰態平坦較寬的次峰數據點個數占總個數的77.5%，所以可能是主峰粗粒組受到搬運作用，沉積在該處粒徑分布較為均勻的原有粒組旁，且在這過程中受到了較差分選作用，使兩粒組混合有限，主峰峰態表現為陡而窄。

圖3 局部皮膚溫度Fig.3 Local skin temperatures. (a) Chest skin temperatures; (b) Abdomen skin temperatures; (c) Lower back skin temperatures; (d) Thigh skin temperatures

對局部皮膚溫度的變化分析發現，胸部、腹部、后腰和大腿部位的溫度都因相變材料的加入而相對降低。穿著相變降溫礦工服后，胸部皮膚溫度在20～55 min段顯著低于普通礦工服(P<0.05)，最大差值為(0.74±0.14)℃。腹部和后腰皮膚溫度在5～55 min段有顯著差異(P<0.05)，差值最大分別為(1.69±0.22)℃和(3.09±0.481)℃。大腿皮膚溫度在5～30 min段有顯著差異(P<0.05)，差值最大為(2.67±0.71)℃。

從結果可知，軀干部位的降溫效果明顯，尤其在軀干下半部分，由于加入了更多的相變材料，局部的皮膚溫度變化達到1.50 ℃以上。Gerrett等[18]研究分析了人體體表不同部位的熱敏感程度，發現腹部和后腰兩側對冷感覺更為敏感，因此，對人體軀干下半部分進行降溫，更利于提高人體的熱舒適感。與上半身相比，腿部在行走過程中會產生更多的熱量，導致相變材料在短時間內吸收了大量的熱量，因此，腿部在運動后期和休息階段無法達到理想的降溫效果。

2.1.2 平均皮膚溫度

平均皮膚溫度依據ISO 9886—2004《人類工效學：熱疲勞的生理學測量評價》，采用7點法計算，計算公式為

式中：ts為平均皮膚溫度，℃；tf，tsh，tc，ttl，ta，th，tth，tl分別為前額、肩胛、前胸、上臂、小臂、手背、大腿和小腿的局部皮膚溫度，℃。

平均皮膚溫度計算結果如圖4所示。圖中*標注的區域內P<0.05。平均皮膚溫度可反映人體全身在環境、服裝作用下的熱調節情況。穿著相變降溫礦工服后，平均皮膚溫度的上升速度下降，在5～40 min內顯著低于普通礦工服(P<0.05)，其最大差值為(0.91±0.24)℃。但40 min后，二者的平均皮膚溫度趨于相近，這主要是由于下半身的降溫效果逐漸減弱。另外，運動中，人體由于中樞神經系統的調節，散熱加強，血管舒張且血流加快，該散熱狀態在運動停止后仍將持續一段時間，導致休息階段平均皮膚溫度呈現先上升后下降的狀態。

圖4 平均皮膚溫度Fig.4 Average skin temperatures

2.1.3 軀干皮膚溫度

軀干皮膚溫度依據前胸、腹部、肩胛和后腰4個點的局部皮膚溫度計算，計算公式為

tb=0.25×(tc+tb+tsh+tw)

式中：tb為軀干皮膚溫度，℃；tb，tw分別為腹部、后腰的局部皮膚溫度，℃。

軀干皮膚溫度計算結果如圖5所示。圖中*標注的區域內P<0.05。由于添加了大量相變材料，軀干部分有很好的降溫效果，最大差值達到(1.70±0.21)℃。在30 min前，穿著相變降溫礦工服的軀干溫度均在32～34 ℃之間，處于較為舒適的溫度狀態。在60 min以內，相變降溫礦工服的軀干皮膚溫度均顯著低于普通礦工服(P<0.05)。

圖5 軀干皮膚溫度Fig.5 Average torso temperatures

2.2 主觀評價

本文實驗中主要針對所設計服裝的熱濕舒適感進行評價，包括熱感、濕感和熱舒適感。理論上來說，熱舒適感同時受到熱感和濕感的影響，另外也與服裝的通風性能等相關。

實驗結果顯示，穿著相變降溫礦工服在最初的運動階段熱感顯著低于普通礦工服，在0～40 min，穿著降溫礦工服的熱感從-1.1±0.9(接近稍涼)上升至3.0±0.5(熱)，而穿著普通礦工服的熱感從0.5±0.5(不冷不熱和稍暖之間)上升至3.4±0.5(熱得很熱之間)。隨著相變材料液化，降溫效果逐漸下降，人體的熱感上升，50 min后二者的熱感趨于一致。該主觀熱感結果與平均皮膚溫度的趨勢基本相近。

穿著2種服裝時的主觀濕感沒有顯著差異，雖然相變材料的存在能加快皮膚散熱，使出汗量減少，但在高溫高濕的環境下，環境空氣中的水分也極易在較冷的服裝上冷凝，使人體濕感增加。

穿著降溫礦工服和普通礦工服的熱舒適感評分分別為(1.59 ± 0.20)(稍微不舒適和不舒適之間)，(2.08 ± 0.15)(不舒適)。說明穿著相變降溫礦工服在整個實驗過程中比普通礦工服更舒適。尤其在前半段運動階段，穿著2種服裝的熱舒適感評分最大差值為(0.74 ± 0.14)，表明通過在礦工服中應用相變材料，可延長人體在熱環境下的持續工作時間，降低疲勞程度，提高工作效率。

2.3 出汗量

在熱環境中，人體通過出汗進行散熱，以防止體溫過高。穿著相變降溫礦工服后，人體產生的部分熱量被相變材料吸收，因此出汗量減少。實驗數據顯示，穿著相變降溫礦工服和普通礦工服的出汗量(實驗前后受試者的裸體體重之差)分別為340.86、457.57 g，二者相差116.71 g(P=0.021)。

3 結 論

為了緩解井下煤礦開采的熱應激問題，利用相變材料設計了一款礦工服，并通過真人著裝實驗評價了該服裝的降溫性能。結果表明，穿著相變降溫礦工服能降低人體胸部、腹部、后腰和大腿的局部皮膚溫度，但不同部位降溫效果存在差異，主要與身體局部的熱敏感度和產熱量有關。平均皮膚溫度最高下降約0.91 ℃，軀干皮膚溫度最高下降約1.70 ℃。主觀熱感和熱舒適感均有改善；但在休息階段，2件服裝的差異不大。另外使用相變降溫礦工服時，人體出汗量減少，說明該服裝具有一定的熱調節功能，能降低人體高溫工作時的疲勞度。

未來應針對人體不同部位的熱敏感度和出汗量，對相變材料在服裝中的配置方式進行研究，以進一步提高服裝的熱調節性能。