溫熱環境下降溫背心的綜合效能測評

陳 瑩，宋澤濤，鄭曉慧，姜 延，賈琳葳，常素芹

(1.北京服裝學院 服裝藝術與工程學院，北京 100029； 2.北京服裝學院 材料設計與工程學院，北京 100029；3.國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 100191； 4.北京服裝學院 文理學院，北京 100029)

1960—2016年，南方城市不斷發生極端高溫和熱浪事件,尤其是在華東和華中地區,盡管北方城市高溫和熱浪事件較少,但高溫強度較為突出[1]，專家指出新的“火爐”城市不斷涌現[2]。長期在高溫環境下工作，人們容易疲勞、精神不振，工作效率降低，嚴重時甚至會引發安全事故[3]。日常生活中人們通過使用風扇或空調等設備進行降溫，但對于沒有降溫設備的室外作業人員，抵御高溫的個體降溫防護設備顯得尤為重要[4]。

個體降溫服作為目前較為普遍且有效的一種高溫作業防護服裝，可根據降溫介質分為4類：基于對流和蒸發降溫的氣體降溫服、基于相變材料(Phase Change Material, PCM)相變吸熱的相變降溫服、基于傳導降溫的液體降溫服、結合了以上2種或2種以上降溫方式的混合降溫服[5]。降溫背心已經在航空、航海、生化[6]、消防[7-8]、交通、醫療[9]、建筑業[10]等領域得到了廣泛的應用。王春光等[11]研發用于深井開采的防護降溫背心,并開展了實用性實驗研究，結果表明穿著降溫背心受試者的各項生理指標與不穿降溫背心者相比均降低,且工作效率顯著提高。Zheng等[12]以相變材料為降溫材料研制出了供礦工使用的全身性相變降溫服，實驗結果表明，該全身性降溫服在高溫高濕環境下能夠有效降低人體皮膚溫度、提高熱舒適感。雖然現有降溫背心有較好的降溫效果，但普遍存在初期降溫速率較快，服裝較重，局部過冷，降溫時長較短等問題[13]。

降溫背心的降溫性能是實際使用前的關鍵研究內容，目前關于降溫背心降溫效果的評價方法缺乏足夠的理論和研究[14]。本文通過模擬溫熱的工作環境，利用干態暖體假人測試3件不同類型的降溫背心，觀察假人的局部皮膚溫度變化，從降溫速率、最低溫度值、有效降溫時長等方面對降溫背心進行綜合效能評價，為降溫背心降溫效果綜合評價系統的構建提供依據。

1 實驗方案

1.1 實驗服裝

本文實驗對3件不同類型的降溫背心進行降溫性能測試，即蒸發型降溫背心、相變型降溫背心和凝膠型降溫背心。蒸發型降溫背心(太原市藍籌科技有限公司)選用抗菌防霉高分子蓄冷材料[15]作為蓄冷劑，其在自來水中蓄液量為117 g/g。相變型降溫背心(上海勇備實業有限公司)選用新型的生物基材料作為蓄冷劑，其相變潛熱為189.8 J/g。凝膠型降溫背心選用硬凝膠作為蓄冷劑(硬凝膠由北京廣順和科技有限公司提供)，其相變潛熱為250 J/g。基礎服裝包括純棉的T恤和長褲，如圖1所示。

實驗前，蒸發型降溫背心在自來水中浸泡20 min，激活蓄冷材料，后用甩干機甩干3 min，去除降溫背心表面的自由水，而相變降溫背心和冷凝膠蓄冷袋分別需要在5 ℃和-18 ℃的冰箱內至少放置12 h，保證完全凝固。3種降溫背心基本信息與參數見表1。

表1 3種降溫背心基本信息與參數Tab.1 Basic information and properties of three kinds of cooling vests

1.2 實驗方法

本文實驗基于恒功率,采用干態暖體假人法進行實驗。實驗前，先開啟人工氣候倉，環境溫度34 ℃，相對濕度50%，風速0.4 m/s。待倉內環境穩定后(假人各局部皮膚溫度接近34 ℃)開啟假人，設定假人各局部的加熱功率為300 W/m2,給假人穿上實驗服裝，開始實驗。直至假人各局部皮膚溫度升至34 ℃，停止實驗，每1 min記錄1次各局部皮膚溫度。每組實驗重復測量3次。

1.3 數據分析方法

對各時間點(每5 min)的局部皮膚溫度進行單因素重復測量方差分析。當顯著性指標P值小于0.05時，服裝種類對各皮膚溫度的影響存在統計學意義。當服裝種類對評價指標的影響具有統計學意義時，進一步兩兩比較，顯著性水平用Bonferroni Correction校正。

2 結果與分析

2．1 降溫性能參數的計算

若降溫背心能使人體在高溫環境下的平均皮膚溫度維持在34 ℃以下，則認為其具有降溫效果。3種降溫背心相關降溫性能參數見表2。最大降溫溫差定義為局部皮膚初始溫度與其最低溫度的差值。溫度最低點時間定義為皮膚溫度達到最低對應的時間。有效降溫時長指從具有制冷作用開始到降溫效果消失對應的時間。300 W/m2為5.15 met，當代謝率為3～6 met時，皮膚溫度在30～32 ℃之間，處于舒適的溫度狀態[16]，降溫服舒適最大降溫溫差范圍為2～4 ℃。初期降溫速率定義為最大降溫溫差與溫度最低點時間的比值。

表2 3種降溫背心相關降溫性能參數Tab.2 Three kinds of cooling vests related cooling performance parameters

3種降溫背心皆僅覆蓋人體軀干，其綜合降溫效果可由軀干溫度下降程度表示。軀干溫度根據胸部、肩部、腹部和背部4個局部皮膚溫度計算，計算方式如下：

Ttorso=(Tchest+Tshoulder+Tabdomen+Tback)/4

式中：Ttorso為軀干皮膚溫度，Tchest、Tshoulder、Tabdomen和Tback分別是胸部、肩部、腹部和背部的溫度，℃。

2.2 蒸發型降溫背心

圖2為假人穿著蒸發型降溫背心條件下局部皮膚溫度變化情況。各局部皮膚溫度均有降溫效果，降溫強度大小排序為：肩部>胸部>背部>腹部。軀干有效降溫時長達102 min。舒適溫度時長均為0 min，在300 W/m2的高勞動強度下，該降溫背心降溫效果不足，不能滿足人體降溫需求，更適合偏低的勞動強度下穿著。根據Gerrett等[17]的研究，運動狀態下人體軀干部位的腰腹兩側和背部的冷感覺接收器數量較多，胸部較少。因而在實際作業中，對這些部位進行降溫，皮膚能夠對冷刺激產生較強的冷感，進而可以較快地獲得降溫帶來的舒適感?？蛇m當在該降溫服腰腹部和背部增加降溫材料，提高服裝的熱舒適性。

圖2 假人穿著蒸發型降溫背心條件下各局部皮膚溫度變化Fig.2 Local skin temperatures changes of manikin under wearing evaporative cooling vests

2.3 相變型降溫背心

圖3為假人穿著相變型降溫背心條件下局部皮膚溫度變化情況。腹部幾乎無降溫效果，背部和胸部的降溫效果相似，肩部降溫效果最為明顯。軀干有效降溫時長達134 min。相變型降溫背心硬度大，極大限制了人體上半身運動靈活性。相變材料封裝包分布緊密，不能很好地貼合人體，合體性差，腹部區域只覆蓋到少量相變材料。PCM封裝包的放置間距會影響服裝的熱防護效果和透氣透濕性能[18]，可調整該降溫服PCM封裝包間的距離，增加服裝的合體性和動態舒適性。

圖3 假人穿著相變型降溫背心條件下各局部皮膚溫度變化Fig.3 Local skin temperatures changes of manikin under wearing PCM cooling vests

2.4 凝膠型降溫背心

圖4為假人穿著凝膠型降溫背心條件下局部皮膚溫度變化情況。胸部無降溫效果，肩部降溫效果微小，其次是腹部，背部降溫效果最為明顯。軀干有效降溫時長達96 min。凝膠型降溫背心硬度大，限制人體上半身的運動靈活性，可減小凝膠封裝包面積，來提高運動靈活性。

圖4 假人穿著凝膠型降溫背心條件下各局部皮膚溫度變化Fig.4 Local skin temperatures changes of manikin under wearing gel cooling vests

2.5 局部皮膚溫度

2.5.1 胸部溫度

圖5為假人穿著3種實驗服裝條件下的胸部溫度變化曲線。凝膠型與蒸發型以及凝膠型與相變型的胸部溫度在5～115 min具有顯著性差異(P<0.05)，蒸發型和相變型的胸部溫度在5～90 min無顯著差異(P>0.05)，在95～115 min具有顯著差異(P<0.05)。蒸發型的初期降溫速率小于相變型，即0.067 ℃/min<0.110 ℃/min。蒸發型的有效降溫時長小于相變型，即107 min<141 min?？梢娤嘧冃偷慕禍匦Ч憩F更為迅速，有效作用時間更長。圖5顯示凝膠型曲線一直呈上升趨勢，可見凝膠型對胸部無降溫效果。

注：*表示P<0.05 (蒸發型與相變型);#表示P<0.05 (蒸發型與凝膠型)；&表示P<0.05 (相變型與凝膠型)。圖5 3種實驗服裝的胸部溫度Fig.5 Chest temperature of 3 cooling vests

2.5.2 肩部溫度

圖6為假人穿著3種實驗服裝條件下的肩部溫度變化曲線。凝膠型與相變型以及凝膠型與蒸發型的肩部溫度分別在5～145 min和10～145 min存在顯著差異(P<0.05)。蒸發型和相變型的肩部溫度在5～145 min存在顯著差異 (P<0.05)。蒸發型的初期降溫速率小于相變型，即0.080 ℃/min<0.194 ℃/min,蒸發型的有效降溫時長小于相變型，即137 min<199 min。因此，相變型在肩部的降溫效果優于蒸發型。圖6顯示凝膠型的曲線幾乎無下降趨勢，最大降溫溫差為0.4 ℃，且作用時間很短，對肩部幾乎無降溫效果。

注：*表示P<0.05 (蒸發型與相變型); #表示P<0.05(蒸發型與凝膠型)；&表示P<0.05(相變型與凝膠型)。圖6 3種實驗服裝的肩部溫度Fig.6 Shoulder temperature of 3 cooling vests

2.5.3 腹部溫度

圖7為假人穿著3種實驗服裝條件下的腹部溫度變化曲線。相變型和蒸發型的腹部溫度、相變型和凝膠型的腹部溫度在5～10 min均無顯著差異(P>0.05),在15～95 min存在顯著差異(P<0.05)。蒸發型和凝膠型的腹部溫度在5～50 min無顯著差異(P>0.05)，在55～95min存在顯著差異(P<0.05)。蒸發型的初期降溫速率大于凝膠型，即0.021 ℃/min>0.018 ℃/min,蒸發型的有效降溫時長小于凝膠型，即66 min<97 min。圖7顯示相變型的曲線幾乎無下降趨勢，其最大降溫溫差為0.1℃，幾乎對腹部無降溫效果。

注：*表示P<0.05(蒸發型與相變型); #表示P<0.05(蒸發型與凝膠型)；&表示P<0.05(相變型與凝膠型)。圖7 3種實驗服裝的腹部溫度Fig.7 Abdomen temperature 3 cooling vests

2.5.4 背部溫度

圖8為假人穿著3種實驗服裝條件下的背部溫度變化曲線。蒸發型與凝膠型的背部溫度在5～130 min存在顯著差異(P<0.05)，相變型與凝膠型的背部溫度在10～130 min存在顯著差異(P<0.05)。蒸發型和相變型的背部溫度在5～20 min存在顯著差異(P<0.05)。初期降溫速率大小排序為：凝膠型>相變型>蒸發型，其值分別為0.121、0.113和0.018 ℃/min,有效降溫時長大小排序同為：凝膠型>相變型>蒸發型，其值分別為202、126和97 min。穿著凝膠型降溫背心時，假人背部最低溫度為29.4 ℃，在真實的作業環境中會引起人體局部過冷，使人體感到不適，且背部溫度維持在30 ℃以下時間長達60 min，過冷時間較長，占其有效降溫時長的29.7%。蒸發型和相變型的降溫效果較為緩和，且相變型的降溫效果優于蒸發型。

2.5.5 軀干溫度

圖9為假人穿著3種實驗服裝條件下的軀干溫度變化曲線。蒸發型與凝膠型的軀干溫度在實驗過程中不存在顯著差異(P>0.05),蒸發型與相變型的軀干溫度在5～15 min存在顯著差異(P<0.05)，相變型與凝膠型的軀干溫度在5～25 min存在顯著差異(P<0.05)。初期降溫速率大小排序為：相變型>蒸發型>凝膠型，其值分別為0.125、0.041和0.034 ℃/min,有效降溫時長大小排序同為：相變型>蒸發型>凝膠型，其值分別為134、102和96 min?？梢?，相變型降溫效果最優。3種降溫背心的最大降溫溫差均大于2 ℃，軀干舒適溫度時長均為0 min。

3 結 論

本文通過干態暖體假人法綜合評價了溫熱環境下3種降溫背心的降溫效能。結果表明：3種降溫背心均有不同程度的降溫效果，從假人的軀干溫度下降程度來看，3種降溫背心的綜合降溫程度高低排序為：相變型>蒸發型>凝膠型。使用凝膠型降溫背心時，假人背部溫度最低可達29.4 ℃，在真實的作業環境中會引起人體局部過冷，感到不適。軀干有效降溫時長大小排序為相變型>蒸發型>凝膠型。3種降溫背心在設計上均存在不足，蒸發型降溫背心可增加降溫材料在腹部的分布；相變型降溫背心硬度大，可適當增加相變材料封裝包的放置間距，增加人體運動靈活性；凝膠型降溫背心可減小凝膠封裝包面積。穿著3種降溫背心時，雖然有一定的降溫效果，但軀干均沒有達到舒適溫度的狀態，降溫效果在高勞動強度下均不足，適合較低勞動強度下穿著。