消防服穿著者的熱應激研究現(xiàn)狀

韓 倫，趙曉明

(天津工業(yè)大學紡織學部，天津 300387)

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消防服穿著者的熱應激研究現(xiàn)狀

韓 倫，趙曉明

(天津工業(yè)大學紡織學部，天津 300387)

防護服是保護執(zhí)行特殊危險任務的工作者免受外部傷害源損傷的一道有效屏障。為了達到防護的目的，各類防護服不得不采取加厚，增重等不良方式對服用紡織品進行增強。因此，長時間穿著防護服會使穿著者產生不良的熱應激反應，進而導致工作效率的下降，甚至危及工作人員的生命。對工作人員因穿著防護服而產生的熱應激的相關內容和目前國內外對防護服產生的熱應激的研究現(xiàn)狀進行了總結，為研究人員開發(fā)更好的防護服提供幫助。

熱應激 消防服 熱舒適性 體溫調節(jié)

0 前言

隨著經濟和科技的發(fā)展，幾乎每年都會有一些新的行業(yè)誕生。隨之而來的當然是新的一些行業(yè)的從業(yè)者。無論是什么行業(yè)，都需要有適合自身工作的工作服，比如醫(yī)生要穿醫(yī)務服，士兵要穿軍裝，警察要穿警服等等。在大量的行業(yè)中，有大部分是具有危險性的。這就要求相關行業(yè)的從業(yè)者的工作服要具有一定的防護性。比如消防員所穿的消防服要具有防火，防水和隔熱等性能。前些年，人們比較關注防護服對外界危害的防御，而忽略了著裝者的舒適程度。近些年，隨著“以人為本”的觀念逐漸波及全世界，從業(yè)者不但要求自身所穿的工作服具有防護性能，而且也要非常的舒適。

其實，服裝舒適度對著裝者的影響很大。雖然服裝可以很好的防護來自外界的危害，但是由于其自身透氣性不好，質量過重，不透濕，對皮膚有刺激性等不良性質，會使穿著者在執(zhí)行任務時感到極為不適，也就是所說的熱應激反應。這種不良的熱應激會降低人的工作效率，甚至危及人的生命。因此，研究好人體因穿著防護服而產生的熱應激對研制更舒適的防護服，為從業(yè)人員提供更好的防護至關重要。

1 熱應激

1.1 定義

熱應激(Heat stress)是指當環(huán)境溫度超過動物或人體舒適溫度時，動物或人為了維持正常的新陳代謝，其各種生理機制所必須做出的各種反應的總和[1]。

人類是一種恒溫型動物，保持身體的溫恒定是維持人體各項生理機能正常工作的必須條件。外部環(huán)境溫度和體內新陳代謝都會對人體體溫產生影響。人體可以通過各種生理反應對熱做出如排汗，血液流動加快，呼吸頻率加快等反應。較輕微的熱應激會引起人的一些不良反應，會降低其工作效率，需要經過一段時間的休息還可以恢復正常。然而，有一些熱應激很嚴重，會使人體某些不良的反應達到人體所能忍受的極限，對人體健康造成重大危害[2]。

1.2 消防員的熱應激

近年來，消防員的熱應激在世界各國消防隊工作中反映極為強烈，已經成為了降低消防員工作效率的主要原因之一。尤其是在氣候炎熱的夏季，由不良熱應激造成的消防員中暑、痙攣等傷亡事故頻頻發(fā)生。熱應激不僅會發(fā)生在烈火環(huán)繞的救火現(xiàn)場，在消防員的日常訓練中也會時有發(fā)生。國內外研究人員這一問題已經展開了一些研究，也有一些可以用于降低熱應激的新型裝備被發(fā)明出來，如降溫背心等。但與熱防護領域里的其他研究方向相比，對熱應激的研究還處于初級階段，有很多問題需要解決。對于消防員熱應激的評價，目前還停留在理論分析和消防員自我主觀感受階段，還沒有一套系統(tǒng)、完善的評價體系，相關實驗數(shù)據(jù)也很少[3]。

消防員熱應激主要是由于其高溫、高濕的惡劣工作環(huán)境，防護服透濕、透氣等功能不好和長時間的奮戰(zhàn)帶來的疲勞所致。為了很好的解決消防員熱應激問題，必須研究好消防員自身，防護服，消防裝備和周圍環(huán)境等各個因素。

1.3 熱應激評價

近些年，對于人體熱應激的研究已經有了一些進展，有了一些用于評估熱應激的模型。熱應激的評價指標可以分為直接指標、理論指標、經驗指標和生理學控制指標。直接指標包括干球溫度、濕球溫度；理論指標包括作用溫度、熱應力指數(shù)、皮膚潤濕度；經驗指標包括有效溫度、濕球黑球溫度、黑球溫度所對應濕球溫度；生理學控制指標包括體溫、表皮溫度、失水量等。

ISO組織制定了一整套人對熱環(huán)境反應評估的國際標準，包括對熱舒適度、熱應激和冷應激的評估[4，5]。標準包括ISO 7243-1989《基于WBGT指數(shù)對工作人員受到的熱應力進行熱環(huán)境評估》、ISO 7933-2004《熱環(huán)境的人類工效學·通過計算預熱應力對熱應力的分析測定和說明》和ISO 9886-2004《人類工效學 熱疲勞的生理學測量評價》等。

我國空軍航空醫(yī)學研究所在生理緊張指數(shù)的基礎上，提出了綜合熱應激指數(shù)(Combined Index of Heat Stress，CIHS)[6]，其計算公式如下：

2 國內外熱應激研究成果

日本學者物部博文等人通過使用水冷卻系統(tǒng)來控制消防員的體溫。實驗預測了在溫度低于30℃的條件下，穿著消防服的受試者，在進行室內自行車騎行模擬過程中的代謝產熱率。在使用水冷系統(tǒng)控制消防員體溫的過程中，如果不能夠智能的控制好水冷系統(tǒng)的流量和流經路徑，雖然可以控制受試者的體溫，但會影響其舒適度[7]。

在溫度為35℃、相對濕度為80%的環(huán)境下，George Havenith等人研究了年齡與進行往復運動的消防員的心血管功能和保持體溫能力的關系。他們采用隨機抽樣的方式對56名消防員的年齡和其在實驗過程中的VO2(最大攝氧量)進行了多重回歸分析，并對其直腸溫度、熱量儲存、排汗量、心率、前臂血流量、動脈血壓和前臂血管電導進行了分析。結果顯示，年齡與直腸溫度、熱量儲存和排汗量沒有明顯聯(lián)系。然而，心率、前臂血流量、動脈血壓和前臂血管電導卻與年齡和VO2都密切相關。年齡對消防員保持體溫的能力影響不大，但對消防員的心血管功能會有很大影響[8]。

George Havenith等人研究了最大攝氧量、個體肥胖程度、杜波依斯身體表面積，表面質量比和體重等人體參數(shù)與消防員熱應激的關系。受試者為27名消防員(19男，8女)，在溫度為35℃、相對濕度為80%的環(huán)境下，受試者先休息30分鐘，再進行1小時的室內自行車騎行模擬。運動結束后，測量受試者的最大攝氧量、個體肥胖程度、杜波依斯身體表面積，表面質量比和體重等參數(shù)。實驗結果顯示，受試者最大攝氧量越大，體型越大，其熱應激反應會越弱[9]。

Anna Marszalek等人研究了年齡與穿防輻射服的消防員熱應激之間的關系。實驗選取24名健康、血壓正常的男性消防員，將其分為三組：組1為9名年輕人(20-28歲)；組2為9名中年人(43-52歲)；組3為6名年長者(58-65歲)。受試者被要求進行兩種測試，分別為低熱應激測試(LS)和高熱應激測試(HS)。在LS測試中受試者處于常溫狀態(tài)，在HS測試中受試者暴露于高熱輻射環(huán)境。測試過程中，受試者的直腸溫度，皮膚溫度，心率，體重變化和血壓被實時監(jiān)控，并完成主觀熱應激指標評估。實驗結果顯示，年齡與消防員的體溫和排汗基本無關，而心率卻會隨年齡的增加而變快，血壓也會隨年齡的增加而升高。在LS和HS兩組測試中，組3中消防員與其他兩組相比更容易發(fā)生口渴。受試者在進行HS測試時的所有主觀熱應激指標都明顯高于做LS測試的指標。年長的消防員忍受熱應激的能力與年輕人相差不明顯。但年長的消防員在對抗熱應激的過程中的排汗明顯多于年輕人，這可能會導致年長的消防員更快的脫水，造成危險[10]。

George Havenith等人開發(fā)了一種可以對消防員熱應激和體溫調節(jié)情況進行模擬的個性化模型。模型涉及身體表面區(qū)域分布、體重、脂肪含量、最大攝氧量和環(huán)境適應能力等參數(shù)。這些參數(shù)與消防員的被動調節(jié)(熱容，絕緣)和主動調節(jié)(排汗，血液流動)有關。參數(shù)的獲取一部分來自文獻，一部分來自模擬測試過程中的實時測試。他們開發(fā)的這款模型提高了對消防員熱應激和體溫調節(jié)情況的模擬可信度，但仍然存在大量不足之處亟待解決[11]。

George Havenith等人改進了Predicted Mean Vote(PMV)模型中的著裝和代謝產熱參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，著裝者的運動和服裝中的自由空氣分布變化參數(shù)是影響服裝舒適度預測模型的重要指標。當著裝者進行輕微的運動時，干熱交換參數(shù)對模型影響不大。研究人員發(fā)現(xiàn)模型中對流熱交換的計算方法需要重新確定，而且他指出服裝在被穿著過程中的蒸發(fā)熱交換應該作為新的參數(shù)被加入模型。根據(jù)ISO8996標準中的參數(shù)設計的PMV模型中有好多參數(shù)不夠準確，需要研究人員進一步改進[12]。

W. Larry Kenney等人對極端惡劣環(huán)境下人體的耐熱能力和熱應激反應進行了研究。實驗結果顯示，人體可以忍受的體內溫度大概在42℃-44℃。然而，在體溫高于人體可以忍受的溫度時，人體可以進行在極端環(huán)境下的體溫調節(jié)，使自身不至于由于體溫過高而失去各項能力[13]。

李俊和Roger L. Barker等人使用Sweating manikin(出汗假人)研究了消防服系統(tǒng)和外界環(huán)境間的熱量交換效率，并在人工氣候室內研究了消防服結構設計和材料組成對熱傳導的影響。在測量消防服隔熱能力時，研究人員對材料組成和結構設計不同的消防服性能進行了對比。研究人員還研究了在頸部、腰部、腕部和踝部設有開口和不設開口的情況下消防服的透濕能力。在研究熱傳導的過程中，研究人員加入了CIt和Cim兩個新參數(shù)，這兩個參數(shù)分別被定義為Changing rates of It和Changing rates ofim。結果顯示，CIt可以反映不同的結構設計對熱傳導的影響，而Cim會因消防服材料組成的不同而發(fā)生變化[14]。

Deanna Colburn等人研究了在火場中執(zhí)行完滅火任務后消防員的冷卻措施。實驗選取了23名男消防員和2名女消防員作為受試者，使用兩種主動冷卻措施(前臂浸沒和冰水冷卻)和一種被動冷卻措施(空調車)對進行了20分鐘模擬滅火活動的消防員進行冷卻。冷卻后，觀察受試者的心率和直腸溫度的恢復情況。結果顯示，前臂浸沒和冰水冷卻措施相比于空調車而言，對消防員的冷卻效果更好，能更有效的緩解消防員的熱應激[15]。

黃冬梅等人對來自25個不同省份的1201名消防員進行了一次問卷調查。結果顯示，大部分消防員表示防護服會限制他們的行動，最受限制的部位是大腿、膝蓋、手臂、手肘和腳踝。消防員們表示，在冬天穿消防服會感覺冷，在夏天穿消防服會感覺熱。受試者中有21%表示，即使穿了消防服也會受傷，手是他們最容易受傷的部位[16]。

Kiwon Park等人研究了穿著優(yōu)化(自重減輕，透濕功能提高，限制性減小等)過的防護服的消防員進行模擬消防救援任務后的步態(tài)變化。44名受試者每人分別穿著一般消防服和優(yōu)化消防服在3種環(huán)境下進行實驗。實驗過程中，研究人員記錄了受試者的7種步態(tài)參數(shù)和在進行穿越障礙行走時的3種錯誤移動方式。結果顯示，穿著兩種消防服都會對消防員的步態(tài)造成影響。工作過程中的疲勞會令消防員在執(zhí)行任務時做出錯的頻率增大。對消防服的優(yōu)化基本不會影響消防員的步態(tài)，但是穿著優(yōu)化過的消防服的受試者出錯的頻率升高。據(jù)受試者反應，這是由于他們對優(yōu)化過的消防服不熟悉，需要一定時間的穿著適應過程[17]。

柳素燕等人對夏秋消防服對消防員的影響進行了研究。實驗選取8名消防員，他們分別穿著滅火防護服、隔熱防護服和化學防護服，在特定環(huán)境下進行實驗。過程中，記錄受試者的心率、體溫、排汗量、積熱量、綜合熱應激指數(shù)(CIHS)、紅細胞和主觀熱感覺。結果顯示，消防服對消防員各指標都有明顯影響。為了降低這些影響，在實驗條件不變的情況下，可以在防護服內加穿降溫背心，結果表明降溫背心能夠降低消防員的熱應激[18]。

Joo-Young Lee等人研究了薄荷醇的用量和在人體上的施用部位對消防員熱應激的影響。實驗分為兩組，第一組在溫度28℃，濕度50%的環(huán)境下，在8個不同身體部位施用和不施用0.8%的薄荷醇對皮膚可承受的溫度極限值的影響。第二組實驗時受試者穿著消防服和普通服裝，在溫度28℃，濕度40%的環(huán)境下，進行6種不同形式的運動。在運動過程中研究薄荷醇對消防員熱應激的影響。實驗結果顯示，薄荷醇對皮膚可承受的溫度極限值沒有明顯影響，但是使用薄荷醇，尤其是在胸部施加薄荷醇，可以更快地引起皮膚對冷的感知。受試者處于休息狀態(tài)時，實行NCUP(著正常衣服，并在上身施用薄荷醇)，PCUP(著防護服，并在上身施用薄荷醇)和PCWB(著防護服，并全身施用薄荷醇)可以降低皮膚溫度。在運動測試過程中，實行NCUP，PCUP和PCWB可以引起更快的直腸溫度上升，會延遲受試者排汗，會緩解受試者的心理壓力。實行PCFN(著防護服，并在臉和脖子上施用薄荷醇)對受試者的心理和生理都沒什么影響。經過綜合分析，薄荷醇對消防員熱應激的影響與其在人體上被施用的部位和施用面積有關[19]。

Riana R. Pryor等人評估了消防員穿著消防服進行勞累性活動后的熱應激。實驗選取50名消防員，讓他們在高溫環(huán)境下，身著消防服在跑步機上完成一段時間的行走。行走結束后，受試者們要進入一段時長為20分鐘的恢復以模擬突發(fā)事件的恢復過程。在這20分鐘里，實驗員會測量受試者的前額溫度和皮膚溫度等數(shù)值。結果顯示，用儀器測得的溫度與真實人體核心溫度的溫差在1.31℃到3.28℃之間。臨床醫(yī)學所允許的測量溫度與真實人體核心溫度溫差要在正負0.5℃之間，實驗結果明顯超出了這個范圍。目前用于測量消防員溫度的測量設備還不夠精確，醫(yī)務人員在使用這些測量溫度時要謹慎[20]。

柳素燕等人介紹了消防員中的主要熱應激問題、熱應激反應的主要評價指標、綜合熱應激指數(shù)在評價空軍飛行員熱應激中的應用，并且拓展了綜合熱應激指數(shù)，從而更好地評價消防員熱應激。研究者提出在消防服熱防護領域應建立更綜合的熱應激指數(shù)評估模型，為我國消防員熱應激評價和預測提供更可靠的支持[21]。

Su-Young SON等人研究了消防員穿著鍍鋁和不鍍鋁防護服在工作狀態(tài)下的舒適度，并提出了一個新的評估方法來評價日本消防服。實驗調查了來自日本兩座城市的消防員，城市A的525名消防員穿著鍍鋁的PPE(個體防護服)，城市B的757名消防員穿著不鍍鋁的PPE。穿著PPE的A、B兩城市的受試者分別進行22.5分鐘和27.3分鐘的消防運動，運動過程中對受試者的熱應激進行評估。結果顯示，城市A的受試者的不舒適熱應激反應程度是城市B的2倍。測試中城市A的受試者反應爬樓梯最容易產生不良熱應激，對城市B的受試者而言則是搬運充滿水的消防水管。兩城市的受試者都反映穿著PPE時身體最受限制的部位是膝蓋。受試者反應鍍鋁的PPE的透氣性和穿著機動性不如不鍍鋁的PPE，但是其防水性和可維護性要好于不鍍鋁的PPE[22]。

K.J. Glitz等人測試了可以增強蒸發(fā)性能的微氣候冷卻方法對消防服性能的影響。10名志愿者分別穿著加入和不加入額外空氣流動的防護服完成了一組130分鐘的測試。實驗結果顯示，穿著防護服造成的熱應激會限制穿著者的正常工作。在測試過程中，受試者的汗液蒸發(fā)是主要的散熱機制，在防護服中加入了空氣流動會加快汗液蒸發(fā)，進而促進散熱[23-24]。

OladipupoOlafiranye等人研究了阿司匹林對消防員末梢動脈硬化度和皮膚功能的影響。52名受試消防員在測試中每天要進行一段時間的模擬自行車騎行。在運動之前，81mg阿司匹林被施用于受試者。在運動結束后，受試者要立即接受單劑量325mg的阿司匹林。在使用藥品之前、30、60和90分鐘后，要確定受試者在心率為75bpm時末梢動脈硬化度參數(shù)(AI75)和反應性充血參數(shù)(RHI)。結果顯示，小劑量的阿司匹林對AI75有影響，對RHI基本沒有影響。小劑量的阿司匹林會增加消防員的末梢動脈硬化度，但對皮膚功能影響不大[25]。

Julio A. Gonzalez等人研究了防護服對人體熱應激的影響。實驗使用人體模型和數(shù)學建模的方式，分階段性地研究了受試者穿著工作制服、再加防彈衣、再加化學防護服，最后加上口罩和手套后的熱應激。測試時，將防護服穿在人體模型上，首先穿工作制服，隨后依次穿上防彈衣、化學防護服和口罩、手套。實驗過程中采集相關數(shù)據(jù)與數(shù)學模型結合，對受試者熱應激進行預測。實驗結果顯示，每增加一層防護服都會加快穿著者的新陳代謝。只穿正常的工作制服，受試者會在146分鐘左右產生明顯熱應激。加穿防彈衣后，受試者在75分鐘左右就會產生明顯不良熱應激。受試者的熱應激很大程度上是其所穿衣物過重所致。建議相關人員盡量穿著較輕便的防護服以減輕熱應激[26]。

3 展望

雖然，目前國內外對消防員因穿著消防服而產生的熱應激的研究已經有一些進展，但是仍處于初級階段。領域內的科研人員目前主要在消防員體溫調節(jié)與熱應激的關系，熱應激所造成的心血管疾病，消防員降溫方法，消防員熱應激預測和熱應激主要產生部位評估等方面有所建樹，還有很多關鍵問題沒有被解決。而且，對消防員熱應激的研究主要集中在國外，我們國內對消防員熱應激的研究還基本屬于盲區(qū)。這就需要消防熱防護領域內的國內科研人員刻苦鉆研，在吸取國外工作者的養(yǎng)分的基礎上，開發(fā)屬于我國的熱應激應對方法。

想要很好的解決消防員的熱應激，就要先了解消防員的實際情況，不能紙上談兵?？蒲腥藛T應該親身去消防隊對消防員進行實際了解，甚至要親自身穿消防服，體驗消防員的熱應激。獲得消防員熱應激的一手資料后，科研人員應該細心研究消防服與這些熱應激的關系，并與醫(yī)學工作者等多領域科研人員聯(lián)合，從消防服和消防員兩方面綜合的開發(fā)解決熱應激問題的方法。希望熱防護領域內的研究者們能夠早日平衡好消防員的熱應激問題，為消防員提供更好的保護。

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2016-05-04

韓倫(1989-)，男，博士研究生，研究方向：消防服用織物熱防護性能。

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導師。

TS101

A

1008-5580(2016)04-0197-06