可降溫式消防服的設(shè)計(jì)與降溫效果評(píng)價(jià)

牛 麗， 錢(qián)曉明， 范金土,2， 張文歡， 師云龍

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 美國(guó)康奈爾大學(xué) 纖維科學(xué)與服裝設(shè)計(jì)系， 紐約 14850)

在消防員的滅火救援活動(dòng)中，消防員穿著4層結(jié)構(gòu)的消防服裝以保護(hù)人體免受高溫?fù)p傷以及化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，在阻礙外界熱量進(jìn)入的同時(shí)也增加了生理產(chǎn)熱擴(kuò)散的難度。在厚重的服裝結(jié)構(gòu)與人體之間形成的微環(huán)境中，熱量的蓄積導(dǎo)致微環(huán)境溫度升高，一般情況下，微環(huán)境中溫度比周?chē)h(huán)境溫度高 5 ℃[1]。人體出汗量增加，加快釋放潛熱，體內(nèi)水分快速流失，造成鹽水不平衡，作業(yè)人員產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)，包括體溫升高、心率過(guò)快等，嚴(yán)重時(shí)引起熱疾病[2]，甚至威脅生命。

消防員暴露在強(qiáng)輻射高溫危險(xiǎn)環(huán)境中，根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)人員受傷并不是直接的熱損傷，而是由于服裝內(nèi)微環(huán)境熱量蓄積導(dǎo)致的皮膚燒傷以及熱應(yīng)力問(wèn)題[3]，因此，需要采取合理有效的措施減弱消防員的熱應(yīng)激反應(yīng)，防止皮膚燒傷，減輕身體傷害，提高消防員的工作效率，為成功救援增加機(jī)會(huì)。目前，解決消防服的熱應(yīng)力問(wèn)題主要通過(guò)阻擋外界熱量進(jìn)入和降低微氣候環(huán)境溫度2種方式。阻擋外部熱量進(jìn)入服裝內(nèi)部，常見(jiàn)的有優(yōu)化面料性能、增加服裝層數(shù)阻擋熱量的進(jìn)入，但這種方式增加散熱難度，加重?zé)釕?yīng)激反應(yīng)。當(dāng)環(huán)境溫度高于皮膚溫度時(shí)，人體散熱方式主要是蒸發(fā)散熱[4-5]，蒸發(fā)散熱是由于空氣與人體皮膚表面之間的水蒸氣壓力、溫度和相對(duì)濕度差異產(chǎn)生的，事實(shí)上消防員在高強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間的工作過(guò)程中，皮膚溫度升高，與微環(huán)境間溫差減小，汗液蒸發(fā)無(wú)法及時(shí)帶走過(guò)多熱量，達(dá)到調(diào)節(jié)體溫緩解熱應(yīng)激反應(yīng)的目的。宗藝晶等[6]針對(duì)4類(lèi)不同消防服外層織物進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，熱防護(hù)性能隨著織物面密度和厚度的增加而增加，有利于提高服裝的整體熱防護(hù)性能，但阻礙卻加重了服裝的整體質(zhì)量，體熱散失。

使用不同的冷卻介質(zhì)降低微氣候環(huán)境溫度，冷卻介質(zhì)主要采用相變材料、風(fēng)冷、液冷3種方式[7]。相變材料的熱反應(yīng)速度快，但其質(zhì)量大，且在凝固過(guò)程中釋放的熱量以及多層消防服中儲(chǔ)存的熱量會(huì)增加燒傷風(fēng)險(xiǎn)[8]，因而限制了其在消防服內(nèi)的使用；在工作中風(fēng)冷方式需要外接氣泵，進(jìn)行氣體的輸送，遇高溫易引起爆炸，增加危險(xiǎn)并且強(qiáng)制對(duì)流加快皮膚表面的水分蒸發(fā)，加劇消防員的脫水狀況；液冷方式應(yīng)用時(shí)間早，冷卻介質(zhì)安全無(wú)害且冷卻效果顯著，技術(shù)相對(duì)成熟，目前作為最有效的降溫方法保持防護(hù)服裝內(nèi)的熱量平衡[9]。1959年提出采用液冷方式進(jìn)行降溫[10]，在20世紀(jì)60年代，由Burton和Collier[11-12]設(shè)計(jì)的液冷服裝應(yīng)用于英國(guó)空軍RAE飛行員。阿波羅登月計(jì)劃中，美國(guó)航空航天局將全身冷卻服裝應(yīng)用于宇航員的出艙和登月活動(dòng)中，對(duì)宇航員進(jìn)行體溫調(diào)節(jié)，保持體內(nèi)熱量平衡。1995年，Bennett等[13]對(duì)比研究不同數(shù)量的降溫條放置在冷卻背心中的降溫效果，表明通過(guò)熱傳導(dǎo)可以帶走部分熱量以緩解消防員的熱應(yīng)激反應(yīng)。2011年，Kenny等[14]將冰背心穿著在核生化防護(hù)服(NBC)內(nèi)部，從事長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冰背心的使用雖然沒(méi)能降低人體核心溫度，但核心溫度增長(zhǎng)率有所下降。2011年，Kim等[15]在消防服內(nèi)穿著覆蓋到大腿的全身液冷服發(fā)現(xiàn)，模擬消防員運(yùn)動(dòng)時(shí)，人體直腸溫度、心率以及耗氧量都有一定程度的降低，并且延長(zhǎng)了運(yùn)動(dòng)時(shí)間，說(shuō)明全身液冷服可有效地降低體內(nèi)溫度，緩解熱應(yīng)力問(wèn)題。Tanaka等[16]測(cè)試宇航員使用液冷降溫服裝進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)的生理指標(biāo)并對(duì)服裝舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究結(jié)果表明，此方法有效減緩了皮膚溫度升高速度，并保持服裝內(nèi)濕度，具有良好的穿著舒適性。Bartkowiak等[17]通過(guò)人體平均皮膚溫度、生理參數(shù)、衣下微環(huán)境溫濕度的變化對(duì)個(gè)人液冷式服裝進(jìn)行測(cè)評(píng)，結(jié)果表明，個(gè)人液體冷卻服裝可有效降低衣下微環(huán)境溫度，調(diào)節(jié)人體熱平衡。

考慮到在執(zhí)行緊急救援活動(dòng)過(guò)程中，若采用全身式液冷降溫方式，增加穿著難度以及服裝質(zhì)量，加重消防員自身負(fù)擔(dān)，影響消防員的作戰(zhàn)效率，因此，本文將采用背心式液冷降溫消防服，模擬消防員工作的高溫環(huán)境，采用出汗暖體假人作為降溫效果評(píng)價(jià)的主要裝置。

1 研究方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

采用可行走的出汗暖體假人“華特”進(jìn)行可降溫消防服降溫效果的研究和評(píng)價(jià)?！叭A特”標(biāo)準(zhǔn)男體，穿著采用防水透濕織物縫制成的皮膚，將整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)包含其中，模擬人體體內(nèi)的循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行服裝的熱阻和濕阻的測(cè)試。整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M消防員工作時(shí)的高溫環(huán)境，溫度為(40±2) ℃，相對(duì)濕度為(50±2)%，高溫高濕的環(huán)境會(huì)加重消防員身體的熱應(yīng)激反應(yīng)，并且會(huì)加速服裝內(nèi)微環(huán)境熱量的蓄積速度。開(kāi)啟液冷降溫裝置后，觀(guān)察出汗暖體假人皮膚表面溫度變化、液冷降溫裝置下溫度變化和進(jìn)出口處水溫度變化，從而對(duì)液冷降溫裝置的降溫效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

1.2.1消防服

本文實(shí)驗(yàn)在消防服上裝中使用了2種不同設(shè)計(jì)方案的液冷降溫裝置，管路分布分別采用等距橫向和等距縱向排列，并針對(duì)降溫效果進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)價(jià)。本文實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的消防服為北京邦維普泰防護(hù)紡織有限公司提供的02式消防服。目前此款消防服在許多消防中隊(duì)中使用，具有一定的代表性，此款消防服結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2.2液冷降溫裝置

液冷降溫裝置采用單層無(wú)袖背心結(jié)構(gòu)，面料為100%芳綸阻燃針織布，連鎖織物結(jié)構(gòu)，該裝置固定在消防服上裝內(nèi)層，方便拆卸和使用。根據(jù)現(xiàn)役消防服的使用，對(duì)液冷裝置的設(shè)計(jì)需要考慮到4個(gè)方面：衣長(zhǎng)、領(lǐng)型、開(kāi)口方式、寬松度設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。換熱管路使用PU軟管進(jìn)行降溫液體的傳輸，內(nèi)置液冷降溫裝置的消防服裝以換熱管路不同排列方式進(jìn)行冷卻性能測(cè)試，分別采用等距橫向以及等距縱向U型排列，以下依次稱(chēng)為試樣1和試樣2，具體規(guī)格見(jiàn)表3。粘扣帶作為服裝開(kāi)口處的封合方式，服裝輔料采用阻燃縫紉線(xiàn)進(jìn)行縫合。在實(shí)驗(yàn)之前，需要將降溫液體在冰箱中放置12 h，為液冷降溫裝置提供冷卻源。

表2 液冷降溫服裝參數(shù)Tab.2 Liquid cooling clothing parameter

表3 液冷裝置信息Tab.3 Information of liquid cooling equipment

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在天津工業(yè)大學(xué)人工氣候室中進(jìn)行，分別設(shè)環(huán)境溫度為(40±2) ℃，相對(duì)濕度為(50±2)%，空氣流速為(0.1±0.05) m/s。在實(shí)驗(yàn)之前需要穩(wěn)定氣候室內(nèi)環(huán)境，然后運(yùn)行出汗暖體假人系統(tǒng)。待系統(tǒng)穩(wěn)定且假人核心溫度達(dá)到(37±0.5) ℃時(shí)，電腦系統(tǒng)軟件Labview將自動(dòng)開(kāi)始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并始終保持恒溫模式，給假人穿上具有液冷降溫裝置的消防服，利用出汗暖體假人“華特”測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)有的15個(gè)傳感器，分別監(jiān)測(cè)出汗暖體假人左胸、右胸、腹部、背部以及頸部的溫度變化,傳感器位置如圖1所示。除背部只測(cè)量皮膚溫度外，其余4個(gè)部位還需要監(jiān)測(cè)接觸部位處換熱管路下溫度以及換熱管路間隔處溫度。待出汗暖體假人系統(tǒng)穩(wěn)定之后，開(kāi)啟液冷降溫裝置，進(jìn)水水溫控制在15 ℃，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)口與出口溫度的變化。

圖1 傳感器位置Fig.1 Sensor position. (a) Front side;(b) Back side

實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)對(duì)出汗暖體假人皮膚溫度、管路下溫度、管路間隔處溫度、進(jìn)出水口溫的變化趨勢(shì)分析，對(duì)可降溫式消防服的降溫性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并討論不同換熱管路排列方式下，對(duì)局部以及整體降溫性能的影響。

2 結(jié)果與分析

主動(dòng)降溫裝置主要由基礎(chǔ)服裝、換熱管路網(wǎng)以及冷卻介質(zhì)組成，換熱管路網(wǎng)的合理排布可最大限度地帶走更多熱量。為揭示不同管路排列方式下可降溫式消防服的降溫效果，分別考察了降溫裝置對(duì)4個(gè)因素(出汗暖體假人平均皮膚溫度、換熱管路下溫度、換熱管路間隔溫度、進(jìn)出口溫度)的影響。

出汗暖體假人分別穿著試樣1(換熱管路橫向排列)和試樣2(換熱管路縱向排列)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用出汗暖體假人系統(tǒng)現(xiàn)有的15個(gè)傳感器收集溫度變化數(shù)據(jù)，通過(guò)出汗暖體假人測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的記錄。

2.1 降溫裝置對(duì)皮膚平均溫度的影響

為更直觀(guān)地了解出汗暖體假人穿著可降溫式消防服的降溫效果，考察了不同換熱管路排列方式下假人皮膚平均溫度的變化，選取算數(shù)平均法作為皮膚平均溫度的計(jì)算方法，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)，出汗暖體假人系統(tǒng)與人工氣候室系統(tǒng)均達(dá)到穩(wěn)定后，開(kāi)啟降溫裝置，皮膚平均溫度總體趨勢(shì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)先降低后升高。說(shuō)明液冷降溫裝置在一定時(shí)間內(nèi)能夠帶走一部分熱量，達(dá)到降溫的效果。由圖2還可看出，降溫裝置開(kāi)啟狀態(tài)下，平均皮膚溫度均低于未啟動(dòng)狀態(tài)。說(shuō)明降溫裝置的開(kāi)啟能有效降低皮膚溫度，緩解熱應(yīng)力。開(kāi)啟降溫裝置后，試樣1皮膚平均溫度迅速下降，最低降至32.57 ℃，相較于試樣2的最低溫度低 0.38 ℃。試樣1的皮膚平均溫度變化量3.4 ℃，試樣2皮膚平均溫度變化量 2.82 ℃，經(jīng)計(jì)算，平均皮膚溫度下降變化率試樣1略高于試樣2。這表明試樣1能迅速緩解熱應(yīng)力，帶走較多熱量。

圖2 降溫裝置對(duì)皮膚平均溫度的影響Fig.2 Effect of cooling equipment on mean skin temperature

2.2 降溫裝置對(duì)換熱管路下溫度的影響

換熱管路網(wǎng)直接接觸消防服裝內(nèi)層表面，最先接觸外界傳入服裝內(nèi)部的熱量，因此，考察了換熱管路下溫度的變化，分別分析了左胸部、右胸部、腹部以及頸部4個(gè)部位的降溫量和降溫速率，結(jié)果見(jiàn)圖3。開(kāi)啟降溫裝置后，身體不同部位溫度均有一定程度的下降。出汗暖體假人“華特”體內(nèi)水循環(huán)系統(tǒng)模擬人體真實(shí)地血液循環(huán)系統(tǒng)，在假人中心部位安裝加熱器，假人內(nèi)部的水泵將經(jīng)過(guò)加熱器加熱的水輸送到全身各個(gè)部位，通過(guò)控制系統(tǒng)軟件的頻率變更調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行速度，從而對(duì)假人不同部位的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，更加真實(shí)地模擬人體全身的溫度分布?；诔龊古w假人以上構(gòu)造原理，使用傳感器對(duì)身體的4個(gè)部位溫度變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由圖3可見(jiàn)：換熱管路采用橫向排列方式的降溫量始終高于縱向排列方式，且比縱向排列方式下左胸部和頸部的降溫量大于3 ℃；橫向排列下胸部降溫變化率低于縱向排列方式，且頸部降溫速率明顯高于縱向排列方式，根據(jù)生理學(xué)的要求，頸部和胸部是人體最穩(wěn)定且有效的降溫部位，加強(qiáng)對(duì)這些部位的降溫，有益于提高降溫裝置的制冷能力，并且胸部的降溫率可以提高心臟等器官對(duì)冷感的適應(yīng)性，對(duì)頸部的快速降溫可有效增強(qiáng)主觀(guān)熱舒適感覺(jué)。腹部降溫速率與換熱管路排列方式相關(guān)性較小?？傮w上看，橫向的管路排列方式帶走更多熱量的同時(shí)防止由于溫度的快速下降帶來(lái)的身體不適，影響穿著舒適性。

圖3 換熱管路下溫度對(duì)不同身體部位的影響Fig.3 Effect of temperature under heat transfer pipeline on different body parts

2.3 降溫裝置對(duì)換熱管路間隔溫度的影響

為進(jìn)一步說(shuō)明換熱管路的設(shè)置對(duì)降溫效果的影響，在分析換熱管路下身體各部位溫度變化量的基礎(chǔ)上考慮到衣下微環(huán)境中熱傳遞影響，因此，對(duì)不同身體部位的換熱管路間隔處溫度的變化進(jìn)行討論，結(jié)果見(jiàn)圖4。測(cè)量時(shí)選擇距離管路下溫度測(cè)量點(diǎn)最近的管路間隔處作為測(cè)量位置。

由圖4可見(jiàn)，管路間隔處的總體溫度變化呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，并隨時(shí)間延長(zhǎng)逐步回升。開(kāi)啟液冷降溫裝置后，不同排列方式下間隔處溫度均呈下降趨勢(shì)，但受間隔下溫度變化影響，下降速度不一致。左胸部橫向比縱向最低溫度高 3.2 ℃，右胸部橫向比縱向最低溫度高1.3 ℃。管路橫向排列時(shí)胸部溫度始終高于縱向排列，由圖3分析可知，雖然左胸以及右胸部管路下降溫量橫向大于縱向，但是降溫速率比縱向慢，根據(jù)熱傳導(dǎo)定理，溫度由高溫管路間隔處向管路下進(jìn)行傳導(dǎo)，因?yàn)闄M向排列方式的胸部管路下溫度變化慢，降低管路下與管路間隔處的熱傳遞，因此管路間隔處的胸部溫度變化小于縱向排列。由圖4可見(jiàn)：腹部最低溫度相差較小，說(shuō)明不同換熱管路排列方式下管路間隔處溫度對(duì)腹部降溫效果影響較小；頸部橫向管路排列下管路間隔處降溫效果較縱向管路排列好，所以換熱管路下頸部降溫速率橫向大于縱向。頸部作為熱量進(jìn)入衣下微環(huán)境的主要入口之一，有效地降低頸部熱量，可加快緩解由于熱蓄積帶來(lái)的熱應(yīng)激反應(yīng)，且頸部大動(dòng)脈分布廣對(duì)熱量變化敏感，可加快消防員意識(shí)恢復(fù)，提高救援工作效率。

圖4 換熱管路間隔溫度對(duì)身體不同部位的影響Fig.4 Effect of temperature under interval of heat exchange pipeline on different body parts.(a)Left chest;(b)Right chest;(c)Belly;(d)Neck

2.4 降溫裝置對(duì)進(jìn)出水口溫度的影響

為進(jìn)一步表明換熱管路不同排列方式對(duì)降溫效果的影響，分析進(jìn)出水口溫度變化，結(jié)果見(jiàn)圖5。

可知，降溫裝置開(kāi)啟后，由于進(jìn)水口最先接觸到冷源，溫度快速下降，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，進(jìn)出水口溫差逐漸縮小，換熱量降低。當(dāng)二者之間溫差接近0時(shí)，降溫作用結(jié)束。

圖5 降溫裝置對(duì)進(jìn)出水口溫度的影響Fig.5 Effect of cooling equipment on temperature difference for outlet and inlet.(a) Horizontal arrangement; (b) Longitudinal arrangement

冷卻介質(zhì)在循環(huán)過(guò)程中吸收熱量的能力根據(jù)換熱管路長(zhǎng)度的不同有所差異，開(kāi)啟降溫裝置后，進(jìn)出水口處溫差明顯增大，隨后逐漸降低，結(jié)果如圖6所示。管路采用橫向排列時(shí)的進(jìn)出水口溫差明顯高于縱向排列時(shí)的進(jìn)出口水溫差，橫向排列和縱向排列下的進(jìn)出口水溫差最大分別可以達(dá)到6.3和 2.5 ℃，說(shuō)明橫向排列下的管路換熱效果明顯，經(jīng)過(guò) 20 min降溫，橫向排列的進(jìn)出水口溫差為1.2 ℃，而縱向排列的進(jìn)出水口溫差只有 0.3 ℃。進(jìn)出水口溫差縮小說(shuō)明冷卻介質(zhì)的換熱效果下降，吸熱能力接近極限，這是因?yàn)闄M向排列的彎曲方向與人體軀干部的彎曲方向一致性較好，貼合程度高，換熱效果明顯；但縱向排列方式的管路方向與軀干部彎曲方向垂直，穿著貼合度較差，換熱接觸面積較小，換熱量小，降溫效果不明顯。

圖6 進(jìn)水口與出水口溫度差值Fig.6 Temperature difference for outlet and inlet

3 結(jié) 論

通過(guò)考察液冷降溫裝置開(kāi)啟后，出汗暖體假人皮膚平均溫度、換熱管路下溫度、換熱管路間隔溫度以及進(jìn)出水口溫度的變化，探討并說(shuō)明液冷降溫裝置對(duì)消防服裝內(nèi)微環(huán)境溫度的熱調(diào)節(jié)作用，證明液冷降溫裝置對(duì)消防員在工作中產(chǎn)生的熱應(yīng)激反應(yīng)有一定的緩解效果，并延長(zhǎng)了消防員救援工作時(shí)間。

1)在模擬消防員救援工作開(kāi)展的高溫環(huán)境中，隨時(shí)間的延長(zhǎng)皮膚平均溫度總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，說(shuō)明液冷降溫裝置能夠帶走熱量，達(dá)到降溫的效果。橫向排列下皮膚平均溫度變化量為3.4 ℃，比縱向高0.58 ℃，且橫向皮膚平均溫度變化率高于縱向，表明橫向排列的管路降溫效果更加快速高效，加快熱應(yīng)力問(wèn)題解決。

2)換熱管路下溫度橫向降溫量高于縱向，且胸部、頸部降溫量大于3 ℃，但胸部降溫速率慢，頸部降溫速率快，符合生理學(xué)上人體器官對(duì)冷感的適應(yīng)性。腹部降溫效果受換熱管路分布影響較小?？傮w上看，橫向管路排列方式在保證穿著舒適性以及身體無(wú)過(guò)冷反應(yīng)的基礎(chǔ)上，帶走更多熱量，具有更好的降溫效果。

3)外界—衣下微環(huán)境—換熱管路之間存在熱傳遞現(xiàn)象，換熱管路下溫度的變化量以及降溫速率影響管路間隔處溫度變化，且身體各部位溫度變化一致，衣下微環(huán)境溫度的降低對(duì)緩解消防服內(nèi)由于外界熱量的蓄積帶來(lái)的熱傷害有重要作用。

4)橫向排列時(shí)的進(jìn)出水口溫差明顯高于縱向排列時(shí)的進(jìn)出水口溫差，橫向排列和縱向排列下的進(jìn)出水口溫差最大分別可以達(dá)到6.3和2.5 ℃，經(jīng)過(guò)20 min后，進(jìn)出水口溫差橫向大于縱向，說(shuō)明由于橫向排列的管路彎曲方向與人體軀干部的彎曲方向一致性較好，穿著合體，進(jìn)出水口溫差變化速度慢，始終保持有效的降溫能力。

主動(dòng)降溫消防服對(duì)緩解消防員由于服裝內(nèi)熱蓄積產(chǎn)生的熱應(yīng)激反應(yīng)具有一定成效，目前研究結(jié)果表明橫向管路排列的降溫裝置優(yōu)于縱向排列。

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