相變降溫礦工服的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

鄭 晴， 王宏付， 柯 瑩， 李 爽

(江南大學(xué) 江蘇省非物質(zhì)文化遺產(chǎn)研究基地， 江蘇 無(wú)錫 214122)

我國(guó)的煤炭生產(chǎn)約九成均為井下開(kāi)采，開(kāi)采深度逐年增加，且機(jī)械化程度不斷提高，地?zé)岷蜋C(jī)械設(shè)備產(chǎn)熱使得礦井的熱害問(wèn)題日益嚴(yán)峻，成為制約深井開(kāi)采的主要因素之一[1-2]。在高溫礦井中，礦工更容易出現(xiàn)頭昏頭疼、呼吸困難、注意力不集中、動(dòng)作失誤等癥狀。高溫高濕的作業(yè)環(huán)境不但直接損害井下作業(yè)人員身體健康，還使礦工的勞動(dòng)能力、反應(yīng)能力降低，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率下降、事故發(fā)生率上升[3]。

目前國(guó)內(nèi)高溫礦井的降溫手段以大型空調(diào)制冷為主，雖能緩解礦井熱害，但其高能耗的問(wèn)題也不容忽視。穿著個(gè)體降溫服是一種有效又經(jīng)濟(jì)的人體降溫方法，可直接作用于人體體表，減緩衣下微環(huán)境的熱感，因此，為井下煤礦作業(yè)人員開(kāi)發(fā)個(gè)體降溫服，可經(jīng)濟(jì)有效地緩解深井煤礦的熱害問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外已有一些研究人員為應(yīng)對(duì)礦井熱害問(wèn)題研制了降溫服。如南非的多家公司為礦山熱防護(hù)研制了干冰降溫服和冰水降溫背心[4]。柳源等[5]針對(duì)礦井熱害研制了氣冷式的降溫防護(hù)服，但此類(lèi)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(wú)電降溫服的研究對(duì)解決礦井熱害問(wèn)題更有實(shí)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(dá)到降溫目的的服裝系統(tǒng)[6]，使用簡(jiǎn)單方便且無(wú)需供電。相變材料在防護(hù)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(lái)廣泛應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。Zhao等[8]對(duì)添加了相變材料的背心進(jìn)行測(cè)評(píng)，發(fā)現(xiàn)相變背心能有效降低服裝微環(huán)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(duì)降溫效果的影響。不少研究者將相變材料應(yīng)用于各種需要熱防護(hù)的領(lǐng)域，如醫(yī)療[10]、冶金[11]、消防[12-13]等。在煤礦行業(yè)，有研究人員開(kāi)發(fā)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(guò)冷、持續(xù)時(shí)間短、材料冷凍過(guò)程能耗大的問(wèn)題。

本文將相變材料應(yīng)用于礦工服中，模擬礦井下高溫高濕的工作環(huán)境，采用真人著裝實(shí)驗(yàn)測(cè)試和評(píng)價(jià)該相變降溫礦工服的降溫效果。

1 研究方案

1.1 實(shí)驗(yàn)服裝

實(shí)驗(yàn)服裝包括礦工服、基礎(chǔ)服裝和防護(hù)裝備。礦工服包括外套和褲子，采用含有導(dǎo)電纖維的斜紋織物(80%棉、20%滌綸)，以陜西有色榆林煤業(yè)有限公司的工作服為樣板，由專(zhuān)業(yè)制衣人員制作。服裝規(guī)格尺寸按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 843—1999《礦工普通工作服》中的180/(96～84)號(hào)型設(shè)計(jì)，上衣長(zhǎng)、胸圍、袖長(zhǎng)、肩寬、領(lǐng)圍、褲長(zhǎng)、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(chǔ)服裝包括純棉T恤、純棉內(nèi)褲和純棉短襪。防護(hù)裝備包括礦用安全頭盔、棉線手套和礦靴。

此次設(shè)計(jì)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(cè)添加網(wǎng)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(gè)PCM封裝袋，每個(gè)口袋重疊裝入2個(gè)PCM封裝袋。每個(gè)PCM封裝袋的尺寸為3.0 cm×6.5 cm，質(zhì)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(shí)驗(yàn)前均置于7 ℃的冰箱中冷藏至少24 h，保證完全凝固。實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(guò)低，對(duì)受試者產(chǎn)生過(guò)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(duì)照實(shí)驗(yàn)服裝選擇不加入相變材料的普通礦工服，服裝的其他規(guī)格與降溫礦工服完全相同。

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選擇10名健康男性作為受試對(duì)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(zhì)量指數(shù)BMI為(23.6±2.2)kg/m2。所有受試者穿著實(shí)驗(yàn)服裝均較為合體，無(wú)緊繃或其他不適感。

1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)在人工氣候室(日本ESPEC公司)中進(jìn)行，模擬井下煤礦的高溫高濕環(huán)境，溫度為(30 ± 0.5) ℃，濕度為(80 ± 5)%[16]，風(fēng)速小于0.2 m/s。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)前，受試者在室內(nèi)(溫度為20 ℃,相對(duì)濕度為50%)靜坐休息30 min，達(dá)到不冷不熱，無(wú)顯汗的舒適狀態(tài)(平均皮膚溫度為32～34 ℃[17])。

之后隨機(jī)穿著實(shí)驗(yàn)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(gè)部位的皮膚表面黏貼溫度測(cè)量傳感器(iButton DS1922L，美國(guó)Maxim Integrated公司)，每分鐘記錄1次數(shù)據(jù)。

受試者進(jìn)入人工氣候室開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，在跑步機(jī)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。期間每10 min詢問(wèn)受試者主觀熱感、濕感和熱舒適感。主觀感受評(píng)價(jià)標(biāo)尺如表1所示。問(wèn)卷參考ISO10551—2001《熱環(huán)境人類(lèi)工效學(xué)：主觀評(píng)判熱環(huán)境影響》設(shè)計(jì)。

圖2 實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Experiment photo

實(shí)驗(yàn)前后用體重秤(ICS439，瑞士Mettler-Toledo公司)稱(chēng)量受試者的凈體重、著裝體重及每件服裝的質(zhì)量，以計(jì)算出汗量。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

使用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用Shapiro-Wild test檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正態(tài)分布。用雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析比較不同測(cè)試條件下的各皮膚溫度、心率及各主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的差異，其中被試內(nèi)因素為服裝因素和時(shí)間因素。當(dāng)因素的主效應(yīng)顯著時(shí)，進(jìn)一步進(jìn)行兩兩比較，并用Bonferroni法校正顯著性指標(biāo)P值。不同服裝條件下的出汗量和汗液蒸發(fā)率用配對(duì)T檢驗(yàn)進(jìn)行比較。所有數(shù)據(jù)分析的顯著性設(shè)為P<0.05。

表1 主觀感受評(píng)價(jià)標(biāo)尺Tab.1 Evaluation vote of perceptual responses

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 皮膚溫度

2.1.1 局部皮膚溫度

所設(shè)計(jì)的降溫礦工服主要在胸部、腹部、背部和大腿4個(gè)部位設(shè)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(lái)分析相變材料在礦工服中的降溫效果，結(jié)果如圖3所示。圖中*標(biāo)注的區(qū)域內(nèi)P<0.05。

需要指出的是，X404上堰溝主次峰在峰值和數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布上差距較明顯，在粒度區(qū)間-1Φ～0.27Φ主峰數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)占總個(gè)數(shù)的12.5%，而峰態(tài)平坦較寬的次峰數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)占總個(gè)數(shù)的77.5%，所以可能是主峰粗粒組受到搬運(yùn)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(guò)程中受到了較差分選作用，使兩粒組混合有限，主峰峰態(tài)表現(xiàn)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(duì)局部皮膚溫度的變化分析發(fā)現(xiàn)，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(duì)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(jié)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(dá)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(fā)現(xiàn)腹部和后腰兩側(cè)對(duì)冷感覺(jué)更為敏感，因此，對(duì)人體軀干下半部分進(jìn)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，導(dǎo)致相變材料在短時(shí)間內(nèi)吸收了大量的熱量，因此，腿部在運(yùn)動(dòng)后期和休息階段無(wú)法達(dá)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(jù)ISO 9886—2004《人類(lèi)工效學(xué)：熱疲勞的生理學(xué)測(cè)量評(píng)價(jià)》，采用7點(diǎn)法計(jì)算，計(jì)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(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖中*標(biāo)注的區(qū)域內(nèi)P<0.05。平均皮膚溫度可反映人體全身在環(huán)境、服裝作用下的熱調(diào)節(jié)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(nèi)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(yùn)動(dòng)中，人體由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，散熱加強(qiáng)，血管舒張且血流加快，該散熱狀態(tài)在運(yùn)動(dòng)停止后仍將持續(xù)一段時(shí)間，導(dǎo)致休息階段平均皮膚溫度呈現(xiàn)先上升后下降的狀態(tài)。

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(jù)前胸、腹部、肩胛和后腰4個(gè)點(diǎn)的局部皮膚溫度計(jì)算，計(jì)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(jì)算結(jié)果如圖5所示。圖中*標(biāo)注的區(qū)域內(nèi)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(dá)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(tài)。在60 min以內(nèi)，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(píng)價(jià)

本文實(shí)驗(yàn)中主要針對(duì)所設(shè)計(jì)服裝的熱濕舒適感進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括熱感、濕感和熱舒適感。理論上來(lái)說(shuō)，熱舒適感同時(shí)受到熱感和濕感的影響，另外也與服裝的通風(fēng)性能等相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，穿著相變降溫礦工服在最初的運(yùn)動(dòng)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(jié)果與平均皮膚溫度的趨勢(shì)基本相近。

穿著2種服裝時(shí)的主觀濕感沒(méi)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(huán)境下，環(huán)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(píng)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(shuō)明穿著相變降溫礦工服在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中比普通礦工服更舒適。尤其在前半段運(yùn)動(dòng)階段，穿著2種服裝的熱舒適感評(píng)分最大差值為(0.74 ± 0.14)，表明通過(guò)在礦工服中應(yīng)用相變材料，可延長(zhǎng)人體在熱環(huán)境下的持續(xù)工作時(shí)間，降低疲勞程度，提高工作效率。

2.3 出汗量

在熱環(huán)境中，人體通過(guò)出汗進(jìn)行散熱，以防止體溫過(guò)高。穿著相變降溫礦工服后，人體產(chǎn)生的部分熱量被相變材料吸收，因此出汗量減少。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，穿著相變降溫礦工服和普通礦工服的出汗量(實(shí)驗(yàn)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(jié) 論

為了緩解井下煤礦開(kāi)采的熱應(yīng)激問(wèn)題，利用相變材料設(shè)計(jì)了一款礦工服，并通過(guò)真人著裝實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了該服裝的降溫性能。結(jié)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(chǎn)熱量有關(guān)。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(shí)，人體出汗量減少，說(shuō)明該服裝具有一定的熱調(diào)節(jié)功能，能降低人體高溫工作時(shí)的疲勞度。

未來(lái)應(yīng)針對(duì)人體不同部位的熱敏感度和出汗量，對(duì)相變材料在服裝中的配置方式進(jìn)行研究，以進(jìn)一步提高服裝的熱調(diào)節(jié)性能。