個(gè)體降溫服降溫效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法

柯瑩，周文

(1.江南大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江南大學(xué) 江蘇省非物質(zhì)文化遺產(chǎn)研究基地，江蘇 無錫 214122；3. 江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

在高溫高濕的環(huán)境中從事消防救援、工業(yè)生產(chǎn)、軍事訓(xùn)練以及體育運(yùn)動(dòng)等的人員，會(huì)承受巨大的熱生理壓力，從而導(dǎo)致工作耐力和效率下降，嚴(yán)重的可能會(huì)引起熱疾病，如皮疹、抽筋、中暑，甚至死亡[1-2]。為了減輕高溫高濕環(huán)境中作業(yè)人員的熱應(yīng)激反應(yīng)，使人體達(dá)到熱舒適狀態(tài)，研究人員已開發(fā)出多種能夠在炎熱環(huán)境中調(diào)節(jié)人體熱濕舒適度的個(gè)體降溫服[3]。

個(gè)體降溫服是一種能夠在高溫高濕條件下有效保護(hù)人體免受熱應(yīng)激危害的個(gè)體防護(hù)裝備，為評(píng)價(jià)降溫服降溫效果，需對(duì)其進(jìn)行測(cè)評(píng)。對(duì)于個(gè)體降溫服降溫效果的評(píng)價(jià)，可以從服裝和人體兩方面著手[4]，將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為物理、生理和心理3大類，通過出汗熱板儀、暖體假人、真人著裝等試驗(yàn)，對(duì)降溫服的面料性能、服裝整體性能和著裝后人體的實(shí)際指標(biāo)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)與主觀評(píng)價(jià)[5-8]。個(gè)體降溫服降溫效果的準(zhǔn)確測(cè)評(píng)結(jié)果，可以為實(shí)際環(huán)境中降溫服的選擇與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

文中通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)外降溫服降溫效果的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)進(jìn)行歸納整理，總結(jié)了高溫高濕環(huán)境下個(gè)體降溫服降溫效果的評(píng)價(jià)方法，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)體降溫服降溫效果的科學(xué)、有效評(píng)價(jià)。

1 個(gè)體降溫服概述

在高溫環(huán)境下，人體可能會(huì)遭受不同程度的熱應(yīng)激，一般而言，可以從3個(gè)方面來降低勞動(dòng)人員的熱應(yīng)變：為個(gè)人提供相對(duì)舒適的工作環(huán)境(如使用空調(diào))、減少人體代謝熱的產(chǎn)生(如降低鍛煉、工作強(qiáng)度)、在人體周圍創(chuàng)建舒適的服裝微環(huán)境(使用個(gè)體降溫服)。然而由于某些工作空間開放或流程特殊，無法使用空調(diào)系統(tǒng)，且空調(diào)往往帶來巨大的能源消耗，靈活且能耗較少的個(gè)體降溫服逐漸成為高溫作業(yè)人員的常用防護(hù)裝備。

個(gè)體降溫服(PCC)是耗能最少、最便捷的降溫防護(hù)裝備，它將制冷裝置與服裝相結(jié)合，從而改善人體與服裝之間的微氣候，提高人體的熱舒適度[9]。個(gè)體降溫服根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同可以分為4類：基于相變材料相變吸熱的相變降溫服[10](PCM)，利用對(duì)流和蒸發(fā)冷卻的氣體降溫服[11](ACC)，基于傳導(dǎo)冷卻的液體降溫服[12](LCC)，結(jié)合了以上兩種或多種降溫方式的混合降溫服[13-14](HCC)。氣體降溫服的冷卻介質(zhì)是空氣，主要由服裝、壓縮機(jī)和通風(fēng)管道組成。液體降溫服的冷卻介質(zhì)有水、冰水混合物、水與丙烯或乙二醇組成的混合冷卻液等，主要由基礎(chǔ)服裝、換熱管網(wǎng)路、液體進(jìn)出口管、制冷裝置、泵、電子流率控制裝置及舒適襯里組成。相變降溫服則通過材料的相變過程實(shí)現(xiàn)降溫。最早關(guān)于降溫服的研究是20世紀(jì)60年代美國(guó)航空航天局為了保護(hù)宇航員免受外太空高溫、高輻射的危害而提出，后逐步拓展到消防、軍事、煤礦等領(lǐng)域[15-17]。目前，已有較多學(xué)者研究開發(fā)出效果顯著的個(gè)體降溫服，降溫服產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 降溫服產(chǎn)品Fig.1 Different types of cooling clothing system

2 個(gè)體降溫服降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

個(gè)體降溫服的降溫效果評(píng)價(jià)主要分為客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)?？陀^評(píng)價(jià)是通過降溫服及其面料的物理性能指標(biāo)和人體生理指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，主觀評(píng)價(jià)是依據(jù)人體的心理指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。降溫效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)分類[8]見表1。

表1 降溫服降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)的分類

2.1 物理指標(biāo)

服裝的熱濕性能主要包括熱阻和濕阻兩方面[18]。但受服裝衣下間隙、服裝開口、縫合方式等影響，面料的單一性能不能代表服裝的整體性能，因此還要考慮服裝的整體物理性能，即降溫服在實(shí)際穿著過程中的參數(shù)。目前市場(chǎng)上的降溫服普遍存在初期降溫速率過快，導(dǎo)致局部過冷、降溫時(shí)長(zhǎng)較短的問題。因此，降溫服的整體性能除熱阻、透濕指數(shù)外，還包括有效降溫時(shí)長(zhǎng)(從具有致冷作用開始到降溫效果消失)、初期降溫速率等[4]。

2.2 生理指標(biāo)

在高溫高濕環(huán)境下，人體的生理參數(shù)如核心溫度、局部和整體皮膚溫度、心率、出汗量等均會(huì)發(fā)生變化。熱應(yīng)力強(qiáng)度不同，其變化程度也不同。因此，根據(jù)人體生理指標(biāo)的變化，可以客觀評(píng)價(jià)降溫服的降溫效果。

2.2.1核心溫度 在高溫高濕環(huán)境下，核心溫度最能體現(xiàn)人體體溫變化，如果人體長(zhǎng)時(shí)間處在高溫環(huán)境，會(huì)導(dǎo)致核心溫度升高，引起不同程度的熱應(yīng)激反應(yīng)[19]。

ISO 7933—2018[20]指出，當(dāng)人體核心溫度到達(dá)38 ℃時(shí)就應(yīng)該停止工作。若降溫服能使人體核心溫度維持在38 ℃以下，則認(rèn)為其能起到良好的降溫效果。

2.2.2平均皮膚溫度 平均皮膚溫度是按照局部皮膚溫度與對(duì)應(yīng)部位的皮膚面積計(jì)算的加權(quán)平均值。平均皮膚溫度可有效直觀地反映人體皮膚溫度的變化情況。MITCHELL D等[21]研究表明，人體熱舒適狀態(tài)下的平均皮膚溫度范圍是32～34 ℃。常見的平均溫度計(jì)算公式[22-26]見表2。

表2 平均皮膚溫度計(jì)算公式

在冷環(huán)境中測(cè)量人體平均皮膚溫度需不少于8個(gè)測(cè)點(diǎn)，但當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，可使用測(cè)點(diǎn)較少的公式。因此，在高溫環(huán)境中評(píng)價(jià)降溫服對(duì)人體平均皮膚溫度造成的影響時(shí)，研究人員推薦使用更簡(jiǎn)便且精確的4點(diǎn)公式。若降溫服能使人體在高溫環(huán)境中的平均皮膚溫度維持在34 ℃以下，則認(rèn)為其具有降溫效果。

2.2.3心率 心率是體現(xiàn)在高溫高濕條件下作業(yè)的人體承擔(dān)的熱負(fù)荷及心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要指標(biāo)，能反應(yīng)人體遭受的熱應(yīng)激程度。高溫環(huán)境下，人體新陳代謝加快、心率升高、血液循環(huán)加快，可以促進(jìn)人體散發(fā)多余的熱量，以維持身體的熱平衡。心率的正常變化范圍為 40～180次/min。

MORAN D S等[27]定義了PSI(生理應(yīng)激指標(biāo))，以核心溫度和心率量化高溫下人體的熱應(yīng)激。PSI將熱應(yīng)激分為10個(gè)等級(jí)，10表示強(qiáng)烈的熱應(yīng)激，0表示無熱應(yīng)激，其對(duì)應(yīng)的心率和直腸溫度見表3。可結(jié)合直腸溫度與心率值判定人體的熱應(yīng)激強(qiáng)度，從而評(píng)價(jià)降溫服的降溫效果。

表3 熱應(yīng)激強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的PSI、心率和直腸溫度值

2.2.4出汗量及汗液蒸發(fā)率 出汗量是衡量人體在高溫環(huán)境下散熱能力的重要指標(biāo)，汗液蒸發(fā)時(shí)從人體吸收熱量，可有效降低皮膚溫度，防止熱量在體內(nèi)大量聚集產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)?？梢愿鶕?jù)人體在高溫環(huán)境下作業(yè)前后的裸體質(zhì)量、著裝質(zhì)量與降溫服的質(zhì)量，計(jì)算出人體的出汗量、汗液蒸發(fā)量以及汗液蒸發(fā)率。出汗量越大，表示降溫服降溫效果越差；汗液蒸發(fā)率越大，表示降溫服的透濕性能越好。對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為

Sp=W0-W1；

(1)

(2)

(3)

2.3 心理指標(biāo)

人體心理指標(biāo)包括熱感覺、濕感覺、舒適感、熱疲勞度等。主觀評(píng)價(jià)通常是將人體的感覺用不同等級(jí)的標(biāo)度表示，使心理感覺轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的物理量，通過問卷調(diào)查的方式收集大量受試者的感覺值，用數(shù)學(xué)方式分析人體的主觀感受，從而評(píng)價(jià)降溫服的降溫效果[28-29]。

3 個(gè)體降溫服降溫效果評(píng)價(jià)方法

個(gè)體降溫服作為功能防護(hù)服裝的一種，其評(píng)價(jià)方法和體系與功能防護(hù)服裝一致，主要有主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩大類，分為4種方法，即織物測(cè)試評(píng)價(jià)法、人體生理模型法、暖體假人實(shí)驗(yàn)法、真人著裝實(shí)驗(yàn)法。其中織物測(cè)試評(píng)價(jià)方法與其他功能服裝類似，文中重點(diǎn)闡述后面3種方法。

3.1 人體生理模型法

對(duì)于降溫服，人體生理模型法一般通過模擬在高溫環(huán)境中人體穿著降溫服時(shí)的熱濕傳遞，測(cè)量模型數(shù)值，近而對(duì)降溫服的降溫效果進(jìn)行預(yù)測(cè)[30]。若因操作困難而無法進(jìn)行真人實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以采用生理模型法預(yù)測(cè)人體在不同環(huán)境和著裝條件下的生理變化，包括皮膚溫度、核心溫度、出汗量、心率等生理變量。

比較經(jīng)典的模型是Stolwijk 25節(jié)點(diǎn)模型[31]和Fiala模型[32]。自人體生理模型建立以來，不斷得到修正，使模型可以在更廣泛的環(huán)境狀態(tài)、活動(dòng)水平和服裝條件下使用。HAVENITH G等[33]提出了基于熱感覺模型的人體-服裝熱交換模型，可以有效預(yù)測(cè)人體熱感和熱舒適感。CHAUDHURI T等[34]研究了基于歸一化皮膚溫度的熱舒適性預(yù)測(cè)模型，通過局部皮膚溫度及其梯度，提出了一種熱狀態(tài)估計(jì)模型，其準(zhǔn)確度為87%。CHOI J H等[35]提出一種熱滿意度預(yù)測(cè)模型，該模型證實(shí)了心率、7個(gè)局部皮膚溫度以及人為因素(如性別、年齡、BMI等)與人體的熱滿意度之間的相關(guān)性，并顯示出88.52%的準(zhǔn)確度。 PSIKUP A等[36]提出將暖體假人和數(shù)學(xué)人體溫度調(diào)節(jié)模型結(jié)合形成一種新的熱生理人體模型，該模型克服了兩個(gè)單獨(dú)組件的局限性，可以評(píng)估降溫服與人體之間復(fù)雜的熱量與水分傳遞，測(cè)試降溫服對(duì)人體熱生理狀態(tài)長(zhǎng)期和短期的影響。SANTOS M S等[37]建立了衣下空間數(shù)值傳熱模型，研究了衣下空氣層厚度對(duì)對(duì)流散熱的影響，并證實(shí)衣下空氣厚度對(duì)熱傳遞的影響較大。

3.2 暖體假人實(shí)驗(yàn)

暖體假人實(shí)驗(yàn)是測(cè)試降溫服降溫效果的常用方法。通常按照ISO 15831—2004[38]，ASTM F 291—1999[39]測(cè)試服裝的熱阻；按照ISO 9920—2007[40]，ASTM F 2370—2015[41]測(cè)試服裝的濕阻；按照ASTM F 2371—2005[42]測(cè)量降溫服的散熱率，以此評(píng)價(jià)降溫服的降溫效應(yīng)。

ZHAO M M等[43]通過暖體假人實(shí)驗(yàn)測(cè)試了通風(fēng)服中風(fēng)扇安裝位置及不同開口條件下的通風(fēng)服降溫效果，發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇置于前胸下部且服裝前后均開口時(shí)，暖體假人的散熱量最高，風(fēng)扇所在位置對(duì)應(yīng)的局部皮膚散熱量最高。韋帆汝等[44]采用暖體假人實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一款基于相變材料和通風(fēng)風(fēng)扇的混合降溫服的降溫效果(環(huán)境溫度為30±0.5 ℃，相對(duì)濕度47%±5%)，實(shí)驗(yàn)借助暖體假人，采用干態(tài)測(cè)試(不出汗)和濕態(tài)測(cè)試(出汗)兩種方法，結(jié)果表明當(dāng)人體不出汗時(shí)，混合降溫服主要由相變材料提供降溫效果；當(dāng)人體出汗量較大時(shí)，混合降溫服主要由微型風(fēng)扇提供降溫效果，該混合降溫服在兩種條件下均能較好地為人體制冷。馬瑞鑫[45]用暖體假人實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一款適用于石油行業(yè)的降溫服在5.5 h內(nèi)的降溫效果(環(huán)境溫度為37 ℃，相對(duì)濕度50%)，結(jié)果顯示暖體假人的皮膚溫度在實(shí)驗(yàn)過程中保持在33.5～34.2 ℃，可使人體處于熱舒適狀態(tài)，表明該相變降溫服可在5.5 h內(nèi)滿足石油行業(yè)工作環(huán)境的需求。YANG J等[46]在溫暖環(huán)境下通過恒溫模式和溫度調(diào)節(jié)模式的暖體假人實(shí)驗(yàn)，研究服裝尺寸和通風(fēng)速率對(duì)一款通風(fēng)夾克降溫效果的影響，結(jié)果表明服裝尺寸和通風(fēng)速率與通風(fēng)夾克的降溫效果呈正相關(guān)。

3.3 人體著裝實(shí)驗(yàn)

3.3.1人工環(huán)境倉(cāng)實(shí)驗(yàn) 人體著裝實(shí)驗(yàn)是最直接、最準(zhǔn)確評(píng)價(jià)降溫服效果的方法(見圖2)。BARTKOWIAK G[47]設(shè)計(jì)了一款可手動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻液溫度的主動(dòng)式液體降溫服，并采用真人著裝實(shí)驗(yàn)采集受試者的皮膚溫度、主觀感受及衣下微氣候物理參數(shù)，證實(shí)了該溫度控制系統(tǒng)對(duì)液體降溫服降溫效果的增益性。鄭晴等[48]采用真人著裝實(shí)驗(yàn)，在溫度30 ℃，相對(duì)濕度80%的高溫高濕環(huán)境下對(duì)一款相變降溫礦工服的降溫效果進(jìn)行測(cè)評(píng)，結(jié)果表明該降溫服能顯著降低受試者的局部皮膚溫度及出汗量，可有效緩解井下采礦工作者的熱應(yīng)激問題。SONG W和WANG F等[49-51]多次利用真人著裝實(shí)驗(yàn)，在32～36 ℃高溫環(huán)境中對(duì)其開發(fā)的基于相變材料和通風(fēng)風(fēng)扇的混合降溫服降溫效果進(jìn)行測(cè)評(píng)，研究發(fā)現(xiàn)與單一降溫服相比，混合降溫服中的通風(fēng)風(fēng)扇可以促進(jìn)人體汗液的蒸發(fā)，加快蒸散和對(duì)流散熱，同時(shí)保持PCM的顯著冷卻效果，并有效增加降溫時(shí)長(zhǎng)。

圖2 真人著裝實(shí)驗(yàn) Fig.2 Human body wearing test

3.3.2現(xiàn)場(chǎng)試穿實(shí)驗(yàn) 個(gè)體降溫服的最終開發(fā)還需大量的現(xiàn)場(chǎng)試穿實(shí)驗(yàn)作為依托，在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中評(píng)定其熱濕舒適性是最為客觀和準(zhǔn)確的。CHAN A P等[52-53]在香港的建筑工地、馬路和機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)試穿實(shí)驗(yàn)，測(cè)評(píng)在這些熱環(huán)境中穿著降溫服時(shí)的熱舒適性，結(jié)果表明在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中穿著降溫服，能有效降低人體的熱應(yīng)激反應(yīng)。但現(xiàn)場(chǎng)試穿實(shí)驗(yàn)局限性較大，影響因素較多，實(shí)驗(yàn)操作難度較大，且成本較高。

4 結(jié)語(yǔ)

個(gè)體降溫服降溫效果的評(píng)價(jià)方法主要包括面料性能測(cè)試法、人體生理模型法、暖體假人實(shí)驗(yàn)法和真人著裝實(shí)驗(yàn)法。這4種評(píng)價(jià)方法的繁簡(jiǎn)程度依次遞增，實(shí)驗(yàn)成本也由低到高依次增加。通常依據(jù)實(shí)際條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x取不同的實(shí)驗(yàn)方法，采用物理指標(biāo)、生理指標(biāo)和心理指標(biāo)從主觀和客觀兩個(gè)方面綜合反映降溫服的降溫性能。但不同環(huán)境、不同降溫服的評(píng)價(jià)具體使用何種評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)如何有機(jī)結(jié)合，目前還缺乏足夠的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。因此評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取與有機(jī)結(jié)合是建立科學(xué)合理的降溫服降溫效果評(píng)價(jià)體系的關(guān)鍵，也是未來研究的重點(diǎn)。