緩解職業(yè)人員熱應(yīng)激用個體冷卻服的研究進(jìn)展

陳 曦，潘姝雯，戴宏欽，胡 玨，陳慧臻

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

為了削弱有害職業(yè)環(huán)境對勞動者人身健康與安全的影響，在軍事、醫(yī)療、工業(yè)等場景中已經(jīng)廣泛采用個人呼吸及皮膚防護(hù)裝具。個體防護(hù)裝具能夠包覆部分或全部人體，并至少對軀干、手臂、腿部進(jìn)行防護(hù)。這些裝具通常具有厚重、多層、不透濕等特點，所有這些因素都限制了人體的熱傳遞，增加人體熱應(yīng)激的風(fēng)險[1]。長期以來，熱應(yīng)激一直被認(rèn)為是對作業(yè)人員健康和工作表現(xiàn)的一種風(fēng)險，尤其是在高輻射或炎熱以及高活動量的環(huán)境中，如果未對人體進(jìn)行及時的冷卻，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致人走向死亡[2]。因此，如何采取有效的手段來緩解在特殊環(huán)境下穿著防護(hù)服進(jìn)行體力勞動所導(dǎo)致的人體熱應(yīng)激、保障勞動者的職業(yè)健康與安全是當(dāng)前亟須考慮的問題。由于個體冷卻服價格低廉、使用便捷，在熱應(yīng)力環(huán)境中，冷卻服被用作一種有效且經(jīng)濟(jì)的方法來緩解熱不適、延長工作時間。對于穿著防護(hù)服的人來說，使用能夠降低軀干溫度的冷卻服裝已成為職業(yè)環(huán)境中緩解人體熱應(yīng)激的最佳選擇。

1 個體冷卻服的分類

根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同,冷卻服主要分為氣體冷卻服、液體冷卻服、相變冷卻服和混合冷卻服等。

1.1 氣體冷卻服

氣體冷卻服利用環(huán)境或壓縮空氣作為冷卻介質(zhì)，根據(jù)散熱機制的不同，可以分為蒸發(fā)型氣冷服和對流型氣冷服。

蒸發(fā)型氣冷服(圖1)又稱風(fēng)扇冷卻服，主要由基礎(chǔ)服裝、微型風(fēng)扇及電池組成。蒸發(fā)型氣冷服將風(fēng)扇按一定順序嵌于服裝上，利用水汽壓梯度促進(jìn)汗液蒸發(fā)散熱，具有能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于攜帶等優(yōu)點[3]。在過去，防護(hù)服通常由風(fēng)扇提供散熱。然而在高溫高濕環(huán)境中，較高的濕度將導(dǎo)致風(fēng)扇散熱能力降低；而在炎熱、干燥的環(huán)境中，對流會導(dǎo)致大量汗液蒸發(fā)，嚴(yán)重時可能出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，甚至危及生命，因此一般不采用風(fēng)扇冷卻服對特殊職業(yè)環(huán)境中穿著防護(hù)服的勞動者進(jìn)行降溫。有學(xué)者提出采用熱電制冷代替風(fēng)扇制冷，熱電制冷法利用直流電流經(jīng)具有熱電轉(zhuǎn)換特性的導(dǎo)體所組成的回路時會產(chǎn)生降溫效果進(jìn)行冷卻，具有體積小、質(zhì)量輕、無污染、使用壽命長、制冷效率高等優(yōu)點[4]。2007年，牟超[5]研制了一款風(fēng)冷式電子調(diào)溫服。該調(diào)溫服設(shè)置有熱電制冷片，并利用風(fēng)扇對制冷片進(jìn)行降溫，可用作醫(yī)療、生物、化學(xué)防護(hù)服及其他特殊防護(hù)服的防暑降溫，但存在使用不便、舒適性較差等缺點。

圖1 風(fēng)扇冷卻服

對流型氣冷服(圖2)，由基礎(chǔ)服裝、空氣壓縮機、通風(fēng)管等組成，當(dāng)空氣被壓縮機冷卻后，通過高壓管輸入冷卻服內(nèi)，氣體與人體進(jìn)行熱對流，進(jìn)而實現(xiàn)降溫目的[6]。Glitz等[7]通過向隔熱防護(hù)服的小氣候中以600 L/min的速度注入除濕空氣來增強蒸發(fā)熱損失，可以有效延長穿著隔熱防護(hù)服人員的耐受時間。此外,為防止持續(xù)冷卻導(dǎo)致熱感覺的改善而掩蓋了核心體溫的升高，Davey等[8]研究了冷卻背心間斷冷卻方式在維持熱平衡和提高熱舒適性方面的有效性，發(fā)現(xiàn)了以穩(wěn)定增加和減少流速的冷卻方式提供了更涼爽的軀干溫度感覺，同時降低了電池功耗。劉何清等人[9]設(shè)計了一款對流型氣冷服，并研究了不同通氣量對人體皮膚溫度的影響，發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi)通氣量越大，皮膚溫度越低,并對人體熱舒適性起到一定程度的改善作用，但是在服裝結(jié)構(gòu)、通風(fēng)管排列以及開孔布局方面還需進(jìn)行優(yōu)化。這些實驗結(jié)果對對流型冷卻服設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。由于對流式氣冷服的管道氣冷裝置的質(zhì)量重、體積大、管長有限，并不適合穿著防護(hù)服在靈活工作流程中的移動使用。

圖2 對流型冷卻服

1.2 液體冷卻服

液體冷卻服，簡稱液冷服，如圖3所示，一般由基礎(chǔ)服裝、微型制冷系統(tǒng)及換熱管網(wǎng)組成，冷卻介質(zhì)包括水、水和乙二醇或丙二醇組成的低于零度的冷凍液、相變?nèi)橐骸⒈旌衔锏萚10]。液冷服通過微型制冷系統(tǒng)驅(qū)動冷卻液在換熱管道中循環(huán)流動帶走人體的代謝熱，保持人體動態(tài)熱平衡。

圖3 液體冷卻服

液冷服最早應(yīng)用于航天領(lǐng)域，以解決氣冷服無法滿足宇航員散熱需求的問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者從換熱管路參數(shù)、降溫介質(zhì)溫度以及水泵特性等方面研究了液冷服的性能。牛麗等人[11]研究了液冷服管網(wǎng)排列方式對降溫效果的影響，發(fā)現(xiàn)穿著管路橫向排列的液冷服能更有效緩解消防員熱應(yīng)激。由于液冷服管道的存在限制了汗液蒸發(fā)，Tanaka等人[12]研制了一款通過背部管道開孔勻速滲水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻的液冷服，可以在不增加衣服濕度的情況下顯著降低皮膚溫度。Caldwell等人[13]評估了以水為冷源的液冷服對干熱條件下穿著生化防護(hù)服人員的制冷效果，發(fā)現(xiàn)液冷服在15 ℃下，循環(huán)水可以有效改善不利的生理變化。Wang等人[14]開發(fā)了以相變微膠囊懸浮液為工作液的液冷服，發(fā)現(xiàn)液冷服的進(jìn)口溫度、質(zhì)量流量和體積濃度顯著影響冷卻服的散熱性能，為將來的航空航天應(yīng)用提供了依據(jù)。由于液冷服冷卻液溫度過低會導(dǎo)致局部過冷，有害人體健康與安全，Bartkowiak等人[15]研制了一款可以根據(jù)人體需要調(diào)節(jié)冷源溫度的液冷服，可以有效改善穿著鍍鋁防護(hù)服人員的熱不適。

盡管普通液冷服采用的壓縮裝置制冷效率高，但其有使用不便、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、可靠性較差等缺點，故有學(xué)者提出利用熱電制冷代替壓縮機制冷，利用冷媒水在液冷服管道內(nèi)循環(huán)，將冷量擴(kuò)散到人體中進(jìn)行降溫。Delkumburewatte等人[16]開發(fā)了基于熱電效應(yīng)的液冷服，用于密封防護(hù)服衣下微環(huán)境的降溫。該冷卻服的自動冷卻控制系統(tǒng)既可以提高降溫的效率，也可以消除穿戴者不必要的監(jiān)控。

1.3 相變冷卻服

相變冷卻服(圖4)，是一種應(yīng)用較廣泛，通過放置在服裝夾層或內(nèi)部口袋的相變材料(phase change materials,PCM)的相態(tài)變化進(jìn)行冷卻的服裝，常用的冷卻材料有水、干冰、凝膠、水合鹽等[17]。由于相變冷卻服不必連接任何外部設(shè)備，這使得它比液冷服或氣冷服更便于攜帶。

圖4 相變冷卻服

相變材料的冷卻效果主要取決于其熔化溫度、熱熔等。Chou等人[18]首次對比了以石蠟和冰為冷源在降低消防員生理負(fù)荷上的有效性，發(fā)現(xiàn)石蠟熔化時比冰更為柔軟，與人體接觸面積更大，能有效地防止熱應(yīng)激。Gao等人[19]同樣研究了熔化溫度對消防員降溫效果的影響，結(jié)果表明熔融溫度較低(24 ℃)的PCM背心對軀干和平均皮膚溫度有更強的冷卻作用，但未能有效降低核心溫度，需研究溫度較低且覆蓋面積較大的PCM冷卻裝置。House等人[20]在此基礎(chǔ)上評估了熔點為0、10、20、30 ℃相變背心對消防員的生理冷卻效果，發(fā)現(xiàn)熔融溫度在 0～10 ℃之間(或至少低于20 ℃)的冷卻背心提供了最有效的冷卻效果。此外，由于PCM的存在限制了水分從身體向環(huán)境的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致冷凝的風(fēng)險，也增加了佩戴者的額外負(fù)荷。

相變材料的冷卻效果還取決于質(zhì)量以及體表覆蓋面積。張寅平等人[21]開發(fā)了一款相變冷卻服，以防止傳染病隔離區(qū)醫(yī)護(hù)人員工作時產(chǎn)生中暑反應(yīng)。通過對受試者身體各部位的熱不適投票進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)相變材料的位置分布制約著冷卻服的制冷效果。關(guān)平等人[22]對相變材料的位置分布進(jìn)一步進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)相變材料以“門”字形分布時，可以使醫(yī)護(hù)人員的人體舒適性達(dá)到最優(yōu)。為優(yōu)化PCM在醫(yī)用防護(hù)服中的冷卻性能，Reinertsen等人[23]對PCM的數(shù)量及位置繼續(xù)進(jìn)行了探討。實驗表明當(dāng)PCM放置在熱敏性較高的部位如胸部、腹部、肩胛骨處能夠有效減少熱應(yīng)力，同時相對較少的PCM能夠改善水分傳輸與蒸發(fā)，提高熱舒適性。由于減少PCM的數(shù)量將會降低冷卻時間，故Itani等人[24]提出利用PCM與固體干燥劑層相結(jié)合開發(fā)新型冷卻背心，使用固體干燥劑吸附微氣候區(qū)的水分，對提高人體汗液蒸發(fā)率具有借鑒意義。

1.4 混合冷卻服

結(jié)合2種及以上不同降溫原理的冷源制成的冷卻服稱為混合冷卻服，混合冷卻服兼顧不同冷源的優(yōu)勢及特點，提高冷卻效率，在一定程度上擴(kuò)大了使用場景,逐漸成為當(dāng)前研究的重點。韋帆汝、Wan等人[25-26]開發(fā)了基于相變材料與微型風(fēng)扇的混合冷卻服，與僅含PCM或僅含通風(fēng)風(fēng)扇的冷卻服相比，具有更好的冷卻性能。Wang等人[27]設(shè)計了基于干冰和通風(fēng)風(fēng)扇的混合冷卻服，利用干冰升華減輕人體負(fù)荷、風(fēng)扇強化空氣循環(huán)，有效緩解了吉祥物演員的熱不適。但如何對干冰與人體的隔離處理、選擇風(fēng)扇及其分布(以提高制冷效率)還需進(jìn)一步研究。由于PCM對外界環(huán)境的吸熱和PCM表面的冷凝是影響混合冷卻服降溫性能的兩個主要問題，Raj等人[28]提出在PCM包的外表面添加一層額外的薄絕緣層，實驗證明該款混合冷卻服能夠有效降低平均皮膚溫度和上半身溫度，延長冷卻時間。

2 冷卻服制冷性能測試評價方法

2.1 人體穿著試驗

人體穿著試驗是指受試者穿著試驗服裝在特定實驗環(huán)境及人體活動水平下進(jìn)行實驗，通過記錄和分析人體生理參數(shù)，來評價人體熱應(yīng)激變化的一種有效方式。具體評價指標(biāo)包括皮膚溫度、核心溫度、血壓、心率、出汗量等[29]。由于人體熱應(yīng)激變化受多重因素影響，因此通常采用生理評價和心理學(xué)評價相結(jié)合。心理學(xué)評價通過主觀投票對全身熱感、舒適感、疲勞感等進(jìn)行評分，并利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析，以此評估穿著冷卻服時人體遭受的熱應(yīng)激程度。人體穿著試驗易受實驗對象的影響，耗時且經(jīng)濟(jì)成本較高。

2.2 暖體假人系統(tǒng)測試法

針對火場、有毒化學(xué)場所等復(fù)雜環(huán)境，采用真人實驗通常會使受試者處于危險之中，因此通過客觀模擬實驗來評價冷卻服整體動態(tài)熱性能很有必要。暖體假人法通常通過測量服裝的熱阻、濕阻來評價服裝的熱舒適性，測試方法包括恒皮溫、恒熱流、熱舒適3種模式。其中恒皮溫模式將假人各區(qū)段皮膚溫度設(shè)定在34～35 ℃，適用于非極端環(huán)境；恒熱流模式根據(jù)人體運動負(fù)荷設(shè)置加熱功率，適用于各種環(huán)境；熱舒適模式以Fanger的人體熱舒適方程為控制模型，僅適用于熱中性環(huán)境[30]。暖體假人法具有實驗結(jié)果穩(wěn)定、可重復(fù)性高、避免人體遭受熱應(yīng)激傷害等優(yōu)點，但該系統(tǒng)設(shè)備極其昂貴、不具有推廣性[31]。由于暖體假人無法準(zhǔn)確模擬人體熱調(diào)節(jié)，因此出現(xiàn)了利用人體熱調(diào)節(jié)模型，如Fiala熱調(diào)節(jié)模型，與暖體假人耦合的方法，以評價人體生理與知覺反應(yīng)，但實驗的可靠性還需要進(jìn)一步完善[32]。

2.3 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法通過掃描人體模型，導(dǎo)入人體和服裝的掃描形狀數(shù)據(jù)，設(shè)置溫度、速度、靜壓、湍流動能等參數(shù)，采用計算機方法和模擬工具對人-服裝-環(huán)境系統(tǒng)之間熱濕傳遞進(jìn)行分析、對人體著裝舒適感進(jìn)行評價，具有成本低、靈活度高、實驗可重復(fù)性好等優(yōu)點[33]。盡管針對復(fù)雜多變的職業(yè)環(huán)境進(jìn)行熱傳遞和熱生理反應(yīng)分析技術(shù)難度較高，模擬的準(zhǔn)確性和合理性還需要對比實驗結(jié)果進(jìn)行驗證，但隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬法已成為冷卻服動態(tài)熱性能評價及服裝產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化中的重要工具。

3 冷卻服發(fā)展的趨勢

3.1 服裝面料的創(chuàng)新設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

冷卻服面料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮實際穿著情況、使用環(huán)境、可操作性及生產(chǎn)成本等因素。根據(jù)制冷源的類型選擇合適的面料制作服裝，可以從原理、設(shè)計、工藝、制造等多方面進(jìn)行面料的創(chuàng)新設(shè)計。例如，開發(fā)由聚酯纖維和棉纖維制成的雙層織物，內(nèi)聚酯層為導(dǎo)汗擴(kuò)散層，棉質(zhì)外層為吸附層，可以將人體皮膚表面的汗液快速排出至外層織物，保持皮膚干燥[34]。冷卻服一般貼身穿著，服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計要兼顧功能性與舒適性。例如，開發(fā)具有紅外透過性的聚乙烯/聚酰胺復(fù)合納米面料，并在靜電紡絲聚酰胺納米纖維中添加微珠，加寬纖維粒徑分布并提高紅光反射率，與傳統(tǒng)紡織品相比更能使人體保持舒適干爽[35]。此外，在設(shè)計時考慮衣長、領(lǐng)型、開口方式等因素的影響。由于靜態(tài)和動態(tài)工作中的緊密配合對最佳熱交換至關(guān)重要，可以結(jié)合織物技術(shù)、三維掃描和計算機輔助制造的最新進(jìn)展進(jìn)行服裝結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，以優(yōu)化和個人的配合[36]。

3.2 制冷源的選擇與位置分布

制冷源要根據(jù)人體的實際熱量需求以及工作環(huán)境進(jìn)行種類、質(zhì)量與冷卻溫度的選擇，要求結(jié)構(gòu)簡單、容易獲取、對環(huán)境安全無害[37]。例如，可以考慮利用熱電制冷代替壓縮機制冷，提高熱電制冷器的制冷量與制冷系數(shù)，實現(xiàn)熱電元件微型化設(shè)計；結(jié)合不同制冷方式的冷源開發(fā)混合冷卻服等。目前，冷卻服大多將冷源均勻地分布在整個軀干區(qū)域，然而人體各個部位對冷卻的需求量存在差異[38]。冷源的分布應(yīng)以身體區(qū)域性生理特點為依據(jù)，努力使身體各部分的傳熱更加均勻，提高整體散熱性能，保證穿戴者的熱舒適性。如不同部位的血管分布、神經(jīng)支配、組織隔熱值和發(fā)汗率等均應(yīng)考慮在內(nèi)[39]。此外，制冷源應(yīng)能夠很好地貼合軀干部位，允許穿著者活動，并將體溫保持在安全穩(wěn)定的水平。

3.3 尋找新型動力源

大多數(shù)冷卻服的動力源體積大、重量重，依賴電力，限制了佩戴者的行動自由，這是迄今為止市場上商業(yè)成功和可用性有限的潛在原因。尋求更高能量密度的供電電池，或是用微型內(nèi)燃機代替電機驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)，這樣可以很大程度減輕動力源的重量[40]。研究人員應(yīng)該朝著降低工程設(shè)計復(fù)雜性的方向發(fā)展，盡量減少故障和對主要任務(wù)的干擾，延長冷卻持續(xù)時間，同時降低成本和維護(hù)限制，能夠為佩戴者所接受。滿足這些條件是一項極其復(fù)雜的任務(wù)，需要針對大量不同的因素進(jìn)行設(shè)計。

3.4 納米技術(shù)與相變材料的結(jié)合

采用納米技術(shù)封裝相變材料，制備新型、高效納米相變微膠囊。由于納米微膠囊具有體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，易于分散在流體中，并能在漿液中穩(wěn)定流動，使其在熱能儲存和熱管理方面具有良好的應(yīng)用前景。國內(nèi)外研究人員對納米微膠囊技術(shù)進(jìn)行了研究，但仍存在一定的問題，包括如何準(zhǔn)確表征納米材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)；建立預(yù)測微區(qū)尺寸與材料特性的關(guān)系函數(shù)；提高封裝效率；保障在各種傳熱和流動條件下的化學(xué)穩(wěn)定性等[41]。

3.5 智能溫控系統(tǒng)的開發(fā)與運用

特殊環(huán)境作業(yè)者通常處于高風(fēng)險環(huán)境中，需要及時掌握其健康安全并做好相關(guān)的防護(hù)。因此，能夠?qū)崟r監(jiān)測和分析他們的生理健康狀況尤為重要。開發(fā)結(jié)合人體生理學(xué)原理和計算機編程技術(shù)的智能溫控系統(tǒng)，利用傳感技術(shù)對皮膚溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，同時根據(jù)人體生理參數(shù)的變化自動調(diào)節(jié)冷卻功率。將智能溫控系統(tǒng)與冷卻服相結(jié)合，可以有效改善人體舒適性[42]。操作簡單、易于訪問，電池供電與能量收集、硬件微型化設(shè)計、溫度的精細(xì)調(diào)控、穿著耐久性、安全性等問題是未來智能溫控系統(tǒng)的開發(fā)重點。

4 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，將有越來越多的勞動者投入到不同的工作、生活場景中，熱應(yīng)激是眾所周知的職業(yè)健康危害之一，尋找有效的降溫干預(yù)措施對勞動者的健康和安全具有重要的意義。在氣候變化背景下管理熱應(yīng)激的效率在很大程度上依賴于預(yù)警系統(tǒng)、有效和可靠的熱暴露測量和評估方法以及對預(yù)防措施的效率和成本效益的了解。目前，國內(nèi)外進(jìn)行了多種冷卻服的研究，但各種冷卻系統(tǒng)仍存在一定的短板，在保障職業(yè)安全方面還需要進(jìn)一步提高。冷卻服是一個融合多種學(xué)科的產(chǎn)物，未來冷卻服發(fā)展的關(guān)鍵是評估熱應(yīng)激水平以及技術(shù)創(chuàng)新，研究如何在保證制冷量的前提下減輕負(fù)荷，降低成本，增加產(chǎn)品功能性與可靠性，實現(xiàn)安全性與舒適性的統(tǒng)一。