溫?zé)岘h(huán)境下降溫背心的綜合效能測評

陳 瑩，宋澤濤，鄭曉慧，姜 延，賈琳葳，常素芹

(1.北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院，北京 100029； 2.北京服裝學(xué)院 材料設(shè)計與工程學(xué)院，北京 100029；3.國民核生化災(zāi)害防護國家重點實驗室，北京 100191； 4.北京服裝學(xué)院 文理學(xué)院，北京 100029)

1960—2016年，南方城市不斷發(fā)生極端高溫和熱浪事件,尤其是在華東和華中地區(qū),盡管北方城市高溫和熱浪事件較少,但高溫強度較為突出[1]，專家指出新的“火爐”城市不斷涌現(xiàn)[2]。長期在高溫環(huán)境下工作，人們?nèi)菀灼?、精神不振，工作效率降低，?yán)重時甚至?xí)l(fā)安全事故[3]。日常生活中人們通過使用風(fēng)扇或空調(diào)等設(shè)備進行降溫，但對于沒有降溫設(shè)備的室外作業(yè)人員，抵御高溫的個體降溫防護設(shè)備顯得尤為重要[4]。

個體降溫服作為目前較為普遍且有效的一種高溫作業(yè)防護服裝，可根據(jù)降溫介質(zhì)分為4類：基于對流和蒸發(fā)降溫的氣體降溫服、基于相變材料(Phase Change Material, PCM)相變吸熱的相變降溫服、基于傳導(dǎo)降溫的液體降溫服、結(jié)合了以上2種或2種以上降溫方式的混合降溫服[5]。降溫背心已經(jīng)在航空、航海、生化[6]、消防[7-8]、交通、醫(yī)療[9]、建筑業(yè)[10]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。王春光等[11]研發(fā)用于深井開采的防護降溫背心,并開展了實用性實驗研究，結(jié)果表明穿著降溫背心受試者的各項生理指標(biāo)與不穿降溫背心者相比均降低,且工作效率顯著提高。Zheng等[12]以相變材料為降溫材料研制出了供礦工使用的全身性相變降溫服，實驗結(jié)果表明，該全身性降溫服在高溫高濕環(huán)境下能夠有效降低人體皮膚溫度、提高熱舒適感。雖然現(xiàn)有降溫背心有較好的降溫效果，但普遍存在初期降溫速率較快，服裝較重，局部過冷，降溫時長較短等問題[13]。

降溫背心的降溫性能是實際使用前的關(guān)鍵研究內(nèi)容，目前關(guān)于降溫背心降溫效果的評價方法缺乏足夠的理論和研究[14]。本文通過模擬溫?zé)岬墓ぷ鳝h(huán)境，利用干態(tài)暖體假人測試3件不同類型的降溫背心，觀察假人的局部皮膚溫度變化，從降溫速率、最低溫度值、有效降溫時長等方面對降溫背心進行綜合效能評價，為降溫背心降溫效果綜合評價系統(tǒng)的構(gòu)建提供依據(jù)。

1 實驗方案

1.1 實驗服裝

本文實驗對3件不同類型的降溫背心進行降溫性能測試，即蒸發(fā)型降溫背心、相變型降溫背心和凝膠型降溫背心。蒸發(fā)型降溫背心(太原市藍籌科技有限公司)選用抗菌防霉高分子蓄冷材料[15]作為蓄冷劑，其在自來水中蓄液量為117 g/g。相變型降溫背心(上海勇備實業(yè)有限公司)選用新型的生物基材料作為蓄冷劑，其相變潛熱為189.8 J/g。凝膠型降溫背心選用硬凝膠作為蓄冷劑(硬凝膠由北京廣順和科技有限公司提供)，其相變潛熱為250 J/g?；A(chǔ)服裝包括純棉的T恤和長褲，如圖1所示。

實驗前，蒸發(fā)型降溫背心在自來水中浸泡20 min，激活蓄冷材料，后用甩干機甩干3 min，去除降溫背心表面的自由水，而相變降溫背心和冷凝膠蓄冷袋分別需要在5 ℃和-18 ℃的冰箱內(nèi)至少放置12 h，保證完全凝固。3種降溫背心基本信息與參數(shù)見表1。

表1 3種降溫背心基本信息與參數(shù)Tab.1 Basic information and properties of three kinds of cooling vests

1.2 實驗方法

本文實驗基于恒功率,采用干態(tài)暖體假人法進行實驗。實驗前，先開啟人工氣候倉，環(huán)境溫度34 ℃，相對濕度50%，風(fēng)速0.4 m/s。待倉內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定后(假人各局部皮膚溫度接近34 ℃)開啟假人，設(shè)定假人各局部的加熱功率為300 W/m2,給假人穿上實驗服裝，開始實驗。直至假人各局部皮膚溫度升至34 ℃，停止實驗，每1 min記錄1次各局部皮膚溫度。每組實驗重復(fù)測量3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

對各時間點(每5 min)的局部皮膚溫度進行單因素重復(fù)測量方差分析。當(dāng)顯著性指標(biāo)P值小于0.05時，服裝種類對各皮膚溫度的影響存在統(tǒng)計學(xué)意義。當(dāng)服裝種類對評價指標(biāo)的影響具有統(tǒng)計學(xué)意義時，進一步兩兩比較，顯著性水平用Bonferroni Correction校正。

2 結(jié)果與分析

2．1 降溫性能參數(shù)的計算

若降溫背心能使人體在高溫環(huán)境下的平均皮膚溫度維持在34 ℃以下，則認為其具有降溫效果。3種降溫背心相關(guān)降溫性能參數(shù)見表2。最大降溫溫差定義為局部皮膚初始溫度與其最低溫度的差值。溫度最低點時間定義為皮膚溫度達到最低對應(yīng)的時間。有效降溫時長指從具有制冷作用開始到降溫效果消失對應(yīng)的時間。300 W/m2為5.15 met，當(dāng)代謝率為3～6 met時，皮膚溫度在30～32 ℃之間，處于舒適的溫度狀態(tài)[16]，降溫服舒適最大降溫溫差范圍為2～4 ℃。初期降溫速率定義為最大降溫溫差與溫度最低點時間的比值。

表2 3種降溫背心相關(guān)降溫性能參數(shù)Tab.2 Three kinds of cooling vests related cooling performance parameters

3種降溫背心皆僅覆蓋人體軀干，其綜合降溫效果可由軀干溫度下降程度表示。軀干溫度根據(jù)胸部、肩部、腹部和背部4個局部皮膚溫度計算，計算方式如下：

Ttorso=(Tchest+Tshoulder+Tabdomen+Tback)/4

式中：Ttorso為軀干皮膚溫度，Tchest、Tshoulder、Tabdomen和Tback分別是胸部、肩部、腹部和背部的溫度，℃。

2.2 蒸發(fā)型降溫背心

圖2為假人穿著蒸發(fā)型降溫背心條件下局部皮膚溫度變化情況。各局部皮膚溫度均有降溫效果，降溫強度大小排序為：肩部>胸部>背部>腹部。軀干有效降溫時長達102 min。舒適溫度時長均為0 min，在300 W/m2的高勞動強度下，該降溫背心降溫效果不足，不能滿足人體降溫需求，更適合偏低的勞動強度下穿著。根據(jù)Gerrett等[17]的研究，運動狀態(tài)下人體軀干部位的腰腹兩側(cè)和背部的冷感覺接收器數(shù)量較多，胸部較少。因而在實際作業(yè)中，對這些部位進行降溫，皮膚能夠?qū)浯碳ぎa(chǎn)生較強的冷感，進而可以較快地獲得降溫帶來的舒適感?？蛇m當(dāng)在該降溫服腰腹部和背部增加降溫材料，提高服裝的熱舒適性。

圖2 假人穿著蒸發(fā)型降溫背心條件下各局部皮膚溫度變化Fig.2 Local skin temperatures changes of manikin under wearing evaporative cooling vests

2.3 相變型降溫背心

圖3為假人穿著相變型降溫背心條件下局部皮膚溫度變化情況。腹部幾乎無降溫效果，背部和胸部的降溫效果相似，肩部降溫效果最為明顯。軀干有效降溫時長達134 min。相變型降溫背心硬度大，極大限制了人體上半身運動靈活性。相變材料封裝包分布緊密，不能很好地貼合人體，合體性差，腹部區(qū)域只覆蓋到少量相變材料。PCM封裝包的放置間距會影響服裝的熱防護效果和透氣透濕性能[18]，可調(diào)整該降溫服PCM封裝包間的距離，增加服裝的合體性和動態(tài)舒適性。

圖3 假人穿著相變型降溫背心條件下各局部皮膚溫度變化Fig.3 Local skin temperatures changes of manikin under wearing PCM cooling vests

2.4 凝膠型降溫背心

圖4為假人穿著凝膠型降溫背心條件下局部皮膚溫度變化情況。胸部無降溫效果，肩部降溫效果微小，其次是腹部，背部降溫效果最為明顯。軀干有效降溫時長達96 min。凝膠型降溫背心硬度大，限制人體上半身的運動靈活性，可減小凝膠封裝包面積，來提高運動靈活性。

圖4 假人穿著凝膠型降溫背心條件下各局部皮膚溫度變化Fig.4 Local skin temperatures changes of manikin under wearing gel cooling vests

2.5 局部皮膚溫度

2.5.1 胸部溫度

圖5為假人穿著3種實驗服裝條件下的胸部溫度變化曲線。凝膠型與蒸發(fā)型以及凝膠型與相變型的胸部溫度在5～115 min具有顯著性差異(P<0.05)，蒸發(fā)型和相變型的胸部溫度在5～90 min無顯著差異(P>0.05)，在95～115 min具有顯著差異(P<0.05)。蒸發(fā)型的初期降溫速率小于相變型，即0.067 ℃/min<0.110 ℃/min。蒸發(fā)型的有效降溫時長小于相變型，即107 min<141 min?？梢娤嘧冃偷慕禍匦Ч憩F(xiàn)更為迅速，有效作用時間更長。圖5顯示凝膠型曲線一直呈上升趨勢，可見凝膠型對胸部無降溫效果。

注：*表示P<0.05 (蒸發(fā)型與相變型);#表示P<0.05 (蒸發(fā)型與凝膠型)；&表示P<0.05 (相變型與凝膠型)。圖5 3種實驗服裝的胸部溫度Fig.5 Chest temperature of 3 cooling vests

2.5.2 肩部溫度

圖6為假人穿著3種實驗服裝條件下的肩部溫度變化曲線。凝膠型與相變型以及凝膠型與蒸發(fā)型的肩部溫度分別在5～145 min和10～145 min存在顯著差異(P<0.05)。蒸發(fā)型和相變型的肩部溫度在5～145 min存在顯著差異 (P<0.05)。蒸發(fā)型的初期降溫速率小于相變型，即0.080 ℃/min<0.194 ℃/min,蒸發(fā)型的有效降溫時長小于相變型，即137 min<199 min。因此，相變型在肩部的降溫效果優(yōu)于蒸發(fā)型。圖6顯示凝膠型的曲線幾乎無下降趨勢，最大降溫溫差為0.4 ℃，且作用時間很短，對肩部幾乎無降溫效果。

注：*表示P<0.05 (蒸發(fā)型與相變型); #表示P<0.05(蒸發(fā)型與凝膠型)；&表示P<0.05(相變型與凝膠型)。圖6 3種實驗服裝的肩部溫度Fig.6 Shoulder temperature of 3 cooling vests

2.5.3 腹部溫度

圖7為假人穿著3種實驗服裝條件下的腹部溫度變化曲線。相變型和蒸發(fā)型的腹部溫度、相變型和凝膠型的腹部溫度在5～10 min均無顯著差異(P>0.05),在15～95 min存在顯著差異(P<0.05)。蒸發(fā)型和凝膠型的腹部溫度在5～50 min無顯著差異(P>0.05)，在55～95min存在顯著差異(P<0.05)。蒸發(fā)型的初期降溫速率大于凝膠型，即0.021 ℃/min>0.018 ℃/min,蒸發(fā)型的有效降溫時長小于凝膠型，即66 min<97 min。圖7顯示相變型的曲線幾乎無下降趨勢，其最大降溫溫差為0.1℃，幾乎對腹部無降溫效果。

注：*表示P<0.05(蒸發(fā)型與相變型); #表示P<0.05(蒸發(fā)型與凝膠型)；&表示P<0.05(相變型與凝膠型)。圖7 3種實驗服裝的腹部溫度Fig.7 Abdomen temperature 3 cooling vests

2.5.4 背部溫度

圖8為假人穿著3種實驗服裝條件下的背部溫度變化曲線。蒸發(fā)型與凝膠型的背部溫度在5～130 min存在顯著差異(P<0.05)，相變型與凝膠型的背部溫度在10～130 min存在顯著差異(P<0.05)。蒸發(fā)型和相變型的背部溫度在5～20 min存在顯著差異(P<0.05)。初期降溫速率大小排序為：凝膠型>相變型>蒸發(fā)型，其值分別為0.121、0.113和0.018 ℃/min,有效降溫時長大小排序同為：凝膠型>相變型>蒸發(fā)型，其值分別為202、126和97 min。穿著凝膠型降溫背心時，假人背部最低溫度為29.4 ℃，在真實的作業(yè)環(huán)境中會引起人體局部過冷，使人體感到不適，且背部溫度維持在30 ℃以下時間長達60 min，過冷時間較長，占其有效降溫時長的29.7%。蒸發(fā)型和相變型的降溫效果較為緩和，且相變型的降溫效果優(yōu)于蒸發(fā)型。

2.5.5 軀干溫度

圖9為假人穿著3種實驗服裝條件下的軀干溫度變化曲線。蒸發(fā)型與凝膠型的軀干溫度在實驗過程中不存在顯著差異(P>0.05),蒸發(fā)型與相變型的軀干溫度在5～15 min存在顯著差異(P<0.05)，相變型與凝膠型的軀干溫度在5～25 min存在顯著差異(P<0.05)。初期降溫速率大小排序為：相變型>蒸發(fā)型>凝膠型，其值分別為0.125、0.041和0.034 ℃/min,有效降溫時長大小排序同為：相變型>蒸發(fā)型>凝膠型，其值分別為134、102和96 min?？梢姡嘧冃徒禍匦Ч顑?yōu)。3種降溫背心的最大降溫溫差均大于2 ℃，軀干舒適溫度時長均為0 min。

3 結(jié) 論

本文通過干態(tài)暖體假人法綜合評價了溫?zé)岘h(huán)境下3種降溫背心的降溫效能。結(jié)果表明：3種降溫背心均有不同程度的降溫效果，從假人的軀干溫度下降程度來看，3種降溫背心的綜合降溫程度高低排序為：相變型>蒸發(fā)型>凝膠型。使用凝膠型降溫背心時，假人背部溫度最低可達29.4 ℃，在真實的作業(yè)環(huán)境中會引起人體局部過冷，感到不適。軀干有效降溫時長大小排序為相變型>蒸發(fā)型>凝膠型。3種降溫背心在設(shè)計上均存在不足，蒸發(fā)型降溫背心可增加降溫材料在腹部的分布；相變型降溫背心硬度大，可適當(dāng)增加相變材料封裝包的放置間距，增加人體運動靈活性；凝膠型降溫背心可減小凝膠封裝包面積。穿著3種降溫背心時，雖然有一定的降溫效果，但軀干均沒有達到舒適溫度的狀態(tài)，降溫效果在高勞動強度下均不足，適合較低勞動強度下穿著。