蒸發(fā)型降溫服的降溫性能研究

陳 瑩， 宋澤濤， 鄭曉慧， 姜 延， 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(jì)與工程學(xué)院， 北京 100029； 3.軍事科學(xué)院 防化研究院， 北京 100191； 4.北京服裝學(xué)院 文理學(xué)院， 北京 100029)

人體長期暴露在高溫環(huán)境下，容易導(dǎo)致注意力降低，工作效率下降，嚴(yán)重的甚至?xí)馃釕?yīng)激相關(guān)疾病，如皮疹、中暑，甚至死亡[1]。高溫環(huán)境下作業(yè)人員的熱應(yīng)激問題已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)[2]。常用的解決方法是降低周圍的溫度，如采用空調(diào)制冷。然而由于某些工作空間特殊，如穿著密閉性防護(hù)服、烈日下的交通崗等，無法控制人體周圍環(huán)境溫度且費(fèi)用昂貴，這樣靈活且能耗少的個(gè)體降溫服逐漸成為高溫作業(yè)人員的常用防護(hù)裝備[4-5]。

降溫服可按照降溫介質(zhì)和服裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。根據(jù)降溫介質(zhì)可分為4類：基于相變材料相變吸熱的相變降溫服，基于對(duì)流原理的氣體降溫服，基于傳導(dǎo)原理的液體降溫服，結(jié)合了2種或2種以上降溫方式的混合降溫服[6]。根據(jù)服裝結(jié)構(gòu)可分為局部性降溫服[7]和全身性降溫服[8]。局部性降溫服根據(jù)人體不同部位產(chǎn)熱量、散熱量而設(shè)計(jì)，針對(duì)軀干或頭部的降溫服和降溫帽占了很大比例，其結(jié)構(gòu)簡單，適宜穿戴，但在某些特殊崗位不能使用。全身性降溫服對(duì)人體各部位全面降溫保護(hù)，其活動(dòng)范圍及舒適性受限，穿戴不方便[7]。

目前降溫服的研究主要集中在某些特定領(lǐng)域，如消防[9]、軍事[10]、建筑[11]和生化[12]。由于降溫服作為外層更有利于與外界環(huán)境的熱交換，所以降溫服作為服裝的中間層和外層，其降溫效果可能會(huì)不同[13]。在高溫環(huán)境中，皮膚溫度在出汗前可作為舒適感覺和環(huán)境作用強(qiáng)度的指標(biāo)。一般認(rèn)為，皮膚溫度34.5～35.5 ℃是出汗的臨界溫度[14]。

蒸發(fā)型降溫服是一種利用人體的體溫，使服裝與皮膚接觸的蓄水層內(nèi)的水或其他液體蒸發(fā)，從而達(dá)到吸熱降溫目的的服裝系統(tǒng)[15]。本文將吸水樹脂(SAP)作為蓄冷材料[16]應(yīng)用在降溫服中，采用干態(tài)暖體假人實(shí)驗(yàn)，通過觀察假人的胸部、肩部、腹部和背部的皮膚溫度變化情況，探究熱環(huán)境下勞動(dòng)強(qiáng)度和相對(duì)濕度對(duì)蒸發(fā)型降溫服降溫效果的影響，對(duì)蒸發(fā)型降溫服的降溫性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文研究的結(jié)果可以為降溫服以及相關(guān)防護(hù)服的開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)服裝

實(shí)驗(yàn)服裝包括降溫服和基礎(chǔ)服裝?；A(chǔ)服裝包括T恤和長褲。此次設(shè)計(jì)的降溫服款式圖如圖1所示。降溫服的設(shè)計(jì)款式為：無袖背心式，V領(lǐng)結(jié)構(gòu)，閉合方式為拉鏈?zhǔn)?。衣服?nèi)側(cè)分布矩形狀降溫模塊，模塊均分裝0.5 g的蓄冷材料，扣帶連接前后片，前后片上均有反光條，衣服本體為滌綸網(wǎng)眼布層。胸部區(qū)域分布6個(gè)降溫模塊，腹部4個(gè)，肩部8個(gè)，背部4個(gè)。實(shí)驗(yàn)前，將蒸發(fā)降溫服浸泡在自來水中20 min進(jìn)行激活，后用甩干機(jī)甩干3 min，將降溫服上的游離水去掉，以備使用。激活前和激活后的降溫服如圖2所示。

圖1 降溫服款式圖Fig.1 Style chart of cooling garment. (a) Front; (b) Back

圖2 降溫服實(shí)物圖Fig.2 Object of cooling garment. (a) Before activation; (b) After activation

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前，先開啟人工環(huán)境倉，倉內(nèi)溫度設(shè)置為34 ℃，相對(duì)濕度為50%，風(fēng)速為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 ℃)，將假人開啟恒功率實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，設(shè)定假人各部位的加熱功率(即20，200和300 W/m2),給假人穿上實(shí)驗(yàn)服裝，開始實(shí)驗(yàn)。直至假人各局部皮膚溫度升至34 ℃，停止實(shí)驗(yàn)，每1 min記錄1次假人各局部皮膚溫度。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)測量3次，共進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)。以上實(shí)驗(yàn)為探究勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)降溫服降溫效果的影響。當(dāng)相對(duì)濕度(RH)分別設(shè)置為20%、50%和80%，加熱功率設(shè)置為300 W/m2，其他參數(shù)設(shè)置不變，探究相對(duì)濕度對(duì)降溫服降溫效果的影響。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用SPSS 25進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。用單因素方差分析不同測試條件下的降溫梯度、溫度最低點(diǎn)時(shí)間、有效降溫時(shí)長的差異，其中因子分別為勞動(dòng)強(qiáng)度和相對(duì)濕度。當(dāng)顯著性指標(biāo)P<0.05時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度和相對(duì)濕度對(duì)部位皮膚溫度的影響存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，當(dāng)勞動(dòng)強(qiáng)度和相對(duì)濕度對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義時(shí)，進(jìn)一步兩兩比較，顯著性水平用邦費(fèi)羅尼校正。

降溫梯度為局部皮膚初始溫度與其最低溫度的差值。溫度最低點(diǎn)時(shí)間定義為實(shí)驗(yàn)開始到出現(xiàn)最低皮膚溫度所經(jīng)歷的時(shí)間。有效降溫時(shí)長指從具有制冷作用開始到降溫效果消失，而若降溫服能使人體在高溫環(huán)境下的平均皮膚溫度維持在34 ℃以下，則認(rèn)為其具有降溫效果[17]。20 W/m2等于0.34 met (代謝當(dāng)量)，安靜休息狀態(tài)，皮膚溫度舒適范圍33～34 ℃，舒適降溫梯度為0～1 ℃；200 W/m2等于3.44 met，中高代謝率，皮膚溫度舒適范圍為30～33 ℃，舒適降溫梯度為1～4 ℃。300 W/m2等于5.15 met，極高代謝率，皮膚溫度舒適范圍為30～32 ℃，舒適降溫梯度為2～4 ℃[18]。初期降溫速度定義為降溫梯度與溫度最低點(diǎn)時(shí)間的比值。

加熱功率小于65 W/m2時(shí)為低代謝率，在65～200 W/m2間為中代謝率，大于200 W/m2時(shí)為高代謝率。本文選取20、200、300 W/m2的加熱功率分別模擬輕、中等、重勞動(dòng)強(qiáng)度來研究勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)降溫服降溫效果的影響[19]。軀干溫度根據(jù)胸部、肩部、腹部和背部4個(gè)局部皮膚溫度計(jì)算，計(jì)算方式如下：

Tt=(Tc+Ts+Ta+Tb)/4

式中：Tt為軀干皮膚溫度，℃;Tc、Ts、Ta和Tb分別是胸部、肩部、腹部和背部的溫度，℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)降溫服性能的影響

2.1.1 局部皮膚溫度

圖3(a)顯示了不同勞動(dòng)強(qiáng)度下胸部溫度隨時(shí)間的變化情況。勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)胸部降溫梯度有顯著影響(P<0.05)；20和300 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下胸部溫度最低點(diǎn)時(shí)間存在顯著性差異(P<0.05)；不同勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)胸部的有效降溫時(shí)長有顯著影響 (P=0.000)。圖3(b) 顯示了不同勞動(dòng)強(qiáng)度下肩部溫度隨時(shí)間的變化情況。20和200 W/m2與20和300 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下肩部降溫梯度存在顯著性差異(P<0.05)；20和300 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下肩部溫度最低點(diǎn)時(shí)間存在顯著性差異(P<0.05)；不同勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)肩部的有效降溫時(shí)長有顯著影響 (P=0.000)。圖3(c)顯示了不同勞動(dòng)強(qiáng)度下腹部溫度隨時(shí)間的變化情況。20和200 W/m2與20和300 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下腹部降溫梯度存在顯著性差異(P<0.05)；20和300 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下腹部溫度最低點(diǎn)時(shí)間存在顯著性差異(P<0.05)；不同勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)腹部的有效降溫時(shí)長有顯著影響(P=0.000)。圖3(d) 顯示了不同勞動(dòng)強(qiáng)度下背部溫度隨時(shí)間的變化情況。不同勞動(dòng)強(qiáng)度下背部降溫梯度均不存在顯著性差異(P>0.05)；20和200 W/m2與20和300 W/m2勞動(dòng)強(qiáng)度下背部溫度最低點(diǎn)時(shí)間存在顯著性差異(P<0.05)；不同勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)降溫服背部的有效降溫時(shí)長有顯著影響(P=0.000)。

圖3 勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)局部皮膚溫度的影響Fig.3 Effect of work intensity on development of regional skin temperatures. (a) Chest; (b) Shoulder; (c) Abdomen; (d) Back

2.1.2 軀干溫度

圖4顯示了不同勞動(dòng)強(qiáng)度下軀干溫度隨時(shí)間的變化情況。不同勞動(dòng)強(qiáng)度下軀干降溫梯度間存在顯著性差異(P<0.05)；20和300 W/m2勞動(dòng)強(qiáng)度下軀干溫度最低點(diǎn)時(shí)間存在顯著性差異(P<0.05)；不同勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)降溫服的有效降溫時(shí)長有顯著影響(P=0.016)。

圖4 勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)軀干溫度的影響Fig.4 Effect of work intensity on development of torso skin temperature

2.1.3 不同勞動(dòng)強(qiáng)度

不同勞動(dòng)強(qiáng)度下降溫服降溫性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。從降溫梯度看出，部位降溫強(qiáng)度大小為：肩部、胸部、背部、腹部，降溫梯度最大值為3.4 ℃，小于4 ℃，不會(huì)出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。著裝人體各身體部位在受到同樣強(qiáng)度的冷刺激時(shí)，皮膚溫度這一生理量的變化規(guī)律各不相同，部位間存在差異性。但在一些相鄰的身體部位在一定的顯著性水平(P=0.05)下仍然具有相似性，如前臂與上臂；大腿與小腿；胸部與腹部等[20]。李俊等[21]研究各身體部位在受到同樣程度的冷刺激后, 在生理變化量(該部位的皮膚溫度)方面的差異性, 結(jié)果顯示：人體各部位在受到冷刺激前 5 min 內(nèi)皮膚溫度最大變化量分別為：左胸部 2.696 ℃，左腹部 2.693 ℃，肩部1.441 ℃，背部2.050 ℃。輕勞動(dòng)下，胸部的初期降溫速度值最大，為0.081 ℃/min, 穿著該降溫服下，假人部位皮膚溫度變化速度小，不會(huì)出現(xiàn)驟冷現(xiàn)象。未來可針對(duì)人體不同部位的熱敏感度，適當(dāng)增加蓄冷材料在胸部和腹部的分布量，減少肩部的分布量，以進(jìn)一步提高降溫服的降溫性能。從有效降溫時(shí)長來看，功率越大，有效降溫時(shí)長越小。20 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下，軀干有效降溫時(shí)長大于420 min，舒適降溫時(shí)長大于7 min。200 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下，軀干有效降溫時(shí)長為165 min，舒適降溫時(shí)長為82 min。300 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下，軀干有效降溫時(shí)長為102 min，舒適降溫時(shí)長為0 min，降溫服的降溫效果不足。該降溫服適合中等勞動(dòng)強(qiáng)度下穿著。

表1 不同勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)降溫服局部降溫性能的影響Tab.1 Effect of work intensity on local cooling performance of cooling garment

2.2 不同相對(duì)濕度對(duì)降溫服性能的影響

在40%～60%為舒適相對(duì)濕度，在70%以上為高氣濕，在30%以下為低氣濕。本文選取20%、50%和80%分別代表低氣濕、中氣濕和高氣濕來研究相對(duì)濕度對(duì)降溫服降溫效果的影響[22]。濕度也叫氣濕，指空氣中所含水分的量。濕度常用相對(duì)濕度來表示，它反映空氣被水蒸氣飽和的程度。蒸發(fā)的推動(dòng)力是飽和蒸汽壓與空氣中水蒸氣壓的差值。

2.2.1 局部皮膚溫度

圖5(a)顯示了不同相對(duì)濕度下胸部溫度隨時(shí)間的變化情況。相對(duì)濕度的增加，胸部降溫梯度值越小，胸部降溫梯度大小排序?yàn)椋?.3 ℃ (RH=20%)、1.6 ℃ (RH=50%)、0.4 ℃ (RH=80%)；胸部有效降溫時(shí)長越大，其大小排序?yàn)?6 min (RH=20%)、107 min (RH=50%)、160 min (RH=80%)；胸部初期降溫速度越小，其大小排序?yàn)?.128 ℃/min (RH=20%)、0.067 ℃/min (RH=50%)、0.046 ℃/min (RH=80%)。圖5(b)顯示了不同相對(duì)濕度下肩部溫度隨時(shí)間的變化情況。相對(duì)濕度的增加，肩部降溫梯度值越小，其大小排序?yàn)?.0 ℃ (RH=20%)、2.0 ℃ (RH=50%)、1.1 ℃ (RH=80%)；肩部有效降溫時(shí)長越大，其大小排序?yàn)?19 min (RH=20%)、137 min (RH=50%)、164 min (RH=80%)；肩部初期降溫速度呈變小趨勢(shì)，其大小排序?yàn)?.136 ℃/min (RH=20%)、0.080 ℃/min (RH=50%)、0.085 ℃/min (RH=80%)。圖5(c) 顯示了不同相對(duì)濕度下腹部溫度隨時(shí)間的變化情況。相對(duì)濕度的增加，腹部降溫梯度值越小，其大小排序?yàn)?.9 ℃ (RH=20%)、0.6 ℃(RH=50%)、0 ℃(RH=80%)；關(guān)于腹部的有效降溫時(shí)長，相對(duì)濕度為50%時(shí)最大，為66 min，其次是相對(duì)濕度為20%時(shí)，為48 min，相對(duì)濕度為80%時(shí)，腹部有效降溫時(shí)長為0 min。腹部初期降溫速度大小為0.047 ℃/min (RH=20%)、0.021 ℃/min (RH=50%)。相對(duì)濕度較大時(shí)，因降溫模塊與環(huán)境間的水汽壓差較小，降溫模塊的蒸發(fā)能力 (降溫梯度) 和蒸發(fā)速率均會(huì)減小。而蒸發(fā)能力減小，會(huì)導(dǎo)致降溫時(shí)長減小。蒸發(fā)速率減小，有利于降溫時(shí)長增加。腹部有效降溫時(shí)長：66 min (RH=50%)、48 min (RH=20%)，是因?yàn)檎舭l(fā)速率減小帶來的有利影響大于蒸發(fā)能力減小帶來的不利影響。圖5(d) 顯示了不同相對(duì)濕度下背部溫度隨時(shí)間的變化情況。相對(duì)濕度的增加，背部降溫梯度值越小，其大小排序?yàn)椋?.3 ℃ (RH=20%)、0.7 ℃(RH=50%)、0.1 ℃(RH=80%)；背部有效降溫時(shí)長越大，其大小排序?yàn)?8 min (RH=20%)、97 min (RH=50%)、230 min (RH=80%)；背部初期降溫速度越小，其大小排序?yàn)?.037 ℃/min (RH=20%)、0.021 ℃/min (RH=50%)、0.011 ℃/min (RH=80%)。

圖5 相對(duì)濕度對(duì)局部皮膚溫度的影響Fig.5 Effect of relative humidity on development of regional skin temperatures. (a) Chest; (b) Shoulder; (c) Abdomen; (d) Back

2.2.2 軀干溫度

圖6顯示了不同相對(duì)濕度下軀干溫度隨時(shí)間的變化情況。隨相對(duì)濕度的增加，降溫梯度值越小，其大小排序?yàn)椋?.8 ℃ (RH=20%)、1.2 ℃ (RH=50%)、0.4 ℃ (RH=80%)；關(guān)于有效降溫時(shí)長，相對(duì)濕度為50%時(shí)最大，為102 min，其次是相對(duì)濕度為80%時(shí)，為86 min，相對(duì)濕度為20%時(shí)，為82 min。軀干初期降溫速度大小順序?yàn)?.082 ℃/min (RH=20%)、0.041 ℃/min (RH=50%)、0.036 ℃/min (RH=80%)。關(guān)于軀干有效降溫時(shí)長：102 min (RH=50%)、82 min (RH=20%)，是因?yàn)檎舭l(fā)速率減小帶來的有利影響大于蒸發(fā)能力減小帶來的不利影響。86 min (RH=80%)、102 min (RH=50%)，是因?yàn)檎舭l(fā)速率減小帶來的有利影響小于蒸發(fā)能力減小帶來的不利影響，結(jié)論與腹部相似。

圖6 相對(duì)濕度對(duì)軀干溫度的影響Fig.6 Effect of relative humidity on development of torso skin temperature

2.2.3 相對(duì)濕度

不同相對(duì)濕度下降溫服降溫性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，相對(duì)濕度越大，初期降溫速度越小，如胸部、腹部、背部和軀干。當(dāng)降溫梯度足夠大時(shí)，相對(duì)濕度越大，一開始初期降溫速度會(huì)變小，如肩部相對(duì)濕度為20% (0.136 ℃/min)到50% (0.080 ℃/min)，但初期降溫速度值不會(huì)一直變小，其有下限值，如肩部相對(duì)濕度為80%時(shí)的初期降溫速度 (0.085 ℃/min) 與50%時(shí)，幾乎無變化。

表2 相對(duì)濕度對(duì)降溫服局部降溫性能的影響Tab.2 Effect of relative humidity on local cooling performance of cooling garment

3 結(jié) 論

1)穿著降溫服能有效降低軀干皮膚溫度，其他部位降溫強(qiáng)度從大到小的順序?yàn)椋杭绮?、胸部、背部、腹部，降溫梯度最大值?.4 ℃，小于4 ℃，不會(huì)出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。初期降溫速度最大值為0.081 ℃/min。穿著該降溫服下，假人部位皮膚溫度變化速度小，降溫過程緩和，不會(huì)出現(xiàn)驟冷現(xiàn)象。

2)勞動(dòng)強(qiáng)度水平顯著影響降溫服的有效降溫時(shí)長。20 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下，軀干有效降溫時(shí)長大于420 min，舒適降溫時(shí)長大于7 min；200 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下，軀干有效降溫時(shí)長為165 min，舒適降溫時(shí)長為82 min；300 W/m2的勞動(dòng)強(qiáng)度下，軀干有效降溫時(shí)長為102 min，舒適降溫時(shí)長為0 min，降溫服的降溫效果不足。該降溫服適合中等勞動(dòng)強(qiáng)度下穿著。

3)相對(duì)濕度(RH)水平顯著影響降溫服的降溫梯度。相對(duì)濕度越大，降溫梯度越小，其大小排序?yàn)椋?.8 ℃ (RH=20%)、1.2 ℃ (RH=50%)、0.4 ℃ (RH=80%)；關(guān)于有效降溫時(shí)長，相對(duì)濕度是50%時(shí)最大，為102 min，其次是相對(duì)濕度是80%時(shí)，為86 min，相對(duì)濕度是20%時(shí)，為82 min。該降溫服適合中濕環(huán)境下穿著。