矿用应急降温服降温性能实验研究

◎文/张奋奋 周孟颖 梁国治 冯立品 （安徽省煤炭科学研究院 合肥学院化学与材料工程系）

作为国家重要的能源，煤炭在能源结构中的主体地位短期内依然重要。但随着煤矿浅部资源逐渐匮乏,煤矿开采深度越来越深，矿井地温升高，岩石放热和设备放热量加大，导致深部煤矿采煤面、掘进面、硐室等煤矿职工工作场所温度升高，较易出现煤矿职工精力涣散、注意力不集中、高温中暑等矿井高温热害问题。为提高煤矿职工在高温高湿矿井的工作待遇，保障煤矿职工身体健康和生命安全，提升高温环境应急管理水平，可为在高温高湿环境下工作的煤矿职工配备矿用应急降温服，提高工作的舒适性和安全性，避免出现因职工注意力不集中、中暑而导致的生产事故。现介绍一款矿用应急降温服，并在矿井热环境实验室利用暖体出汗假人测试系统对其降温性能进行实验测试研究。

一、矿用应急降温服简介

1.矿用应急降温服的结构

本文所应用的矿用应急降温服是由安徽省煤炭科学研究院设计研制的（见图1）。该降温服是由工作服、蓄冷袋两部分组成，在工作服内部的前胸和后背位置分别缝制2个口袋，蓄冷袋是由蓄冷材料和气泡袋组成。工作服选用纯棉布料织成，蓄冷材料采用聚乙烯醇系水凝胶组成。

图1 矿用应急降温服及暖体出汗假人

2.矿用应急降温服降温原理

高温工作环境严重影响煤矿职工的工作效率，容易造成职工的中枢神经系统失调，使人疲劳、精神恍惚，从而造成事故率上升。矿用应急降温服根据冷却范围大小可分为全身性冷却服和局部性冷却服；再根据各种冷却服的冷却原理和冷却介质特点，又可将冷却服分为气体冷却服、液体冷却服和相变冷却服[1]。本文实验所用的矿用应急降温服属于局部性相变冷却服。在稳定的环境条件下，人体蓄热率应为零，这样人体才能保持能量平衡；当人体产热量难以全部散出时，就会在体内蓄存，导致体温上升，人体不适。应急降温服的工作原理主要是利用聚乙烯醇系蓄冷材料在相变过程吸热的特点，高温环境中其通过贴体吸收人体中的热量，加大人体散热速率，降低人体蓄热率，从而对人体进行局部降温，使人感到凉爽舒适。

3.矿用应急降温服技术参数

应急降温服总重量1.2kg，其中工作服重量335g，蓄冷袋重量865g。采用差示扫描量热仪测得应急降温服中蓄冷材料其相变温度为-4.1℃；相变潜热为258J/g；较低的相变温度和较大的相变潜热能够为降温服提供冷源。降温服中蓄冷材料相变过程可逆，化学性质稳定，可重复使用。

二、矿用应急降温服降温性能实验研究

1.实验仪器设备

矿井热环境模拟实验室的技术参数：温度范围25～45℃，精度±0.5℃；升温速度 1.5℃/min，降温速度 0.5℃/min；设计湿度：40%～98%RH，精度±5%；风速：0～4m/s。

人体微气侯温度采集系统：可用于采集处于模拟矿井热环境内暖体出汗假人的皮肤温度及其服装微气候温度。人体微气侯采集系统包含5套人体微气侯采集子系统。每个人体微气侯采集子系统均包括6个温度传感器，量程为0～60℃，精度为±0.1℃。每隔10s（可以依据需要设定）采集一次数据，并存储[2]。

暖体出汗假人（Newton）：实验采用美国西北测试技术公司研制的暖体出汗假人Newton；其有20个分区，每个分区有独立加热控制和温度传感系统，可以实现区域皮肤的恒温控制功能和恒定功率加热功能；发汗皮肤系统由20个区域单独控制提供水分。计算机控制系统采用配套的TherDAC软件，实现各个分区温度、加热量及发汗速率的独立调节。暖体假人出汗量0～1000mL/hr/m2，暖体假人核心温度35℃(见图1)。

2.实验研究方案

先开启矿井热环境模拟实验室，设定温度为35℃，湿度为70%RH(见图2)。当设定参数达到后，将矿用应急降温服穿到暖体出汗假人身上，将人体微气侯温度采集系统4个温度采集探头贴在降温服贴体部位，4个温度采集探头分别贴在应急降温服右胸、左胸、右背、左背部位，采集温度数据编号为 T1-1、T1-2、T1-3、T1-4。然后打开暖体出汗假人控制系统TherDAC软件（见图2），设置暖体出汗假人出汗量250mL/hr/m2，核心温度35℃，选择湿阻测试方式。

图2 暖体出汗假人测试系统TherDAC软件界面

3.实验数据记录及处理

通过人体微气侯温度采集系统测得矿用应急降温服贴体温度T随时间t的变化情况。利用数学分析软件Origin 7，以时间t为横坐标，应急降温服贴体温度T1-1、T1-2、T1-3、T1-4为纵坐标，得到应急降温服贴体温度 T1-1、T1-2、T1-3、T1-4随时间 t的变化曲线(见图3)。

图3 应急降温服贴体温度T随时间t的变化曲线

三、结论

由图3可知，在设定温度为35℃、湿度为70%RH的矿井热环境，测试用暖体假人核心温度为35℃，出汗量为250mL/hr/m2情况下，矿用应急降温服贴体温度范围为17～33℃，有效降温时间为2.5h。实验研究表明：在高温矿井热环境条件下，该矿用应急降温服具有低于环境温度的冷源，在一定时间内可以给煤矿职工持续降温，属于工作场所高温控制措施中的个人防护保健措施，能够为煤矿职工的应急降温工作提供较好的解决方案。