个体降温服降温效应评价指标及方法

柯莹，周文

(1.江南大学 设计学院，江苏 无锡 214122；2.江南大学 江苏省非物质文化遗产研究基地，江苏 无锡 214122；3. 江南大学 纺织科学与工程学院，江苏 无锡 214122)

在高温高湿的环境中从事消防救援、工业生产、军事训练以及体育运动等的人员，会承受巨大的热生理压力，从而导致工作耐力和效率下降，严重的可能会引起热疾病，如皮疹、抽筋、中暑，甚至死亡[1-2]。为了减轻高温高湿环境中作业人员的热应激反应，使人体达到热舒适状态，研究人员已开发出多种能够在炎热环境中调节人体热湿舒适度的个体降温服[3]。

个体降温服是一种能够在高温高湿条件下有效保护人体免受热应激危害的个体防护装备，为评价降温服降温效果，需对其进行测评。对于个体降温服降温效果的评价，可以从服装和人体两方面着手[4]，将评价指标分为物理、生理和心理3大类，通过出汗热板仪、暖体假人、真人着装等试验，对降温服的面料性能、服装整体性能和着装后人体的实际指标进行客观评价与主观评价[5-8]。个体降温服降温效果的准确测评结果，可以为实际环境中降温服的选择与应用提供理论依据。

文中通过对目前国内外降温服降温效果的评价方法和指标进行归纳整理，总结了高温高湿环境下个体降温服降温效果的评价方法，以期实现对个体降温服降温效果的科学、有效评价。

1 个体降温服概述

在高温环境下，人体可能会遭受不同程度的热应激，一般而言，可以从3个方面来降低劳动人员的热应变：为个人提供相对舒适的工作环境(如使用空调)、减少人体代谢热的产生(如降低锻炼、工作强度)、在人体周围创建舒适的服装微环境(使用个体降温服)。然而由于某些工作空间开放或流程特殊，无法使用空调系统，且空调往往带来巨大的能源消耗，灵活且能耗较少的个体降温服逐渐成为高温作业人员的常用防护装备。

个体降温服(PCC)是耗能最少、最便捷的降温防护装备，它将制冷装置与服装相结合，从而改善人体与服装之间的微气候，提高人体的热舒适度[9]。个体降温服根据冷却介质的不同可以分为4类：基于相变材料相变吸热的相变降温服[10](PCM)，利用对流和蒸发冷却的气体降温服[11](ACC)，基于传导冷却的液体降温服[12](LCC)，结合了以上两种或多种降温方式的混合降温服[13-14](HCC)。气体降温服的冷却介质是空气，主要由服装、压缩机和通风管道组成。液体降温服的冷却介质有水、冰水混合物、水与丙烯或乙二醇组成的混合冷却液等，主要由基础服装、换热管网路、液体进出口管、制冷装置、泵、电子流率控制装置及舒适衬里组成。相变降温服则通过材料的相变过程实现降温。最早关于降温服的研究是20世纪60年代美国航空航天局为了保护宇航员免受外太空高温、高辐射的危害而提出，后逐步拓展到消防、军事、煤矿等领域[15-17]。目前，已有较多学者研究开发出效果显著的个体降温服，降温服产品如图1所示。

图1 降温服产品Fig.1 Different types of cooling clothing system

2 个体降温服降温效果评价指标

个体降温服的降温效果评价主要分为客观评价和主观评价。客观评价是通过降温服及其面料的物理性能指标和人体生理指标进行评价，主观评价是依据人体的心理指标进行评价。降温效果的主要评价指标分类[8]见表1。

表1 降温服降温效果评价指标的分类

2.1 物理指标

服装的热湿性能主要包括热阻和湿阻两方面[18]。但受服装衣下间隙、服装开口、缝合方式等影响，面料的单一性能不能代表服装的整体性能，因此还要考虑服装的整体物理性能，即降温服在实际穿着过程中的参数。目前市场上的降温服普遍存在初期降温速率过快，导致局部过冷、降温时长较短的问题。因此，降温服的整体性能除热阻、透湿指数外，还包括有效降温时长(从具有致冷作用开始到降温效果消失)、初期降温速率等[4]。

2.2 生理指标

在高温高湿环境下，人体的生理参数如核心温度、局部和整体皮肤温度、心率、出汗量等均会发生变化。热应力强度不同，其变化程度也不同。因此，根据人体生理指标的变化，可以客观评价降温服的降温效果。

2.2.1核心温度 在高温高湿环境下，核心温度最能体现人体体温变化，如果人体长时间处在高温环境，会导致核心温度升高，引起不同程度的热应激反应[19]。

ISO 7933—2018[20]指出，当人体核心温度到达38 ℃时就应该停止工作。若降温服能使人体核心温度维持在38 ℃以下，则认为其能起到良好的降温效果。

2.2.2平均皮肤温度 平均皮肤温度是按照局部皮肤温度与对应部位的皮肤面积计算的加权平均值。平均皮肤温度可有效直观地反映人体皮肤温度的变化情况。MITCHELL D等[21]研究表明，人体热舒适状态下的平均皮肤温度范围是32～34 ℃。常见的平均温度计算公式[22-26]见表2。

表2 平均皮肤温度计算公式

在冷环境中测量人体平均皮肤温度需不少于8个测点，但当环境温度较高时，可使用测点较少的公式。因此，在高温环境中评价降温服对人体平均皮肤温度造成的影响时，研究人员推荐使用更简便且精确的4点公式。若降温服能使人体在高温环境中的平均皮肤温度维持在34 ℃以下，则认为其具有降温效果。

2.2.3心率 心率是体现在高温高湿条件下作业的人体承担的热负荷及心血管系统状态的重要指标，能反应人体遭受的热应激程度。高温环境下，人体新陈代谢加快、心率升高、血液循环加快，可以促进人体散发多余的热量，以维持身体的热平衡。心率的正常变化范围为 40～180次/min。

MORAN D S等[27]定义了PSI(生理应激指标)，以核心温度和心率量化高温下人体的热应激。PSI将热应激分为10个等级，10表示强烈的热应激，0表示无热应激，其对应的心率和直肠温度见表3。可结合直肠温度与心率值判定人体的热应激强度，从而评价降温服的降温效果。

表3 热应激强度及对应的PSI、心率和直肠温度值

2.2.4出汗量及汗液蒸发率 出汗量是衡量人体在高温环境下散热能力的重要指标，汗液蒸发时从人体吸收热量，可有效降低皮肤温度，防止热量在体内大量聚集产生热应激反应。可以根据人体在高温环境下作业前后的裸体质量、着装质量与降温服的质量，计算出人体的出汗量、汗液蒸发量以及汗液蒸发率。出汗量越大，表示降温服降温效果越差；汗液蒸发率越大，表示降温服的透湿性能越好。对应的计算公式为

Sp=W0-W1；

(1)

(2)

(3)

2.3 心理指标

人体心理指标包括热感觉、湿感觉、舒适感、热疲劳度等。主观评价通常是将人体的感觉用不同等级的标度表示，使心理感觉转化为可测量的物理量，通过问卷调查的方式收集大量受试者的感觉值，用数学方式分析人体的主观感受，从而评价降温服的降温效果[28-29]。

3 个体降温服降温效果评价方法

个体降温服作为功能防护服装的一种，其评价方法和体系与功能防护服装一致，主要有主观评价和客观评价两大类，分为4种方法，即织物测试评价法、人体生理模型法、暖体假人实验法、真人着装实验法。其中织物测试评价方法与其他功能服装类似，文中重点阐述后面3种方法。

3.1 人体生理模型法

对于降温服，人体生理模型法一般通过模拟在高温环境中人体穿着降温服时的热湿传递，测量模型数值，近而对降温服的降温效果进行预测[30]。若因操作困难而无法进行真人实验时，可以采用生理模型法预测人体在不同环境和着装条件下的生理变化，包括皮肤温度、核心温度、出汗量、心率等生理变量。

比较经典的模型是Stolwijk 25节点模型[31]和Fiala模型[32]。自人体生理模型建立以来，不断得到修正，使模型可以在更广泛的环境状态、活动水平和服装条件下使用。HAVENITH G等[33]提出了基于热感觉模型的人体-服装热交换模型，可以有效预测人体热感和热舒适感。CHAUDHURI T等[34]研究了基于归一化皮肤温度的热舒适性预测模型，通过局部皮肤温度及其梯度，提出了一种热状态估计模型，其准确度为87%。CHOI J H等[35]提出一种热满意度预测模型，该模型证实了心率、7个局部皮肤温度以及人为因素(如性别、年龄、BMI等)与人体的热满意度之间的相关性，并显示出88.52%的准确度。 PSIKUP A等[36]提出将暖体假人和数学人体温度调节模型结合形成一种新的热生理人体模型，该模型克服了两个单独组件的局限性，可以评估降温服与人体之间复杂的热量与水分传递，测试降温服对人体热生理状态长期和短期的影响。SANTOS M S等[37]建立了衣下空间数值传热模型，研究了衣下空气层厚度对对流散热的影响，并证实衣下空气厚度对热传递的影响较大。

3.2 暖体假人实验

暖体假人实验是测试降温服降温效果的常用方法。通常按照ISO 15831—2004[38]，ASTM F 291—1999[39]测试服装的热阻；按照ISO 9920—2007[40]，ASTM F 2370—2015[41]测试服装的湿阻；按照ASTM F 2371—2005[42]测量降温服的散热率，以此评价降温服的降温效应。

ZHAO M M等[43]通过暖体假人实验测试了通风服中风扇安装位置及不同开口条件下的通风服降温效果，发现风扇置于前胸下部且服装前后均开口时，暖体假人的散热量最高，风扇所在位置对应的局部皮肤散热量最高。韦帆汝等[44]采用暖体假人实验测试了一款基于相变材料和通风风扇的混合降温服的降温效果(环境温度为30±0.5 ℃，相对湿度47%±5%)，实验借助暖体假人，采用干态测试(不出汗)和湿态测试(出汗)两种方法，结果表明当人体不出汗时，混合降温服主要由相变材料提供降温效果；当人体出汗量较大时，混合降温服主要由微型风扇提供降温效果，该混合降温服在两种条件下均能较好地为人体制冷。马瑞鑫[45]用暖体假人实验测试了一款适用于石油行业的降温服在5.5 h内的降温效果(环境温度为37 ℃，相对湿度50%)，结果显示暖体假人的皮肤温度在实验过程中保持在33.5～34.2 ℃，可使人体处于热舒适状态，表明该相变降温服可在5.5 h内满足石油行业工作环境的需求。YANG J等[46]在温暖环境下通过恒温模式和温度调节模式的暖体假人实验，研究服装尺寸和通风速率对一款通风夹克降温效果的影响，结果表明服装尺寸和通风速率与通风夹克的降温效果呈正相关。

3.3 人体着装实验

3.3.1人工环境仓实验 人体着装实验是最直接、最准确评价降温服效果的方法(见图2)。BARTKOWIAK G[47]设计了一款可手动调节冷却液温度的主动式液体降温服，并采用真人着装实验采集受试者的皮肤温度、主观感受及衣下微气候物理参数，证实了该温度控制系统对液体降温服降温效果的增益性。郑晴等[48]采用真人着装实验，在温度30 ℃，相对湿度80%的高温高湿环境下对一款相变降温矿工服的降温效果进行测评，结果表明该降温服能显著降低受试者的局部皮肤温度及出汗量，可有效缓解井下采矿工作者的热应激问题。SONG W和WANG F等[49-51]多次利用真人着装实验，在32～36 ℃高温环境中对其开发的基于相变材料和通风风扇的混合降温服降温效果进行测评，研究发现与单一降温服相比，混合降温服中的通风风扇可以促进人体汗液的蒸发，加快蒸散和对流散热，同时保持PCM的显著冷却效果，并有效增加降温时长。

图2 真人着装实验 Fig.2 Human body wearing test

3.3.2现场试穿实验 个体降温服的最终开发还需大量的现场试穿实验作为依托，在实际作业环境中评定其热湿舒适性是最为客观和准确的。CHAN A P等[52-53]在香港的建筑工地、马路和机场等场所进行了大量的现场试穿实验，测评在这些热环境中穿着降温服时的热舒适性，结果表明在实际作业环境中穿着降温服，能有效降低人体的热应激反应。但现场试穿实验局限性较大，影响因素较多，实验操作难度较大，且成本较高。

4 结语

个体降温服降温效果的评价方法主要包括面料性能测试法、人体生理模型法、暖体假人实验法和真人着装实验法。这4种评价方法的繁简程度依次递增，实验成本也由低到高依次增加。通常依据实际条件和实验目的选取不同的实验方法，采用物理指标、生理指标和心理指标从主观和客观两个方面综合反映降温服的降温性能。但不同环境、不同降温服的评价具体使用何种评价指标，以及各个评价指标如何有机结合，目前还缺乏足够的理论和实验依据。因此评价指标的选取与有机结合是建立科学合理的降温服降温效果评价体系的关键，也是未来研究的重点。