蒸发型降温服的降温性能研究

陈 莹， 宋泽涛， 郑晓慧， 姜 延， 常素芹

(1.北京服装学院 服装艺术与工程学院， 北京 100029； 2.北京服装学院 材料设计与工程学院， 北京 100029； 3.军事科学院 防化研究院， 北京 100191； 4.北京服装学院 文理学院， 北京 100029)

人体长期暴露在高温环境下，容易导致注意力降低，工作效率下降，严重的甚至会引起热应激相关疾病，如皮疹、中暑，甚至死亡[1]。高温环境下作业人员的热应激问题已经成为国内外学者研究的重点[2]。常用的解决方法是降低周围的温度，如采用空调制冷。然而由于某些工作空间特殊，如穿着密闭性防护服、烈日下的交通岗等，无法控制人体周围环境温度且费用昂贵，这样灵活且能耗少的个体降温服逐渐成为高温作业人员的常用防护装备[4-5]。

降温服可按照降温介质和服装结构进行分类。根据降温介质可分为4类：基于相变材料相变吸热的相变降温服，基于对流原理的气体降温服，基于传导原理的液体降温服，结合了2种或2种以上降温方式的混合降温服[6]。根据服装结构可分为局部性降温服[7]和全身性降温服[8]。局部性降温服根据人体不同部位产热量、散热量而设计，针对躯干或头部的降温服和降温帽占了很大比例，其结构简单，适宜穿戴，但在某些特殊岗位不能使用。全身性降温服对人体各部位全面降温保护，其活动范围及舒适性受限，穿戴不方便[7]。

目前降温服的研究主要集中在某些特定领域，如消防[9]、军事[10]、建筑[11]和生化[12]。由于降温服作为外层更有利于与外界环境的热交换，所以降温服作为服装的中间层和外层，其降温效果可能会不同[13]。在高温环境中，皮肤温度在出汗前可作为舒适感觉和环境作用强度的指标。一般认为，皮肤温度34.5～35.5 ℃是出汗的临界温度[14]。

蒸发型降温服是一种利用人体的体温，使服装与皮肤接触的蓄水层内的水或其他液体蒸发，从而达到吸热降温目的的服装系统[15]。本文将吸水树脂(SAP)作为蓄冷材料[16]应用在降温服中，采用干态暖体假人实验，通过观察假人的胸部、肩部、腹部和背部的皮肤温度变化情况，探究热环境下劳动强度和相对湿度对蒸发型降温服降温效果的影响，对蒸发型降温服的降温性能进行系统的研究。本文研究的结果可以为降温服以及相关防护服的开发设计提供参考。

1 实验方案

1.1 实验服装

实验服装包括降温服和基础服装。基础服装包括T恤和长裤。此次设计的降温服款式图如图1所示。降温服的设计款式为：无袖背心式，V领结构，闭合方式为拉链式。衣服内侧分布矩形状降温模块，模块均分装0.5 g的蓄冷材料，扣带连接前后片，前后片上均有反光条，衣服本体为涤纶网眼布层。胸部区域分布6个降温模块，腹部4个，肩部8个，背部4个。实验前，将蒸发降温服浸泡在自来水中20 min进行激活，后用甩干机甩干3 min，将降温服上的游离水去掉，以备使用。激活前和激活后的降温服如图2所示。

图1 降温服款式图Fig.1 Style chart of cooling garment. (a) Front; (b) Back

图2 降温服实物图Fig.2 Object of cooling garment. (a) Before activation; (b) After activation

1.2 实验方法

实验前，先开启人工环境仓，仓内温度设置为34 ℃，相对湿度为50%，风速为0.4 m/s，待仓内环境稳定后(假人各局部皮肤温度接近34 ℃)，将假人开启恒功率实验模式，设定假人各部位的加热功率(即20，200和300 W/m2),给假人穿上实验服装，开始实验。直至假人各局部皮肤温度升至34 ℃，停止实验，每1 min记录1次假人各局部皮肤温度。每组实验重复测量3次，共进行9组实验。以上实验为探究劳动强度对降温服降温效果的影响。当相对湿度(RH)分别设置为20%、50%和80%，加热功率设置为300 W/m2，其他参数设置不变，探究相对湿度对降温服降温效果的影响。

1.3 数据分析方法

利用SPSS 25进行数据分析。用单因素方差分析不同测试条件下的降温梯度、温度最低点时间、有效降温时长的差异，其中因子分别为劳动强度和相对湿度。当显著性指标P<0.05时，劳动强度和相对湿度对部位皮肤温度的影响存在统计学意义，当劳动强度和相对湿度对评价指标的影响具有统计学意义时，进一步两两比较，显著性水平用邦费罗尼校正。

降温梯度为局部皮肤初始温度与其最低温度的差值。温度最低点时间定义为实验开始到出现最低皮肤温度所经历的时间。有效降温时长指从具有制冷作用开始到降温效果消失，而若降温服能使人体在高温环境下的平均皮肤温度维持在34 ℃以下，则认为其具有降温效果[17]。20 W/m2等于0.34 met (代谢当量)，安静休息状态，皮肤温度舒适范围33～34 ℃，舒适降温梯度为0～1 ℃；200 W/m2等于3.44 met，中高代谢率，皮肤温度舒适范围为30～33 ℃，舒适降温梯度为1～4 ℃。300 W/m2等于5.15 met，极高代谢率，皮肤温度舒适范围为30～32 ℃，舒适降温梯度为2～4 ℃[18]。初期降温速度定义为降温梯度与温度最低点时间的比值。

加热功率小于65 W/m2时为低代谢率，在65～200 W/m2间为中代谢率，大于200 W/m2时为高代谢率。本文选取20、200、300 W/m2的加热功率分别模拟轻、中等、重劳动强度来研究劳动强度对降温服降温效果的影响[19]。躯干温度根据胸部、肩部、腹部和背部4个局部皮肤温度计算，计算方式如下：

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

式中：Tt为躯干皮肤温度，℃;Tc、Ts、Ta和Tb分别是胸部、肩部、腹部和背部的温度，℃。

2 实验结果与分析

2.1 不同劳动强度对降温服性能的影响

2.1.1 局部皮肤温度

图3(a)显示了不同劳动强度下胸部温度随时间的变化情况。劳动强度对胸部降温梯度有显著影响(P<0.05)；20和300 W/m2的劳动强度下胸部温度最低点时间存在显著性差异(P<0.05)；不同劳动强度对胸部的有效降温时长有显著影响 (P=0.000)。图3(b) 显示了不同劳动强度下肩部温度随时间的变化情况。20和200 W/m2与20和300 W/m2的劳动强度下肩部降温梯度存在显著性差异(P<0.05)；20和300 W/m2的劳动强度下肩部温度最低点时间存在显著性差异(P<0.05)；不同劳动强度对肩部的有效降温时长有显著影响 (P=0.000)。图3(c)显示了不同劳动强度下腹部温度随时间的变化情况。20和200 W/m2与20和300 W/m2的劳动强度下腹部降温梯度存在显著性差异(P<0.05)；20和300 W/m2的劳动强度下腹部温度最低点时间存在显著性差异(P<0.05)；不同劳动强度对腹部的有效降温时长有显著影响(P=0.000)。图3(d) 显示了不同劳动强度下背部温度随时间的变化情况。不同劳动强度下背部降温梯度均不存在显著性差异(P>0.05)；20和200 W/m2与20和300 W/m2劳动强度下背部温度最低点时间存在显著性差异(P<0.05)；不同劳动强度对降温服背部的有效降温时长有显著影响(P=0.000)。

图3 劳动强度对局部皮肤温度的影响Fig.3 Effect of work intensity on development of regional skin temperatures. (a) Chest; (b) Shoulder; (c) Abdomen; (d) Back

2.1.2 躯干温度

图4显示了不同劳动强度下躯干温度随时间的变化情况。不同劳动强度下躯干降温梯度间存在显著性差异(P<0.05)；20和300 W/m2劳动强度下躯干温度最低点时间存在显著性差异(P<0.05)；不同劳动强度对降温服的有效降温时长有显著影响(P=0.016)。

图4 劳动强度对躯干温度的影响Fig.4 Effect of work intensity on development of torso skin temperature

2.1.3 不同劳动强度

不同劳动强度下降温服降温性能参数的计算结果如表1所示。从降温梯度看出，部位降温强度大小为：肩部、胸部、背部、腹部，降温梯度最大值为3.4 ℃，小于4 ℃，不会出现过冷现象。着装人体各身体部位在受到同样强度的冷刺激时，皮肤温度这一生理量的变化规律各不相同，部位间存在差异性。但在一些相邻的身体部位在一定的显著性水平(P=0.05)下仍然具有相似性，如前臂与上臂；大腿与小腿；胸部与腹部等[20]。李俊等[21]研究各身体部位在受到同样程度的冷刺激后, 在生理变化量(该部位的皮肤温度)方面的差异性, 结果显示：人体各部位在受到冷刺激前 5 min 内皮肤温度最大变化量分别为：左胸部 2.696 ℃，左腹部 2.693 ℃，肩部1.441 ℃，背部2.050 ℃。轻劳动下，胸部的初期降温速度值最大，为0.081 ℃/min, 穿着该降温服下，假人部位皮肤温度变化速度小，不会出现骤冷现象。未来可针对人体不同部位的热敏感度，适当增加蓄冷材料在胸部和腹部的分布量，减少肩部的分布量，以进一步提高降温服的降温性能。从有效降温时长来看，功率越大，有效降温时长越小。20 W/m2的劳动强度下，躯干有效降温时长大于420 min，舒适降温时长大于7 min。200 W/m2的劳动强度下，躯干有效降温时长为165 min，舒适降温时长为82 min。300 W/m2的劳动强度下，躯干有效降温时长为102 min，舒适降温时长为0 min，降温服的降温效果不足。该降温服适合中等劳动强度下穿着。

表1 不同劳动强度对降温服局部降温性能的影响Tab.1 Effect of work intensity on local cooling performance of cooling garment

2.2 不同相对湿度对降温服性能的影响

在40%～60%为舒适相对湿度，在70%以上为高气湿，在30%以下为低气湿。本文选取20%、50%和80%分别代表低气湿、中气湿和高气湿来研究相对湿度对降温服降温效果的影响[22]。湿度也叫气湿，指空气中所含水分的量。湿度常用相对湿度来表示，它反映空气被水蒸气饱和的程度。蒸发的推动力是饱和蒸汽压与空气中水蒸气压的差值。

2.2.1 局部皮肤温度

图5(a)显示了不同相对湿度下胸部温度随时间的变化情况。相对湿度的增加，胸部降温梯度值越小，胸部降温梯度大小排序为：2.3 ℃ (RH=20%)、1.6 ℃ (RH=50%)、0.4 ℃ (RH=80%)；胸部有效降温时长越大，其大小排序为86 min (RH=20%)、107 min (RH=50%)、160 min (RH=80%)；胸部初期降温速度越小，其大小排序为0.128 ℃/min (RH=20%)、0.067 ℃/min (RH=50%)、0.046 ℃/min (RH=80%)。图5(b)显示了不同相对湿度下肩部温度随时间的变化情况。相对湿度的增加，肩部降温梯度值越小，其大小排序为3.0 ℃ (RH=20%)、2.0 ℃ (RH=50%)、1.1 ℃ (RH=80%)；肩部有效降温时长越大，其大小排序为119 min (RH=20%)、137 min (RH=50%)、164 min (RH=80%)；肩部初期降温速度呈变小趋势，其大小排序为0.136 ℃/min (RH=20%)、0.080 ℃/min (RH=50%)、0.085 ℃/min (RH=80%)。图5(c) 显示了不同相对湿度下腹部温度随时间的变化情况。相对湿度的增加，腹部降温梯度值越小，其大小排序为0.9 ℃ (RH=20%)、0.6 ℃(RH=50%)、0 ℃(RH=80%)；关于腹部的有效降温时长，相对湿度为50%时最大，为66 min，其次是相对湿度为20%时，为48 min，相对湿度为80%时，腹部有效降温时长为0 min。腹部初期降温速度大小为0.047 ℃/min (RH=20%)、0.021 ℃/min (RH=50%)。相对湿度较大时，因降温模块与环境间的水汽压差较小，降温模块的蒸发能力 (降温梯度) 和蒸发速率均会减小。而蒸发能力减小，会导致降温时长减小。蒸发速率减小，有利于降温时长增加。腹部有效降温时长：66 min (RH=50%)、48 min (RH=20%)，是因为蒸发速率减小带来的有利影响大于蒸发能力减小带来的不利影响。图5(d) 显示了不同相对湿度下背部温度随时间的变化情况。相对湿度的增加，背部降温梯度值越小，其大小排序为：1.3 ℃ (RH=20%)、0.7 ℃(RH=50%)、0.1 ℃(RH=80%)；背部有效降温时长越大，其大小排序为88 min (RH=20%)、97 min (RH=50%)、230 min (RH=80%)；背部初期降温速度越小，其大小排序为0.037 ℃/min (RH=20%)、0.021 ℃/min (RH=50%)、0.011 ℃/min (RH=80%)。

图5 相对湿度对局部皮肤温度的影响Fig.5 Effect of relative humidity on development of regional skin temperatures. (a) Chest; (b) Shoulder; (c) Abdomen; (d) Back

2.2.2 躯干温度

图6显示了不同相对湿度下躯干温度随时间的变化情况。随相对湿度的增加，降温梯度值越小，其大小排序为：1.8 ℃ (RH=20%)、1.2 ℃ (RH=50%)、0.4 ℃ (RH=80%)；关于有效降温时长，相对湿度为50%时最大，为102 min，其次是相对湿度为80%时，为86 min，相对湿度为20%时，为82 min。躯干初期降温速度大小顺序为0.082 ℃/min (RH=20%)、0.041 ℃/min (RH=50%)、0.036 ℃/min (RH=80%)。关于躯干有效降温时长：102 min (RH=50%)、82 min (RH=20%)，是因为蒸发速率减小带来的有利影响大于蒸发能力减小带来的不利影响。86 min (RH=80%)、102 min (RH=50%)，是因为蒸发速率减小带来的有利影响小于蒸发能力减小带来的不利影响，结论与腹部相似。

图6 相对湿度对躯干温度的影响Fig.6 Effect of relative humidity on development of torso skin temperature

2.2.3 相对湿度

不同相对湿度下降温服降温性能参数的计算结果如表2所示。可以看出，相对湿度越大，初期降温速度越小，如胸部、腹部、背部和躯干。当降温梯度足够大时，相对湿度越大，一开始初期降温速度会变小，如肩部相对湿度为20% (0.136 ℃/min)到50% (0.080 ℃/min)，但初期降温速度值不会一直变小，其有下限值，如肩部相对湿度为80%时的初期降温速度 (0.085 ℃/min) 与50%时，几乎无变化。

表2 相对湿度对降温服局部降温性能的影响Tab.2 Effect of relative humidity on local cooling performance of cooling garment

3 结 论

1)穿着降温服能有效降低躯干皮肤温度，其他部位降温强度从大到小的顺序为：肩部、胸部、背部、腹部，降温梯度最大值为3.4 ℃，小于4 ℃，不会出现过冷现象。初期降温速度最大值为0.081 ℃/min。穿着该降温服下，假人部位皮肤温度变化速度小，降温过程缓和，不会出现骤冷现象。

2)劳动强度水平显著影响降温服的有效降温时长。20 W/m2的劳动强度下，躯干有效降温时长大于420 min，舒适降温时长大于7 min；200 W/m2的劳动强度下，躯干有效降温时长为165 min，舒适降温时长为82 min；300 W/m2的劳动强度下，躯干有效降温时长为102 min，舒适降温时长为0 min，降温服的降温效果不足。该降温服适合中等劳动强度下穿着。

3)相对湿度(RH)水平显著影响降温服的降温梯度。相对湿度越大，降温梯度越小，其大小排序为：1.8 ℃ (RH=20%)、1.2 ℃ (RH=50%)、0.4 ℃ (RH=80%)；关于有效降温时长，相对湿度是50%时最大，为102 min，其次是相对湿度是80%时，为86 min，相对湿度是20%时，为82 min。该降温服适合中湿环境下穿着。