液冷背心冰水比例对人体热湿舒适性的影响

周茜雅 郑晴 柯莹

Effects of the proportion of ice and water on the performance of liquid-cooling vests

摘要： 为探究液冷服进水口温度对制冷效果及人体热舒适的影响，文章采用不同比例冰水混合物（2 kg水、0.5 kg冰加1.5 kg水、1 kg冰加1 kg水）作为冷源，通过真人着装实验，测试了皮肤温度、出汗量等客观指标及主观感受，研究了高温环境下（温度为32 ℃和36 ℃、湿度为50%）液冷服的降温效果。研究结果表明，本实验条件下，32 ℃时冰水比例为1︰3即可满足人体热舒适需求，36 ℃时冰水比例需要达到1︰1;液冷服设计时应加强肩胛部位的降温。

关键词： 液冷服;热舒适;冰水比例;个体热管理;热生理反应;热暴露

中图分类号： TS941.731.3    文献标志码： A    文章编号： 10017003（2023）090044

引用页码： 091106     DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2023.09.006（篇序）

在高温环境下工作，劳动者因生理负担加重，不仅影响其工作效率，还可能引发中暑，出现热痉挛、热射病，严重时造成生命危险。因此，设计灵活便携的降温服被运用于高温作业环境中，常见降温服有通风服［1］、相变降温服［2-3］、液冷服［4-7］和混合降温服［8］。

液冷服作为一种传统的降温服，其基本工作机制是由水泵驱动冷液体流过嵌入在基础服装中的管道网络并带走热量，随后吸热升温的液体回到储液器中由冷源（如冰、压缩器、热电转换器等）降温［4］。相比其他种类的降温服，液冷服具有降温效果好、适用环境范围广的优势［9］，且冷源独立于服装，便于更换。最初液冷服被广泛应用于航天航空、化学防护服［5］、军事作战［6］、消防［7，10］等专业领域。而近年来，液冷服的动力和功能设备趋于微型化，成本降低，为其用于日常生活中人体降温提供了可能性。

冰和水是液冷服最常用的冷源。陈培东等［11］基于数值模拟，用冰作为冷源，为夏季高温环境下的工厂流水线工人设计并制作了一款可满足中轻度劳动需求的液冷服。Ashtekar等［12］和Shirish等［13］利用冰水混合物作为液冷背心的冷源，用于缓解高温环境中劳动者的热应激。唐剑兰等［6］使用125 kg冰与0.75 kg水作为搜排爆用全身液冷服的冷源，可在30 min内维持瓶内温度在10～15 ℃，并使服装内表面温度持续下降。Wang等［14］将一款全身液冷服运用于玩偶表演者的服装内，使用1 kg冰和1 kg水作为液冷服冷源，且冷源中冰水比例对液冷服的降温效果有重要影响。邹浩等［15］通过搭建简易暖体假人系统对液冷服进行测试，以皮肤温度在20～30 ℃作为舒适区间判断液冷服的使用情况，得出不同的冰水比例会影响降温持续时间和效率。但该研究中采用的暖体假人无法体现人体的真实热反应，仍缺乏真人穿着实验探究冰水比例对人体热生理反应与主观舒适性的影响。

本文将模拟高温办公环境，通过真人穿着实验评价液冷背心的降温效果。观察穿着液冷服对人体的影响，衡量以冰、水作为冷源的液冷服满足人体舒适的条件及能够提供人体热舒适的有效时间，从而为后续液冷服的设计与改进提供参考和建议。

1 实 验

1.1 受试者

招募10名健康男性大学生作为受试者。受试者年龄、身高、身体质量指数、体表面积分别为（21.7±1.9）岁，（172.1±5.2） cm，（20.2±0.9） kg/m2，（1.6±0.1） m2。受试者在参与实验前均被告知实验目的及实验流程，并在实验前24 h内避免抽烟，饮用茶、酒精及参与剧烈运动。若过度不适，受试者可提前终止实验。

1.2 液冷服

实验所用液冷服系统（深圳Compcooler Technology有限公司）由套头式液冷背心和蓄水背包组成，如图1所示。进出水口放置在液冷服的左下侧，在前片下摆处进行液体的通入及通出。液冷背心共包含4根管道（包含4个回路），总管长17.3 m。服装前片分布两根管道，呈内外包围分布。另有2根管道跨越右肩缝于后片，分别分布于后片的左右两侧。

液冷背心为三层结构，服装内层为高弹力网眼涤纶针织布（85%涤纶、15%氨纶），中间层为PVC水冷管道（内径3 mm、外径5 mm），外层为帆布材料。液冷背心的侧缝与右肩缝使用魔术贴开合，实现尺寸可调节保证服装贴合各类身材，提高传热效果。

背包面料为牛津布，内层为铝反射涂层，具有隔热效果。内部带有水泵、可充电电源和蓄水袋。蓄水袋中的冷却液在水泵的作用下，进入液冷背心的管道内循环流动，液体流量500 mL/min。

实验用背包在装满2 kg水或冰水混合物后总质量约为3.8 kg，液冷背心质量约为0.88 kg。

1.3 测量指标

1.3.1 进水口温度

使用MSR 145B4温度传感器（瑞士MSR Electronics公司），精度±0.1 ℃，贴于进出水口管道外侧，并使用隔热海绵包裹，测量进水口与出水口的水温。

1.3.2 皮肤温度

使用ET-016-STP温度传感器（ACR Systems Inc）贴于受试者身体皮肤表面10个部位（额头、胸部、上臂、前臂、手背、腹部、肩胛、后腰、大腿前側、小腿后侧），测量对应部位的皮肤温度。采样周期为30 s，精度为±0.2 ℃。

参考ISO 9886，采用8点局部皮肤温度公式计算平均皮肤温度：

T皮肤=0.07×T额头+0.175×T肩胛+0.175×T胸部+0.07×T上臂+0.07×T前臂+0.05×T手背+0.19×T大腿前侧+0.2×T小腿后侧（1）

式中：T皮肤、T额头、T肩胛、T胸、T上臂、T前臂、T手背、T大腿前侧、T小腿后侧分别为平均皮肤温度、额头温度、肩胛温度、胸部温度、上臂温度、前臂温度、手背温度、大腿温度、小腿温度，℃。

躯干平均温度计算公式如下：

T躯干=0.25×（T胸部+T腹部+T肩胛+T后腰）（2）

式中：T躯干、T胸部、T腹部、T肩胛、T后腰分别为平均躯干皮肤温度、胸部温度、腹部温度、肩胛温度、后腰温度，℃。

1.3.3 主观评价

通过填写问卷的方式收集受试者的主观感觉，包括全身、上半身和下半身的热感、湿感、热舒适感，如图2所示。

1.3.4 出汗量

在实验前后，对受试者的裸体质量、着装质量及着装各部分服装质量分别称重。实验过程中，由于受试者并未饮水及排尿，忽略呼吸失水量，按照下式计算出汗量、汗液蒸发量与汗液蒸发率。

式中：S为出汗量，g;m0、m2分别为实验后、实验前的裸体质量。E为汗液蒸发量，g;m1、m3分别为实验后、实验前的着装人体总质量。P为汗液蒸发率，%。

1.4 条 件

实验在步入式高低温环境舱（日本Espec公司）进行。环境温度设置为32 ℃和36 ℃，相对湿度50%，风速小于0.1 m/s。蓄水袋中装入2 kg水（W）、0.5 kg冰块与1.5 kg的水（IW）或1 kg冰块与1 kg水（MIW）。实验前，水和冰均放置在冰箱中储存一夜，初始温度分别为6 ℃和-12 ℃。受试者参与不同工况实验的顺序随机，且对实验工况未知。

1.5 流 程

受试者到达后，在室内（温度26 ℃、湿度65%）静坐约30 min，達到热平衡状态（平均皮肤温度为32～34 ℃，感觉不冷不热且无显汗）。随后穿着短袖T恤（100%涤纶）、纯棉短裤、纯棉短袜和运动鞋（基础服装热阻为0.5 clo），粘贴温度传感器，穿着或不穿着（NON）液冷背心。在实验前将冰块和冰水依次加入水袋，装入背包与并水泵相连;运行时冷却液从水袋下口流出，升温液体从上口流入，与冷源混合降温。进入环境舱内，打开水泵开关，开始实验。受试者在环境仓内静坐60 min，进行普通的办公活动（图3），期间每隔10 min进行主观感觉评价。

1.6 数据处理

使用version 25.0 SPSS（IBM公司）对实验数据进行分析，并采用Shapiro-Wilk检验进行正态分布检验。采用重复测量方差分析比较不同实验条件下数据指标（局部皮肤温度、平均皮肤温度、躯干平均温度、进出水口温度、出汗量与汗液蒸发量）和主观评价指标（热感、湿感、热舒适感）的差异。不满足球形检验时用Greenhouse-Geisser法对球对称系数进行优化，显著性水平为p<0.05。“@、#、$”分别表示W与IW、MIW、NON组存在显著差异;“%、^”表示IW与MIW、NON存在显著差异;“&”表示MIW与NON存在显著差异;“*”表示32 ℃与36 ℃存在显著差异。

2 结果与分析

2.1 水 温

进水口水温和进出水口温差如图4所示。实验结束时，32W组、32IW组、32MIW组、36W组、36IW组、36MIW组的进水口水温分别为（27.1±0.6） ℃、（21.1±1） ℃、（11.4±2.1） ℃、（29.3±0.6） ℃、（23.0±1.2） ℃、（13.7±2.1） ℃。随着冰的比例增加，进水口水温明显降低。36 ℃，水温上升稍快于32 ℃。环境温度与不同冰水比例对进水口温度均存在显著影响（p<0.05）。

进出水口温差可反映液冷服的吸热量。由图4（b）可见，进出水口温差在实验前5 min迅速增大，而后随着冷却液不断吸热;水温上升，降温效率下降进出水口温差逐渐减小。相同冰水比例液冷服在32 ℃和36 ℃热环境中的进出水口温差无显著差异（p<0.05），说明液冷服吸收外环境的热量较少，吸热量主要来源于人体。冰的比例增加，进水口温差更大，表明液冷服具有更高的吸热量。

水温是影响液冷服降温效果的最重要因素之一，不同冰水比例将显著影响进水口温度和液冷服的吸热量。因此，采用合理的冰水比例有利于提高此类蓄冷式液冷服的热舒适性。

2.2 生理参数

2.2.1 躯干部位平均温度与局部温度

由图5可见，由于液冷背心主要覆盖躯干部位，W组、IW组、MIW组的躯干皮肤温度均在5min后显著低于NON组（p<0.05）。实验结束时，32 ℃和36 ℃环境温度下，NON组的躯干皮肤温度分别达到（35.4±0.1） ℃和（35.8±0.1） ℃;W组分别达到（33.6±0.6） ℃和（34.2±0.4） ℃;IW组分别为（31.3±0.7） ℃和（32.0±0.7） ℃;MIW组分别为（28.6±1.1） ℃和（29.8±1.3） ℃。36 ℃下躯干皮肤温度略高，但无显著差异（p>0.05）。结果表明，不同实验条件下，胸部、腹部、肩胛及后腰的局部温度均呈现先降低后缓慢升高的趋势，

最低温度与实验结束时的温度如表1所示。

随着冰比例提高，躯干部位的各局部最低温度和结束时温度均降低。W组、IW组、MIW组肩胛最低温度显著高于其他部位，腹部温度显著低于其他部位（p<0.05），W组与IW组的最低胸部温度显著高于后腰。降温程度由高到低依次为腹部、胸部、后腰、肩胛，且冰水比例越高，最低温度与结束时温度越接近。

造成躯干不同部位降温程度差异的主要原因是液冷服的管道排布设计和贴体性［16］。有研究指出，人体表面温度与液冷服管道间隔近似呈线性关系，且沿管路长度方向，管内冷却液温度提高，与外界温差减小，换热减少［17］。由于进水口设置在前片下摆处，冷却液首先流经腹部，且此处管道排布密集（图1（c）），因此腹部与冷却液的换热更明显，降温程度最高。另外，该液冷服在侧缝处使用魔术贴调节，在腰腹处可高度贴合人体，但肩胛处的贴体性有所欠缺，导致降温程度较低。Yang等［18］的研究发现，对躯干降温时，肩胛比其他部位具有更高的局部冷却阈值，即能够承受更高的冷却强度，更有利于改善热舒适感。

因此，为提高热舒适和降温效果，需更注重液冷服肩胛部位的结构设计，提高贴合度，使水流优先对此处降温或适当增加管道排布密度。

2.2.2 平均皮肤温度

36 ℃下的平均皮肤温度显著高于32 ℃（p<0.05）。除IW与MIW之间无显著差异，其余不同冰水比例的组别均存在显著差异（p<0.05）。由图6可见，NON组皮肤温度自实验开始后迅速上升，25 min后基本达到稳定，且超过35 ℃。与NON组相比，穿着液冷服显著降低抑制了平均皮肤温度的快速上升。随着冰比例的提高，平均皮肤温度升高速度减缓。在32 ℃环境中，IW和MIW组可在整个60 min的实验过程维持平均皮肤温度在32～34 ℃（稳态下32～34 ℃为热舒适温度）。在36 ℃环境中，MIW组在0～40 min可使皮肤温度低于34 ℃。

2.2.3 出汗量与汗液蒸发量

表2为不同组别的出汗量与汗液蒸发量，36 ℃下出汗量更高（p<0.05）。IW组与MIW组出汗量显著低于NON组（p<0.05）;且随冰比例的升高而降低（p>0.05），表明液冷服能有效减少出汗量，缓解人体在热环境中的热应激反应。W组、IW组、MIW组的汗液蒸发率均显著低于NON组（p<005），说明液冷服的吸湿放湿性性能不足，影响人体的有效蒸发散热。

2.3 主观结果

2.3.1 热感觉和热舒适

图7为受试者全身、上半身、下半身热感觉，36 ℃下的热感觉显著高于32 ℃下的热感觉。NON组全身热感觉在32 ℃和36 ℃两个环境温度中均显著高于W、IW、MIW組（p<0.05），在60 min分别上升至2.9±0.7（介于暖与热）和3.5±0.5（介于热和很热）。冰比例升高提高了液冷服降温效率，使全身热感觉降低。IW组和MIW组的全身热感觉分别在32 ℃和36 ℃环境温度中介于1（稍暖）与-1（稍凉）之间，处于较为舒适的范围。

上半身热感觉变化趋势与全身基本相似。32 ℃环境中，MIW组的全身热感觉低于-1，且上半身热感觉在10～40 min接近“凉”感觉，因此可能存在过冷。32 ℃下，W组、IW组、MIW组的下半身热感较为接近，均处于0（不冷不热）与1（稍暖）之间。而NON组的下半身热感介于1（稍暖）与2（暖）。36 ℃下，下半身热感基本呈上升趋势。实验结束时，热感最高为NON组，达2.9±0.5（热）。最低为MIW组，为1.0±1.0（稍暖）。

虽然液冷服仅针对躯干部位进行降温，仍可对下半身的热感觉产生影响，在36 ℃下影响更明显（40 min后IW组、W组均与MIW组存在显著差异，p<0.05）。

图8为全身、上半身、下半身的热舒适感，环境温度对热舒适存在显著影响（p<0.05）。与NON组相比，W组、IW组、MIW的热舒适感提高。32 ℃下，W组、IW组、MIW组全身热舒适与上半身热舒适均小于1（有点不舒适），可在60 min内基本满足人体热舒适。但W组的皮肤温度、热感觉显示人体已达稍暖状态。MIW组热感觉评分偏低，且腹部最低温度为25.5 ℃，存在过凉对身体健康的影响。综合而言，32 ℃下1︰3的冰水比例（IW）最为合适。

36 ℃下，MIW的全身、上半身，在60 min内大致满足低于1（有点不舒适），其他情况组别均超出此范围。MIW组的全身热舒适情况在50～60 min显著优于NON组及W组（p<0.05）。故相比实验中的其他组别，MIW组更为适宜。可进一步提高冰比例降低躯干温度，提高凉感和热舒适。但是36 ℃下MIW组最低皮肤温度已达（25.3±1.7） ℃，提高冰水比例会进一步降低躯干部位皮肤温度且到达最低温度的时间推后（图5），而头部温度在20 min后基本稳定为36.7 ℃，温差约11 ℃。提高冰比例会加大人体皮肤温差，增大热感差异，增加不适感。在此情况下，调整躯干部位冷量分配、提高液冷服的覆盖面积更有利于进一步提高人体热舒适。下半身的热舒适感与热感觉结果相对应，尽管未降温，但热舒适感提高。32 ℃下MIW组与NON组存在显著差异，36 ℃下MIW组与NON组存在显著差异。

综上所述，32 ℃下适宜采取1︰3的冰水比例满足热舒适需求，36 ℃环境下冰水比例须达到1︰1。

2.3.2 湿 感

图9为全身、上半身、下半身湿感。36 ℃环境下，由于人体的对流和辐射散热比例减少，主要依靠蒸发散热维持热平衡，导致出汗量增加;且36 ℃下，液冷管道上冷凝现象更为明显，故人体湿感较32 ℃环境更明显。

环境温度对湿感有显著影响（p<0.05）。MIW组的湿感与NON组及W组存在显著差异（p<0.05），湿感由高到低排列依次为NON组、W组、IW组、MIW组。尽管提高冰含量、降低进水口温度会产生更明显的冷凝现象，但人体的湿感降低，说明冷凝水对人体湿感的影响低于出汗对人体湿感的影响。

3 结 论

本文使用不同冰水比例测试了穿着液冷服在高温环境下办公的实际效果，得出以下结论：

1） 使用液冷服对躯干部位进行降温不仅能够降低覆盖

部位的热感，同时可以降低全身热感和下半身热感，提高全身热舒适性。在本实验条件下，32 ℃下适宜采取1︰3的冰水比例满足热舒适需求，36 ℃环境下冰水比例须达到1︰1。冰比例的提高也降低了人体的湿感，出汗减少是主要原因。

2） 冰比例的提高延长了躯干皮肤温度的持续下降时间，并延缓了平均皮肤温度的上升。本实验条件下，采取1︰1的冰水比例，躯干可持续降温超50 min。但人体表面温差超11 ℃，为进一步提高舒适性，应增加水冷服覆盖面积。

3） 本实验选用的液冷服对躯干不同部位的降温程度不同，由高到低依次为腹部、胸部、后腰、肩胛，故需加强对肩胛部位的降温以提升液冷服整体降温效果。

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Effects of the proportion of ice and water on the performance of liquid-cooling vests

ZHOU Xiyaa， ZHENG Qinga， KE Yingb

（a.College of Textile Science and Engineering; b.School of Design， Jiangnan University， Wuxi 214100， China）

Abstract： When people work in a high-temperature environment， the body’s heat dissipation is inhibited and the physiological burden on workers increases. Heat stroke may be triggered and heat cramps and pyrexia may occur when the body’s heat burden exceeds the body’s ability to self-regulate， causing life-threatening conditions in severe cases. At the same time， high temperature workers are prone to anxiety and distraction， reducing work efficiency. In recent years， flexible and portable cooling clothes are increasingly used in high-temperature operating environments. Among them， the liquid-cooling garment has the advantages of good cooling effect， wide range of applicable environments， and easy replacement of cold sources. Power and functional equipment of the liquid-cooling garments has become miniaturized and the cost has been reduced， which provides the possibility for liquid-cooling garments to be used in daily life for human cooling. Ice and water are the most commonly used cold sources for the liquid-cooling garments， and the ratio of ice to water has an important effect on its cooling effect. However， there are few experiments exploring the effect of ice and water ratio on human thermophysiological response and subjective comfort.

Therefore， the effect of liquid-cooling garments on human thermal response under different ice to water ratios was investigated through human wearing experiments. Ten subjects were recruited to sit still in 32 ℃ and 36 ℃ environments to simulate office conditions with and without wearing the liquid-cooling vest. When they wore the liquid-cooling vest， the cold source was set up at three kinds of ice and water ratios： 2 kg water， 0.5 kg ice & 1.5 kg water， and 1 kg ice & 1 kg water. Objective parameters including the skin temperature， sweat production， and sweat evaporation of the subjects were measured. The subjective feelings of the subjects were obtained， including heat sensation， thermal comfort， and wetness. In addition， the inlet and outlet temperatures of the liquid-cooled suit were measured and the differences between them were calculated.

The results show that the increase in ice ratio prolongs the sustained decrease in torso skin temperature and delays the increase in mean skin temperature. Under the present experimental conditions， continuous decrease in torso temperature can last for over 50 min when a 1︰1 ice to water ratio is adopted. But the temperature difference on the human surface exceeds 11 ℃. To further improve the comfort， the area covered by the water-cooling garment should be increased. The use of a liquid cooling vest to cool the torso can not only reduce the heat sensation of the covered area， but also reduce the whole body heat sensation and lower body heat sensation， and therefore improving the whole body thermal comfort. The increase of ice ratio also reduces the wet sensation of the body， mainly due to the decrease of sweating. Under the present experimental conditions， it is appropriate to take a 1︰3 ice to water ratio to meet the thermal comfort demand at 32 ℃. Under the 36 ℃ environment， the ice to water ratio must reach 1︰1. In this experiment， the cooling degree of different parts of the torso is different for the liquid-cooling vest， which is highest at abdomen followed by chest， posterior waist， and scapula. The cooling effect at the scapular area should be enhanced to improve the overall cooling performance of the suit.

The liquid-cooling garment can save energy by cooling the micro climate under the clothing to meet the thermal needs of the human body， and has an outstanding cooling capacity. Promoting the development of liquid-cooling clothing is conducive to maintaining the physical and mental health of workers.

Key words： liquid-cooling garment; thermal comfort; ice to water ratio; personal thermal management; thermophysiological response; heat exposure