消防服穿着者的热应激研究现状

韩 伦，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)



消防服穿着者的热应激研究现状

韩 伦，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

防护服是保护执行特殊危险任务的工作者免受外部伤害源损伤的一道有效屏障。为了达到防护的目的，各类防护服不得不采取加厚，增重等不良方式对服用纺织品进行增强。因此，长时间穿着防护服会使穿着者产生不良的热应激反应，进而导致工作效率的下降，甚至危及工作人员的生命。对工作人员因穿着防护服而产生的热应激的相关内容和目前国内外对防护服产生的热应激的研究现状进行了总结，为研究人员开发更好的防护服提供帮助。

热应激 消防服 热舒适性 体温调节

0 前言

随着经济和科技的发展，几乎每年都会有一些新的行业诞生。随之而来的当然是新的一些行业的从业者。无论是什么行业，都需要有适合自身工作的工作服，比如医生要穿医务服，士兵要穿军装，警察要穿警服等等。在大量的行业中，有大部分是具有危险性的。这就要求相关行业的从业者的工作服要具有一定的防护性。比如消防员所穿的消防服要具有防火，防水和隔热等性能。前些年，人们比较关注防护服对外界危害的防御，而忽略了着装者的舒适程度。近些年，随着“以人为本”的观念逐渐波及全世界，从业者不但要求自身所穿的工作服具有防护性能，而且也要非常的舒适。

其实，服装舒适度对着装者的影响很大。虽然服装可以很好的防护来自外界的危害，但是由于其自身透气性不好，质量过重，不透湿，对皮肤有刺激性等不良性质，会使穿着者在执行任务时感到极为不适，也就是所说的热应激反应。这种不良的热应激会降低人的工作效率，甚至危及人的生命。因此，研究好人体因穿着防护服而产生的热应激对研制更舒适的防护服，为从业人员提供更好的防护至关重要。

1 热应激

1.1 定义

热应激(Heat stress)是指当环境温度超过动物或人体舒适温度时，动物或人为了维持正常的新陈代谢，其各种生理机制所必须做出的各种反应的总和[1]。

人类是一种恒温型动物，保持身体的温恒定是维持人体各项生理机能正常工作的必须条件。外部环境温度和体内新陈代谢都会对人体体温产生影响。人体可以通过各种生理反应对热做出如排汗，血液流动加快，呼吸频率加快等反应。较轻微的热应激会引起人的一些不良反应，会降低其工作效率，需要经过一段时间的休息还可以恢复正常。然而，有一些热应激很严重，会使人体某些不良的反应达到人体所能忍受的极限，对人体健康造成重大危害[2]。

1.2 消防员的热应激

近年来，消防员的热应激在世界各国消防队工作中反映极为强烈，已经成为了降低消防员工作效率的主要原因之一。尤其是在气候炎热的夏季，由不良热应激造成的消防员中暑、痉挛等伤亡事故频频发生。热应激不仅会发生在烈火环绕的救火现场，在消防员的日常训练中也会时有发生。国内外研究人员这一问题已经展开了一些研究，也有一些可以用于降低热应激的新型装备被发明出来，如降温背心等。但与热防护领域里的其他研究方向相比，对热应激的研究还处于初级阶段，有很多问题需要解决。对于消防员热应激的评价，目前还停留在理论分析和消防员自我主观感受阶段，还没有一套系统、完善的评价体系，相关实验数据也很少[3]。

消防员热应激主要是由于其高温、高湿的恶劣工作环境，防护服透湿、透气等功能不好和长时间的奋战带来的疲劳所致。为了很好的解决消防员热应激问题，必须研究好消防员自身，防护服，消防装备和周围环境等各个因素。

1.3 热应激评价

近些年，对于人体热应激的研究已经有了一些进展，有了一些用于评估热应激的模型。热应激的评价指标可以分为直接指标、理论指标、经验指标和生理学控制指标。直接指标包括干球温度、湿球温度；理论指标包括作用温度、热应力指数、皮肤润湿度；经验指标包括有效温度、湿球黑球温度、黑球温度所对应湿球温度；生理学控制指标包括体温、表皮温度、失水量等。

ISO组织制定了一整套人对热环境反应评估的国际标准，包括对热舒适度、热应激和冷应激的评估[4，5]。标准包括ISO 7243-1989《基于WBGT指数对工作人员受到的热应力进行热环境评估》、ISO 7933-2004《热环境的人类工效学·通过计算预热应力对热应力的分析测定和说明》和ISO 9886-2004《人类工效学 热疲劳的生理学测量评价》等。

我国空军航空医学研究所在生理紧张指数的基础上，提出了综合热应激指数(Combined Index of Heat Stress，CIHS)[6]，其计算公式如下：

2 国内外热应激研究成果

日本学者物部博文等人通过使用水冷却系统来控制消防员的体温。实验预测了在温度低于30℃的条件下，穿着消防服的受试者，在进行室内自行车骑行模拟过程中的代谢产热率。在使用水冷系统控制消防员体温的过程中，如果不能够智能的控制好水冷系统的流量和流经路径，虽然可以控制受试者的体温，但会影响其舒适度[7]。

在温度为35℃、相对湿度为80%的环境下，George Havenith等人研究了年龄与进行往复运动的消防员的心血管功能和保持体温能力的关系。他们采用随机抽样的方式对56名消防员的年龄和其在实验过程中的VO2(最大摄氧量)进行了多重回归分析，并对其直肠温度、热量储存、排汗量、心率、前臂血流量、动脉血压和前臂血管电导进行了分析。结果显示，年龄与直肠温度、热量储存和排汗量没有明显联系。然而，心率、前臂血流量、动脉血压和前臂血管电导却与年龄和VO2都密切相关。年龄对消防员保持体温的能力影响不大，但对消防员的心血管功能会有很大影响[8]。

George Havenith等人研究了最大摄氧量、个体肥胖程度、杜波依斯身体表面积，表面质量比和体重等人体参数与消防员热应激的关系。受试者为27名消防员(19男，8女)，在温度为35℃、相对湿度为80%的环境下，受试者先休息30分钟，再进行1小时的室内自行车骑行模拟。运动结束后，测量受试者的最大摄氧量、个体肥胖程度、杜波依斯身体表面积，表面质量比和体重等参数。实验结果显示，受试者最大摄氧量越大，体型越大，其热应激反应会越弱[9]。

Anna Marszalek等人研究了年龄与穿防辐射服的消防员热应激之间的关系。实验选取24名健康、血压正常的男性消防员，将其分为三组：组1为9名年轻人(20-28岁)；组2为9名中年人(43-52岁)；组3为6名年长者(58-65岁)。受试者被要求进行两种测试，分别为低热应激测试(LS)和高热应激测试(HS)。在LS测试中受试者处于常温状态，在HS测试中受试者暴露于高热辐射环境。测试过程中，受试者的直肠温度，皮肤温度，心率，体重变化和血压被实时监控，并完成主观热应激指标评估。实验结果显示，年龄与消防员的体温和排汗基本无关，而心率却会随年龄的增加而变快，血压也会随年龄的增加而升高。在LS和HS两组测试中，组3中消防员与其他两组相比更容易发生口渴。受试者在进行HS测试时的所有主观热应激指标都明显高于做LS测试的指标。年长的消防员忍受热应激的能力与年轻人相差不明显。但年长的消防员在对抗热应激的过程中的排汗明显多于年轻人，这可能会导致年长的消防员更快的脱水，造成危险[10]。

George Havenith等人开发了一种可以对消防员热应激和体温调节情况进行模拟的个性化模型。模型涉及身体表面区域分布、体重、脂肪含量、最大摄氧量和环境适应能力等参数。这些参数与消防员的被动调节(热容，绝缘)和主动调节(排汗，血液流动)有关。参数的获取一部分来自文献，一部分来自模拟测试过程中的实时测试。他们开发的这款模型提高了对消防员热应激和体温调节情况的模拟可信度，但仍然存在大量不足之处亟待解决[11]。

George Havenith等人改进了Predicted Mean Vote(PMV)模型中的着装和代谢产热参数。研究发现，着装者的运动和服装中的自由空气分布变化参数是影响服装舒适度预测模型的重要指标。当着装者进行轻微的运动时，干热交换参数对模型影响不大。研究人员发现模型中对流热交换的计算方法需要重新确定，而且他指出服装在被穿着过程中的蒸发热交换应该作为新的参数被加入模型。根据ISO8996标准中的参数设计的PMV模型中有好多参数不够准确，需要研究人员进一步改进[12]。

W. Larry Kenney等人对极端恶劣环境下人体的耐热能力和热应激反应进行了研究。实验结果显示，人体可以忍受的体内温度大概在42℃-44℃。然而，在体温高于人体可以忍受的温度时，人体可以进行在极端环境下的体温调节，使自身不至于由于体温过高而失去各项能力[13]。

李俊和Roger L. Barker等人使用Sweating manikin(出汗假人)研究了消防服系统和外界环境间的热量交换效率，并在人工气候室内研究了消防服结构设计和材料组成对热传导的影响。在测量消防服隔热能力时，研究人员对材料组成和结构设计不同的消防服性能进行了对比。研究人员还研究了在颈部、腰部、腕部和踝部设有开口和不设开口的情况下消防服的透湿能力。在研究热传导的过程中，研究人员加入了CIt和Cim两个新参数，这两个参数分别被定义为Changing rates of It和Changing rates ofim。结果显示，CIt可以反映不同的结构设计对热传导的影响，而Cim会因消防服材料组成的不同而发生变化[14]。

Deanna Colburn等人研究了在火场中执行完灭火任务后消防员的冷却措施。实验选取了23名男消防员和2名女消防员作为受试者，使用两种主动冷却措施(前臂浸没和冰水冷却)和一种被动冷却措施(空调车)对进行了20分钟模拟灭火活动的消防员进行冷却。冷却后，观察受试者的心率和直肠温度的恢复情况。结果显示，前臂浸没和冰水冷却措施相比于空调车而言，对消防员的冷却效果更好，能更有效的缓解消防员的热应激[15]。

黄冬梅等人对来自25个不同省份的1201名消防员进行了一次问卷调查。结果显示，大部分消防员表示防护服会限制他们的行动，最受限制的部位是大腿、膝盖、手臂、手肘和脚踝。消防员们表示，在冬天穿消防服会感觉冷，在夏天穿消防服会感觉热。受试者中有21%表示，即使穿了消防服也会受伤，手是他们最容易受伤的部位[16]。

Kiwon Park等人研究了穿着优化(自重减轻，透湿功能提高，限制性减小等)过的防护服的消防员进行模拟消防救援任务后的步态变化。44名受试者每人分别穿着一般消防服和优化消防服在3种环境下进行实验。实验过程中，研究人员记录了受试者的7种步态参数和在进行穿越障碍行走时的3种错误移动方式。结果显示，穿着两种消防服都会对消防员的步态造成影响。工作过程中的疲劳会令消防员在执行任务时做出错的频率增大。对消防服的优化基本不会影响消防员的步态，但是穿着优化过的消防服的受试者出错的频率升高。据受试者反应，这是由于他们对优化过的消防服不熟悉，需要一定时间的穿着适应过程[17]。

柳素燕等人对夏秋消防服对消防员的影响进行了研究。实验选取8名消防员，他们分别穿着灭火防护服、隔热防护服和化学防护服，在特定环境下进行实验。过程中，记录受试者的心率、体温、排汗量、积热量、综合热应激指数(CIHS)、红细胞和主观热感觉。结果显示，消防服对消防员各指标都有明显影响。为了降低这些影响，在实验条件不变的情况下，可以在防护服内加穿降温背心，结果表明降温背心能够降低消防员的热应激[18]。

Joo-Young Lee等人研究了薄荷醇的用量和在人体上的施用部位对消防员热应激的影响。实验分为两组，第一组在温度28℃，湿度50%的环境下，在8个不同身体部位施用和不施用0.8%的薄荷醇对皮肤可承受的温度极限值的影响。第二组实验时受试者穿着消防服和普通服装，在温度28℃，湿度40%的环境下，进行6种不同形式的运动。在运动过程中研究薄荷醇对消防员热应激的影响。实验结果显示，薄荷醇对皮肤可承受的温度极限值没有明显影响，但是使用薄荷醇，尤其是在胸部施加薄荷醇，可以更快地引起皮肤对冷的感知。受试者处于休息状态时，实行NCUP(着正常衣服，并在上身施用薄荷醇)，PCUP(着防护服，并在上身施用薄荷醇)和PCWB(着防护服，并全身施用薄荷醇)可以降低皮肤温度。在运动测试过程中，实行NCUP，PCUP和PCWB可以引起更快的直肠温度上升，会延迟受试者排汗，会缓解受试者的心理压力。实行PCFN(着防护服，并在脸和脖子上施用薄荷醇)对受试者的心理和生理都没什么影响。经过综合分析，薄荷醇对消防员热应激的影响与其在人体上被施用的部位和施用面积有关[19]。

Riana R. Pryor等人评估了消防员穿着消防服进行劳累性活动后的热应激。实验选取50名消防员，让他们在高温环境下，身着消防服在跑步机上完成一段时间的行走。行走结束后，受试者们要进入一段时长为20分钟的恢复以模拟突发事件的恢复过程。在这20分钟里，实验员会测量受试者的前额温度和皮肤温度等数值。结果显示，用仪器测得的温度与真实人体核心温度的温差在1.31℃到3.28℃之间。临床医学所允许的测量温度与真实人体核心温度温差要在正负0.5℃之间，实验结果明显超出了这个范围。目前用于测量消防员温度的测量设备还不够精确，医务人员在使用这些测量温度时要谨慎[20]。

柳素燕等人介绍了消防员中的主要热应激问题、热应激反应的主要评价指标、综合热应激指数在评价空军飞行员热应激中的应用，并且拓展了综合热应激指数，从而更好地评价消防员热应激。研究者提出在消防服热防护领域应建立更综合的热应激指数评估模型，为我国消防员热应激评价和预测提供更可靠的支持[21]。

Su-Young SON等人研究了消防员穿着镀铝和不镀铝防护服在工作状态下的舒适度，并提出了一个新的评估方法来评价日本消防服。实验调查了来自日本两座城市的消防员，城市A的525名消防员穿着镀铝的PPE(个体防护服)，城市B的757名消防员穿着不镀铝的PPE。穿着PPE的A、B两城市的受试者分别进行22.5分钟和27.3分钟的消防运动，运动过程中对受试者的热应激进行评估。结果显示，城市A的受试者的不舒适热应激反应程度是城市B的2倍。测试中城市A的受试者反应爬楼梯最容易产生不良热应激，对城市B的受试者而言则是搬运充满水的消防水管。两城市的受试者都反映穿着PPE时身体最受限制的部位是膝盖。受试者反应镀铝的PPE的透气性和穿着机动性不如不镀铝的PPE，但是其防水性和可维护性要好于不镀铝的PPE[22]。

K.J. Glitz等人测试了可以增强蒸发性能的微气候冷却方法对消防服性能的影响。10名志愿者分别穿着加入和不加入额外空气流动的防护服完成了一组130分钟的测试。实验结果显示，穿着防护服造成的热应激会限制穿着者的正常工作。在测试过程中，受试者的汗液蒸发是主要的散热机制，在防护服中加入了空气流动会加快汗液蒸发，进而促进散热[23-24]。

OladipupoOlafiranye等人研究了阿司匹林对消防员末梢动脉硬化度和皮肤功能的影响。52名受试消防员在测试中每天要进行一段时间的模拟自行车骑行。在运动之前，81mg阿司匹林被施用于受试者。在运动结束后，受试者要立即接受单剂量325mg的阿司匹林。在使用药品之前、30、60和90分钟后，要确定受试者在心率为75bpm时末梢动脉硬化度参数(AI75)和反应性充血参数(RHI)。结果显示，小剂量的阿司匹林对AI75有影响，对RHI基本没有影响。小剂量的阿司匹林会增加消防员的末梢动脉硬化度，但对皮肤功能影响不大[25]。

Julio A. Gonzalez等人研究了防护服对人体热应激的影响。实验使用人体模型和数学建模的方式，分阶段性地研究了受试者穿着工作制服、再加防弹衣、再加化学防护服，最后加上口罩和手套后的热应激。测试时，将防护服穿在人体模型上，首先穿工作制服，随后依次穿上防弹衣、化学防护服和口罩、手套。实验过程中采集相关数据与数学模型结合，对受试者热应激进行预测。实验结果显示，每增加一层防护服都会加快穿着者的新陈代谢。只穿正常的工作制服，受试者会在146分钟左右产生明显热应激。加穿防弹衣后，受试者在75分钟左右就会产生明显不良热应激。受试者的热应激很大程度上是其所穿衣物过重所致。建议相关人员尽量穿着较轻便的防护服以减轻热应激[26]。

3 展望

虽然，目前国内外对消防员因穿着消防服而产生的热应激的研究已经有一些进展，但是仍处于初级阶段。领域内的科研人员目前主要在消防员体温调节与热应激的关系，热应激所造成的心血管疾病，消防员降温方法，消防员热应激预测和热应激主要产生部位评估等方面有所建树，还有很多关键问题没有被解决。而且，对消防员热应激的研究主要集中在国外，我们国内对消防员热应激的研究还基本属于盲区。这就需要消防热防护领域内的国内科研人员刻苦钻研，在吸取国外工作者的养分的基础上，开发属于我国的热应激应对方法。

想要很好的解决消防员的热应激，就要先了解消防员的实际情况，不能纸上谈兵。科研人员应该亲身去消防队对消防员进行实际了解，甚至要亲自身穿消防服，体验消防员的热应激。获得消防员热应激的一手资料后，科研人员应该细心研究消防服与这些热应激的关系，并与医学工作者等多领域科研人员联合，从消防服和消防员两方面综合的开发解决热应激问题的方法。希望热防护领域内的研究者们能够早日平衡好消防员的热应激问题，为消防员提供更好的保护。

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2016-05-04

韩伦(1989-)，男，博士研究生，研究方向：消防服用织物热防护性能。

赵晓明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

TS101

A

1008-5580(2016)04-0197-06