热防护服降温效果评价体系研究

李紫含，王世杰，徐伯乐，谢　恬 ，张　英

(1.武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

高温高湿环境广泛存在于各个行业，例如冶金、煤矿、船舶、玻璃生产和陶瓷制造等。长期暴露在高温环境下的作业人员由于受到高温热应力的影响，会导致体温升高、心率增加、出汗量增加，造成热积蓄，严重时会造成机体的过度蓄热，破坏机体的热平衡状态，引发热不适、热昏厥，甚至中暑死亡[1-2]。据统计，在我国，80%的建筑工地事故发生在6—8月份，与夏季高温有着必然联系[3]。在国外，如日本1991—2001年期间每年平均有13.8%的工人死于热相关疾病；美国1992—2006年间就有423名工人因长期暴露在高温环境下而死亡[4]。

热防护服作为一种能有效保护人体免遭高温伤害的个体防护装备，对其降温效果的评价一直是热防护服研究中相当重要的内容。对于热防护服降温效果的评价，国内外普遍采用真人与假人实验相结合、客观与主观评价相结合的方法[5-9]。1941年GAGGE等提出用服装的隔热保暖指标(clo值)来评价服装面料的热湿传递性能，但由于受到拉链、缝合及后处理加工的影响，面料的性能不能代表服装整体的性能；此后WOODCOCK提出了反映服装整体热湿传递性能的透湿指数、蒸发散热效率指数[10]。20世纪90年代初，日本的原田隆司博士提出了衣内微气候理论[11]，把衣内微小空间的温度、湿度、气流、压力等作为评价防护服热湿舒适性能的重要指标。此后，国内外学者开发了假人测试技术，利用暖体假人或“出汗”暖体假人来评价防护服的整体性能，这种测试方法的优点是相对合理且精准，缺点是不能模拟真人活动且没有考虑个体差异性。随后，学者围绕热防护服的热防护性能及其对人体热湿舒适性的影响展开了大量的研究，提出了一系列评价热环境下人体热应激程度的生理指标、心理评价标尺，包括生理效应指标(the index of physiological effect，Ep)、累积热应激指标(cumulative heat strain index，CHSI)和生理应激指标(physiological strain index，PSI)等，这些评价指标能反映人体在热环境下所遭受的热应激程度，但由于其推导过程复杂，难以在现场使用，更不能实现不同热防护服降温效果的综合比较。

从人和服装两个不同方面出发对热防护服的降温效果进行准确评价是开展热防护服研究的基础，同时也直接影响到实际环境中热防护服的评判和应用。评价热防护服降温效果的方法众多，可从服装和人体多个层面分别进行评价，但缺乏统一的衡量标准和体系来实现不同防护服降温效果的比较。笔者针对国内外高温高湿环境下热防护服降温效果评价的4个阶段，对热防护服降温效果的主要评价指标进行分析研究，提出了热环境下热防护服的降温效果评价指标体系。

1　热防护服降温效果评价指标

高温高湿环境下热防护服的降温效果评价主要分为4个阶段进行，如图1所示。第1阶段是利用平板仪或者出汗平板仪对服装面料在静态和动态两种情况下，通过测试其热阻、湿阻等物理参数来反映服装面料的热湿传递性能。面料的单一性能并不能代表服装的整体性能，服装在设计过程中，受到服装衣下间隙、服装开口、面料层次、缝合形式和拉链等的影响，其整体性能会发生变化。基于此，第2阶段采用暖体假人或出汗暖体假人，在模拟实际着装环境条件下，通过测量服装整体的热湿性能参数，对服装的热湿性能进行评价。第3阶段是在受控的气候舱内进行人体着装实验，即在特定的环境条件及人体活动水平下，记录人体着装时的生理指标(如核心温度、皮肤体温、出汗量、心率、血压及微观气候环境等)和主观感觉，并用数学方法对测试结果进行分析处理，利用客观和主观评价相结合的方法对服装的降温效果进行有效评价。第4阶段是在实际作业环境中，通过一定数量或者大规模着装人员的试穿实验，实现对热防护服降温效果的综合评价，为最终研发产品的确定提供依据。

图1　热防护服降温效果评价的四个阶段

综合以上4个阶段，可将热防护服降温效果评价概括为客观评价和主观评价两个方面。客观评价包括服装的物理性能评价和人体在穿着服装时的生理指标评价，发生在热防护服降温效果评价的各个阶段。主观评价则主要通过人体的心理学指标来进行评价，发生在第3阶段和第4阶段。

1.1　热防护服降温效果客观评价指标

1.1.1服装的物理性能指标

通过文献调研[12-17]发现：高温高湿环境下评价热防护服降温效果的物理性能指标主要包括两大类：①反映服装整体传热透湿能力的指标；②反映服装实际使用过程中的实用性指标。张昭华[18]指出服装的热湿特性主要由两个因素决定：一个是热阻，另一个是湿阻。这些服装的热湿特性主要由暖体假人实验测得。另外，目前市场上常见的热防护服均存在冷却时间短、降温初期容易造成过冷却等问题，因此冷却时间和降温速率也是评价热防护服降温效果的关键参数。故可以用来评价热防护服降温效果的物理指标主要包括：

(1)有效降温时长。有效降温时长可通过假人实验测得，是指热防护服具有致冷作用开始至结束的一段时间。显然，其是评价热防护服降温效果的关键因素，且有效工作时间越长越好。

(2)初期降温速率。热防护服在穿着前期，常常会由于降温速率过快造成初期皮肤温度下降得过快，导致人体产生不适感。故降温速率也应作为热防护服降温效果评价的指标之一。

(3)服装热阻。服装热阻是指服装两面的温差与垂直通过服装的单位面积热流量之比，其表示纺织品处于稳定的温度梯度条件下，通过规定面积的干热流量。通过假人实验测服装的热阻时，热阻可根据式(1)和式(2)计算：

He=λ·Q

(1)

(2)

(4)服装湿阻。服装湿阻是指服装两面的水蒸气压力差与垂直通过服装的单位面积蒸发热流量之比，其表示纺织品处于稳定的水蒸气压力梯度条件下，通过一定面积的蒸发热流量。通过假人实验测服装的湿阻时，湿阻可以根据式(3)计算得到[19]：

(3)

1.1.2人体的生理指标

在高温高湿环境下，由于受到热应力的影响，人体会出现核心温度升高、心率加快、出汗量增加等一系列生理反应。热应力强度不同，人体生理反应的程度也不同。因此，观察人体核心温度、心率、出汗量等生理指标的变化有利于了解人体所遭受的热应力大小，通过对比分析人体在穿着热防护服前后生理指标的变化，客观评价热防护服的降温效果。ISO9886标准指出评价人体遭受热应力程度的生理指标主要包括核心温度、平均皮肤温度、心率和出汗量。

(1)核心温度。核心温度是指人体内部(食道、口腔、直肠等)的温度。在高温高湿环境下，核心温度最能直观地反映出人体体温的变化，从而判断机体的热平衡是否受到破坏。如果人体长期处于高温环境，热量无法散失，会导致人体核心温度升高，引起工人热疲劳、热痉挛，严重时会引起中暑致死。1969年世界卫生组织WHO和NIOSH建议热环境中持续劳动的人体核心温度不宜超过38 ℃。人体在热环境下的核心温度生理上限如表1所示。

表1　热环境下劳动者核心温度的生理上限[20]

(2)平均皮肤温度。皮肤温度是指皮肤表面的温度。人体不同部位的皮肤温度是由两个传热过程综合作用而决定的，即：①核心温度到皮肤表面的热传导过程；②皮肤与环境之间的传热过程。在高温高湿环境下，人体体温调节系统的紧张度不仅反映在核心温度的变化上，而且更大程度地反映在皮肤温度的变化上。相较于核心温度，皮肤温度不稳定，对环境温度十分敏感，能反映环境条件、人体自身活动与服装对人体的影响。皮肤温度的正常变化范围为15 ℃～42 ℃，当皮肤温度为34 ℃时，人体处于最舒适的热中性状态。由于人体不同部位的皮肤温度不同，故用平均皮肤温度来表征皮肤温度的变化情况，平均皮肤温度通常利用RAMANATHAN[21]提出的四点模型得到，即选择4个有代表性的点计算其加权平均皮肤温度：

Tsk=0.3(Tchest+Tforearm)+0.2(Tthigh+Tcalf)

(4)

式中：Tsk为平均皮肤温度；Tchest为胸部皮肤温度；Tforearm为上臂皮肤温度；Tthigh为大腿皮肤温度；Tcalf为小腿皮肤温度。

(3)心率。心率是评价环境条件和作业劳动强度对机体所造成的热负荷大小以及心血管系统状态的重要指标。在高温环境下，体内的热很难通过有限的传导散热方式排出体外，大量的热需通过血液循环以对流的方式传至体表，再散失到环境中，以维持身体的热平衡。因此，高温环境下人体的新陈代谢加快、心率加快、脉搏量增加，以加快血液循环将身体多余的热量散失出去。心率的正常变化范围为40～180次/min。当劳动者的心率超过正常值时，应立刻终止作业，防止劳动者身体机能出现障碍，造成安全事故。

(4)出汗量。在高温环境下，出汗量是衡量人体散热能力的重要指标。特别是当环境温度高于人体温度时，为维持热平衡，蒸发散热成为机体最主要的散热方式。汗液从皮肤蒸发，可有效降低皮肤温度，且有利于深部体热向体表的传递，防止热量在体内积聚使人体产生热应激。研究表明，环境温度越高，人的活动量越大，出汗量就越大，当出汗量为体重的1.5%时，被认为是脱水，人体体温上升，心率加快。当出汗量超过体重的5%时，会导致热相关疾病的发生。

1.2　热防护服降温效果主观评价指标

在热防护服降温效果评价中，常常将人体的生理指标与主观感觉评分相结合来评价人体在穿着热防护服后的生理及心理响应。主观评价即人体在穿着热防护服后的主观感觉，通过问卷调查的方式要求受试者按某种等级来描述其热感，再用合适的数学方法进行分析处理，以此评估热防护服的热湿舒适性能。在主观评价指标方面，人体心理学在热防护服降温效果方面调查的指标主要包括人体的热感觉和舒适感。

(1)热感觉。热感觉是人体对所感受到的周围环境冷热状态的主观描述[22]。这种主观描述综合了人体生理和心理两方面的冷热刺激感觉。当人体仅依靠较小的能量代谢就可以维持机体热平衡时，人体就处于令人舒适的“中性状态”[23]。当周围环境温度变化时，相较于核心温度和平均皮肤温度，人体的热感觉更加敏锐。由于感觉不能用任何直接的方法测量，故只能采用问卷调查的方式来了解。贝氏标度和ASHRAE 热感觉标度是最常用的热感觉标度，如表2所示。

(2)舒适感。热舒适是人体对热环境表示满意的意识状态，由生理因素和心理感受综合作用得到，并且更偏重于心理上的感受。影响热舒适感觉的因素除了皮肤温度和核心温度等人体参数

表2　贝氏和ASHRAE热感觉标度[24]

外，还包括空气湿度、垂直温差及吹风感等环境因素[25]。在早期的热环境研究中，学者们认为热感觉与热舒适是相同的，在此基础上提出了将热感觉与热舒适合二为一的贝氏标度，直至1966年ASHRAE 7级热感觉标度的提出，该标度中只包括了人体冷热感觉的描述，没有提到是否舒服的概念，将热感觉和热舒适分开。目前常用的热舒适标度是热舒适投票TCV-5级分度指标，如表3所示。

表3　热舒适投票TCV[26]

2　热防护服的降温效果评价指标体系

根据上述分析可知，热防护服降温效果评价是从客观评价和主观评价两个方面出发来完成的。①客观评价包括服装材料的物理性能评价和人体着装后的生理指标评价，物理性能指标主要包括反映热防护服传热透湿能力的热阻和湿阻以及反映服装实用性能的有效降温时长和初期降温速率；人体生理指标评价主要包括反应人体体温变化的核心温度和平均皮肤温度、反映人体基本机能的心率以及人体蒸发散热能力的出汗量，这4项生理指标能直接反映人体在穿热防护服后的热应激程度，从而直观地表征热防护服的降温效果。②主观评价主要根据人体心理学调查的指标，从热感觉和舒适感两大指标来评价热防护服的热舒适感。

因此，笔者根据高温高湿环境下热防护服的降温效果评价方法以及与评价降温效果相关的主要因素建立了高温高湿环境下热防护服的降温效果评价指标体系，如表4所示。

3　结论

(1)国内外热防护服降温效果评价主要分为4个阶段：材料的生物物理性能测试、服装的生物物理性能测试、气候舱人体着装实验和现场试穿实验。笔者综合这4个阶段，提出将热防护服降温效果评价概括为客观评价和主观评价两个方面。

表4　热环境下热防护服的降温效果评价指标体系

(2)热阻和湿阻是评价热防护服物理性能的主要指标，由于目前热防护在实际使用中存在的冷却时间短等问题，提出了将冷却时间和降温速率也作为评价热防护服降温效果的关键参数。

大多数高校医院缺乏预算调整，使预算未能随着医疗市场和学校内外部环境的变化及时调整而失去其应有的指导作用。高校医院领导也没有将预算考核指标纳入各科室的年终绩效考评，使医院各科室缺乏控制意识，容易造成预算超标。

(3)将热防护服降温效果评价指标归纳为服装物理性能指标、人体生理指标和人体心理指标3类，并基于此构建了高温高湿环境下热防护服降温效果评价指标体系,为防护服降温效果综合评价提供了依据。

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