相变降温矿工服的设计与评价

郑 晴， 王宏付， 柯 莹， 李 爽

(江南大学 江苏省非物质文化遗产研究基地， 江苏 无锡 214122)

我国的煤炭生产约九成均为井下开采，开采深度逐年增加，且机械化程度不断提高，地热和机械设备产热使得矿井的热害问题日益严峻，成为制约深井开采的主要因素之一[1-2]。在高温矿井中，矿工更容易出现头昏头疼、呼吸困难、注意力不集中、动作失误等症状。高温高湿的作业环境不但直接损害井下作业人员身体健康，还使矿工的劳动能力、反应能力降低，导致劳动生产率下降、事故发生率上升[3]。

目前国内高温矿井的降温手段以大型空调制冷为主，虽能缓解矿井热害，但其高能耗的问题也不容忽视。穿着个体降温服是一种有效又经济的人体降温方法，可直接作用于人体体表，减缓衣下微环境的热感，因此，为井下煤矿作业人员开发个体降温服，可经济有效地缓解深井煤矿的热害问题。国内外已有一些研究人员为应对矿井热害问题研制了降温服。如南非的多家公司为矿山热防护研制了干冰降温服和冰水降温背心[4]。柳源等[5]针对矿井热害研制了气冷式的降温防护服，但此类降温服装需要使用电源或蓄电池，不能满足矿井的防爆要求，因此，无电降温服的研究对解决矿井热害问题更有实际性意义[5]。

相变降温服是一种利用相变材料(PCM)的相变潜热吸收热量，达到降温目的的服装系统[6]，使用简单方便且无需供电。相变材料在防护服中的使用方式是将相变材料封装在密封袋中，再装入服装的口袋[7]。这种相变降温服是近年来广泛应用和研究的热点。Zhao等[8]对添加了相变材料的背心进行测评，发现相变背心能有效降低服装微环境的温度。Gao等[9]分析了服装中相变材料的温度、使用量及覆盖面积对降温效果的影响。不少研究者将相变材料应用于各种需要热防护的领域，如医疗[10]、冶金[11]、消防[12-13]等。在煤矿行业，有研究人员开发了加入相变材料的矿工工作服[14-15]，虽然有较好的降温效果，但其所用材料的相变温度非常低，存在过冷、持续时间短、材料冷冻过程能耗大的问题。

本文将相变材料应用于矿工服中，模拟矿井下高温高湿的工作环境，采用真人着装实验测试和评价该相变降温矿工服的降温效果。

1 研究方案

1.1 实验服装

实验服装包括矿工服、基础服装和防护装备。矿工服包括外套和裤子，采用含有导电纤维的斜纹织物(80%棉、20%涤纶)，以陕西有色榆林煤业有限公司的工作服为样板，由专业制衣人员制作。服装规格尺寸按照行业标准MT/T 843—1999《矿工普通工作服》中的180/(96～84)号型设计，上衣长、胸围、袖长、肩宽、领围、裤长、腰围和臀围分别为78.0、118.0、64.0、48.4、43.0、110、86和113.4 cm，整体较为宽松，可适合不同体型的受试者穿着。基础服装包括纯棉T恤、纯棉内裤和纯棉短袜。防护装备包括矿用安全头盔、棉线手套和矿靴。

此次设计的降温矿工服款式如图1所示，在前胸、腹部、后背及大腿前侧添加网眼布并缝有口袋，用于放置PCM封装袋。降温矿工服共使用144个PCM封装袋，每个口袋重叠装入2个PCM封装袋。每个PCM封装袋的尺寸为3.0 cm×6.5 cm，质量为9 g，相变温度为15 ℃，相变潜热为182 J/g。相变材料在每次实验前均置于7 ℃的冰箱中冷藏至少24 h，保证完全凝固。实验开始前将相变材料从冰箱中拿出，在20 ℃的室温下放置约20 min，使其表面温度升至12 ℃左右，避免其初始温度过低，对受试者产生过冷刺激。

图1 PCM封装袋在降温矿工服上的配置方式示意图Fig.1 Schematic diagram of way that PCM packs were arranged on cooling miner′s clothing

对照实验服装选择不加入相变材料的普通矿工服，服装的其他规格与降温矿工服完全相同。

1.2 实验对象

选择10名健康男性作为受试对象，年龄为(24±0.7)岁，身高为(180±2)cm，体重为(76.6±8.1)kg，身体质量指数BMI为(23.6±2.2)kg/m2。所有受试者穿着实验服装均较为合体，无紧绷或其他不适感。

1.3 实验环境

实验在人工气候室(日本ESPEC公司)中进行，模拟井下煤矿的高温高湿环境，温度为(30 ± 0.5) ℃，湿度为(80 ± 5)%[16]，风速小于0.2 m/s。

1.4 实验步骤

实验前，受试者在室内(温度为20 ℃,相对湿度为50%)静坐休息30 min，达到不冷不热，无显汗的舒适状态(平均皮肤温度为32～34 ℃[17])。

之后随机穿着实验服装(降温矿工服或普通矿工服)，在额头、前胸、腹部、肩胛、后腰、上臂、小臂、手背、大腿、小腿10个部位的皮肤表面黏贴温度测量传感器(iButton DS1922L，美国Maxim Integrated公司)，每分钟记录1次数据。

受试者进入人工气候室开始实验，在跑步机上以3.5 km/h 的速度行走50 min后静坐休息20 min(共70 min)。图2示出实验现场照片。期间每10 min询问受试者主观热感、湿感和热舒适感。主观感受评价标尺如表1所示。问卷参考ISO10551—2001《热环境人类工效学：主观评判热环境影响》设计。

图2 实验照片Fig.2 Experiment photo

实验前后用体重秤(ICS439，瑞士Mettler-Toledo公司)称量受试者的净体重、着装体重及每件服装的质量，以计算出汗量。

1.5 数据分析方法

使用SPSS 22.0进行数据分析。采用Shapiro-Wild test检验数据正态分布。用双因素重复测量方差分析比较不同测试条件下的各皮肤温度、心率及各主观评价数据的差异，其中被试内因素为服装因素和时间因素。当因素的主效应显著时，进一步进行两两比较，并用Bonferroni法校正显著性指标P值。不同服装条件下的出汗量和汗液蒸发率用配对T检验进行比较。所有数据分析的显著性设为P<0.05。

表1 主观感受评价标尺Tab.1 Evaluation vote of perceptual responses

2 实验结果与分析

2.1 皮肤温度

2.1.1 局部皮肤温度

所设计的降温矿工服主要在胸部、腹部、背部和大腿4个部位设置了相变材料，因此选取胸部、腹部、后腰和大腿的局部皮肤温度来分析相变材料在矿工服中的降温效果，结果如图3所示。图中*标注的区域内P<0.05。

需要指出的是，X404上堰沟主次峰在峰值和数据点的分布上差距较明显，在粒度区间-1Φ～0.27Φ主峰数据点个数占总个数的12.5%，而峰态平坦较宽的次峰数据点个数占总个数的77.5%，所以可能是主峰粗粒组受到搬运作用，沉积在该处粒径分布较为均匀的原有粒组旁，且在这过程中受到了较差分选作用，使两粒组混合有限，主峰峰态表现为陡而窄。

图3 局部皮肤温度Fig.3 Local skin temperatures. (a) Chest skin temperatures; (b) Abdomen skin temperatures; (c) Lower back skin temperatures; (d) Thigh skin temperatures

对局部皮肤温度的变化分析发现，胸部、腹部、后腰和大腿部位的温度都因相变材料的加入而相对降低。穿着相变降温矿工服后，胸部皮肤温度在20～55 min段显著低于普通矿工服(P<0.05)，最大差值为(0.74±0.14)℃。腹部和后腰皮肤温度在5～55 min段有显著差异(P<0.05)，差值最大分别为(1.69±0.22)℃和(3.09±0.481)℃。大腿皮肤温度在5～30 min段有显著差异(P<0.05)，差值最大为(2.67±0.71)℃。

从结果可知，躯干部位的降温效果明显，尤其在躯干下半部分，由于加入了更多的相变材料，局部的皮肤温度变化达到1.50 ℃以上。Gerrett等[18]研究分析了人体体表不同部位的热敏感程度，发现腹部和后腰两侧对冷感觉更为敏感，因此，对人体躯干下半部分进行降温，更利于提高人体的热舒适感。与上半身相比，腿部在行走过程中会产生更多的热量，导致相变材料在短时间内吸收了大量的热量，因此，腿部在运动后期和休息阶段无法达到理想的降温效果。

2.1.2 平均皮肤温度

平均皮肤温度依据ISO 9886—2004《人类工效学：热疲劳的生理学测量评价》，采用7点法计算，计算公式为

式中：ts为平均皮肤温度，℃；tf，tsh，tc，ttl，ta，th，tth，tl分别为前额、肩胛、前胸、上臂、小臂、手背、大腿和小腿的局部皮肤温度，℃。

平均皮肤温度计算结果如图4所示。图中*标注的区域内P<0.05。平均皮肤温度可反映人体全身在环境、服装作用下的热调节情况。穿着相变降温矿工服后，平均皮肤温度的上升速度下降，在5～40 min内显著低于普通矿工服(P<0.05)，其最大差值为(0.91±0.24)℃。但40 min后，二者的平均皮肤温度趋于相近，这主要是由于下半身的降温效果逐渐减弱。另外，运动中，人体由于中枢神经系统的调节，散热加强，血管舒张且血流加快，该散热状态在运动停止后仍将持续一段时间，导致休息阶段平均皮肤温度呈现先上升后下降的状态。

图4 平均皮肤温度Fig.4 Average skin temperatures

2.1.3 躯干皮肤温度

躯干皮肤温度依据前胸、腹部、肩胛和后腰4个点的局部皮肤温度计算，计算公式为

tb=0.25×(tc+tb+tsh+tw)

式中：tb为躯干皮肤温度，℃；tb，tw分别为腹部、后腰的局部皮肤温度，℃。

躯干皮肤温度计算结果如图5所示。图中*标注的区域内P<0.05。由于添加了大量相变材料，躯干部分有很好的降温效果，最大差值达到(1.70±0.21)℃。在30 min前，穿着相变降温矿工服的躯干温度均在32～34 ℃之间，处于较为舒适的温度状态。在60 min以内，相变降温矿工服的躯干皮肤温度均显著低于普通矿工服(P<0.05)。

图5 躯干皮肤温度Fig.5 Average torso temperatures

2.2 主观评价

本文实验中主要针对所设计服装的热湿舒适感进行评价，包括热感、湿感和热舒适感。理论上来说，热舒适感同时受到热感和湿感的影响，另外也与服装的通风性能等相关。

实验结果显示，穿着相变降温矿工服在最初的运动阶段热感显著低于普通矿工服，在0～40 min，穿着降温矿工服的热感从-1.1±0.9(接近稍凉)上升至3.0±0.5(热)，而穿着普通矿工服的热感从0.5±0.5(不冷不热和稍暖之间)上升至3.4±0.5(热得很热之间)。随着相变材料液化，降温效果逐渐下降，人体的热感上升，50 min后二者的热感趋于一致。该主观热感结果与平均皮肤温度的趋势基本相近。

穿着2种服装时的主观湿感没有显著差异，虽然相变材料的存在能加快皮肤散热，使出汗量减少，但在高温高湿的环境下，环境空气中的水分也极易在较冷的服装上冷凝，使人体湿感增加。

穿着降温矿工服和普通矿工服的热舒适感评分分别为(1.59 ± 0.20)(稍微不舒适和不舒适之间)，(2.08 ± 0.15)(不舒适)。说明穿着相变降温矿工服在整个实验过程中比普通矿工服更舒适。尤其在前半段运动阶段，穿着2种服装的热舒适感评分最大差值为(0.74 ± 0.14)，表明通过在矿工服中应用相变材料，可延长人体在热环境下的持续工作时间，降低疲劳程度，提高工作效率。

2.3 出汗量

在热环境中，人体通过出汗进行散热，以防止体温过高。穿着相变降温矿工服后，人体产生的部分热量被相变材料吸收，因此出汗量减少。实验数据显示，穿着相变降温矿工服和普通矿工服的出汗量(实验前后受试者的裸体体重之差)分别为340.86、457.57 g，二者相差116.71 g(P=0.021)。

3 结 论

为了缓解井下煤矿开采的热应激问题，利用相变材料设计了一款矿工服，并通过真人着装实验评价了该服装的降温性能。结果表明，穿着相变降温矿工服能降低人体胸部、腹部、后腰和大腿的局部皮肤温度，但不同部位降温效果存在差异，主要与身体局部的热敏感度和产热量有关。平均皮肤温度最高下降约0.91 ℃，躯干皮肤温度最高下降约1.70 ℃。主观热感和热舒适感均有改善；但在休息阶段，2件服装的差异不大。另外使用相变降温矿工服时，人体出汗量减少，说明该服装具有一定的热调节功能，能降低人体高温工作时的疲劳度。

未来应针对人体不同部位的热敏感度和出汗量，对相变材料在服装中的配置方式进行研究，以进一步提高服装的热调节性能。