降温服的研究现状及应用前景

党天华，赵蒙蒙，钱 静

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

2020年全球爆发了新冠疫情，医护人员必须穿着密闭性的防护服对患者进行治疗。由于医用防护服表面覆有透水透气性差的抗浸材料涂层，极度闷热，时刻挑战着医护人员的身体极限，危害着医护人员的健康。此外，航天航空人员、航海人员、核生化人员、野战人员、消防人员、交通指挥人员、建筑工地工人、矿井工人、锅炉检修工人等，以及外卖骑手、快递员等，在炎热的夏季都容易受到中暑的威胁。受热湿环境影响，人体多余的热不能散失，身体无法弥补流失的液体和电解质时，体核温度升高、血压升高，导致心情烦躁，甚至影响人体感知、记忆、识别和智力等方面[1]，进而影响工作效率。严重的还会发生脱水、中暑等热疾，危害身体健康。

降温服又被称为冷却服，主要为高温炎热环境中工作的人们提供降温和保护，更是降低人体热危害最经济、最简便的途径。20世纪50年代末期，Billingham[2]首次提出“水冷服”概念，降温服的研究由此展开；20世纪60年代初期英国皇家空军飞行员拥有了世界上第1件液冷服[3]。国内对降温服的研究相对较晚，但也取得一些成果，如开发的混合降温服降温效果良好，显著提高人体舒适度。当前降温服的使用已经更加贴近生活，向医用、民用发展，但仍然存在制冷时间较短，服装较重，美观性差问题。

本文总结了国内外降温服的研究现状及特点并探究了影响降温效果的因素，分析了降温服与人体热舒适研究的实验方法，阐述了降温服的市场与应用前景，为降温服的设计研发提供参考。

1 降温服分类

1.1 气体降温服

1.1.1 管道式气体降温服

管道式气体降温服,是指采用空气压缩机将空气预冷，预冷的空气再通过分布在全身的管道系统排入服装内部，以对流和蒸发形式对人体降温[4]，管道式气体降温服[4]见图1。美国海军航空兵系统司令部[5]与孙晓艳等[6]均开发了飞行员穿着的降温服。文献[5]是使用过滤吹风管把周围的空气吸入调节器中，经过调节的空气从出气口进入飞行服内部的管道，内部风扇打开，并释放冷气；而文献[6]则更侧重通风，是利用扁平的通风管，分支管纵向分布且有高强度材料支撑，从通风管里侧的小孔吹出气体。柳源等[7-8]设计的矿用降温服由涡旋管制冷器及服装内部具有一定布局的微孔塑料软管衬层组成，冷空气沿细塑料软管上的微型孔进入衣内微空间，对人体散热。Guo等[9]开发了一种具有前开口和不密封通风的管状通风服装，通风装置引入自然风或者空气冷却风进入管道，从孔中吹出到内衣上，具有易穿、轻便、阻力小，人机工程学好等特点。

1—基础服装；2—通风管；3—空气压缩机。图1 管道式气体降温服

1.1.2 风扇式气体降温服

风扇式降温服主要是指在普通服装上加装小型风扇，风扇转动产生的风促进对流及汗液蒸发。目前部分建筑工人、交通指挥人员等已经在穿着。

国内对于风扇式降温服的研究颇多。相关研究[10-12]研发了微型风扇阵列人体降温空调服。刘静等[10]设计的微小型风扇以并连方式通过编织在衣物内的电路连线与一外接微电源连通，可显著降低体表温度。为实际考察风扇阵列的降温性能制作了实物，单个风扇的大小4 cm×4 cm，经过验证这种降温服确实具有良好的降温效果。任萍[12]自制的空调服将16个2 cm的微型风扇依次并联，将连接好的风扇阵列缝制于正方形纱布上，然后置于短袖T恤的背部区域，电池选用锂离子蓄电池与太阳电池板，研究发现当环境温度过高时,通过风扇的降温作用不明显。赵蒙蒙[13]设计了5套风扇位置与服装开口不同的嵌入式风扇降温服，发现风扇配置于前胸下部且衣身前后都开口的条件下，躯干散热最佳。Yi等[14]研究了降温服风扇与电池的最佳搭配，但风扇提供的空气流量随着使用时间逐渐降低，降温能力逐渐减小；又在之前风扇基础上增加了档位，每个档位能够提供比较稳定的风量。Hadid[15]等测试的降温背心带有2个小风扇，每个风扇由4节AA电池供电，可工作约12 h，带电池的系统总质量为1.2 kg。

气体降温服降温效果良好，制冷时间较长；但气体降温服比较臃肿，容易使穿着者工作不便。

1.2 液体降温服

液体降温服为最早的降温服。液体降温服通过微气候区的循环制冷液带走人体的代谢热，维持人体热平衡。液体降温服由基础服装和预冷装置组成，通过热交换装置在冷源处降温散热，低温降温液再返回人体完成循环[16]。明尼苏达州大学设计了一款液冷服，可冷却或加温，将液冷服内的冷却管道分布在人体散热较大的区域，从而达到轻便、高效的效果[17]。岳丰田等[18]发明了一种矿井个体冷却防护服，上衣的制冷层内部设置有口袋(装有冰袋)和冰水管路，冰袋下部通过冰袋水口连接冰水管路，冰水管路从上衣延伸至裤脚，此降温服可以使冷量均匀分布人体全身。于小航[19]发明了一种带冰贴的水循环降温服，冰贴袋缝在衣服固定位置，衣服下端装有水泵，水泵上端连接进水口，水泵左右侧分别连接电线和出水管，可用于高温中暑人员抢救。

然而，液体降温服冷却效率高，降温速度快；但需要制冷装置，限制着装者的活动自由，质量较重，携带不便。

1.3 相变降温服

相变降温服一般是在服装上设有多个口袋，将相变材料包放入口袋内，通过相变材料吸收人体热量，进而降温。常用的相变材料主要有冰、干冰、凝胶、结晶盐、相变材料胶囊等。Bennett等[20]对比了装有不同数量凝胶降温袋的降温背心对减轻消防员热应激的影响。Yang等[21]开发了一种便携式个人降温服，使用真空干燥剂冷却包，总质量3.4 kg，在37 ℃的环境中可以达到373.1 W/m2的冷却能力。张兴祥[22]筛选出适宜的成核剂，有效地抑制了相变材料微胶囊的过冷结晶，成功制成相变材料胶囊调温服。孙文娟等[23]设计的矿工降温服所采用的复合蓄冷材料，具有相变温度合适、相变潜热大且重复性好的特点。王云仪等[24]研究了凝胶蓄冷剂降温背心，背心前后身各有3个水平的口袋用于放置降温袋，背心加上降温袋总质量1.884 kg。钱炎萍等[25]设计了一种新型辅助降温服，将冰袋固定于颈部双侧，便于临床应用且能提升冰袋冰敷降温疗效。

相变降温服制冷效果好，穿戴舒适，无需电源及额外制冷装置，携带便捷，相变材料蓄冷剂可以重复利用；但温度不可调，覆盖部位透气性差，持续时间较短，应急使用不便，且会存在泄露问题。

1.4 混合降温服

混合降温服是指由2种或2种以上降温方式组合而成的降温服，更具优势。相关研究[26-27]开发的混合降温服都是由相变材料包和在下背部嵌入的2个风扇组成。Bachnak等[28]设计的降温服，将相变材料包和由电池驱动、装在前后躯干的通风风扇集成在一起，每个风扇的直径为6.7 cm。丁喜梅设计的半导体降温服[29]见图2，热电制冷与水冷散热相结合，将具有高导热系数的导热膜与半导体制冷片(前后面各布置4片)的制冷降温性能结合起来，使降温服所产生的冷量尽可能分布均匀，节约能耗。崔志英等[30]设计了一款结合风扇和喷雾的混合型降温服，选取Supplex织物作为降温服的外层面料，经实验证明混合型降温服具有更好的制冷效果。

图2 半导体降温服

1.5 新型材料降温服

随着科技的发展，智能纤维出现，降温服已不仅仅局限于普通材料。新型材料降温服穿着舒适，绿色环保。美国研制了一种适用于制作蒸发降温服的三层缝合纺织品材料，超吸水层是一种非织造毛毡，纤维素纤维与聚丙烯酸酯纤维混合后黏合在一起，降温材料浸入水中1～2 min，降温效果可保持5～10 h[31]。王文等[32]在织物上使用变形细菌，使其对湿度敏感，室温下将细菌放在乳胶两侧保持不变，当一侧暴露在高温时，细菌的扩张导致乳胶向外弯曲,通风口打开，汗水蒸发并降低穿着者体温。出汗时可自动通风的生物智能服装[32]见图3。劳沈均一等[33]设计了一款太阳能降温服，其后面安装了一块半柔性太阳能板，经过一块控制器给2个蓄电池组(分别为6个半导体制冷片和6个风扇供电)供电。这种降温服节约能源，绿色无污染。Ke等[34]设计了一种由纳米多孔聚乙烯材料制成的常规版型女士商务衬衫，研究发现在使用这种降温服时，可将可接受的空调设定点温度从25.5 ℃增加到27.0 ℃，从而节省9%～15%的冷却能量。Wei等[35]通过在纺织品上涂一层Al2O3分散的醋酸纤维素，可以使纺织品的太阳能反射率从62.6%提高到80.1%，以此达到降温目的。

图3 出汗时可自动通风的生物智能服装

2 影响降温服降温效果的因素

人体向外界散热方式有对流、辐射、传导和蒸发散热。降温服对人体的降温主要是人体皮肤表面、服装和环境之间的热量传递，传热分析见图4。

图4 传热分析

降温服的降温效果与服装面料、尺寸、结构设计和外界环境温湿度等以及人体的运动状态密切相关。

服装因素包括面料、服装尺寸以及服装开口设计。面料是制作降温服最基本的材料，其对降温效果有着重要影响。Guo等[36]开发了一种混合降温背心,使用具有薄、透气、抗风、抗水、耐磨性好和防紫外线的面料。Yang等[37]研究了服装尺寸(S、M、L)和通风量对3种通风夹克冷却性能的影响,服装尺寸对人体热损失的影响各不相同，并且这种影响随着空气通风率的变化而变化。服装的开口有助于增强衣下空气与外界环境之间气体交换，增加对流和蒸发散热，从而减缓皮肤温度和衣下湿度升高。服装腋下部位开口对人体热湿生理调节起到促进作用，具有较好的着装舒适感[38]。赵蒙蒙[13]设计的降温服衣身前后都开口，利于散热。选择合理的开口结构，可以达到最佳的通风降温效应。

受外界环境影响，降温服的降温效果会随之变化，若环境温度过高，使用风扇降温服对人体降温效果不显著。环境风可以直接增加通过面料的气体交换，同时改变衣下空间状态，增强通风效果，进而提高降温服的降温效应。

当人体运动或处于相对平稳状态(如看书)，使用降温服的效果并不相同。与人体静立状态下的服装不同,在运动状态下由于运动造成空气对流效应,增大了通风量，但运动产生更多的热量，对降温的需求也会相应提高。

3 降温服与人体热舒适研究实验方法

3.1 暖体假人实验

暖体假人模拟人体与外界热湿交换，可以测试服装局部和整体的热湿性能，可在多种环境下连续试验，代替真人在极端恶劣环境进行测试，更加安全且避免实验中个体差异，可重复性好、精度高。Gonzalez等[39]使用出汗暖体假人在高温环境下评价了一款风扇通风背心，其具有明显的散热效果。Farrington等[40]使用ADAM暖体假人和NREL体温调节模型，研究航天用液冷服对人体的降温功效。韩增旺等[41]利用Walter假人对风扇降温服的冷却性能进行评价，显示在一定条件下此款降温服能够满足工作人员从事中等体力型活动。王云仪等[24]采用暖体假人对相变降温背心的热调节性能进行评价，得到穿着相变降温背心能降低假人躯干部位的皮肤温度,延长高温作业时间。赵蒙蒙[13]使用暖体假人Tore通过测量假人的表面温度、各个区段的散热量，评价风扇降温服的吸热效应。相关研究[14，37，42]使用“牛顿”暖体假人多次研究降温服的冷却效能。

3.2 真人着装实验

真人着装实验可以更真实的将人体测试的数据及主观感受呈现出来，但是存在个体差异，主观性较强，成本较高。文献[43-44]通过人体穿着降温服，测试受试者的各项指标，研究表明受试者的热应激得到降低。关平等[45]研制了医用相变降温服，在气候室进行真人着装实验，这对解决传染病隔离区医护人员的防暑降温具有重要意义。Zhao等[46]在气候室模拟建筑工地的夏季工作环境，结果表明，参与者在被动恢复期间穿上混合降温背心可显著缓解热不适的感觉。Kang等[47]开发了一个数值模型,参与者穿着混合降温服进行验证实验，这项研究对于减轻在炎热环境中工作的户外工作人员的热应力是有益的。对于真人着装实验，学者们[48-49]主要是通过测量人体温度及填写主观人体感受问卷，从而综合评价降温服对人体热舒适性的影响。

4 降温服的市场及应用前景

目前市场上主要以风扇式降温服和液体降温服为主。降温服的国外品牌价格相对较高，主要有MSA梅思安、雷克兰等，能达到同等品质国内品牌价格适中，如东莞弘明空调服有限公司生产的风扇降温服，电源、风扇等组件可方便拆卸，穿着安全舒适，且畅销日本、东南亚、欧美等国家和地区。东莞市南耀智能服饰科技有限公司已经生产出针对医护人员防护服的随身散热风扇，风扇置于防护服内部，不沾染外部细菌病毒，既保证了安全性，又可循环使用，解决了防护服内部不透气、闷热的问题。风扇外形小巧，3档风速可调；采用锂聚合物电芯，可用3.3～12.0 h。另外还设计了一款风冷马甲，主要由散热风扇和冰袋组成，口袋底部的3D网布可通风，使全身气流循环流通。

降温服最初为航空航天领域设计，此后发展到航海、军事、医疗、体育领域，现已走向日常民用，如在夏季的徒步旅行、登山探险、钓鱼、庭院田间劳作等应用场景，但技术尚不够完善，存在制冷时间较短、服装较重等问题。采用太阳能供电与新型材料相结合是未来发展的趋势，降温服将向人性化体贴设计、安全化、绿色化、功能多样化、智能化等方面发展。

5 结束语

降温服已应用于众多领域，人们更加注重对自身的防护，降温服能减少人体热伤害、改善人体热舒适性。气体降温服、液体降温服、相变降温服、混合降温服以及新型材料降温服各具优缺点，应该根据他们的特点使用在合适领域，使其发挥最大的制冷作用。混合降温服综合性能优良，具有较强的实用性，是将来研发的重点方向。目前降温服仍然存在如技术还不够完善、制冷时间不足、舒适度及美观性较差等问题，需继续优化设计以满足人们的需求。此外，降温服的安全性十分重要，可使用暖体假人实验法与真人着装实验法，以用户为中心，加强对产品的检测和评价，确保产品安全可靠。