基于冰相变主动温控技术避火服设计

李坤城，李 赛

随州市消防救援支队，湖北 随州 441300

避火服是消防员进入火场内扑救恶性火灾和进行抢险救援时穿着的防护服装。消防队伍目前配备的一般是传统被动式避火服，其依靠材料的耐火性能来隔绝外界高温热辐射。被动式避火服舒适性、透气性不佳，往往在隔绝外界高温热辐射的同时，也阻挡了消防员自身产生的生理热向外界传递[1]，且传统被动式避火服的避火原理没有能量和物质的转化，不能消耗、中和、转化消防员贴身高温环境的热量。随着温度升高和作业时间的延长，消防员难免产生热应激等生理反应，极大地增加了消防员的生理热负荷[2]。笔者在研究国内外避火服降温技术的基础上，设计了基于冰相变(物质物理形态变化制冷)的主动温控技术避火服。该型避火服核心是人体降温技术，在满足防护性能的同时，增加物质和能量的转化，消耗消防员贴身环境的热量，通过温控制冷技术减轻消防员热应激等生理负担。

1 避火服降温技术选择和主体结构设计

1.1 避火服降温技术的选择

目前国内外针对服装内部热负荷的人体降温技术主要有三种：一是依靠液体循环制冷(加快热传递制冷)；二是依靠空气流动制冷(加快热传递制冷)；三是基于材料相变制冷(物质物理形态变化制冷)[3]。

1.1.1 依靠液体循环制冷[4-6]，即通过液体循环流经遍布于人体皮肤表面的导管，与人体进行热交换而达到降温的效果[7]。服装内的循环液体多采用水、冰水混合液、水与其他不饱和醇的混合冷冻液等。液体循环制冷降温服的优点为降温能力强，能快速带走人体代谢产生的大量生理热。其缺点为导热管路不能有效覆盖躯干全表面，只能局部降温；人体穿着时必须携带冷源背包从而负荷加大；冷源维持时间有限也直接导致降温服有效制冷时间短；如果没有加入温控调节装置，则会出现过冷现象，易导致人员冻伤。

1.1.2 依靠空气流动制冷，具体主要有两种降温方式：一种是通过制造空气流动从而促进人体表面汗液的快速蒸发来达到降温效果；另一种是将产生的压缩空气循环流动于服装内部环境与外界环境之间，形成对流传导的换热方式从而达到制冷效果。在具体结构上，有的直接在服装内部安装一套微型风扇，有的采用空气压缩制冷，类似于便携式空调，有的采用涡流管制冷器等。空气流动制冷降温服的优点主要是重量轻，制冷方式自然而环保。其缺点也较明显，主要体现在服装内嵌空压机等机械装置噪音大，维修保养费用高，其冷却效率取决于人体汗液蒸发量，过度出汗则会有损穿着者健康。

1.1.3 基于相变制冷控温，即通过发生相变反应的服装内材料与人体发生直接的冷热交换，从而使人体处于舒适环境中。相变材料种类很多，随着科技发展，降温服中的相变材料也由最初的冰、干冰发展成高阶的凝胶、微胶囊等。相变降温服设计简单，不用安置额外的制冷系统，通过服装内部材料自身的相变即可达到良好的降温效果。其缺点在于部分相变材料蓄热能力有限，有效吸热时间较短，价格昂贵；部分材料较重，透气性差，还存在泄漏问题；有的材料相变过程难以控制，易造成过冷过热现象。

基于上述避火服降温技术特点，选择相变制冷控温技术，设计一款基于冰相变主动温控技术新型避火服。冷源是冰，利用冰融化吸热的相变过程来制冷，过程安全可靠，易于控制，制冷效率比单纯水循环要高很多。由于采用新的动力系统和温控系统进行循环传导和智能温控，该款避火服整体重量也较之前课题组设计的避火服大大减轻。

1.2 避火服主体结构设计

基于冰相变的主动温控技术避火服主要由主体、动力源系统、循环管路系统和温控系统四部分组成。避火服主体由避火服内层和外层各类面料构成，动力源系统由冷源和微型水泵组成，循环管路系统由循环管道、快速接头等组成，温控系统则由感温热敏电阻和控制电路等组成。在高温环境下，这些系统逐次循环运作，消防员的体表温度才能维持动态平衡，在提高安全防护的同时，提升工作效率，延长工作时间。

该款避火服外层选择抗高温、防热辐射的阻燃材料，最高耐焰温度达860 ℃，最高耐辐射温度高达1 050 ℃，内层材料以棉质、莱卡纤维和玻璃纤维为基材，经高分子耐碱乳液处理，再通过阻燃处理后，得到一种强度高、耐热性好的网格布。它不像一般贴墙网格布一样材质太过刚性，舒适度不佳，也不像普通棉布一样太过松软，容易断裂[8]，而且玻璃纤维耐热性强，抗腐蚀性好，机械强度高[9]。该网格布设置的网眼内径为3 mm，这样既有利于循环管道及时进行人体对流换热，又避免人体皮肤直接接触管道，保证了人体皮肤的舒适性。避火服整体外观如图1所示。

图1 基于冰相变的主动温控技术避火服整体图

2 基于冰相变主动温控技术避火服工作原理

这款避火服通过温控系统，利用冰相变制冷技术，使人体温保持在一个合适的温度范围内，既不会出现过热，也不会出现过冷的现象，从而保证消防员躯体一直处于舒适的内部环境中。该避火服内部的温控系统可探知服装内部温度，当内部温度高于系统设定最高温度时，动力源系统开始工作，以定量冰块作为系统冷源，在微型水泵驱动下，水作为循环媒介，与冰块发生热交换，利用冰相变吸热制冷，得到的低温水导入到管道中，通过循环管网直接与消防员接触进行冷热交换，带走人体所产生的热量，以此达到降温制冷的效果。当探知温度低于系统设定的最低温度时，微型水泵停止工作，管道水停止循环，不再与冰块进行热交换，使得人体温度得以恢复。

2.1 动力源系统的设计

基于冰相变主动温控技术避火服的动力源系统主要由冷源、水泵和电源组成，冷源是相变制冷的核心，水泵和电源是相变制冷的驱动力。

2.1.1 冷源。基于冰相变的主动温控技术避火服以冰块为冷源，水作为循环媒介，利用冰块融化吸热和水对流传导来达到降低避火服内部温度的效果。冰块的储量需要由人体代谢散热量来决定。为了维持正常体温，人体也需要通过蒸发汗液、辐射和对流等方式来向环境中散热，这样以来产热和散热就必须保持平衡。人体的热平衡可以用公式(1)来表示[10]：

M-W-C-R-E-S=0

(1)

式中，M为能量代谢率，kJ·(m2·h)-1；W为人体所做的机械功，kJ·(m2·h)-1；C为人体通过对流的方式向外界环境散出的热量速率，kJ·(m2·h)-1；R为人体以辐射的方式向外界环境散出的热量速率，kJ·(m2·h)-1；E为人体通过汗液蒸发和呼气所带走的热量速率，kJ·(m2·h)-1；S为人体的蓄热率，kJ·(m2·h)-1。

在正常的环境条件下，人体为了保持热平衡不间断产生热量，散出热量，蓄热率S应该为0，体温才能恒定地维持在正常范围[11]。人体在不同活动强度下代谢产热量也不同，详见表1。

表1 我国成年男子不同活动水平的代谢产热量/kJ·(m2·h)-1

消防员着避火服灭火作战属于重作业，故根据表1取其代谢产热量720.2 kJ·(m2·h)-1。根据能量守恒定律推理可知，要保持人体热平衡即蓄热率S为0，冰块融化吸收热量的大小就应等于消防员应散出热量的大小，即冰块相变吸收的热量大小相当于消防员着避火服时的代谢产热量大小和消防员所做的机械功大小之差，表达见公式(2)和(3)：

Q=C+R+E+S=M-W

(2)

Q≤M

(3)

式中，Q为单位时间单位面积冰块融化吸收的热量。在实际火场中，正压式空气呼吸器有效供给为0.5 h[12]，所以消防员着避火服最长工作 0.5 h，就需要离开火场更换新的气瓶和冰块才能继续作业。故冰块质量只需满足0.5 h使用即可。由公式(4)和(5)可计算冰块质量m：

m=Q·S·t/△Hq

(4)

m≤M·S·t/△Hq

(5)

式中，m为需要冰块质量，kg；S为人体体表面积，m2；t为工作时间，h；△Hq为冰的熔化焓，kJ·kg-1。

根据调查数据可知，身高170 cm，体重70 kg的人体表面积为1.78 m2，冰的熔化焓为335 kJ·kg-1。经计算得需要冰块最大质量为1.913 5 kg，即理论上冷源最多需要制备2 L左右的冰块。冷源的数量和大小分配要根据人体各部位散热量来确定。本系统采用冰盒收纳冷源，冰盒采用导热硬塑料制成，成本低，质量轻，导热性能好。系统工作时，冰盒内放入冰袋中，再向冰袋中注入适量的水即可开始循环降温。冰袋采用的材质是TPU，具有良好的弹性和耐磨性，机械强度高，待冰盒中冰融化完后，只需更换冰袋即可继续工作。

2.1.2 水泵。水泵是动力源系统的驱动核心，是把电动机的机械能变为热能从而抽送液体的机器。基于冰相变的主动温控型避火服的动力源水泵应满足效率高、体积小、质量轻的要求。本系统采用无刷直流磁力驱动微型水泵。它的尺寸为37 mm×25 mm×33 mm，质量仅有0.11 kg，其额定电压为7.4 V(DC)，工作电压为6.5～8.5 V(DC)，电流为400 mA，其流量参数为500 mL·min-1。整个运转过程安全可控。本研究电源采用的是锂电池，其额定电压为7.4 V(DC)，容量为2 200 mA，重量仅为0.24 kg。

2.2 循环管路系统设计

作为避火服内部的换热管路，管路的材质需满足导热性好、廉价易得的要求。采用PVC软管作为系统的管路，其成本较低，柔软度适中，能够在保持管内液体流速在500 mL·min-1时降温效果良好，同时保证着装的舒适性。

人体各部位产热量不同，对热量感知也不同。人体主要通过各组织器官如内脏器官、肌肉及脑部等的新陈代谢来产热。内脏是人体安静状态下的主要产热器官，其产热量为总产热量的57.6%[13]。人体运动时，躯干肌肉是主要产热器官，此时肌肉活动量是影响代谢产热量最明显的因素，人体耗氧量和代谢率显著增加。人体各部位基础代谢、基础血液和基础热容量的分布如表2所示[6]。

躯干、头部和腿是人体基础代谢和血流最集中的部位，尤其躯干部分占了绝大部分比重，这也是人体产热最集中的部位。人体各部位散热能力不同，同一部位不同状态下散热量也不同。人体不同部位出汗量不同，它代表着散热量的大小，这也是影响人体热平衡的因素。不同部位出汗量及分布情况具体见表3。

由表3可知，人体散热最集中的部位为头部、胸部、背部、腹部、腰部以及大腿，因此，在管路设置时应有所侧重。根据人体各部位产热和散热情况，针对上下半身分别设计了循环管路，分别连接两个冰袋，上半身采用底部连接，下半身采用顶部连接，最后集中收归于背包。对应上半身的冰盒储冰量为1.2 L，对应下半身的冰盒储冰量为0.8 L。上半身管路主要集中分布于头部、前胸和后背，占了管路的3/4，起主要的降温作用。两个袖管各伸出两根管，起少量的散热作用。下半身管路主要集中于腰部和大腿，其中腰部用量占1/2。

管路出口与冰袋接口之间采用进口快速接头。其密封性好、重量轻、操作方便，可将含管路的衣服部分与背包部分紧密连接在一起。

2.3 温控系统的设计

温控系统主要由温度传感器和控制单元组成，采用的是德国久茂(JUMO)PT100防水型温度传感器。引线线材是硅胶线，耐受温度范围为-60～260 ℃，线芯为两线制热敏电阻。该温度传感器采用的是不锈钢探头，其直径为6 mm, 长度为50 mm，工作温度为-50～200 ℃，控温精度±0.35 ℃。

将温度传感器置于避火服内部，可探知服装内部的人体温度，并将探知温度反馈给控制单元，以此控制水泵开关。控制单元将探知的消防员身体温度与之前设定温度进行比较，若消防员体温高于设定温度，则温控系统通过控制单元启动水泵进行循环降温；若传感器探知的体温不高于设定温度，则不启动水泵，操作详见图2。

图2 控制单元

3 基于冰相变的主动温控技术避火服的性能测试

3.1 试验设计

辐射热不是直接以辐射形式伤害人体,而是转化成内能间接作用于人体[14-17]，故测试选择三种运动状态下人体着传统被动式避火服和着基于冰相变的主动温控技术避火服的皮肤温度作为试验参数，试验环境压力为常压，温度15 ℃，风速忽略不计。受试者23周岁，身高178 cm，体重74.8 kg。受试者穿着两种避火服在试验环境中针对三种运动状态进行了多组试验，即静止站立、来回走动、上下楼梯。受试者在试验室环境中保持3种运动状态各30 min，测试部位主要有2个，即前胸、大腿[15]。皮肤温度变化情况通过四线制热电阻来采集，再由福禄克数据采集仪实时记录并显示。

3.2 试验结果分析

受试者静止站立状态下穿着两种避火服各部位温升对比情况如图3所示。在安静状态下，受试者穿着新型避火服皮肤温度能较快达到上升“瓶颈”，即稳定状态，不同部位的温升状况也相似。例如，图3中受试者在着传统被动式避火服静立状态下15 min(900 s)时体温就已达到稳定状态，此时受试者前胸温度稳定在35.6 ℃、大腿温度稳定在34.9 ℃。而着基于冰相变的主动温控技术避火服受试者在27 min(1 620 s)时皮肤温度才达到稳定状态，此时受试者前胸温度稳定在33.8 ℃，同比前者温差为1.8 ℃，温差降比5.06%；大腿温度稳定在32.9 ℃，同比前者温差为2.0 ℃，温差降比5.73%。

图3 穿着两种避火服静止站立状态下人体温升情况

图4是穿着两种避火服来回走动状态下人体温升情况。受试者穿着传统被动式避火服来回走动30 min的过程中，前胸、大腿初始温度分别为30.88 ℃、30.72 ℃，最高温度分别为35.68 ℃、35.11 ℃，稳定温度为35.61 ℃、35.11 ℃，最大温度升高分别为4.80 ℃、4.39 ℃，同比最大温升百分比为15.54%、14.29%。受试者穿着新型避火服来回走动30 min的过程中，前胸、大腿的最高温度分别为34.00 ℃、34.81 ℃，稳定温度为33.89 ℃、33.98 ℃，相比初始温度升高3.12 ℃、4.09 ℃，同比最大温升百分比10.10%、13.31 %。穿着两种避火服来回走动状态下，穿着新型避火服前胸、大腿温升对比穿着传统被动式避火服稳定温差降比为4.83%、3.22%。

图4 穿着两种避火服来回走动状态下人体温升情况

在上下楼梯的试验过程中，受试者穿着传统被动式避火服前胸最高温度为36.17 ℃、大腿最高温度为36.48 ℃；穿着新型避火服前胸最高温度为34.48 ℃、大腿最高温度为34.60 ℃。从图5温升曲线上明显看出穿着新型避火服的温升速率比穿着传统被动式避火服要慢，而且由于身体各部位活动强度不同，其温度上升速率也不同。大腿温升速率明显比前胸要快很多，这是由于上下楼梯时大腿肌肉成为产热的主要组织器官。

图5 穿着两种避火服上下楼梯状态下人体温升情况

综上所述，从测试得出的皮肤温度数据来看，基于冰相变主动温控技术避火服降温效果明显，尤其在静止站立和来回走动的过程中控温作用更为显著，不足之处是在上下楼梯这种较为剧烈的运动状态下皮肤温升趋势虽然得到一定抑制，但最终温度还是较高。在静止站立状态下，前胸升温幅度较大，在来回走动和上下楼梯状态下大腿升温幅度最大。在上下楼梯状态下各部位温升幅度都较前两种状态下大，即受试者皮肤温升情况随着运动状态的剧烈程度增强而加剧。造成这种差异的主要原因在于新型避火服工作需要一定的反应时间，才能将控温效果传递给人体，表现在试验数据上就是穿着两种避火服在不同工况下的温升曲线在600 s之内曲率和峰值相对接近，而且受人体各部位产热、散热差异的影响，新型避火服内部液体流动通道的分布不均，也导致其对人体各个部位的控温效率略有不同。

4 结论

本文基于冰相变主动温控技术，设计了一款新型主动温控型避火服。介绍了其工作原理和主要结构，并详述了该款避火服主体、冷源、动力泵、循环管路和温控装置的设计原理和材料选择，最后通过检测三种运动状态下身着传统被动式避火服和基于冰相变主动温控技术避火服人体温升情况，测试了该避火服的性能。试验结果验证了新型避火服内部降温效果显著。但是由于条件有限，新型避火服的外层材料依旧使用传统避火服面料，在此基础上，针对避火服的内部环境进行改造设计和试验研究，从而达到降温导热的效果。虽然该降温导热系统整体质量已经尽可能达到理想状态，降温导热的效果也较为明显，但是以传统避火服作为外层材料还是致使服装整体很笨重，消防员穿着活动十分不便。在下一步的研究过程中，应加强对该款避火服外层材料的设计和研发，结合生物仿真技术和人工智能研究新型隔热技术，减轻该款避火服整体重量，在满足防护性能的同时减轻消防员的负荷，更好地用于灭火救援工作。