温热环境下降温背心的综合效能测评

陈 莹，宋泽涛，郑晓慧，姜 延，贾琳葳，常素芹

(1.北京服装学院 服装艺术与工程学院，北京 100029； 2.北京服装学院 材料设计与工程学院，北京 100029；3.国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 100191； 4.北京服装学院 文理学院，北京 100029)

1960—2016年，南方城市不断发生极端高温和热浪事件,尤其是在华东和华中地区,尽管北方城市高温和热浪事件较少,但高温强度较为突出[1]，专家指出新的“火炉”城市不断涌现[2]。长期在高温环境下工作，人们容易疲劳、精神不振，工作效率降低，严重时甚至会引发安全事故[3]。日常生活中人们通过使用风扇或空调等设备进行降温，但对于没有降温设备的室外作业人员，抵御高温的个体降温防护设备显得尤为重要[4]。

个体降温服作为目前较为普遍且有效的一种高温作业防护服装，可根据降温介质分为4类：基于对流和蒸发降温的气体降温服、基于相变材料(Phase Change Material, PCM)相变吸热的相变降温服、基于传导降温的液体降温服、结合了以上2种或2种以上降温方式的混合降温服[5]。降温背心已经在航空、航海、生化[6]、消防[7-8]、交通、医疗[9]、建筑业[10]等领域得到了广泛的应用。王春光等[11]研发用于深井开采的防护降温背心,并开展了实用性实验研究，结果表明穿着降温背心受试者的各项生理指标与不穿降温背心者相比均降低,且工作效率显著提高。Zheng等[12]以相变材料为降温材料研制出了供矿工使用的全身性相变降温服，实验结果表明，该全身性降温服在高温高湿环境下能够有效降低人体皮肤温度、提高热舒适感。虽然现有降温背心有较好的降温效果，但普遍存在初期降温速率较快，服装较重，局部过冷，降温时长较短等问题[13]。

降温背心的降温性能是实际使用前的关键研究内容，目前关于降温背心降温效果的评价方法缺乏足够的理论和研究[14]。本文通过模拟温热的工作环境，利用干态暖体假人测试3件不同类型的降温背心，观察假人的局部皮肤温度变化，从降温速率、最低温度值、有效降温时长等方面对降温背心进行综合效能评价，为降温背心降温效果综合评价系统的构建提供依据。

1 实验方案

1.1 实验服装

本文实验对3件不同类型的降温背心进行降温性能测试，即蒸发型降温背心、相变型降温背心和凝胶型降温背心。蒸发型降温背心(太原市蓝筹科技有限公司)选用抗菌防霉高分子蓄冷材料[15]作为蓄冷剂，其在自来水中蓄液量为117 g/g。相变型降温背心(上海勇备实业有限公司)选用新型的生物基材料作为蓄冷剂，其相变潜热为189.8 J/g。凝胶型降温背心选用硬凝胶作为蓄冷剂(硬凝胶由北京广顺和科技有限公司提供)，其相变潜热为250 J/g。基础服装包括纯棉的T恤和长裤，如图1所示。

实验前，蒸发型降温背心在自来水中浸泡20 min，激活蓄冷材料，后用甩干机甩干3 min，去除降温背心表面的自由水，而相变降温背心和冷凝胶蓄冷袋分别需要在5 ℃和-18 ℃的冰箱内至少放置12 h，保证完全凝固。3种降温背心基本信息与参数见表1。

表1 3种降温背心基本信息与参数Tab.1 Basic information and properties of three kinds of cooling vests

1.2 实验方法

本文实验基于恒功率,采用干态暖体假人法进行实验。实验前，先开启人工气候仓，环境温度34 ℃，相对湿度50%，风速0.4 m/s。待仓内环境稳定后(假人各局部皮肤温度接近34 ℃)开启假人，设定假人各局部的加热功率为300 W/m2,给假人穿上实验服装，开始实验。直至假人各局部皮肤温度升至34 ℃，停止实验，每1 min记录1次各局部皮肤温度。每组实验重复测量3次。

1.3 数据分析方法

对各时间点(每5 min)的局部皮肤温度进行单因素重复测量方差分析。当显著性指标P值小于0.05时，服装种类对各皮肤温度的影响存在统计学意义。当服装种类对评价指标的影响具有统计学意义时，进一步两两比较，显著性水平用Bonferroni Correction校正。

2 结果与分析

2．1 降温性能参数的计算

若降温背心能使人体在高温环境下的平均皮肤温度维持在34 ℃以下，则认为其具有降温效果。3种降温背心相关降温性能参数见表2。最大降温温差定义为局部皮肤初始温度与其最低温度的差值。温度最低点时间定义为皮肤温度达到最低对应的时间。有效降温时长指从具有制冷作用开始到降温效果消失对应的时间。300 W/m2为5.15 met，当代谢率为3～6 met时，皮肤温度在30～32 ℃之间，处于舒适的温度状态[16]，降温服舒适最大降温温差范围为2～4 ℃。初期降温速率定义为最大降温温差与温度最低点时间的比值。

表2 3种降温背心相关降温性能参数Tab.2 Three kinds of cooling vests related cooling performance parameters

3种降温背心皆仅覆盖人体躯干，其综合降温效果可由躯干温度下降程度表示。躯干温度根据胸部、肩部、腹部和背部4个局部皮肤温度计算，计算方式如下：

Ttorso=(Tchest+Tshoulder+Tabdomen+Tback)/4

式中：Ttorso为躯干皮肤温度，Tchest、Tshoulder、Tabdomen和Tback分别是胸部、肩部、腹部和背部的温度，℃。

2.2 蒸发型降温背心

图2为假人穿着蒸发型降温背心条件下局部皮肤温度变化情况。各局部皮肤温度均有降温效果，降温强度大小排序为：肩部>胸部>背部>腹部。躯干有效降温时长达102 min。舒适温度时长均为0 min，在300 W/m2的高劳动强度下，该降温背心降温效果不足，不能满足人体降温需求，更适合偏低的劳动强度下穿着。根据Gerrett等[17]的研究，运动状态下人体躯干部位的腰腹两侧和背部的冷感觉接收器数量较多，胸部较少。因而在实际作业中，对这些部位进行降温，皮肤能够对冷刺激产生较强的冷感，进而可以较快地获得降温带来的舒适感。可适当在该降温服腰腹部和背部增加降温材料，提高服装的热舒适性。

图2 假人穿着蒸发型降温背心条件下各局部皮肤温度变化Fig.2 Local skin temperatures changes of manikin under wearing evaporative cooling vests

2.3 相变型降温背心

图3为假人穿着相变型降温背心条件下局部皮肤温度变化情况。腹部几乎无降温效果，背部和胸部的降温效果相似，肩部降温效果最为明显。躯干有效降温时长达134 min。相变型降温背心硬度大，极大限制了人体上半身运动灵活性。相变材料封装包分布紧密，不能很好地贴合人体，合体性差，腹部区域只覆盖到少量相变材料。PCM封装包的放置间距会影响服装的热防护效果和透气透湿性能[18]，可调整该降温服PCM封装包间的距离，增加服装的合体性和动态舒适性。

图3 假人穿着相变型降温背心条件下各局部皮肤温度变化Fig.3 Local skin temperatures changes of manikin under wearing PCM cooling vests

2.4 凝胶型降温背心

图4为假人穿着凝胶型降温背心条件下局部皮肤温度变化情况。胸部无降温效果，肩部降温效果微小，其次是腹部，背部降温效果最为明显。躯干有效降温时长达96 min。凝胶型降温背心硬度大，限制人体上半身的运动灵活性，可减小凝胶封装包面积，来提高运动灵活性。

图4 假人穿着凝胶型降温背心条件下各局部皮肤温度变化Fig.4 Local skin temperatures changes of manikin under wearing gel cooling vests

2.5 局部皮肤温度

2.5.1 胸部温度

图5为假人穿着3种实验服装条件下的胸部温度变化曲线。凝胶型与蒸发型以及凝胶型与相变型的胸部温度在5～115 min具有显著性差异(P<0.05)，蒸发型和相变型的胸部温度在5～90 min无显著差异(P>0.05)，在95～115 min具有显著差异(P<0.05)。蒸发型的初期降温速率小于相变型，即0.067 ℃/min<0.110 ℃/min。蒸发型的有效降温时长小于相变型，即107 min<141 min。可见相变型的降温效果表现更为迅速，有效作用时间更长。图5显示凝胶型曲线一直呈上升趋势，可见凝胶型对胸部无降温效果。

注：*表示P<0.05 (蒸发型与相变型);#表示P<0.05 (蒸发型与凝胶型)；&表示P<0.05 (相变型与凝胶型)。图5 3种实验服装的胸部温度Fig.5 Chest temperature of 3 cooling vests

2.5.2 肩部温度

图6为假人穿着3种实验服装条件下的肩部温度变化曲线。凝胶型与相变型以及凝胶型与蒸发型的肩部温度分别在5～145 min和10～145 min存在显著差异(P<0.05)。蒸发型和相变型的肩部温度在5～145 min存在显著差异 (P<0.05)。蒸发型的初期降温速率小于相变型，即0.080 ℃/min<0.194 ℃/min,蒸发型的有效降温时长小于相变型，即137 min<199 min。因此，相变型在肩部的降温效果优于蒸发型。图6显示凝胶型的曲线几乎无下降趋势，最大降温温差为0.4 ℃，且作用时间很短，对肩部几乎无降温效果。

注：*表示P<0.05 (蒸发型与相变型); #表示P<0.05(蒸发型与凝胶型)；&表示P<0.05(相变型与凝胶型)。图6 3种实验服装的肩部温度Fig.6 Shoulder temperature of 3 cooling vests

2.5.3 腹部温度

图7为假人穿着3种实验服装条件下的腹部温度变化曲线。相变型和蒸发型的腹部温度、相变型和凝胶型的腹部温度在5～10 min均无显著差异(P>0.05),在15～95 min存在显著差异(P<0.05)。蒸发型和凝胶型的腹部温度在5～50 min无显著差异(P>0.05)，在55～95min存在显著差异(P<0.05)。蒸发型的初期降温速率大于凝胶型，即0.021 ℃/min>0.018 ℃/min,蒸发型的有效降温时长小于凝胶型，即66 min<97 min。图7显示相变型的曲线几乎无下降趋势，其最大降温温差为0.1℃，几乎对腹部无降温效果。

注：*表示P<0.05(蒸发型与相变型); #表示P<0.05(蒸发型与凝胶型)；&表示P<0.05(相变型与凝胶型)。图7 3种实验服装的腹部温度Fig.7 Abdomen temperature 3 cooling vests

2.5.4 背部温度

图8为假人穿着3种实验服装条件下的背部温度变化曲线。蒸发型与凝胶型的背部温度在5～130 min存在显著差异(P<0.05)，相变型与凝胶型的背部温度在10～130 min存在显著差异(P<0.05)。蒸发型和相变型的背部温度在5～20 min存在显著差异(P<0.05)。初期降温速率大小排序为：凝胶型>相变型>蒸发型，其值分别为0.121、0.113和0.018 ℃/min,有效降温时长大小排序同为：凝胶型>相变型>蒸发型，其值分别为202、126和97 min。穿着凝胶型降温背心时，假人背部最低温度为29.4 ℃，在真实的作业环境中会引起人体局部过冷，使人体感到不适，且背部温度维持在30 ℃以下时间长达60 min，过冷时间较长，占其有效降温时长的29.7%。蒸发型和相变型的降温效果较为缓和，且相变型的降温效果优于蒸发型。

2.5.5 躯干温度

图9为假人穿着3种实验服装条件下的躯干温度变化曲线。蒸发型与凝胶型的躯干温度在实验过程中不存在显著差异(P>0.05),蒸发型与相变型的躯干温度在5～15 min存在显著差异(P<0.05)，相变型与凝胶型的躯干温度在5～25 min存在显著差异(P<0.05)。初期降温速率大小排序为：相变型>蒸发型>凝胶型，其值分别为0.125、0.041和0.034 ℃/min,有效降温时长大小排序同为：相变型>蒸发型>凝胶型，其值分别为134、102和96 min。可见，相变型降温效果最优。3种降温背心的最大降温温差均大于2 ℃，躯干舒适温度时长均为0 min。

3 结 论

本文通过干态暖体假人法综合评价了温热环境下3种降温背心的降温效能。结果表明：3种降温背心均有不同程度的降温效果，从假人的躯干温度下降程度来看，3种降温背心的综合降温程度高低排序为：相变型>蒸发型>凝胶型。使用凝胶型降温背心时，假人背部温度最低可达29.4 ℃，在真实的作业环境中会引起人体局部过冷，感到不适。躯干有效降温时长大小排序为相变型>蒸发型>凝胶型。3种降温背心在设计上均存在不足，蒸发型降温背心可增加降温材料在腹部的分布；相变型降温背心硬度大，可适当增加相变材料封装包的放置间距，增加人体运动灵活性；凝胶型降温背心可减小凝胶封装包面积。穿着3种降温背心时，虽然有一定的降温效果，但躯干均没有达到舒适温度的状态，降温效果在高劳动强度下均不足，适合较低劳动强度下穿着。