轮船轮机员用新型智能化温控复合降温背心的试制及其降温效果评价

卢 浩 张洲瀛 陈佳晖 傅亚婷 常文军 于旭东

1. 上海理工大学 健康科学与工程学院,上海 200433;2. 海军军医大学 海医系,上海 200433;3. 海军特色医学中心 特种作战医学研究室,上海 200433

近年,随着全球气候的变暖,世界各地平均气温都有些许增高,于是许多与热相关的问题显现出来[1]。尽管使用空调系统是最常用的降温方法[2],但轮船空间非常有限,且轮船轮机舱内有柴油机、电机、风机、水泵等大型设备,它们工作运转时会产生大量的热[3],故在此环境中使用空调系统降温效果并不明显。轮机员在进行轮机舱机械设备的操作、检修和保养时很容易出现中暑、热衰竭等症状,严重时还会引发热痉挛、热射病等职业病[4-5]。为了延长轮船轮机员在高温环境下的工作时间,提高工作效率,避免热应激和热负荷过大对人体造成热损伤,本文设计了一款新型智能化温控复合降温背心(下文简称“新型降温背心”),并对其降温效果进行了评定。

1 材料与方法

1.1 研究对象

受试者为体检合格的10名健康男性,年龄在(24±2)岁,身高为(1.75±0.10)m,体质量为(72.9±3.8)kg,身体质量指数(BMI)为(24.7±2.45) kg/m2[6],且无热习服史和中暑史。

1.2 背心原型

新型降温背心由变频压缩机、微通道冷凝器(含板式换热器)、蒸发水箱、水泵、电控系统和网格背心等组成,其运行原理和相关器件见图1。通电后,低温低压气态制冷剂经变频压缩机压缩成高温高压气态制冷剂,排出后通过微通道冷凝器,经风冷冷凝成中温高压液态制冷剂,再通过节流阀小孔喷出,膨胀为低温低压气态制冷剂,并在蒸发水箱处与外界交换热量,吸热后流回变频压缩机入口[7]。如此往复循环,实现对人体的持续降温。

1—变频压缩机;2—环境温度传感器;3—微通道冷凝器;4—冷凝风机;5—干燥过滤器;6—节流毛细管;7—蒸发水箱;8—水泵;9—出水温度传感器;10—网格背心;11—进水温度传感器。图1 新型降温背心运行原理及相关器件示意Fig.1 Operation principle and related device schematic of new cooling vest

与一代降温背心相比,新型降温背心:冷源改为变频压缩机制冷,制冷功率120 W,是一代降温背心的2倍;采用了更大流量的低噪声离心式水泵(水泵流量0.9 L/min),以及更大散热量的板式换热器;增加了微通道冷凝器、冷凝风机和蒸发水箱等核心元部件,使降温效果最大化;采用了电控系统,可实时设定进水口水温,并实时监测出水口水温;主机机壳采用3A21铝合金材料,轻巧、坚固,能保证倾倒后设备继续工作;电池改为更大容量的电池组(24 V直流电,6.5 A),续航时间为一代降温背心的1.6倍;网格背心面料原料采用涤纶和尼龙,款式由以前的半袖式改为帽衫式,头部位置也排列有水管,降温效果提升。

1.3 试验设计

1.3.1 试验环境和测试时间

试验模拟了3种环境:温度37 ℃,相对湿度70%～80%;温度41 ℃,相对湿度60%;温度45 ℃,相对湿度55%～60%。测试时间为90 min。如果试验期间受试者感觉不适,则立即停止试验。

1.3.2 着装

受试者基本着装一致,均穿戴统一配发的训练服套装(含半袖上衣、短裤和运动鞋)及新型降温背心。其中,试验组穿着训练服套装和工作状态的新型降温背心,对照组穿着训练服套装和非工作状态的新型降温背心。

1.3.3 监测设备

利用233621 SENSE颈挂式体温心率监测蓝牙耳机(温度测量范围30.0～38.5 ℃,测量精度±0.2 ℃;心率测量范围40～240次/min)监测受试者的耳蜗温度和心率。利用SV224智能测温胶囊(测量范围25.0～43.0 ℃,测量精度±0.2 ℃)测量受试者的胸部、背部、腹部、腰部、前臂、上臂、大腿、小腿和腋窝等9处的皮肤温度,以及直肠温度与网格背心内微小气候区温度。利用SV223测温胶囊(测量范围25.0～43.0 ℃,测量精度±0.2 ℃)测量受试者的口腔温度。利用精密人体秤(测量精度±0.01 g)测量受试者试验前后体质量的变化,以获得出汗量。

1.3.4 评价标准

本文主要利用平均体温(Tb)、直肠温度、网格背心内微小气候区温度(Tm)以及主观感觉等指标,评价新型降温背心的冷却效果。

按式(1)计算加权平均皮肤温度(Ts),按式(2)式计算Tb[8]:

Ts=0.110T胸+0.110T腹+0.110T背+0.110T腰+

0.085T上臂+0.085T前臂+0.230T大腿+0.160T小腿

(1)

Tb=0.8Trec+0.2Ts

(2)

式中:T胸为前胸部温度,℃;T腹为右腹部温度,℃;T腰为腰部温度,℃;T上臂为右上臂温度,℃;T前臂为右前臂温度,℃;T大腿为右大腿温度,℃;T小腿为右小腿温度,℃;Trec为直肠温度,℃。

采用ASHRAE评分法进行局部温热感评价[9],即1分表示冷,2分表示微冷,3分表示凉,4分表示舒适,5分表示微热,6分表示热,7分表示很热。舒适度指标评分标准为0分表示舒适,1分表示轻微不舒适,2分表示不舒适,3分表示很不舒适,4分表示不可忍受。采用RPE评分法进行疲劳度评价[10],即6分表示没有感觉,7分表示非常轻松,8、9分表示很轻松,10、11分表示尚轻松,12、13分表示稍累,14、15分表示累,16、17分表示很累,18、19、20分表示精疲力竭。

1.4 统计分析

测试数据的平均值采用“均值±标准差”的形式表示。试验组与对照组数据的比较采用配对样本t检验法,且所有试验数据利用SPSS 21.0软件进行分析,检验显著性水平取0.05。

2 试验结果与分析

2.1 皮肤温度

表1和表2分别为3种环境条件下测得试验组和对照组各部位的皮肤温度,可以看出:试验组由于穿着了工作状态的新型降温背心,与对照组相比,前者躯干部位(如胸部、背部、腹部、腰部、腋窝等)的皮肤温度均有显著性降低(P<0.01),甚至未被覆盖的四肢部位(如前臂、上臂、大腿和小腿)的皮肤温度也有显著性降低(P<0.01);即便在45 ℃的高温极端环境下,新型降温背心对人体仍具有良好的降温效果。

表1 3种环境条件下试验组和对照组各部位皮肤温度

表2 3种环境条件下试验组和对照组各部位皮肤温度的变化情况Tab.2 Changes of skin temperatures of test groups and control groups under three kinds of environmental conditions 单位:℃

2.2 其他生理指标

表3和表4分别列出了3种环境条件下测得试验组与对照组的其他生理指标值,可以看出:

表3 3种环境条件下试验组和对照组的相关生理指标

表4 3种环境条件下试验组和对照组相关生理指标的变化情况

(1)心率是检验热应激的一项重要生理指标[11]。对比3种环境条件下试验组与对照组的心率发现,试验组的心率比对照组的低约16%。

(2)相较于对照组,试验组的耳蜗温度、口腔温度、出汗量、Ts和Tb均存在非常显著性的差异(P<0.01)。穿着工作状态的新型降温背心能有效改善高温环境下人体的生理机能,减少热应激。

(3)试验组的直肠温度在3种环境温度下均有降低,尽管数字上差异不显著,但仍有统计学意义。

(4)环境温度越高,试验组显示的网格背心内微小气候区的降温效果越明显。穿着工作状态的新型降温背心在37、41和45 ℃的环境温度中,最大有效降温分别达0.9、1.6和2.4 ℃。

(5)在人体热量散发到热环境中的过程中,汗液发挥着至关重要的作用。出汗是有效缓解人体热应激的一种方式[12]。与对照组相比,试验组在37 ℃时减少了约26%的汗液流失,在41 ℃时减少了约34%的汗液流失,在45 ℃时减少了约37%的汗液流失,可见工作状态的新型降温背心降温效果明显。

(6)3种环境条件下,试验组的Tb值均低于对照组的。且测试过程中,随着时间的推移,试验组与对照组皮肤温度的差值在35 min时达到最大(37 ℃环境温度中最大平均皮肤温度差值为1.3 ℃;41 ℃环境温度中最大平均皮肤温度差值为1.5 ℃;45 ℃环境温度中最大平均皮肤温度差值为1.7 ℃)。35 min后,这一差距逐渐降低,直到试验结束(P<0.05)。

2.3 主观感受

表5和表6分别为3种环境条件下测得试验组与对照组的主观感受即局部温热感、舒适感和疲劳感评分结果,可以看出:整个试验过程中,试验组的主观感受评分较对照组的都降低了约1分,降低效果显著(P<0.01)。其中,局部温热感主要与皮肤温度有关,而直肠温度和皮肤温度的变化又会对舒适感产生重大影响[13]。穿着工作状态的新型降温背心降低了皮肤温度、直肠温度及生理指标参数,减少了出汗量,改善了局部温热感,提高了人体舒适度,继而减缓了疲劳感的增加。总之,高温环境中穿着工作状态的新型降温背心会显著降低人体的热应激,改善人体作业时的疲劳度,延长作业时间。

表5 3种环境条件下试验组和对照组的主观感受评分

表6 3种环境条件下试验组和对照组的主观感受变化情况Tab.6 Changes of subjective feelings of test groups and control groups under three kinds of environmental conditions 单位:分

3 结语

高温可以引起人体出现脱水、横纹肌溶解及多器官功能障碍等一系列病理性或生理性改变,体温过高导致的死亡率高达50%[13]。因此,高温高湿条件下作业人员的生命安全也一直是国内外相关研究者关注的重点。

本文研制的新型智能化温控复合降温背心与一代降温背心相比,在小于40 ℃的环境温度中非人体穿着时,测得网格背心内微小气候区的温度比环境温度低8 ℃,降温效果远大于一代降温背心[14],且背心管路中进水口温度低于环境温度8～15 ℃,进水口最低温度14.8 ℃,进出水口温差6～9 ℃。受试者分别在30、35和40 ℃的温度下穿着新型降温背心,开启制冷功能前后背心管路中进出水口温差分别为9、7和4 ℃,可见即使是在40 ℃的极端高温环境下,该新型降温背心仍具有降温效果。

新型降温背心背包式设计,小巧、便携,装备总质量在4.5 kg左右,可根据不同的环境续航3～5 h,能有效地将人体与高温环境隔离,显著改善穿着者的局部温热感和舒适度,进而提高穿着者的作业效能,延长有效工作时间,降低热应激。且多次试验表明,试验组的各项生理指标参数均显著低于对照组的,原因一方面是新型降温背心采用了水冷复合方式降温,能够最大限度地提供冷源[15],且降温持续,同时避免了冷源输送的束缚,使轮船轮机员动作不受限制;另一方面,背心管路布局为S形,并集中在躯干和头颈部等发热量大的部位,降温效果进一步提升。

总之,本文测得的数据均在正常人体生理数据范围内,有效、可靠,受试者安全且都未发生意外。综合对比心率及直肠温度等指标可以认为,新型降温背心的降温性能达到了预期,相关数据可为水冷降温背心的改进提供参考,并为本试验条件下穿着新型降温背心作业时间的确定提供依据。

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