可降溫式消防服的設計與降溫效果評價

牛 麗， 錢曉明， 范金土,2， 張文歡， 師云龍

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 美國康奈爾大學 纖維科學與服裝設計系， 紐約 14850)

在消防員的滅火救援活動中，消防員穿著4層結構的消防服裝以保護人體免受高溫損傷以及化學物質的侵蝕，在阻礙外界熱量進入的同時也增加了生理產熱擴散的難度。在厚重的服裝結構與人體之間形成的微環境中，熱量的蓄積導致微環境溫度升高，一般情況下，微環境中溫度比周圍環境溫度高 5 ℃[1]。人體出汗量增加，加快釋放潛熱，體內水分快速流失，造成鹽水不平衡，作業人員產生熱應激反應，包括體溫升高、心率過快等，嚴重時引起熱疾病[2]，甚至威脅生命。

消防員暴露在強輻射高溫危險環境中，根據調研發現人員受傷并不是直接的熱損傷，而是由于服裝內微環境熱量蓄積導致的皮膚燒傷以及熱應力問題[3]，因此，需要采取合理有效的措施減弱消防員的熱應激反應，防止皮膚燒傷，減輕身體傷害，提高消防員的工作效率，為成功救援增加機會。目前，解決消防服的熱應力問題主要通過阻擋外界熱量進入和降低微氣候環境溫度2種方式。阻擋外部熱量進入服裝內部，常見的有優化面料性能、增加服裝層數阻擋熱量的進入，但這種方式增加散熱難度，加重熱應激反應。當環境溫度高于皮膚溫度時，人體散熱方式主要是蒸發散熱[4-5]，蒸發散熱是由于空氣與人體皮膚表面之間的水蒸氣壓力、溫度和相對濕度差異產生的，事實上消防員在高強度長時間的工作過程中，皮膚溫度升高，與微環境間溫差減小，汗液蒸發無法及時帶走過多熱量，達到調節體溫緩解熱應激反應的目的。宗藝晶等[6]針對4類不同消防服外層織物進行測試發現，熱防護性能隨著織物面密度和厚度的增加而增加，有利于提高服裝的整體熱防護性能，但阻礙卻加重了服裝的整體質量，體熱散失。

使用不同的冷卻介質降低微氣候環境溫度，冷卻介質主要采用相變材料、風冷、液冷3種方式[7]。相變材料的熱反應速度快，但其質量大，且在凝固過程中釋放的熱量以及多層消防服中儲存的熱量會增加燒傷風險[8]，因而限制了其在消防服內的使用；在工作中風冷方式需要外接氣泵，進行氣體的輸送，遇高溫易引起爆炸，增加危險并且強制對流加快皮膚表面的水分蒸發，加劇消防員的脫水狀況；液冷方式應用時間早，冷卻介質安全無害且冷卻效果顯著，技術相對成熟，目前作為最有效的降溫方法保持防護服裝內的熱量平衡[9]。1959年提出采用液冷方式進行降溫[10]，在20世紀60年代，由Burton和Collier[11-12]設計的液冷服裝應用于英國空軍RAE飛行員。阿波羅登月計劃中，美國航空航天局將全身冷卻服裝應用于宇航員的出艙和登月活動中，對宇航員進行體溫調節，保持體內熱量平衡。1995年，Bennett等[13]對比研究不同數量的降溫條放置在冷卻背心中的降溫效果，表明通過熱傳導可以帶走部分熱量以緩解消防員的熱應激反應。2011年，Kenny等[14]將冰背心穿著在核生化防護服(NBC)內部，從事長時間運動，結果發現冰背心的使用雖然沒能降低人體核心溫度，但核心溫度增長率有所下降。2011年，Kim等[15]在消防服內穿著覆蓋到大腿的全身液冷服發現，模擬消防員運動時，人體直腸溫度、心率以及耗氧量都有一定程度的降低，并且延長了運動時間，說明全身液冷服可有效地降低體內溫度，緩解熱應力問題。Tanaka等[16]測試宇航員使用液冷降溫服裝進行艙外活動時的生理指標并對服裝舒適性進行評價，研究結果表明，此方法有效減緩了皮膚溫度升高速度，并保持服裝內濕度，具有良好的穿著舒適性。Bartkowiak等[17]通過人體平均皮膚溫度、生理參數、衣下微環境溫濕度的變化對個人液冷式服裝進行測評，結果表明，個人液體冷卻服裝可有效降低衣下微環境溫度，調節人體熱平衡。

考慮到在執行緊急救援活動過程中，若采用全身式液冷降溫方式，增加穿著難度以及服裝質量，加重消防員自身負擔，影響消防員的作戰效率，因此，本文將采用背心式液冷降溫消防服，模擬消防員工作的高溫環境，采用出汗暖體假人作為降溫效果評價的主要裝置。

1 研究方案

1.1 實驗設置

采用可行走的出汗暖體假人“華特”進行可降溫消防服降溫效果的研究和評價。“華特”標準男體，穿著采用防水透濕織物縫制成的皮膚，將整個水循環系統包含其中，模擬人體體內的循環系統，進行服裝的熱阻和濕阻的測試。整個實驗模擬消防員工作時的高溫環境，溫度為(40±2) ℃，相對濕度為(50±2)%，高溫高濕的環境會加重消防員身體的熱應激反應，并且會加速服裝內微環境熱量的蓄積速度。開啟液冷降溫裝置后，觀察出汗暖體假人皮膚表面溫度變化、液冷降溫裝置下溫度變化和進出口處水溫度變化，從而對液冷降溫裝置的降溫效果進行評價。

1.2 實驗樣品

1.2.1消防服

本文實驗在消防服上裝中使用了2種不同設計方案的液冷降溫裝置，管路分布分別采用等距橫向和等距縱向排列，并針對降溫效果進行了測試和評價。本文實驗中測試的消防服為北京邦維普泰防護紡織有限公司提供的02式消防服。目前此款消防服在許多消防中隊中使用，具有一定的代表性，此款消防服結構參數如表1所示。

1.2.2液冷降溫裝置

液冷降溫裝置采用單層無袖背心結構，面料為100%芳綸阻燃針織布，連鎖織物結構，該裝置固定在消防服上裝內層，方便拆卸和使用。根據現役消防服的使用，對液冷裝置的設計需要考慮到4個方面：衣長、領型、開口方式、寬松度設計。具體設計參數見表2。換熱管路使用PU軟管進行降溫液體的傳輸，內置液冷降溫裝置的消防服裝以換熱管路不同排列方式進行冷卻性能測試，分別采用等距橫向以及等距縱向U型排列，以下依次稱為試樣1和試樣2，具體規格見表3。粘扣帶作為服裝開口處的封合方式，服裝輔料采用阻燃縫紉線進行縫合。在實驗之前，需要將降溫液體在冰箱中放置12 h，為液冷降溫裝置提供冷卻源。

表2 液冷降溫服裝參數Tab.2 Liquid cooling clothing parameter

表3 液冷裝置信息Tab.3 Information of liquid cooling equipment

1.3 實驗方法

實驗在天津工業大學人工氣候室中進行，分別設環境溫度為(40±2) ℃，相對濕度為(50±2)%，空氣流速為(0.1±0.05) m/s。在實驗之前需要穩定氣候室內環境，然后運行出汗暖體假人系統。待系統穩定且假人核心溫度達到(37±0.5) ℃時，電腦系統軟件Labview將自動開始記錄實驗數據，并始終保持恒溫模式，給假人穿上具有液冷降溫裝置的消防服，利用出汗暖體假人“華特”測試系統現有的15個傳感器，分別監測出汗暖體假人左胸、右胸、腹部、背部以及頸部的溫度變化,傳感器位置如圖1所示。除背部只測量皮膚溫度外，其余4個部位還需要監測接觸部位處換熱管路下溫度以及換熱管路間隔處溫度。待出汗暖體假人系統穩定之后，開啟液冷降溫裝置，進水水溫控制在15 ℃，并實時監測進口與出口溫度的變化。

圖1 傳感器位置Fig.1 Sensor position. (a) Front side;(b) Back side

實驗結果通過對出汗暖體假人皮膚溫度、管路下溫度、管路間隔處溫度、進出水口溫的變化趨勢分析，對可降溫式消防服的降溫性能進行綜合評價，并討論不同換熱管路排列方式下，對局部以及整體降溫性能的影響。

2 結果與分析

主動降溫裝置主要由基礎服裝、換熱管路網以及冷卻介質組成，換熱管路網的合理排布可最大限度地帶走更多熱量。為揭示不同管路排列方式下可降溫式消防服的降溫效果，分別考察了降溫裝置對4個因素(出汗暖體假人平均皮膚溫度、換熱管路下溫度、換熱管路間隔溫度、進出口溫度)的影響。

出汗暖體假人分別穿著試樣1(換熱管路橫向排列)和試樣2(換熱管路縱向排列)進行實驗，使用出汗暖體假人系統現有的15個傳感器收集溫度變化數據，通過出汗暖體假人測試系統進行實驗結果的記錄。

2.1 降溫裝置對皮膚平均溫度的影響

為更直觀地了解出汗暖體假人穿著可降溫式消防服的降溫效果，考察了不同換熱管路排列方式下假人皮膚平均溫度的變化，選取算數平均法作為皮膚平均溫度的計算方法，結果如圖2所示。由圖可知，在實驗的溫度范圍內，出汗暖體假人系統與人工氣候室系統均達到穩定后，開啟降溫裝置，皮膚平均溫度總體趨勢隨時間的延長先降低后升高。說明液冷降溫裝置在一定時間內能夠帶走一部分熱量，達到降溫的效果。由圖2還可看出，降溫裝置開啟狀態下，平均皮膚溫度均低于未啟動狀態。說明降溫裝置的開啟能有效降低皮膚溫度，緩解熱應力。開啟降溫裝置后，試樣1皮膚平均溫度迅速下降，最低降至32.57 ℃，相較于試樣2的最低溫度低 0.38 ℃。試樣1的皮膚平均溫度變化量3.4 ℃，試樣2皮膚平均溫度變化量 2.82 ℃，經計算，平均皮膚溫度下降變化率試樣1略高于試樣2。這表明試樣1能迅速緩解熱應力，帶走較多熱量。

圖2 降溫裝置對皮膚平均溫度的影響Fig.2 Effect of cooling equipment on mean skin temperature

2.2 降溫裝置對換熱管路下溫度的影響

換熱管路網直接接觸消防服裝內層表面，最先接觸外界傳入服裝內部的熱量，因此，考察了換熱管路下溫度的變化，分別分析了左胸部、右胸部、腹部以及頸部4個部位的降溫量和降溫速率，結果見圖3。開啟降溫裝置后，身體不同部位溫度均有一定程度的下降。出汗暖體假人“華特”體內水循環系統模擬人體真實地血液循環系統，在假人中心部位安裝加熱器，假人內部的水泵將經過加熱器加熱的水輸送到全身各個部位，通過控制系統軟件的頻率變更調節水泵的運行速度，從而對假人不同部位的溫度進行調節，更加真實地模擬人體全身的溫度分布。基于出汗暖體假人以上構造原理，使用傳感器對身體的4個部位溫度變化實時監測。由圖3可見：換熱管路采用橫向排列方式的降溫量始終高于縱向排列方式，且比縱向排列方式下左胸部和頸部的降溫量大于3 ℃；橫向排列下胸部降溫變化率低于縱向排列方式，且頸部降溫速率明顯高于縱向排列方式，根據生理學的要求，頸部和胸部是人體最穩定且有效的降溫部位，加強對這些部位的降溫，有益于提高降溫裝置的制冷能力，并且胸部的降溫率可以提高心臟等器官對冷感的適應性，對頸部的快速降溫可有效增強主觀熱舒適感覺。腹部降溫速率與換熱管路排列方式相關性較小。總體上看，橫向的管路排列方式帶走更多熱量的同時防止由于溫度的快速下降帶來的身體不適，影響穿著舒適性。

圖3 換熱管路下溫度對不同身體部位的影響Fig.3 Effect of temperature under heat transfer pipeline on different body parts

2.3 降溫裝置對換熱管路間隔溫度的影響

為進一步說明換熱管路的設置對降溫效果的影響，在分析換熱管路下身體各部位溫度變化量的基礎上考慮到衣下微環境中熱傳遞影響，因此，對不同身體部位的換熱管路間隔處溫度的變化進行討論，結果見圖4。測量時選擇距離管路下溫度測量點最近的管路間隔處作為測量位置。

由圖4可見，管路間隔處的總體溫度變化呈現先上升后下降趨勢，并隨時間延長逐步回升。開啟液冷降溫裝置后，不同排列方式下間隔處溫度均呈下降趨勢，但受間隔下溫度變化影響，下降速度不一致。左胸部橫向比縱向最低溫度高 3.2 ℃，右胸部橫向比縱向最低溫度高1.3 ℃。管路橫向排列時胸部溫度始終高于縱向排列，由圖3分析可知，雖然左胸以及右胸部管路下降溫量橫向大于縱向，但是降溫速率比縱向慢，根據熱傳導定理，溫度由高溫管路間隔處向管路下進行傳導，因為橫向排列方式的胸部管路下溫度變化慢，降低管路下與管路間隔處的熱傳遞，因此管路間隔處的胸部溫度變化小于縱向排列。由圖4可見：腹部最低溫度相差較小，說明不同換熱管路排列方式下管路間隔處溫度對腹部降溫效果影響較小；頸部橫向管路排列下管路間隔處降溫效果較縱向管路排列好，所以換熱管路下頸部降溫速率橫向大于縱向。頸部作為熱量進入衣下微環境的主要入口之一，有效地降低頸部熱量，可加快緩解由于熱蓄積帶來的熱應激反應，且頸部大動脈分布廣對熱量變化敏感，可加快消防員意識恢復，提高救援工作效率。

圖4 換熱管路間隔溫度對身體不同部位的影響Fig.4 Effect of temperature under interval of heat exchange pipeline on different body parts.(a)Left chest;(b)Right chest;(c)Belly;(d)Neck

2.4 降溫裝置對進出水口溫度的影響

為進一步表明換熱管路不同排列方式對降溫效果的影響，分析進出水口溫度變化，結果見圖5。

可知，降溫裝置開啟后，由于進水口最先接觸到冷源，溫度快速下降，隨著運行時間的延長，進出水口溫差逐漸縮小，換熱量降低。當二者之間溫差接近0時，降溫作用結束。

圖5 降溫裝置對進出水口溫度的影響Fig.5 Effect of cooling equipment on temperature difference for outlet and inlet.(a) Horizontal arrangement; (b) Longitudinal arrangement

冷卻介質在循環過程中吸收熱量的能力根據換熱管路長度的不同有所差異，開啟降溫裝置后，進出水口處溫差明顯增大，隨后逐漸降低，結果如圖6所示。管路采用橫向排列時的進出水口溫差明顯高于縱向排列時的進出口水溫差，橫向排列和縱向排列下的進出口水溫差最大分別可以達到6.3和 2.5 ℃，說明橫向排列下的管路換熱效果明顯，經過 20 min降溫，橫向排列的進出水口溫差為1.2 ℃，而縱向排列的進出水口溫差只有 0.3 ℃。進出水口溫差縮小說明冷卻介質的換熱效果下降，吸熱能力接近極限，這是因為橫向排列的彎曲方向與人體軀干部的彎曲方向一致性較好，貼合程度高，換熱效果明顯；但縱向排列方式的管路方向與軀干部彎曲方向垂直，穿著貼合度較差，換熱接觸面積較小，換熱量小，降溫效果不明顯。

圖6 進水口與出水口溫度差值Fig.6 Temperature difference for outlet and inlet

3 結 論

通過考察液冷降溫裝置開啟后，出汗暖體假人皮膚平均溫度、換熱管路下溫度、換熱管路間隔溫度以及進出水口溫度的變化，探討并說明液冷降溫裝置對消防服裝內微環境溫度的熱調節作用，證明液冷降溫裝置對消防員在工作中產生的熱應激反應有一定的緩解效果，并延長了消防員救援工作時間。

1)在模擬消防員救援工作開展的高溫環境中，隨時間的延長皮膚平均溫度總體呈現降低趨勢，說明液冷降溫裝置能夠帶走熱量，達到降溫的效果。橫向排列下皮膚平均溫度變化量為3.4 ℃，比縱向高0.58 ℃，且橫向皮膚平均溫度變化率高于縱向，表明橫向排列的管路降溫效果更加快速高效，加快熱應力問題解決。

2)換熱管路下溫度橫向降溫量高于縱向，且胸部、頸部降溫量大于3 ℃，但胸部降溫速率慢，頸部降溫速率快，符合生理學上人體器官對冷感的適應性。腹部降溫效果受換熱管路分布影響較小。總體上看，橫向管路排列方式在保證穿著舒適性以及身體無過冷反應的基礎上，帶走更多熱量，具有更好的降溫效果。

3)外界—衣下微環境—換熱管路之間存在熱傳遞現象，換熱管路下溫度的變化量以及降溫速率影響管路間隔處溫度變化，且身體各部位溫度變化一致，衣下微環境溫度的降低對緩解消防服內由于外界熱量的蓄積帶來的熱傷害有重要作用。

4)橫向排列時的進出水口溫差明顯高于縱向排列時的進出水口溫差，橫向排列和縱向排列下的進出水口溫差最大分別可以達到6.3和2.5 ℃，經過20 min后，進出水口溫差橫向大于縱向，說明由于橫向排列的管路彎曲方向與人體軀干部的彎曲方向一致性較好，穿著合體，進出水口溫差變化速度慢，始終保持有效的降溫能力。

主動降溫消防服對緩解消防員由于服裝內熱蓄積產生的熱應激反應具有一定成效，目前研究結果表明橫向管路排列的降溫裝置優于縱向排列。

參考文獻：

[1] MUIR I H, BISHOP P A, KOZUSKO J. Micro-environment changes inside impermeable protective clothing during a continuous workexposure[J].Ergonomics,2001,44(11): 953-961.

[2] SELKIRK G A, MCLELLAN T M, WONG J. Active versus passive cooling during work in warm environments while wearing firefighting protective clothing[J]. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 2004, 1(8):521-531.

[3] ROSSI R. Fire-fighting and its influence on the body[J]. Ergonomics, 2003, 46(10):1017-1033.

[4] ZHAO M, GAO C, WANG F, et al. A study on local cooling of garments with ventilation fans and openings placed at different torso sites[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2013, 43(3):232-237.

[5] HOLMER I. Protective clothing in hot environ-ments[J]. Industrial Health, 2006，44(3):404-413.

[6] 宗藝晶, 張向輝, 李俊,等. 消防服用外層織物的熱防護性能研究[J]. 產業用紡織品, 2009, 27(6):17-20.

ZONG Yijing, ZHANG Xianghui, LI Jun，et sl. Study on thermal protective performance of outer fabrics in firefighter clothing[J].Technical Textiles,2009, 27(6):17-20.

[7] FLOURIS A D, CHEUNG S S. Design and control optimization of microclimate liquid cooling systems underneath protective clothing[J]. Annals of Biomedical Engineering, 2006, 34(3):359-372.

[8] 朱方龍,樊建彬,馮倩倩,等. 相變材料在消防服中的應用及可行性分析[J]. 紡織學報, 2014, 35(8):124-132.

ZHU Fanglong, FAN Jianbin, FENG Qianqian, et al. Application and feasibility analysis of phase change material for fire-fighting suit[J].Journal of Textile Research, 2014, 35(8):124-132.

[9] SHVARTZ E, ALDJEM M, BEN-MORDECHAI J, et al. Objective approach to a design of a whole-body, water-cooled suit[J]. Aerosp Med, 1974, 45(7):711-715.

[10] BILLINGHAM J. Heat exchange between man and his environment on the surface of the moon[J].Journal of the British Interplanet Society, 1959, 17:297-300.

[11] BUETTNER K J K. Thermal stresses in the modern aircraft[J]. Theoretical and Applied Climatology, 1954, 5(3):377-387.

[12] NUNNELEY S A. Water cooled garments: a review[J]. Origins of Life and Evolution of Biospheres, 1970, 2(3):335-360.

[13] BENNETT B L,HAGAN R D,HUEY K A,et al.Comparison of two cool vests on heat-strain reduction while wearing a firefighting ensemble[J].European Journal of Applied Physiology,1995,70: 322-328.

[14] KENNY G P, SCHISSLER A R, STAPLETON J, et al. Ice cooling vest on tolerance for exercise under uncompensable heat stress[J]. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 2011, 8(8):484.

[15] KIM J H, COCA A, WILLIAMS W J, et al. Effects of liquid cooling garments on recovery and performance time in individuals performing strenuous work wearing a firefighter ensemble[J]. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 2011, 8(7):409-416.

[16] TANAKA K, NAKAMRA K, KATAFUCHI T. Self-perspiration garment for extravehicular activity improves skin cooling effects without raising humidity[J]. Acta Astronautica, 2014, 104(1):260-265.

[17] BARTKOWIAK G, DABROWSKA A, MARSZALEK A. Assessment of an active liquid cooling garment intended for use in a hot environment[J].Applied Ergonomics,2017, 58:182-189.