個體降溫服降溫效應評價指標及方法

柯瑩，周文

(1.江南大學 設計學院，江蘇 無錫 214122；2.江南大學 江蘇省非物質文化遺產研究基地，江蘇 無錫 214122；3. 江南大學 紡織科學與工程學院，江蘇 無錫 214122)

在高溫高濕的環境中從事消防救援、工業生產、軍事訓練以及體育運動等的人員，會承受巨大的熱生理壓力，從而導致工作耐力和效率下降，嚴重的可能會引起熱疾病，如皮疹、抽筋、中暑，甚至死亡[1-2]。為了減輕高溫高濕環境中作業人員的熱應激反應，使人體達到熱舒適狀態，研究人員已開發出多種能夠在炎熱環境中調節人體熱濕舒適度的個體降溫服[3]。

個體降溫服是一種能夠在高溫高濕條件下有效保護人體免受熱應激危害的個體防護裝備，為評價降溫服降溫效果，需對其進行測評。對于個體降溫服降溫效果的評價，可以從服裝和人體兩方面著手[4]，將評價指標分為物理、生理和心理3大類，通過出汗熱板儀、暖體假人、真人著裝等試驗，對降溫服的面料性能、服裝整體性能和著裝后人體的實際指標進行客觀評價與主觀評價[5-8]。個體降溫服降溫效果的準確測評結果，可以為實際環境中降溫服的選擇與應用提供理論依據。

文中通過對目前國內外降溫服降溫效果的評價方法和指標進行歸納整理，總結了高溫高濕環境下個體降溫服降溫效果的評價方法，以期實現對個體降溫服降溫效果的科學、有效評價。

1 個體降溫服概述

在高溫環境下，人體可能會遭受不同程度的熱應激，一般而言，可以從3個方面來降低勞動人員的熱應變：為個人提供相對舒適的工作環境(如使用空調)、減少人體代謝熱的產生(如降低鍛煉、工作強度)、在人體周圍創建舒適的服裝微環境(使用個體降溫服)。然而由于某些工作空間開放或流程特殊，無法使用空調系統，且空調往往帶來巨大的能源消耗，靈活且能耗較少的個體降溫服逐漸成為高溫作業人員的常用防護裝備。

個體降溫服(PCC)是耗能最少、最便捷的降溫防護裝備，它將制冷裝置與服裝相結合，從而改善人體與服裝之間的微氣候，提高人體的熱舒適度[9]。個體降溫服根據冷卻介質的不同可以分為4類：基于相變材料相變吸熱的相變降溫服[10](PCM)，利用對流和蒸發冷卻的氣體降溫服[11](ACC)，基于傳導冷卻的液體降溫服[12](LCC)，結合了以上兩種或多種降溫方式的混合降溫服[13-14](HCC)。氣體降溫服的冷卻介質是空氣，主要由服裝、壓縮機和通風管道組成。液體降溫服的冷卻介質有水、冰水混合物、水與丙烯或乙二醇組成的混合冷卻液等，主要由基礎服裝、換熱管網路、液體進出口管、制冷裝置、泵、電子流率控制裝置及舒適襯里組成。相變降溫服則通過材料的相變過程實現降溫。最早關于降溫服的研究是20世紀60年代美國航空航天局為了保護宇航員免受外太空高溫、高輻射的危害而提出，后逐步拓展到消防、軍事、煤礦等領域[15-17]。目前，已有較多學者研究開發出效果顯著的個體降溫服，降溫服產品如圖1所示。

圖1 降溫服產品Fig.1 Different types of cooling clothing system

2 個體降溫服降溫效果評價指標

個體降溫服的降溫效果評價主要分為客觀評價和主觀評價。客觀評價是通過降溫服及其面料的物理性能指標和人體生理指標進行評價，主觀評價是依據人體的心理指標進行評價。降溫效果的主要評價指標分類[8]見表1。

表1 降溫服降溫效果評價指標的分類

2.1 物理指標

服裝的熱濕性能主要包括熱阻和濕阻兩方面[18]。但受服裝衣下間隙、服裝開口、縫合方式等影響，面料的單一性能不能代表服裝的整體性能，因此還要考慮服裝的整體物理性能，即降溫服在實際穿著過程中的參數。目前市場上的降溫服普遍存在初期降溫速率過快，導致局部過冷、降溫時長較短的問題。因此，降溫服的整體性能除熱阻、透濕指數外，還包括有效降溫時長(從具有致冷作用開始到降溫效果消失)、初期降溫速率等[4]。

2.2 生理指標

在高溫高濕環境下，人體的生理參數如核心溫度、局部和整體皮膚溫度、心率、出汗量等均會發生變化。熱應力強度不同，其變化程度也不同。因此，根據人體生理指標的變化，可以客觀評價降溫服的降溫效果。

2.2.1核心溫度 在高溫高濕環境下，核心溫度最能體現人體體溫變化，如果人體長時間處在高溫環境，會導致核心溫度升高，引起不同程度的熱應激反應[19]。

ISO 7933—2018[20]指出，當人體核心溫度到達38 ℃時就應該停止工作。若降溫服能使人體核心溫度維持在38 ℃以下，則認為其能起到良好的降溫效果。

2.2.2平均皮膚溫度 平均皮膚溫度是按照局部皮膚溫度與對應部位的皮膚面積計算的加權平均值。平均皮膚溫度可有效直觀地反映人體皮膚溫度的變化情況。MITCHELL D等[21]研究表明，人體熱舒適狀態下的平均皮膚溫度范圍是32～34 ℃。常見的平均溫度計算公式[22-26]見表2。

表2 平均皮膚溫度計算公式

在冷環境中測量人體平均皮膚溫度需不少于8個測點，但當環境溫度較高時，可使用測點較少的公式。因此，在高溫環境中評價降溫服對人體平均皮膚溫度造成的影響時，研究人員推薦使用更簡便且精確的4點公式。若降溫服能使人體在高溫環境中的平均皮膚溫度維持在34 ℃以下，則認為其具有降溫效果。

2.2.3心率 心率是體現在高溫高濕條件下作業的人體承擔的熱負荷及心血管系統狀態的重要指標，能反應人體遭受的熱應激程度。高溫環境下，人體新陳代謝加快、心率升高、血液循環加快，可以促進人體散發多余的熱量，以維持身體的熱平衡。心率的正常變化范圍為 40～180次/min。

MORAN D S等[27]定義了PSI(生理應激指標)，以核心溫度和心率量化高溫下人體的熱應激。PSI將熱應激分為10個等級，10表示強烈的熱應激，0表示無熱應激，其對應的心率和直腸溫度見表3。可結合直腸溫度與心率值判定人體的熱應激強度，從而評價降溫服的降溫效果。

表3 熱應激強度及對應的PSI、心率和直腸溫度值

2.2.4出汗量及汗液蒸發率 出汗量是衡量人體在高溫環境下散熱能力的重要指標，汗液蒸發時從人體吸收熱量，可有效降低皮膚溫度，防止熱量在體內大量聚集產生熱應激反應。可以根據人體在高溫環境下作業前后的裸體質量、著裝質量與降溫服的質量，計算出人體的出汗量、汗液蒸發量以及汗液蒸發率。出汗量越大，表示降溫服降溫效果越差；汗液蒸發率越大，表示降溫服的透濕性能越好。對應的計算公式為

Sp=W0-W1；

(1)

(2)

(3)

2.3 心理指標

人體心理指標包括熱感覺、濕感覺、舒適感、熱疲勞度等。主觀評價通常是將人體的感覺用不同等級的標度表示，使心理感覺轉化為可測量的物理量，通過問卷調查的方式收集大量受試者的感覺值，用數學方式分析人體的主觀感受，從而評價降溫服的降溫效果[28-29]。

3 個體降溫服降溫效果評價方法

個體降溫服作為功能防護服裝的一種，其評價方法和體系與功能防護服裝一致，主要有主觀評價和客觀評價兩大類，分為4種方法，即織物測試評價法、人體生理模型法、暖體假人實驗法、真人著裝實驗法。其中織物測試評價方法與其他功能服裝類似，文中重點闡述后面3種方法。

3.1 人體生理模型法

對于降溫服，人體生理模型法一般通過模擬在高溫環境中人體穿著降溫服時的熱濕傳遞，測量模型數值，近而對降溫服的降溫效果進行預測[30]。若因操作困難而無法進行真人實驗時，可以采用生理模型法預測人體在不同環境和著裝條件下的生理變化，包括皮膚溫度、核心溫度、出汗量、心率等生理變量。

比較經典的模型是Stolwijk 25節點模型[31]和Fiala模型[32]。自人體生理模型建立以來，不斷得到修正，使模型可以在更廣泛的環境狀態、活動水平和服裝條件下使用。HAVENITH G等[33]提出了基于熱感覺模型的人體-服裝熱交換模型，可以有效預測人體熱感和熱舒適感。CHAUDHURI T等[34]研究了基于歸一化皮膚溫度的熱舒適性預測模型，通過局部皮膚溫度及其梯度，提出了一種熱狀態估計模型，其準確度為87%。CHOI J H等[35]提出一種熱滿意度預測模型，該模型證實了心率、7個局部皮膚溫度以及人為因素(如性別、年齡、BMI等)與人體的熱滿意度之間的相關性，并顯示出88.52%的準確度。 PSIKUP A等[36]提出將暖體假人和數學人體溫度調節模型結合形成一種新的熱生理人體模型，該模型克服了兩個單獨組件的局限性，可以評估降溫服與人體之間復雜的熱量與水分傳遞，測試降溫服對人體熱生理狀態長期和短期的影響。SANTOS M S等[37]建立了衣下空間數值傳熱模型，研究了衣下空氣層厚度對對流散熱的影響，并證實衣下空氣厚度對熱傳遞的影響較大。

3.2 暖體假人實驗

暖體假人實驗是測試降溫服降溫效果的常用方法。通常按照ISO 15831—2004[38]，ASTM F 291—1999[39]測試服裝的熱阻；按照ISO 9920—2007[40]，ASTM F 2370—2015[41]測試服裝的濕阻；按照ASTM F 2371—2005[42]測量降溫服的散熱率，以此評價降溫服的降溫效應。

ZHAO M M等[43]通過暖體假人實驗測試了通風服中風扇安裝位置及不同開口條件下的通風服降溫效果，發現風扇置于前胸下部且服裝前后均開口時，暖體假人的散熱量最高，風扇所在位置對應的局部皮膚散熱量最高。韋帆汝等[44]采用暖體假人實驗測試了一款基于相變材料和通風風扇的混合降溫服的降溫效果(環境溫度為30±0.5 ℃，相對濕度47%±5%)，實驗借助暖體假人，采用干態測試(不出汗)和濕態測試(出汗)兩種方法，結果表明當人體不出汗時，混合降溫服主要由相變材料提供降溫效果；當人體出汗量較大時，混合降溫服主要由微型風扇提供降溫效果，該混合降溫服在兩種條件下均能較好地為人體制冷。馬瑞鑫[45]用暖體假人實驗測試了一款適用于石油行業的降溫服在5.5 h內的降溫效果(環境溫度為37 ℃，相對濕度50%)，結果顯示暖體假人的皮膚溫度在實驗過程中保持在33.5～34.2 ℃，可使人體處于熱舒適狀態，表明該相變降溫服可在5.5 h內滿足石油行業工作環境的需求。YANG J等[46]在溫暖環境下通過恒溫模式和溫度調節模式的暖體假人實驗，研究服裝尺寸和通風速率對一款通風夾克降溫效果的影響，結果表明服裝尺寸和通風速率與通風夾克的降溫效果呈正相關。

3.3 人體著裝實驗

3.3.1人工環境倉實驗 人體著裝實驗是最直接、最準確評價降溫服效果的方法(見圖2)。BARTKOWIAK G[47]設計了一款可手動調節冷卻液溫度的主動式液體降溫服，并采用真人著裝實驗采集受試者的皮膚溫度、主觀感受及衣下微氣候物理參數，證實了該溫度控制系統對液體降溫服降溫效果的增益性。鄭晴等[48]采用真人著裝實驗，在溫度30 ℃，相對濕度80%的高溫高濕環境下對一款相變降溫礦工服的降溫效果進行測評，結果表明該降溫服能顯著降低受試者的局部皮膚溫度及出汗量，可有效緩解井下采礦工作者的熱應激問題。SONG W和WANG F等[49-51]多次利用真人著裝實驗，在32～36 ℃高溫環境中對其開發的基于相變材料和通風風扇的混合降溫服降溫效果進行測評，研究發現與單一降溫服相比，混合降溫服中的通風風扇可以促進人體汗液的蒸發，加快蒸散和對流散熱，同時保持PCM的顯著冷卻效果，并有效增加降溫時長。

圖2 真人著裝實驗 Fig.2 Human body wearing test

3.3.2現場試穿實驗 個體降溫服的最終開發還需大量的現場試穿實驗作為依托，在實際作業環境中評定其熱濕舒適性是最為客觀和準確的。CHAN A P等[52-53]在香港的建筑工地、馬路和機場等場所進行了大量的現場試穿實驗，測評在這些熱環境中穿著降溫服時的熱舒適性，結果表明在實際作業環境中穿著降溫服，能有效降低人體的熱應激反應。但現場試穿實驗局限性較大，影響因素較多，實驗操作難度較大，且成本較高。

4 結語

個體降溫服降溫效果的評價方法主要包括面料性能測試法、人體生理模型法、暖體假人實驗法和真人著裝實驗法。這4種評價方法的繁簡程度依次遞增，實驗成本也由低到高依次增加。通常依據實際條件和實驗目的選取不同的實驗方法，采用物理指標、生理指標和心理指標從主觀和客觀兩個方面綜合反映降溫服的降溫性能。但不同環境、不同降溫服的評價具體使用何種評價指標，以及各個評價指標如何有機結合，目前還缺乏足夠的理論和實驗依據。因此評價指標的選取與有機結合是建立科學合理的降溫服降溫效果評價體系的關鍵，也是未來研究的重點。