降溫服的研究現狀及應用前景

黨天華，趙蒙蒙，錢 靜

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

2020年全球爆發了新冠疫情，醫護人員必須穿著密閉性的防護服對患者進行治療。由于醫用防護服表面覆有透水透氣性差的抗浸材料涂層，極度悶熱，時刻挑戰著醫護人員的身體極限，危害著醫護人員的健康。此外，航天航空人員、航海人員、核生化人員、野戰人員、消防人員、交通指揮人員、建筑工地工人、礦井工人、鍋爐檢修工人等，以及外賣騎手、快遞員等，在炎熱的夏季都容易受到中暑的威脅。受熱濕環境影響，人體多余的熱不能散失，身體無法彌補流失的液體和電解質時，體核溫度升高、血壓升高，導致心情煩躁，甚至影響人體感知、記憶、識別和智力等方面[1]，進而影響工作效率。嚴重的還會發生脫水、中暑等熱疾，危害身體健康。

降溫服又被稱為冷卻服，主要為高溫炎熱環境中工作的人們提供降溫和保護，更是降低人體熱危害最經濟、最簡便的途徑。20世紀50年代末期，Billingham[2]首次提出“水冷服”概念，降溫服的研究由此展開；20世紀60年代初期英國皇家空軍飛行員擁有了世界上第1件液冷服[3]。國內對降溫服的研究相對較晚，但也取得一些成果，如開發的混合降溫服降溫效果良好，顯著提高人體舒適度。當前降溫服的使用已經更加貼近生活，向醫用、民用發展，但仍然存在制冷時間較短，服裝較重，美觀性差問題。

本文總結了國內外降溫服的研究現狀及特點并探究了影響降溫效果的因素，分析了降溫服與人體熱舒適研究的實驗方法，闡述了降溫服的市場與應用前景，為降溫服的設計研發提供參考。

1 降溫服分類

1.1 氣體降溫服

1.1.1 管道式氣體降溫服

管道式氣體降溫服,是指采用空氣壓縮機將空氣預冷，預冷的空氣再通過分布在全身的管道系統排入服裝內部，以對流和蒸發形式對人體降溫[4]，管道式氣體降溫服[4]見圖1。美國海軍航空兵系統司令部[5]與孫曉艷等[6]均開發了飛行員穿著的降溫服。文獻[5]是使用過濾吹風管把周圍的空氣吸入調節器中，經過調節的空氣從出氣口進入飛行服內部的管道，內部風扇打開，并釋放冷氣；而文獻[6]則更側重通風，是利用扁平的通風管，分支管縱向分布且有高強度材料支撐，從通風管里側的小孔吹出氣體。柳源等[7-8]設計的礦用降溫服由渦旋管制冷器及服裝內部具有一定布局的微孔塑料軟管襯層組成，冷空氣沿細塑料軟管上的微型孔進入衣內微空間，對人體散熱。Guo等[9]開發了一種具有前開口和不密封通風的管狀通風服裝，通風裝置引入自然風或者空氣冷卻風進入管道，從孔中吹出到內衣上，具有易穿、輕便、阻力小，人機工程學好等特點。

1—基礎服裝；2—通風管；3—空氣壓縮機。圖1 管道式氣體降溫服

1.1.2 風扇式氣體降溫服

風扇式降溫服主要是指在普通服裝上加裝小型風扇，風扇轉動產生的風促進對流及汗液蒸發。目前部分建筑工人、交通指揮人員等已經在穿著。

國內對于風扇式降溫服的研究頗多。相關研究[10-12]研發了微型風扇陣列人體降溫空調服。劉靜等[10]設計的微小型風扇以并連方式通過編織在衣物內的電路連線與一外接微電源連通，可顯著降低體表溫度。為實際考察風扇陣列的降溫性能制作了實物，單個風扇的大小4 cm×4 cm，經過驗證這種降溫服確實具有良好的降溫效果。任萍[12]自制的空調服將16個2 cm的微型風扇依次并聯，將連接好的風扇陣列縫制于正方形紗布上，然后置于短袖T恤的背部區域，電池選用鋰離子蓄電池與太陽電池板，研究發現當環境溫度過高時,通過風扇的降溫作用不明顯。趙蒙蒙[13]設計了5套風扇位置與服裝開口不同的嵌入式風扇降溫服，發現風扇配置于前胸下部且衣身前后都開口的條件下，軀干散熱最佳。Yi等[14]研究了降溫服風扇與電池的最佳搭配，但風扇提供的空氣流量隨著使用時間逐漸降低，降溫能力逐漸減小；又在之前風扇基礎上增加了檔位，每個檔位能夠提供比較穩定的風量。Hadid[15]等測試的降溫背心帶有2個小風扇，每個風扇由4節AA電池供電，可工作約12 h，帶電池的系統總質量為1.2 kg。

氣體降溫服降溫效果良好，制冷時間較長；但氣體降溫服比較臃腫，容易使穿著者工作不便。

1.2 液體降溫服

液體降溫服為最早的降溫服。液體降溫服通過微氣候區的循環制冷液帶走人體的代謝熱，維持人體熱平衡。液體降溫服由基礎服裝和預冷裝置組成，通過熱交換裝置在冷源處降溫散熱，低溫降溫液再返回人體完成循環[16]。明尼蘇達州大學設計了一款液冷服，可冷卻或加溫，將液冷服內的冷卻管道分布在人體散熱較大的區域，從而達到輕便、高效的效果[17]。岳豐田等[18]發明了一種礦井個體冷卻防護服，上衣的制冷層內部設置有口袋(裝有冰袋)和冰水管路，冰袋下部通過冰袋水口連接冰水管路，冰水管路從上衣延伸至褲腳，此降溫服可以使冷量均勻分布人體全身。于小航[19]發明了一種帶冰貼的水循環降溫服，冰貼袋縫在衣服固定位置，衣服下端裝有水泵，水泵上端連接進水口，水泵左右側分別連接電線和出水管，可用于高溫中暑人員搶救。

然而，液體降溫服冷卻效率高，降溫速度快；但需要制冷裝置，限制著裝者的活動自由，質量較重，攜帶不便。

1.3 相變降溫服

相變降溫服一般是在服裝上設有多個口袋，將相變材料包放入口袋內，通過相變材料吸收人體熱量，進而降溫。常用的相變材料主要有冰、干冰、凝膠、結晶鹽、相變材料膠囊等。Bennett等[20]對比了裝有不同數量凝膠降溫袋的降溫背心對減輕消防員熱應激的影響。Yang等[21]開發了一種便攜式個人降溫服，使用真空干燥劑冷卻包，總質量3.4 kg，在37 ℃的環境中可以達到373.1 W/m2的冷卻能力。張興祥[22]篩選出適宜的成核劑，有效地抑制了相變材料微膠囊的過冷結晶，成功制成相變材料膠囊調溫服。孫文娟等[23]設計的礦工降溫服所采用的復合蓄冷材料，具有相變溫度合適、相變潛熱大且重復性好的特點。王云儀等[24]研究了凝膠蓄冷劑降溫背心，背心前后身各有3個水平的口袋用于放置降溫袋，背心加上降溫袋總質量1.884 kg。錢炎萍等[25]設計了一種新型輔助降溫服，將冰袋固定于頸部雙側，便于臨床應用且能提升冰袋冰敷降溫療效。

相變降溫服制冷效果好，穿戴舒適，無需電源及額外制冷裝置，攜帶便捷，相變材料蓄冷劑可以重復利用；但溫度不可調，覆蓋部位透氣性差，持續時間較短，應急使用不便，且會存在泄露問題。

1.4 混合降溫服

混合降溫服是指由2種或2種以上降溫方式組合而成的降溫服，更具優勢。相關研究[26-27]開發的混合降溫服都是由相變材料包和在下背部嵌入的2個風扇組成。Bachnak等[28]設計的降溫服，將相變材料包和由電池驅動、裝在前后軀干的通風風扇集成在一起，每個風扇的直徑為6.7 cm。丁喜梅設計的半導體降溫服[29]見圖2，熱電制冷與水冷散熱相結合，將具有高導熱系數的導熱膜與半導體制冷片(前后面各布置4片)的制冷降溫性能結合起來，使降溫服所產生的冷量盡可能分布均勻，節約能耗。崔志英等[30]設計了一款結合風扇和噴霧的混合型降溫服，選取Supplex織物作為降溫服的外層面料，經實驗證明混合型降溫服具有更好的制冷效果。

圖2 半導體降溫服

1.5 新型材料降溫服

隨著科技的發展，智能纖維出現，降溫服已不僅僅局限于普通材料。新型材料降溫服穿著舒適，綠色環保。美國研制了一種適用于制作蒸發降溫服的三層縫合紡織品材料，超吸水層是一種非織造毛氈，纖維素纖維與聚丙烯酸酯纖維混合后黏合在一起，降溫材料浸入水中1～2 min，降溫效果可保持5～10 h[31]。王文等[32]在織物上使用變形細菌，使其對濕度敏感，室溫下將細菌放在乳膠兩側保持不變，當一側暴露在高溫時，細菌的擴張導致乳膠向外彎曲,通風口打開，汗水蒸發并降低穿著者體溫。出汗時可自動通風的生物智能服裝[32]見圖3。勞沈均一等[33]設計了一款太陽能降溫服，其后面安裝了一塊半柔性太陽能板，經過一塊控制器給2個蓄電池組(分別為6個半導體制冷片和6個風扇供電)供電。這種降溫服節約能源，綠色無污染。Ke等[34]設計了一種由納米多孔聚乙烯材料制成的常規版型女士商務襯衫，研究發現在使用這種降溫服時，可將可接受的空調設定點溫度從25.5 ℃增加到27.0 ℃，從而節省9%～15%的冷卻能量。Wei等[35]通過在紡織品上涂一層Al2O3分散的醋酸纖維素，可以使紡織品的太陽能反射率從62.6%提高到80.1%，以此達到降溫目的。

圖3 出汗時可自動通風的生物智能服裝

2 影響降溫服降溫效果的因素

人體向外界散熱方式有對流、輻射、傳導和蒸發散熱。降溫服對人體的降溫主要是人體皮膚表面、服裝和環境之間的熱量傳遞，傳熱分析見圖4。

圖4 傳熱分析

降溫服的降溫效果與服裝面料、尺寸、結構設計和外界環境溫濕度等以及人體的運動狀態密切相關。

服裝因素包括面料、服裝尺寸以及服裝開口設計。面料是制作降溫服最基本的材料，其對降溫效果有著重要影響。Guo等[36]開發了一種混合降溫背心,使用具有薄、透氣、抗風、抗水、耐磨性好和防紫外線的面料。Yang等[37]研究了服裝尺寸(S、M、L)和通風量對3種通風夾克冷卻性能的影響,服裝尺寸對人體熱損失的影響各不相同，并且這種影響隨著空氣通風率的變化而變化。服裝的開口有助于增強衣下空氣與外界環境之間氣體交換，增加對流和蒸發散熱，從而減緩皮膚溫度和衣下濕度升高。服裝腋下部位開口對人體熱濕生理調節起到促進作用，具有較好的著裝舒適感[38]。趙蒙蒙[13]設計的降溫服衣身前后都開口，利于散熱。選擇合理的開口結構，可以達到最佳的通風降溫效應。

受外界環境影響，降溫服的降溫效果會隨之變化，若環境溫度過高，使用風扇降溫服對人體降溫效果不顯著。環境風可以直接增加通過面料的氣體交換，同時改變衣下空間狀態，增強通風效果，進而提高降溫服的降溫效應。

當人體運動或處于相對平穩狀態(如看書)，使用降溫服的效果并不相同。與人體靜立狀態下的服裝不同,在運動狀態下由于運動造成空氣對流效應,增大了通風量，但運動產生更多的熱量，對降溫的需求也會相應提高。

3 降溫服與人體熱舒適研究實驗方法

3.1 暖體假人實驗

暖體假人模擬人體與外界熱濕交換，可以測試服裝局部和整體的熱濕性能，可在多種環境下連續試驗，代替真人在極端惡劣環境進行測試，更加安全且避免實驗中個體差異，可重復性好、精度高。Gonzalez等[39]使用出汗暖體假人在高溫環境下評價了一款風扇通風背心，其具有明顯的散熱效果。Farrington等[40]使用ADAM暖體假人和NREL體溫調節模型，研究航天用液冷服對人體的降溫功效。韓增旺等[41]利用Walter假人對風扇降溫服的冷卻性能進行評價，顯示在一定條件下此款降溫服能夠滿足工作人員從事中等體力型活動。王云儀等[24]采用暖體假人對相變降溫背心的熱調節性能進行評價，得到穿著相變降溫背心能降低假人軀干部位的皮膚溫度,延長高溫作業時間。趙蒙蒙[13]使用暖體假人Tore通過測量假人的表面溫度、各個區段的散熱量，評價風扇降溫服的吸熱效應。相關研究[14，37，42]使用“牛頓”暖體假人多次研究降溫服的冷卻效能。

3.2 真人著裝實驗

真人著裝實驗可以更真實的將人體測試的數據及主觀感受呈現出來，但是存在個體差異，主觀性較強，成本較高。文獻[43-44]通過人體穿著降溫服，測試受試者的各項指標，研究表明受試者的熱應激得到降低。關平等[45]研制了醫用相變降溫服，在氣候室進行真人著裝實驗，這對解決傳染病隔離區醫護人員的防暑降溫具有重要意義。Zhao等[46]在氣候室模擬建筑工地的夏季工作環境，結果表明，參與者在被動恢復期間穿上混合降溫背心可顯著緩解熱不適的感覺。Kang等[47]開發了一個數值模型,參與者穿著混合降溫服進行驗證實驗，這項研究對于減輕在炎熱環境中工作的戶外工作人員的熱應力是有益的。對于真人著裝實驗，學者們[48-49]主要是通過測量人體溫度及填寫主觀人體感受問卷，從而綜合評價降溫服對人體熱舒適性的影響。

4 降溫服的市場及應用前景

目前市場上主要以風扇式降溫服和液體降溫服為主。降溫服的國外品牌價格相對較高，主要有MSA梅思安、雷克蘭等，能達到同等品質國內品牌價格適中，如東莞弘明空調服有限公司生產的風扇降溫服，電源、風扇等組件可方便拆卸，穿著安全舒適，且暢銷日本、東南亞、歐美等國家和地區。東莞市南耀智能服飾科技有限公司已經生產出針對醫護人員防護服的隨身散熱風扇，風扇置于防護服內部，不沾染外部細菌病毒，既保證了安全性，又可循環使用，解決了防護服內部不透氣、悶熱的問題。風扇外形小巧，3檔風速可調；采用鋰聚合物電芯，可用3.3～12.0 h。另外還設計了一款風冷馬甲，主要由散熱風扇和冰袋組成，口袋底部的3D網布可通風，使全身氣流循環流通。

降溫服最初為航空航天領域設計，此后發展到航海、軍事、醫療、體育領域，現已走向日常民用，如在夏季的徒步旅行、登山探險、釣魚、庭院田間勞作等應用場景，但技術尚不夠完善，存在制冷時間較短、服裝較重等問題。采用太陽能供電與新型材料相結合是未來發展的趨勢，降溫服將向人性化體貼設計、安全化、綠色化、功能多樣化、智能化等方面發展。

5 結束語

降溫服已應用于眾多領域，人們更加注重對自身的防護，降溫服能減少人體熱傷害、改善人體熱舒適性。氣體降溫服、液體降溫服、相變降溫服、混合降溫服以及新型材料降溫服各具優缺點，應該根據他們的特點使用在合適領域，使其發揮最大的制冷作用。混合降溫服綜合性能優良，具有較強的實用性，是將來研發的重點方向。目前降溫服仍然存在如技術還不夠完善、制冷時間不足、舒適度及美觀性較差等問題，需繼續優化設計以滿足人們的需求。此外，降溫服的安全性十分重要，可使用暖體假人實驗法與真人著裝實驗法，以用戶為中心，加強對產品的檢測和評價，確保產品安全可靠。