液體冷卻服研究進展及消防應用可行性研究

王小波， 錢曉明， 王立晶， 劉永勝， 白 赫

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387；2. 皇家墨爾本理工大學 服裝與紡織學院， 澳大利亞 墨爾本 3000)

消防員必須在極端熱環境中開展消防救援工作，熱傷害是消防員人身安全的主要威脅。人體的熱傷害一般由熱失衡引起，當人體內多余的熱量無法有效排出到外界環境時，就會產生熱失衡。隨著熱失衡的不斷發展，人體將會產生熱應激反應，嚴重時可能導致死亡。熱應激還將影響消防戰斗人員的判斷能力和反應能力，增加消防戰斗人員受傷的風險。

消防戰斗中，外界的高溫熱環境和體內的高代謝水平，使得消防員體內熱量迅速累積。同時由于外界環境和消防服的限制，人體內的熱量無法通過汗液蒸發、熱對流和熱傳導等方式有效排出，熱失衡逐漸產生。黃冬梅等[1]對我國7個地區、31個省市的1 750名現役消防員進行了問卷調查。調查結果表明，活動困難和過熱是消防員在救援工作中遇到的主要困難。受訪人員中，45%的人有過熱經歷，85%的參與者經歷過熱疾病，主要為熱暈闕和熱疲勞。

在被動散熱困難和熱傷害頻發的情況下，研究者們嘗試通過主動冷卻技術對衣下微環境和人體進行降溫。這些主動降溫手段主要有風扇陣列散熱、液體冷卻散熱和相變材料散熱。其中，由于火場外部的高溫環境限制，風扇陣列散熱并不適用于消防服[2]。相變材料因其蓄冷量小，冷卻效率低，相變過程不可控，以及循環使用次數限制等原因，在一般消防應用中受到限制[3]。液體冷卻具有冷卻效率高，冷卻過程可控，冷源可快速拆換，以及可循環使用等優點，具備良好的消防服適用性[4]。本文系統地闡述了液體冷卻服裝的研究現狀，并結合現行的消防冷卻策略，分析了液體冷卻消防服的應用可行性和未來發展趨勢。

1 液體冷卻服的基本結構

液體冷卻服(LCG)的概念最早是由Billingham在1959年提出的，并于1962年在英國皇家飛行基地制造了第1件原型LCG[5-6]。其設計初衷是為了保護在炎熱高空中執行飛行作業的飛行員免受高溫熱傷害。之后，由于LCG廣泛的可應用性，被航天事業、消防作業和防化作業等研究使用。

LCG通過冷卻回路中的循環冷卻介質帶走人體熱量，介質被人體加熱后由冷卻回路流回冷源裝置，經冷源降溫后再重新循環至位于人體表面的冷卻回路中，并繼續帶走人體的熱量。LCG的總質量一般為1.5～4.5 kg，其中服裝質量0.5～2.5 kg，便攜式冷卻系統質量1～2 kg，系統體積為1～3 dm3，續航時間為3～6 h，冷卻介質入口溫度為-5～30 ℃，介質流量范圍為1～2 kg/min，最高冷卻效率為550 W左右[7]。

液體冷卻系統一般由控制系統、冷卻管路、冷卻介質、水泵、冷源、電源和基礎服裝組成，其結構示意圖如圖1所示。其中:1)控制系統一般由溫度傳感器、控制程序和介質流量/溫度控制器組成。部分液冷系統同時監測人體的熱平衡狀態，并根據不同的人體熱蓄積狀態，調整冷卻介質的溫度和流量;2)冷卻回路根據LCG的使用場景，可能具有不同的體表覆蓋面積、入口和出口設置以及分布特點。部分冷卻系統根據人體不同區域的冷熱耐受和血管分布特點，調整回路的分布和冷卻介質狀態，以達到增加冷卻效率和舒適性的效果;3)冷卻介質是影響系統冷卻效率的關鍵部分，通過改變冷卻介質種類、調節介質入口溫度和介質流量，可以改變系統的冷卻效率;4)電源和冷源共同決定了冷卻系統的續航時間，根據任務執行時間和機動性要求，電源和冷源可分為便攜式和移動式;5)根據使用場景需求，基礎服裝可分為全尺寸服裝和局部冷卻服裝。同時，基礎服裝的合體性和隔熱性也將直接影響液冷系統的冷卻效率，基礎服裝的導濕能力將直接影響穿著者的熱濕舒適性。

圖1 LCG的基本結構Fig.1 Basic structure of LCG

2 LCG研究現狀

2.1 冷卻管路

冷卻回路是LCG的熱交換器，其覆蓋率直接關系到LCG的冷卻效果。表1部分列舉了前人關于冷卻回路內徑、外徑和長度的研究[7]。表中數據表明，全尺寸LCG的冷卻回路長度一般為80～120 m，覆蓋人體表面積的15%～20%，液體冷卻背心中的冷卻回路長度一般為15～30 m，其他局部冷卻服裝的回路長度則更短。冷卻回路的內徑一般為1.5～4 mm，外徑一般為2.9～6 mm。對于不提供頭部和頸部冷卻的LCG而言，冷卻回路在手臂、軀干和腿部的平均分布比例為24.9%、25%和50.1%。在這些研究中，人體各區域的冷卻回路分布比例比較接近，且腿部分布更多，這從側面反映了對腿部提供更多的冷量，有利于LCG整體冷卻效率的提升。對于提供頭部和頸部冷卻的LCG來說，頭部和頸部、手臂、軀干和腿部的冷卻回路平均分布比例為17.2%、18.9%、26.9%和31.7%。相較于前者，該冷卻回路中腿部的分布比例明顯減少，即通過將腿部的冷量分配至頭部和頸部，完成對整個LCG冷卻回路的重新配置。

表1 LCG中的冷卻回路參數Tab.1 Parameters of cooling pipe in LCG

冷卻管的材質也會影響整個回路的導熱性。目前，大多數LCG所使用的冷卻回路材料為聚氯乙烯(PVC)。PVC具有良好的生物相容性、耐磨性、柔韌性，但其導熱率僅為0.14 W/(m·K)，是常見的隔熱材料之一。事實上，當今的導熱材料發展迅速，導熱PVC的研究也取得了長足的進步。鄭康奇等[22]采用硅微粉和氫氧化鎂作為導熱和阻燃填料，制備了具有導熱和阻燃功能的PVC復合材料，該復合材料的導熱率為0.77 W/(m·K)，且燃燒等級達到FV-0 級。Shen等[23]通過為PVC枝接多壁碳納米管(MWNTs)制備了MWNTs-PVC復合材料，當枝接效率為0.103%時，其導熱性為0.18 W/(m·K)。然而，目前還未出現將這些導熱材料應用于液冷系統的研究，這些高導熱性材料對液冷系統冷卻效果的實際影響還需要進一步的實驗研究。

2.2 冷卻介質

冷卻介質的入口溫度是決定液冷系統冷卻效率和人體熱舒適度的關鍵因素。更低的入口溫度意味著更快的能量交換和更高的冷量存儲，然而過低的入口溫度將對人體造成冷刺激，引起毛細血管收縮，最終影響冷卻回路與人體的熱量交換。受人體對冷的痛感閾值限制，以及冷卻回路與人體表面之間的服裝和空氣層隔熱影響，冷卻介質的入口溫度一般分布在-5～30 ℃之間。Webb等[10]認為，入口溫度對冷卻效率的調節效果明顯優于介質流量。Jetté等[24]通過出汗暖體假人研究了入口溫度與冷卻效率之間的關系，發現當出汗暖體假人皮膚溫度為30 ℃ 時，7 ℃和14 ℃的冷卻介質入口溫度產生的冷卻效率分別約為95 W和50 W，且隨著出汗暖體假人皮膚溫度的升高，LCG的冷卻效率隨之提升。

冷卻介質和介質流量也是影響冷卻效率的重要因素，不同的冷卻介質具有不同的比熱容，決定了其攜帶冷量的能力不同。LCG中常用的冷卻介質為水，當要求冷卻介質溫度低于0 ℃時，可使用水和乙二醇的混合物作為冷卻介質[25-26],也可通過往水中加入不同比例的相變材料，調節冷卻介質的蓄冷能力。更高的介質流量可在單位時間提供更多的冷量，促進了介質與人體之間的熱交換。但與此同時，過高的介質流量將會增加泵的負擔和能源的消耗。前人的研究表明，介質流量為1 L/min左右時，LCG將獲得較好的冷卻效果[8]。Wang等[27]通過向冷卻介質中加入石蠟微膠囊相變材料，研究不同比熱、流量和入口溫度的冷卻介質對LCG冷卻效率的影響。實驗結果表明，入口溫度的降低、介質流量的增加和相變材料的添加，都將提升LCG的冷卻效率。且當入口溫度為11 ℃，介質流量為200 g/min，相變材料含量體積比為20%時，在系統功耗沒有明顯提升的情況下，與冷卻介質為水相比，系統的冷卻效率提升了26%。對于LCG而言，冷卻介質的介質種類、入口溫度和介質流量應根據實際情況合理配置，部分LCG使用的介質種類、介質溫度、介質流量和冷卻效率如表2所示。

表2 冷卻介質參數及其冷卻效率Tab.2 The cooling medium parameters and its cooling efficiency

2.3 基礎服裝

前人的研究成果表明，在穿著防護服時LCG的冷卻效率為500～600 W，當只穿戴LCG時冷卻效率為300～350 W[29-30],這意味著防護服在一定程度上具有隔絕外界熱環境的作用，讓更多的冷量作用于人體，從而提高LCG的冷卻效率。Cao等[31]認為優秀的LCG內層面料應具備良好的導熱性、透濕性和接觸舒適性。其對18種不同纖維含量、纖維結構和厚度的織物進行了導熱性、透濕性和接觸舒適性測試，實驗結果表明，由80%聚酯纖維和20%氨綸纖維構成的編織物是內層面料的最優選擇。

冷卻回路與人體的接觸狀態和均勻性是影響LCG冷卻效率的另一關鍵因素[16,32]。合體的LCG將使冷卻回路與人體皮膚充分接觸，最大限度發揮LCG的冷卻能力。Bartkowiak等[28]設計了一種新的雙層針織物，該織物的內層紗線為聚酯纖維和彈性纖維混紡而成，外層紗線由棉纖維和彈性纖維混紡而成，改善了LCG與人體的接觸效果。此外，內層紗線的優良導熱性，還將提高其對體表熱量的傳遞效率；內外層紗線構成的潤濕梯度，將會促進其對汗液的向外傳輸。實驗結果表明，基于該新型雙層織物開發的LCG，為穿戴者提供了更好的冷卻效果和服用舒適性。

2.4 冷卻系統的智能控制

液冷系統的設計目的是為了維持人體的核心溫度和皮膚溫度，然而隨著實際工作狀態的改變，人體的產熱和熱平衡狀態會隨時變化，這將導致靜態的液冷系統無法適應動態的人體熱平衡狀態。為液冷系統設置控制系統是解決這一問題的有效手段，LCG的控制系統可分為手動控制和自動控制二大類。前人的研究結果表明，自動控制系統較手動控制系統具有更好的使用效果[28]，并且冷熱刺激可能導致人體主觀的熱知覺與客觀的熱平衡狀態不符，從而導致不當的手動調節行為。

LCG的自動控制系統通過判斷人體的熱平衡狀態，動態調節冷卻回路的冷卻效率，從而調整人體的熱平衡狀態。研究自動控制系統的關鍵在于感知人體的熱平衡狀態，感知機制可以分為二大類：1)根據冷卻回路入口溫度和出口溫度之差，判斷人體熱平衡狀態；2)根據人體的實時生理參數判斷人體的熱平衡狀態，前人研究的狀態表征參數包括人體的出汗率[33]、皮膚溫度[34]、心率[35]、二氧化碳產量[36]以及代謝率和體溫的綜合表征[37]。如Kuznetz等[38]基于人體代謝率的經驗規律和人體常態下的熱平衡參數，開發了一種基于冷卻介質溫差的冷卻效率控制策略。Martin等[17]提出一種基于計算人體平均溫度的皮膚溫度控制模型，其以皮膚溫度的設定代替入口溫度。Cheuvront等[39]提出了一種間歇性區域冷卻系統的概念，其按照一定時間規律間歇性開啟冷卻循環。在冷卻循環關閉階段，冷卻回路中的冷卻介質得以充分吸收人體的熱量；而在冷卻循環開啟階段，冷卻回路中被人體加熱了的冷卻介質通過循環被替換為新的低溫冷卻介質。實驗表明，間歇性區域冷卻可提供與普通LCG相當的冷卻效率，并減少冷卻系統的能量消耗。

這些自動控制系統因其判斷人體熱平衡狀態的依據不同，在實際使用中具有各自不同的特點。如冷卻介質的溫度差在表征人體狀態時具有滯后性，而測定部分人體生理參數則可能需要復雜的額外設備。如何在不增加或少增加額外監測設備的前提下，實時準確地感知人體的熱平衡狀態是研究自動控制系統的核心。

2.5 區域個性化冷卻

不同的人體區域具有不同的表面積、人體組織和血管分布等，這些區域對冷具有不同的敏感度，且與冷卻回路具有不同的換熱效率。因此，根據人體各區域的特點，個性化地進行冷卻強度管理是提升LCG冷卻效率和服用舒適性的有效手段。

在實際應用中，為更加有效地帶走人體內的熱量，應提高工作肌肉區[40]和部分血管密集區[41-42]的冷卻強度，這可以通過增加該區域的冷卻回路覆蓋率和降低該區域冷卻介質的溫度實現。因為工作肌肉區更高的產熱和血管密集區更加豐富的血管分布，將會促進冷卻回路與人體表面之間的熱量交換。但應注意的是，提高冷量供給的同時應避免對人體造成過度冷卻，影響人體內熱量的排出。一般而言，工作肌肉區相對于其他區域產生更多的熱量，且對冷具有更好的耐受能力。Shvartz等[13]基于頭部和頸部具有更好的冷卻效果，優化了Burton和Collier提出的全尺寸LCG冷卻回路分布策略。Xu等[18]設計了一種多回路LCG，為不同的人體區域提供不同的冷卻回路覆蓋率，并可對人體的軀干、手臂和腿部進行單獨的入口溫度控制。實驗結果表明，多回路液冷系統消除了非運動區域的局部不適感，提升了LCG的服用舒適性。

3 液體冷卻的消防應用可行性分析

3.1 消防戰斗環境及人體熱平衡

消防員需要穿著消防服在極端熱環境中進行消防戰斗，極端熱環境-消防服-人體是消防戰斗中熱濕傳遞的基礎條件，也是消防服下溫度調節系統的主要作用因素。消防戰斗中的熱暴露等級可分為常規、危險和緊急等級，各等級對應的場景、環境溫度、輻射熱通量和戰斗時間等如表3[43]所示。

表3 消防戰斗熱環境危險等級分類Tab.3 Classification of thermal environmental in firefighting

人體時刻與周圍環境進行著動態熱交換，其熱平衡方程可表述為

M-W=E+R+C+K+S

式中：M代表人體的新陳代謝產熱率，W/m2；W為人體的對外做功，W/m2；E為汗液蒸發散熱率，W/m2；R為輻射散熱率，W/m2；C為對流換熱率，W/m2；K為熱傳導散熱率，W/m2；S為人體的儲熱率，W/m2。一般情況下，人體的代謝產熱有1%～2%通過呼吸和熱傳導散發至周圍環境[30]，而熱輻射和熱對流則向周圍環境傳遞了75%的人體產熱[44]。服裝在人體與環境之間的熱交換中起到了重要的調節作用。

在消防戰斗中，消防員體內的熱蓄積主要由外界環境傳遞的熱量和自身的代謝產熱組成，影響其熱平衡狀態的主要因素有代謝產熱、防護裝備的隔熱能力和人體熱量排出。防護服在保護人體免受外界危害的同時，由于其防水隔熱的特點，也阻礙了人體汗液的蒸發和熱量的排散。大量的汗液被消防服吸收，卻不能有效蒸發，無法帶走人體熱量的同時，還將降低防護服的防護性能。外界的高溫環境還將抑制人體通過熱輻射、熱對流和熱傳導向外界排散熱量，這將導致人體的體溫調節系統難以與消防防護裝備共同維系人體的熱平衡狀態，不可避免地在人體內產生熱蓄積。研究表明，人體最多只能承受830 kJ的熱蓄積，其相當于人體體溫達到40 ℃[45]。在熱蓄積的最初階段，人體將產生心理警覺并激活體溫調節系統。隨著熱蓄積的不斷加深，人體將會在60～90 min或者更短的時間內產生熱應激反應[46-47]，其主要表現為心動過速、水合不足和體溫過高。更進一步的熱蓄積，將可能導致焦慮、精神萎靡甚至死亡。

3.2 現行的消防冷卻策略

為緩解消防員體內的熱蓄積，避免產生熱應激反應，必須在人體達到熱蓄積極限前，對人體進行冷卻。現行的消防冷卻策略根據作用階段的不同，可分為消防實時冷卻和消防間歇冷卻。消防實時冷卻作用于消防戰斗期間，在消防戰斗的過程輔助吸收人體多余熱量，減少人體的熱蓄積。消防間歇冷卻作用于消防間歇期，通過冷卻技術加速消防員的體征恢復速度，為下一階段的消防救援工作做好準備。這些冷卻手段按照作用方式不同，又可以分為主動冷卻方式和被動冷卻方式。被動冷卻的主要方式為，消防人員脫掉部分或全部防護裝備，加快體表的蒸發散熱和輻射散熱。主動冷卻可分為傳導冷卻、對流冷卻和蒸發冷卻。傳導冷卻主要包括手部或手臂浸水、靜脈鹽水滴注和相變冷卻背心(PCM背心)降溫。對流冷卻的主要方式有液體冷卻、風扇陣列冷卻和普通風扇冷卻等。常見的蒸發冷卻方式為對消防員體表進行噴水。

在消防間歇冷卻研究中，Colburn等[48]通過消防演習研究了前臂浸水、PCM背心和被動降溫之間的冷卻效果區別，發現前臂浸水略優于被動冷卻，PCM背心與被動冷卻效果接近，且三者均未將人體核心溫度完全恢復至基準線。Hostler等[49]通過實驗研究了被動冷卻、靜脈鹽水滴注、風扇冷卻、PCM背心、前臂浸水和手部浸水冷卻的恢復效果。實驗結果表明，這些冷卻方式對人體體征恢復的促進效果并沒有明顯區別。以上實驗研究都是在溫和環境(24～35 ℃，35%～50% RH)下進行的。Carter等[50]在(40±1) ℃，(70±5)% RH的環境中，研究了風扇冷卻和被動冷卻的降溫效果，結果表明在間歇期中，被動冷卻組核心溫度繼續上升0.9 ℃，而風扇組僅上升0.25 ℃。Mcentire等[51]認為在高溫高濕環境中，被動冷卻無法繼續提供有效的降溫效果，主動冷卻雖不能有效降低人體的峰值核心溫度，但卻可以降低核心溫度的上升速度和加速人體核心溫度的降低。前人的研究結果表明，環境條件對消防間歇期中的冷卻效果具有顯著影響，在溫和環境中，被動冷卻是較理想的冷卻方案，而在高溫高濕環境中，主動冷卻策略對人體的體征恢復具有更好的促進作用。

適用于消防服的實時降溫策略主要有相變冷卻和液體冷卻2種方式。Bennett等[52]通過在熱防護服下穿著四袋/六袋PCM背心，對PCM背心的實時冷卻效果展開研究。研究結果表明，PCM背心延長了受試者的工作時間，且四袋PCM背心只能抑制溫度的升高，六袋PCM背心卻能降低人體溫度。Chou等[53]進行了類似的實驗，但是PCM背心中的相變材料分別為冰塊、5 ℃的相變材料(PCM5)和20 ℃的相變材料(PCM20)。實驗結果表明，穿著PCM背心有利于抑制人體溫度的上升，且在試驗后的恢復階段中，PCM5具有更低的心率。同時，對照組人體水分損失最大，而冰背心、PCM5和PCM20在人體水分損失方面沒有明顯區別。Carter等[54]分別在熱環境(距地面1.2 m高度的溫度為170 ℃)和溫和環境(15～20 ℃)中，對穿著熱防護服、自給式呼吸器(SCBA)和PCM背心的受試者，進行了50 min 的消防救援模擬實驗。實驗結果表明，在熱環境中，救援時間變短，人體核心溫度上升更快，皮膚溫度更高，出汗更多。但是，PCM背心組和對照組在這些方面的數據均無顯著差異。從這些研究中可以看出，在消防實時冷卻中，多數研究者認為PCM背心在一定程度上具有抑制體溫上升、降低心率和減輕出汗的效果。部分研究得出的差異結果，可能是由于實驗中的活動強度和產熱量超出PCM背心的冷卻能力，當相變材料的蓄冷量完全釋放后，相變材料自身的低導熱性和PCM背心本身將會阻礙人體熱量的排散。

牛麗[55]通過將消防服和液體冷卻背心相結合，設計研制了冷卻回路位于消防服內側的液體冷卻消防服。實驗結果表明，液體冷卻消防服能幫助消防員緩解熱應激，并延長消防員的消防救援時間。Bartkowiak等[28]設計了一種用雙層針織物面料制成的液體冷卻服，并測試其對人體體征和熱防護服下微氣候環境的改善效果。實驗結果表明，該LCG能有效降低皮膚溫度和改善衣下微環境的物理參數。Kim等[56]通過跑步機模擬測試研究了LCG在熱防護服下的冷卻效果，實驗表明LCG能有效降低人體的熱感，抑制人體整體溫度的提升和心率的提升。前人的研究結果表明，LCG能改善消防戰斗和消防間歇中的體征參數，緩解熱應激反應，提升消防戰斗表現。

從現行的消防冷卻策略來看，在消防間歇冷卻中，無論是被動冷卻還是主動冷卻，均無法有效縮短人體核心溫度的恢復時間。在消防實時冷卻中，PCM背心能一定程度抑制體溫上升、降低人體的心率和出汗水平，但其蓄冷能力有限，且冷卻過程不可控，根據實際情況可能出現差異性結果。而液體冷卻因其冷卻過程可控和高冷卻效率，在前人研究中展現了較好的冷卻效果，可能是未來主動冷卻消防服的發展方向。

3.3 液體冷卻在消防服中的適用性

為實現良好的冷卻效果，LCG需要輔以特殊的基礎服裝、冷卻回路和冷卻介質等。LCG的特性與消防服和消防救援任務的契合性，將會顯著影響液體冷卻消防服的最終服用性能。

從基礎服裝來看，LCG要求其基礎服裝具有:1)良好的外界環境隔絕能力； 2)多層織物結構；3)良好的合體性；4)良好的舒適層導熱性。消防服為具有優秀隔熱能力的多層織物系統，從這個意義上說，其與LCG具有天然的相適性。但是消防服結構寬松，舒適層一般為防火隔熱材料，這與液體冷卻服裝的設計要求相悖。良好的合體性和舒適層導熱性能增加液體冷卻系統與人體的換熱效率，從這個角度而言，消防服的織物系統嚴重限制了液冷系統對人體多余熱量的吸收。然而，消防服的應用環境為極端熱環境，消防員的熱蓄積除了來自人體的新陳代謝外，更多的是來自外界的高溫熱環境。位于多層織物系統中的冷卻回路，能有效地帶走從外界進入衣下微環境的熱量，從而減少人體的熱蓄積。除此之外，舒適層的低導熱性還將優化冷卻介質的最低入口溫度限制，讓冷卻介質能以更低的入口溫度進入冷卻回路，而不會對人體產生過冷刺激，從而增加冷卻回路對外界進入熱量的吸收效率，同時也一定程度增加了其對衣下微環境和人體熱量的吸收效率。液體冷卻消防服的實際防護能力還需要進一步的實驗研究，因其冷卻能力與對外界進入熱量的吸收效果密切相關，在進行實驗研究時應盡可能模擬消防戰斗的實際熱環境。

設計區域冷卻策略時，還應考慮火場救援的工作特點。消防員可能置身于一個周圍近似具有均勻熱輻射的環境，也可能面對熱源，導致人體前方的熱輻射明顯高于身體后方。根據實際救援工作，冷卻回路的分布可能需要進行針對性的優化，然而目前還未見這方面的研究。另外，智能控制系統中的人體體征檢測功能，有利于消防戰斗指揮人員實時掌握消防員的熱應激水平，使其免受進一步的熱傷害。除此之外，根據消防任務對消防員機動性的要求，液體冷卻消防服可使用便攜式冷源，并可能通過調節介質流量控制冷卻效率，以減少額外的設備負擔。

3.4 液體冷卻消防服設計中的其他問題

衣下微環境過濕也是影響消防服服用舒適性的主要因素之一，織物系統含水率增加還會對消防服的熱防護性能產生不利影響。黃冬梅等[1]對現役1 750 名消防員的問卷調查表明，54%的人認為穿著消防服后服裝內部比較潮濕，23.3%的人認為服裝內部非常潮濕。Lawson等[57]研究了水分對消防織物的熱防護性能影響，實驗結果表明，在高強度閃火暴露下，內層織物被潤濕將降低織物系統的熱防護性能。何華玲等[58-59]通過實驗研究發現，當織物組合含水率小于20%時，織物組合的熱防護性能隨著含水量的增加逐漸降低，當含水率達到20%時，織物組合的二度燒傷時間達到最小值。由此可見，濕度管理與溫度管理一樣，是影響消防服防護性能和舒適性的關鍵因素。

衣下微氣候的濕度管理一般通過對服裝織物進行單向導濕整理實現。常見的單向導濕整理手段有：差動毛細效應整理，潤濕梯度效應整理和蒸騰效應結構設計[60]。賈亞楠[61]使用水刺工藝，將具有良好吸濕性的阻燃粘膠纖維復合到消防服隔熱層外側，使隔熱層內外側形成潤濕梯度，從而促使水分由親水性差的內側向親水性好的外側單向傳導。實驗結果表明，內外側具有潤濕梯度的隔熱層，并不具備有效的單向導濕效果，原因可能是由于隔熱層克重高、厚度大、孔徑小，水分通過受阻。液體冷卻消防服的織物系統中加入了冷卻回路，這從一定程度上加劇了冷凝現象的發生，織物系統中的含水率可能會進一步增高，必須為液體冷卻消防服設計特殊的濕度管理系統。目前，關于消防服下的濕度管理研究較少，迫切需要更多的相關研究，改善消防服的服用性能。

除此之外，液體冷卻消防服在提升防護性能的同時，也帶來了服裝重量增加和靈活性下降的問題。為液體冷卻消防服開發特適性的硬件，能減少液冷系統對消防服的重量、體積和靈活性產生的負面影響。郭廷輝[62]基于LCG中水泵體積小、重量輕和揚程高的性能需求，借鑒流泵設計法對微型泵葉輪進行改良，成功設計制作了適用于LCG工況的微型泵。該泵的總體外尺寸為22 mm×34 mm，質量僅為21 g。目前，關于液體冷卻消防服特適性硬件的研究較少。

4 結束語

液體冷卻系統與消防服具有良好的契合性，通過對液體冷卻系統和消防服進行結構優化設計，液體冷卻消防服可能成為未來消防冷卻策略中的主流方式。未來液體冷卻消防服的研究可以從以下方面展開。

1)提升冷卻能力。如改善冷卻回路的導熱性能，改進液冷系統與人體的貼合度和對冷卻回路進行優化設計等。

2)發展智能控制。智能控制系統能為消防員提供更加舒適的冷卻效果，并避免手動調節對消防員造成精力分散和時間浪費。同時，智能調整冷量供給可能延長冷卻系統的工作時間。

3)開發特適性硬件。為液體冷卻消防服開發特適性的硬件，將能減輕液體冷卻消防服的重量和體積，增加其服用便利性。

4)優化冷卻回路。目前研究者們傾向于通過為現有的防護服添加通用的內置冷卻背心完成人體冷卻，這不利于提升防護裝備的靈活性。將冷卻回路內置于消防服的多層織物結構中，并優化其分布策略，是未來液體冷卻消防服的發展趨勢。