低熱輻射環境中消防服系統內熱傳遞機制的研究進展

張文歡，李 俊,2

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院，上海 200051；2.現代服裝設計與技術教育部重點實驗室(東華大學)，上海 200051)

消防戰斗中，消防員面臨的熱應激、皮膚損傷甚至死亡等風險可發生在熱輻射、閃火、高溫液體或蒸汽等多種熱環境中[1-3]。然而，相比于閃火強熱流(20～160 kW/m2)的緊急環境，消防員在作業中更多處于常規和危險環境(統稱為低熱輻射環境，2～20 kW/m2)，研究表明多數皮膚燒傷發生于該環境[4]，因此，針對低熱輻射環境與人體之間通過消防服系統的熱交換機制研究一直是熱防護領域的重要研究方向之一。受測評技術和手段的限制，相關研究可以分為以織物及其多層組合為對象和以服裝整體為對象2個階段。

研究者首先研究織物與人體皮膚之間的熱交換，指出織物質量和厚度是影響其傳熱量和熱傳遞速率的重要因素[5-7]。織物與人體之間的空氣層對熱傳遞形式和傳熱量的作用隨后得到研究，但研究中大都假設空氣層厚度均勻[8-10]。后續的研究則進一步拓展至空氣層的非均勻形態及動態活動下的傳熱機制變化[11-12]。在干熱傳遞研究的基礎上，熱濕耦合作用得到關注[13]，包括織物內水分含量及分布的影響等，但研究中大都采用的織物預加濕方式，顯然無法模擬人體出汗形成的水分向外傳遞時導致的衣下空間濕度變化，后者則會改變衣下空氣層的導熱系數和輻射發射率等[14]。由此，模擬主動出汗的裝置研發使得這一問題得到一定程度的改進[15]。

隨著測評技術的發展，假人(包括模擬軀干[16]和全尺度假人[17])為從服裝整體的視角開展研究提供了可能，輻射強度、熱源對稱性、環境風等對著裝人體熱平衡的作用機制得到研究[18]。相對織物層面的研究，假人測評更接近實際的著裝狀態，使得包括針對衣下空氣層形態以及模擬人體(持續)出汗等情形的研究均更深入[19]。然而，目前假人層面測評研究僅考慮人體的被動受熱，忽略了人體熱生理調節機制的作用，這對于長時間熱暴露的情形尤為不足[20]。

綜上，無論是針對織物還是針對服裝在低熱輻射環境中的熱傳遞機制研究，均涉及到多個影響因素的作用，但其在織物和服裝上的作用規律存在差異。本文基于“人體-服裝-環境”系統熱交換理論，依據影響因素的類型分別討論分析了當前的研究進展及存在的問題，為后續綜合考慮織物和服裝的熱傳遞機制提供參考。

1 消防服系統的傳熱機制

作為提供熱防護功能的主體，服裝自身在熱環境中的表現是研究者集中關注的內容，熱防護織物(系統)的固有性能是首要因素；消防服設計特征的貢獻則無法在織物性能中得到體現。

1.1 織物的影響

現有研究多假設織物內部熱傳遞形式為傳導和輻射，忽略對流傳熱。

1.1.1 影響傳導傳熱的因素

根據傅里葉定律，影響熱傳導的因素主要有導熱系數和溫度變化率。織物的導熱能力受到纖維類型以及織物中纖維與空氣相對比例的影響，可通過織物的厚度、密度、質量等基本參數以及織物熱阻等指標進行表征。

已有研究[21]表明，外層織物厚度或者質量較大時，織物內外表面的溫差較大，到達皮膚表面熱量較少，熱防護性能較高，且顯示出明顯的線性關系[22-24]。在多層織物系統中，同樣表現出隨著單層織物厚度的增加，整體熱防護性能同比增加[25]；隔熱層厚度增加提高了其隔熱能力[26-27]；相對其他面料層，隔熱層質量增加對熱防護性能的積極作用尤為明顯[28]。所以，織物的厚度和質量通常被認為是評估其熱防護能力的重要參數[21]。

針對消防服洗滌等使用維護性能的研究同樣發現，織物厚度和質量的變化是洗滌對消防服熱防護性能影響的重要原因。織物的縮水性能使得洗滌后織物更緊密，厚度和質量增加，熱防護性能增加[21]；但當織物縮水量不顯著時，洗滌中機械作用力導致的磨損則會引起厚度和質量的降低，熱防護性能隨之降低[29]。

然而，織物質量對熱防護性能的作用規律在服裝中變得復雜。厚重服裝會使得著裝人體的代謝產熱增加，加之熱環境中難以向外界環境傳遞，形成更高的人體熱負荷，皮膚燒傷的風險上升[30]。可見，在消防服設計與開發中，質量是一個需要平衡的要素。如何在未來研究中，對同一環境著裝人體的實際生理反應(包括核心溫度等生理指標和皮膚燒傷程度等物理指標)進行同時預測和評估則尤為重要。

表征織物隔熱能力的熱阻，與纖維類型、織物密度[31]、纖維結構[21]均有關聯，因此也作為評價織物熱防護能力的指標之一。有研究[22,25]發現，低密度、高熱阻的織物比高密度、低熱阻的織物具有更高的熱防護性能。

1.1.2 影響輻射傳熱的因素

織物內輻射熱傳遞的情形更為復雜，通常包括熱量的反射、吸收、透射和自發射。

基于傳熱理論，織物中的輻射熱傳遞除受到溫差影響外，主要由輻射發射率和輻射角系數決定。有學者認為，織物表面低發射率的織物系統可通過高反射、低吸收的方式提高織物系統的熱防護性能[31]；織物表面發射率與輻射熱防護性能之間呈現雙曲線關系[32]；輻射角系數通過影響熱傳遞分布特點及局部傳熱量，提高織物系統總體傳熱量[8,33]。

對于織物的輻射傳熱的量化研究，最初利用有效輻射系數計算輻射能量在多孔介質中的傳遞[34]，僅考慮熱量的反射，忽略了織物內部的吸收、透射和自發射輻射。有學者進一步提出采用雙通量模型的方法來解釋多孔介質中的熱傳遞[35]。為進一步簡化該熱傳遞過程，忽略自發射輻射，多數研究利用Beer定律模擬織物內部輻射熱傳遞過程，并認為輻射傳熱的衰減由織物對輻射的吸收和向后散射作用決定[36-37]。由于低熱輻射環境織物自發射輻射的作用不可忽略，有學者進一步考慮織物的輻射反射以及自發射輻射，構建了輻射熱傳遞方程[38]。

1.1.3 影響蓄積熱的因素

織物蓄熱能力的提高有助于延緩熱暴露階段的傳熱能力，但同時也增加了蓄積熱釋放階段的皮膚燒傷風險。隨著織物蓄積熱對著裝人體的二次傷害被強調，針對織物蓄熱性能的研究逐漸得到重視。有研究表明，在多層織物系統中，外層面料的蓄熱量最多，占總蓄熱量的36%～57%[24]，能夠有效減緩熱量傳遞[28]。

隔熱層是除舒適層外最靠近人體的織物層，其蓄熱性能得到較多研究[26-27]。一方面，由于隔熱層靠近皮膚，蓄積熱釋放時更多傳向人體皮膚，存在瞬時放熱量過大等消極作用，且隔熱層越厚蓄積熱量越高；另一方面，較厚的隔熱層能夠有效阻隔外層和防水層面料的蓄熱向人體的回放，但在織物受壓情況下，隔熱層的這種阻隔能力被大大削減，研究發現加壓后的織物蓄熱回放量的增加量主要來自冷卻初期的防水層和外層[28]。可見，隔熱層對消防服織物系統熱防護性能的貢獻較為復雜，在進行產品開發時要特別加以重視。

1.2 服裝款式與結構的影響

二維織物制成三維服裝的過程中，織物的分割、拼合、層疊，服裝的覆蓋面積、體積和開口，以及輔料的增添等，均會產生織物性能所不能覆蓋的特性，促使學者對服裝整體的熱傳遞機制展開討論[24]，發現在僅考慮顯熱傳遞情況下，熱防護性能最優的織物系統在服裝整體性能評估中并未體現出最優性能[9]。

針對多層結構厚重服裝造成的散熱困難問題，學者先后提出打開衣領[39]、在側縫部位設計開口[39]及縮短外套長度[40]等方法以增加服裝散熱能力，維持人體熱平衡，提高服裝舒適性。其對人體局部熱損失的作用顯著依賴于開口設計方法及打開方式[41-42]。然而，研究均在熱中性環境進行，高溫環境的空氣向衣下空間流動導致微氣候溫度增加，皮膚溫度升高[43]。熱環境引起的人體熱不平衡將會增加熱應力，導致熱應激的發生，這與熱中性環境中開口的積極作用結論相反。此外，盡管分體式服裝在腹腰臀部位存在上下裝的重疊，減慢了人體與環境之間的熱交換速度；但分體設計影響了服裝的封閉性和衣下空間的完整性，后者對于服裝整體熱防護能力具有積極的影響[44]。相互矛盾的結論提示未來研究中應該合理設計服裝開口，謹慎平衡熱防護和熱舒適問題。

消防服系統各層材料配置也會對系統內傳熱產生顯著影響[40]。防水層設計中，相比氯丁橡膠材料，戈爾特斯(GORE-TEX)薄膜因其具備良好的防水透汽性，使背部和手臂部位的散熱能力顯著提升[39]。此外，消防服中使用的拉鏈以及反光帶對局部熱傳遞能力會產生明顯的阻礙作用[9]。

服裝(織物)性能測試對熱防護性能評估是最直接且關鍵的評價。在織物研究的基礎上，全面分析服裝層面的作用機制，將著裝人體與環境之間熱交換視為統一整體，才能實現服裝性能的全面評估與預測。

2 人體與環境的傳熱機制

為有效模擬人體與環境之間的作用平臺與傳熱機制，人體自身因素的作用不可忽略。從人體角度開展的消防服熱傳遞機制研究主要包括2個方面：一是人體著裝后形成的衣下空間中的熱量傳遞特征；二是人體與環境之間相對運動(包括人體自身運動和環境風)中的對流熱傳遞的作用效果。

2.1 衣下空氣層

空氣的導熱系數(常溫環境為0.026 7 W/(m·K))極低，因此，在著裝人體熱傳遞研究中得到關注[27]。理論上，空氣層中熱量以傳導、對流和輻射形式傳遞，其中：傳導熱量可利用傅里葉定律計算；對流傳熱量通常使用牛頓冷卻定律計算，且常用瑞利數Ra判斷對流傳熱發生與否；輻射熱傳遞采用斯蒂芬波爾茨曼定律計算，通常假設空氣為透明體，不考慮空氣對輻射的吸收。但是當空氣內含有極性氣體(如水分子)時，空氣對輻射熱吸收不可忽略，可構建Beer定律和輻射熱傳遞方程(RTE)來描述輻射衰減。

空氣層在服裝系統熱傳遞中作用的討論主要涉及厚度、方向、位置、形態以及動態性幾個關鍵參數的提取及其作用機制的分析[45]。

均勻空氣層厚度的研究[46-47]表明，在3～15 mm的空氣層厚度范圍內，織物的熱防護性能隨著厚度增加先提高，但繼續增加至發生明顯的自然對流時，熱防護性能略有下降，因此，自然對流是否發生成為另一研究熱點，即尋找“最優空氣層厚度”。在不同的熱暴露環境中，空氣層的作用特性存在差異，其最優值不盡相同。在熱輻射環境中，豎直空氣層內發生自然對流的厚度約為6 mm[37]，但在高溫高濕環境中，這一厚度顯著增加，達到12 mm[48]。在服裝層面，有研究借助服裝尺寸變化構造空氣層厚度梯度發現，服裝尺寸與蒸發散熱能力之間顯著正相關[49]。

以往的研究中，多將衣下空氣層假設為均勻形態，然而，人體體表的不規則形態以及織物的柔性特征，使得衣下空氣層實際呈現非均勻狀態。有學者通過設計褶裥空氣層進行了不規則形態的簡化研究[12]，結果顯示，標準環境中褶裥空氣層設置增加了人體熱損失。三維掃描技術的發展使得獲取真實衣下空氣層的形態成為可能[50]，對不規則空氣層的量化研究有待深入展開。

對于多層服裝而言，空氣層除分布于人體和服裝之間，還存在于織物層間。針對消防服多層織物系統層間空氣層作用的研究表明，僅考慮熱傳遞的情況下，水平放置的外層-防水層間空氣層的隔熱作用小于防水層-隔熱層間的空氣層[10]，但是，潤濕后的織物系統實驗結果相反，表現出空氣層靠近輻射熱源時熱防護性能較高[51-52]。然而，目前仍無法有效提取多層服裝的衣下空氣分布情況[53]。

2.2 人體運動

在關于人體運動對服裝熱傳遞影響的研究中，移動速度是重要的變量。有學者[49]利用可行走的暖體假人實驗構建了高溫環境中人體皮膚表面蒸發散熱量與步速之間的回歸模型發現，蒸發散熱量隨步速增加而增加，但增長率呈現先增大后降低的趨勢。而另一項采用數值模擬方法分析人體移動對熱防護性能影響的研究[54]表明，隨著人體移動速度的增加，二級燒傷時間先降低后增加；但是移動速度增加顯著增加了三級燒傷時間。究其原因，移動速度影響了織物系統入射能，而隨著移動速度的增加，雖然入射能變化速率增加，但達到穩定階段后織物系統入射能反而降低；同時，人體與熱源之間的相對距離急劇減少，熱傳遞速率和皮膚溫度變化率顯著增加。綜合兩方面的作用結果使得二級和三級燒傷時間表現出不同的作用規律。

也有研究則關注人體運動導致的服裝形變，及由此引起的衣下空氣層的動態變化。一項采用數值模擬方法的相關研究中[11]，空氣層運動被假設為正弦波動，變化頻率和變化幅度被作為動態空氣層的特征參數，發現空氣層運動狀態下，皮膚表面溫度上升，熱防護性能降低，并且對流和輻射傳熱量與運動頻率顯著相關。但研究僅考慮空氣層的水平方向運動，而對流換熱顯著依賴于浮升力，與空氣層方向密切相關，進一步研究可充分考慮縱向空氣層內浮力作用。

2.3 環境風

關于環境風對著裝人體熱傳遞作用的研究中，風速是最為常見的參數。利用干態暖體假人討論輻射熱環境中風速影響的研究顯示[18]，風速大大增加服裝的散熱能力。但由于暖體假人測試原理的限制，實驗在5～12 ℃的環境進行，實際的輻射熱暴露環境則可能包含環境溫度高于人體皮膚溫度的情形。隨著溫度梯度方向的改變，風速的作用還有待進一步討論。

另一項采用數值模擬方法進行閃火轟燃環境下環境風作用的研究同樣發現了環境風速對對流傳熱的積極作用，但同時也顯示出風對人體正面和背面總熱流密度分布的影響，即風向影響了服裝表面邊界層氣體流動速度和方向，未來可對此進行更為細化的研究[55]。

3 外部熱源傳熱機制

長時間低熱輻射暴露情況下，包括輻射強度、輻射時長、輻射距離等在內的熱源特征對傳遞至人體的熱量有較大的影響，因而不少研究圍繞熱源的特征變化展開。

3.1 輻射強度

輻射強度對織物系統熱傳遞的作用主要影響熱暴露階段的傳熱量和冷卻階段的蓄熱釋放量[6]，研究發現，熱源強度與織物系統累積蓄熱量之間存在顯著線性相關關系[15]；綜合考慮織物系統傳熱和蓄熱釋放的作用時，隨著熱源強度的增加(6.3、7.5、8.3 kW/m2)，二級燒傷時間明顯減短[25]。

進一步研究[56]表明：當輻射強度超過20.9 kW/m2時，皮膚燒傷取決于熱暴露過程中傳熱量；當輻射強度較低時，熱暴露結束后織物蓄熱釋放顯著增加皮膚燒傷的概率，因此，當消防人員處于熱輻射強度不同的作業場合時，應當注意區分不同的防護策略。

3.2 輻射時長

一項針對熱暴露時間與皮膚燒傷之間關系的研究發現[28]：隨著熱暴露時間的增加，累積傳熱量增加的同時，增加量也逐步增加；而累積蓄熱量則表現出先增加后降低的趨勢。

與熱源強度的作用類似，學者發現短時間熱暴露時，皮膚燒傷來自熱暴露結束后織物系統熱蓄積；而在超過該時間的熱暴露中皮膚燒傷來自熱暴露階段的熱傳遞[6]。進一步分析則量化了該結果，認為在熱暴露時間較短時，皮膚接受的熱量多數來自織物系統蓄熱釋放，達到80%，但是熱暴露時間較長時，蓄積熱釋放導致皮膚表面熱量增加僅占30%～50%[28]。這一規律的發現，同樣值得在針對性的產品研發和防護策略的制定中引起重視。

3.3 輻射距離

輻射距離的不同引起入射熱流密度顯著變化，從而決定了皮膚表面累積得熱量。隨著距離的增加，入射熱流密度(13.6～95.0 J/cm2)降低，皮膚燒傷時間延長[54]。而且，輻射距離不同時，熱傳遞途徑也會發生改變。輻射距離較短時，熱源與織物系統表面之間以輻射熱傳遞為主，隨著距離的增加，對流傳熱增加，與輻射熱傳遞共同作用于入射熱流。

有研究[54]指出了熱輻射環境中的安全作業距離：當暴露在8.5 kW/m2下300 s時，避免產生二級燒傷的安全作業區域為大于0.3 m，避免產生三級燒傷的安全作業區域為大于0.15 m。

4 熱濕耦合作用機制

根據傳熱傳質原理，織物系統內的熱量傳遞和水分傳遞不是相互獨立的過程[57-58]。原因在于：水分會改變織物的熱導率、比熱容等物理性能，以及輻射吸收系數、透過率等光學性質；水分在吸濕/解吸、蒸發/冷凝過程中均會吸收或釋放熱量，呈現出濕熱耦合效應，導致織物及服裝中的熱傳遞機制發生變化。消防服系統中常見來自外界的水分以及人體出汗產生的水分，包括氣態和液態，因此，濕熱耦合效應對人體與環境之間熱交換機制的作用也得到較多研究[38,59]。根據研究關注點的不同，本文將其分為針對含水織物的研究、針對人體動態出汗的研究、以及針對含濕衣下空間的研究3類，分別進行闡述。

4.1 織物內部水分

探索織物中的水分對熱傳遞的影響，是研究熱濕耦合作用的第1階段，此類研究大都采用織物預加濕的方法，忽略織物的吸濕過程。研究發現：在熱流密度為6.3 kW/m2的熱暴露條件下，織物系統的熱防護性能隨著含水量的增加先下降后上升；且含水量為織物質量的15%時，熱防護性能最差[5]。

針對消防服織物系統的多層構成特征，研究進一步細分到各功能層中水分的具體影響。對于外層織物而言，在15.4 kW/m2輻射熱暴露水平下，相比0%、30%和100%的含水率水平，含水率為60%時其熱防護性能最佳[60]。對于隔熱層而言，在熱暴露階段，隔熱層中含水率起到消極作用，而在綜合考慮蓄熱釋放時，則呈現相反的規律[29]。

防水透汽層作為消防服織物系統中特殊功能層，與水分相關的研究主要集中于其透濕能力與熱防護能力之間的關系，研究結論并不統一。有研究認為防水層透濕性對熱防護性能影響較小[61]；也有研究發現隨著透濕性增加防護性能先增加后降低[62]。可見，防水層對水汽的透過能力對熱傳遞的作用機制復雜。

4.2 模擬動態出汗

采用預加濕方式研究熱濕耦合作用，由于忽視了汗液在皮膚表面集聚以及從皮膚表面向織物的傳遞過程，使得研究結論產生一定的偏差[63-64]。而且，預加濕方法中包含了單一的織物干燥過程，并未考慮人體動態出汗時對織物的持續潤濕能力。一項使用出汗軀干的研究證明[65]，在30 kW/m2的輻射熱暴露下，預加濕和模擬動態出汗2種方法中，水分對熱防護性能的影響顯示出相反的作用規律。因此，進一步的研究中開始關注人體動態出汗的模擬。

有研究進一步利用置于輻射熱暴露下的出汗軀干，研究持續出汗過程中多層織物系統的熱濕傳遞規律[23]發現，織物二維平面內的濕傳遞提高了蒸發冷卻能力，而織物層間的濕傳遞則呈現相反結果。可見，人體持續出汗形成的水分動態流動，使得多層織物系統中的熱量傳遞規律發生了很大變化，但是，該研究在標準環境(20 ℃，60%相對濕度)且輻射強度低于1 kW/m2的條件下進行，結論是否能外推至其他外部環境條件和熱源強度還有待進一步驗證。

4.3 衣下空間含濕量

如前文所述，衣下空氣層在服裝系統熱傳遞中發揮著重要作用。研究發現，衣下空間的相對濕度升高對織物系統整體的熱防護性能起到積極影響[14]。面料含水時，最優空氣層厚度遠大于干態面料(水平方向6.4 mm[66]，垂直方向6 mm[37])，接近9～12 mm[67]。這也從一方面證明了衣下空間含有水分時其傳熱機制會發生較大的變化。

對于相同厚度的空氣層和初始溫差，干濕態空氣層內Ra相近，水分的存在增加了空氣的有效導熱系數，熱傳遞系數增加[36]。同時，水分的存在顯著增加了短波輻射的吸收和散射能力，因此輻射熱傳遞降低[68]。

隨著對人體動態出汗影響的關注，關于非穩態衣下空間濕度的研究也得到一定開展。“微環境熱飽和理論”間接支持了這一觀點，即微環境中熱濕飽和較快形成時，相應服裝的熱防護性能越差[69]。

5 結束語

在低熱輻射環境中，輻射作用強度低，熱暴露時間長，消防作業人員的熱損傷多發生于這一環境。當前針對低熱輻射下消防服系統熱傳遞機制的揭示已經取得了一定的進展，研究者們從消防服織物基本性能和服裝的款式特征、人體的形態構成及活動狀態、輻射熱源的特征，以及熱濕耦合作用等多角度進行了不同深度的研究。本文基于對當前研究進展的分析，提出未來該研究領域值得進一步探索的幾個問題。

1)非均勻空氣層的分布與模擬方法。當前關于輻射熱環境中服裝傳遞機制的研究，多假設空氣層分布均勻或直接接觸，針對全尺度著裝人體的非均勻衣下空氣層的研究目前僅有部分將空氣層進行簡化處理的方法。三維掃描技術、逆向工程技術和數值模擬技術的發展，為對人體復雜曲面形態及不規則衣下空間的探索提供了有力的技術支撐。未來可通過細化和虛擬再現著裝人體與服裝之間空氣層形態，提取有效的空氣層特征參數(如曲率、傾斜度)，研究非均勻空氣層的傳熱機制及其對服裝系統整體熱傳遞的影響。

2)非穩態人體運動和環境風的作用。當前關于人體運動和環境風的研究主要集中在均勻輻射熱環境中人體與環境達到熱平衡時的熱傳遞機制探索，對于風向影響的研究也不夠充分，而對非穩態風的環境或人體變速運動下的機制的研究仍然存在難度。未來可進一步細化和深入研究非穩態條件下的氣流場和熱流場，并借助數值模擬技術進行參數化研究，挖掘氣流變化對服裝系統中熱傳遞機制的影響。

3)人體熱調節功能的充分考慮。已有的研究多數將人體視為被動受熱體，對人體自身的熱調節能力考慮不充分，如代謝、出汗等。一方面，可以在全尺度假人層面引入動態出汗功能，提高模擬貼合度，進行輻射熱防護研究；另一方面，可以研究低熱輻射環境中人體的熱生理反應，耦合人體熱調節模型，深入探索該環境條件下消防服系統中熱量的傳遞規律。

綜合而言，對低熱輻射下消防服熱傳遞機制的深入研究，有助于提高服裝熱防護性能評估的全面性和準確性，有利于優化消防服的產品開發與功能設計，最終服務于減少消防作業人員的傷亡和保障生命安全。