相變通風服在建筑作業中的降溫性能

中圖分類號：TS941.16 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）07-0109-08

建筑行業在我國經濟板塊占有重大比例且從業人員眾多，是國民經濟中的重大支柱[1]。隨著城市建設的發展，社會對建筑工人的需求顯著增大，建筑工人在夏季室外環境下作業的熱防護問題，也成為了業內外人士關注的焦點[2]。在高溫高濕環境中，高強度的體能作業產生的熱量是休息時的15～20倍。機體運動產生的熱量與環境中獲得的熱量導致皮膚溫度升高，降低機體內部與皮膚之間的溫度梯度，從而造成體溫上升[3]。在此情況下，就必須對高溫環境作業的建筑工人進行熱防護。

在無法改變環境的前提下，可以選擇個體降溫服（下文簡稱降溫服）對人體進行熱應激調節。通過服裝開口或借助織物透氣性增大人體散熱的被動式降溫服降溫效果有限，已難以應對室外高溫作業，因此本文選擇穿戴主動式降溫服來應對高溫高濕環境下的建筑作業。目前主動式降溫服主要分為4類[4-5]：氣冷式降溫服，利用空氣壓縮器吸入外界空氣并經過制冷后送到人體皮膚表面;液冷式降溫服，利用供液泵使液體流入制冷設備，后流入遍布體表的軟管管道；相變材料式降溫服，通過相變材料熔化吸熱，緩解人體的熱應激；風扇式降溫服，通過服裝內安裝的風扇鼓風，產生強迫對流，增大體表散熱[6-7]。前2種降溫服降溫效率高、持續時間長，但體積和質量較大，只適用于小范圍固定的作業環境，而后2種降溫服質量較輕，便攜性好，更適合大范圍活動的戶外作業人群。此外，目前大多研究主要通過跑步機、單車等運動設施模擬代謝強度來測試降溫服的降溫性能，但對實際作業場景的模擬和測評分析較少，值得進一步深人研究。

本文在人工氣候艙內模擬真實的夏季建筑工地環境，模仿真實工作狀態下抬高、扛起、轉移、卸貨等動作的重物搬運過程。選用相變材料與內置風扇組合的復合式降溫服一相變通風服，與普通工作服進行對比，該相變通風服不影響建筑作業中大幅度的移動、身體彎曲與蹲起，且肩部無附加設計，能夠滿足扛重物等搬運需求。同時通過監測人體客觀生理數據與主觀認知測評、主觀感受，分析生理數據對人體主觀感受的影響，探究相變通風服在高溫環境下建筑作業中的性能，為高溫環境建筑作業提供安全保障參考。

1實驗

1. 1 實驗服裝

普通工作服（慧爾發，中國）為180/96A男款號型，材質為 100% 棉，重 0.36kg 。相變通風服（TAGKITA，中國）為 180/96A 男款號型，材質為 100% 純棉，總重 1.9kg ，其中相變袋重 1kg 。相變通風服的外觀如圖1所示，服裝后背下側嵌有兩個小型風扇，直徑9cm ，使用容量為 10000mAh 的充電寶供電，風扇轉速 6829r/min ，風扇風速約 4.7m/s ；服裝后背與前胸兩側各放置一個相變冰袋，共4個，相變冰袋采用石蠟混合物，外包覆純生物基材料和TPU，使用前需要將其放入冰箱冰凍 50～60min ，以完全蓄冷。由于相變通風服較寬松且不直接接觸皮膚，根據研究建議[8-9]，選擇與皮膚表面溫差較大的相變溫度15^°C ，以強化降溫效果，相變材料完全熔化至失效的時長大約為 30～40min 。實驗過程中服裝統一拉上拉鏈。

圖1相變通風服的外觀圖

Fig.1Appearance pictures of phase change ventilation clothing

圖2Ibuttons溫濕度傳感器與塑料支架 Fig.2Ibuttons temperature and humidity sensor with plastic holder

1. 2 受試者選擇

挑選8名在校男性大學生參與實驗。受試者均身體健康，無特殊疾病，年齡（ 20±2） 歲，身高（ 180± 7） cm ，體重（ （71.5±18.5）kg ，身體質量指數為（2 1.97±4.33 ） kg/m² ，中高強度體育鍛煉時長（ 10± 5）h 周。

受試者需在實驗前 24h 內保證正常飲食和睡眠，沒有攝入茶、酒、咖啡或其他功能性飲料，體溫正常，實驗前 0.5h 不得飲食，兩次實驗間隔須大于 24h 。

1.3 測試指標

1.3.1 客觀生理指標

a）平均皮膚溫度。采用美國伯克利實驗室的四點法對皮膚溫度進行測量計算，在胸口、左上臂、右大腿、右小腿直接粘貼溫度傳感器進行測量。人體平均皮膚溫度采用式（1）計算：

T_MST=0.3T_H×H+0.3T_Z.LE×H+

式中：TMsr 是平均皮膚溫度，C；T胸口、T左上臂、T右大腿、T_{t1，t2，t3，t4^′} 分別為各局部身體部位的皮膚溫度， C 。

b）軀干衣下溫濕度。使用溫濕度傳感器Ibuttons（DS1922L，Maxim，美國）與側面開口的塑料支架，溫濕度傳感器在支架上的擺放方式如圖2所示，支架厚度 0.8cm ，即測量距離皮膚 0.8cm 處胸部、腹部、腰部、背部的衣下溫濕度。采用式（2）一（3）計算衣下平均溫度、衣下平均濕度：

（3）式中： T_g 是軀干平均衣下溫度， T_???? 分別為各局部衣下微環境溫度， C：W_g 是軀干平均衣下濕度； 分別為各局部衣下微環境相對濕度， % 。

c）出汗量及汗液蒸發率。分別按照式（4）— （5）計算出汗量及汗液蒸發率：

S_p=W₀-W₁

式中： S_p 為出汗量， g W₀、W₁ 為實驗前、后的裸體體重，g； S_r 為汗液蒸發率， % ; 為實驗前、后的服裝質量， g;Δm_res 為呼吸失水量， g ，使用式（6）—（7）計算：

Δm_res=0.00075A_Du×M（5.624-0.001D_e）×Δt

式中： Δt 為時間間隔， min ： M 為代謝率（根據ISO8996 附錄中的表格計算，值為56）， W/m² A_Du 為人體體表面積[10]， m²;D_e 為環境中的水蒸氣濃度， Pa ；RH 為環境相對濕度， % ： T_a 為環境溫度， C 。

1.3.2 主觀認知測評

測試受試者穿著實驗服裝進行體力勞動后對認知能力的影響，包括3個測試內容：

a）抑制認知干擾測試。使用如圖3（a）所示的Stroop色詞測試，呈現色、形一致或不一致的彩色字，要求受試者盡可能快地對字的顏色做出反應，以 1min 內測試成績，即正確數減去錯誤數，反應降溫服對建筑工人抑制認知干擾能力的改善程度。

b）注意力水平測試。使用如圖3（b）所示的舒爾特方格實驗，在25格 1cm×1cm 的方格內任意填寫阿拉伯數字1-25，要求被測者依次指出其位置，同時誦讀出聲，以所用時間反應高溫下建筑作業后的注意力水平[12-13] 。

c）反應時間測試。使用如圖3（c）所示的變色反應測試，當屏幕突變顏色時，受試者需迅速點擊屏幕，以反應時間表示降溫服對降低人體皮膚溫度，減少高溫、高強度運動對人體反應能力的影響[14]。

圖3 主觀認知測評

Fig.3Subjective cognitive assessment

1.3.3 主觀感覺評價

使用圖4所示的主觀評價量表進行整體熱感覺、熱舒適、濕感覺的評價[15-16]。熱感覺：采用國際標準的七級實驗標尺，范圍從-3（冷）到3（熱）；熱舒適：采用四級評價標尺，范圍從0（舒適）到4（非常不舒適）；濕感覺：采用類似ASHRAE熱感覺的七級標尺，范圍從-3（非常干燥）到3（非常濕潤）。測試過程中，每完成一組搬運后，受試者需填寫一份主觀調查問卷。

圖4主觀評價量表

Fig.4Subjective rating scale

1. 4 數據分析方法

統計分析應用SPSS26.0數據分析與處理軟件，顯著性水平設定為 Plt;0.05 ;使用 0rigin2021 軟件進行數據圖繪制。對于客觀生理指標數據，本文取每 5min 的平均值進行分析。所有數據首先測試正態分布與方差齊性，應用雙因素重復測量方差分析探究實驗服裝與實驗時間對人體主客觀參數的影響，若發現顯著性差異，應用配對樣本t檢驗進一步比較各時間點上不同實驗服裝之間的差異。應用單因素方差分析探究實驗服裝對出汗量和汗液蒸發率及主觀認知測試的影響，對不滿足正態分布的主觀感覺評分應用多樣本秩和檢驗。

1.5 實驗流程

本文設計真人實驗，模擬建筑工人在夏季建筑工地中的作業，探究穿著不同服裝時人體的熱舒適性及2種服裝的工效性。每位受試者均需穿著2種服裝完成實驗，每次實驗間隔至少為 24h。

實驗在氣候艙內進行，設定環境溫度 35^°C ，相對濕度 75% ，風速 0.4m/s ，以模擬夏季建筑工地環境。每次實驗時長約 80min ，分為3個階段。準備階段PH1，時長 20min ，受試者穿著實驗服裝并啟動后進入環境艙，靜坐 20min 以適應環境，并在 15～ 20min 時填寫主觀評價量表。運動階段PH2，時長50min ：模擬工地建筑勞動搬運 15kg 沙袋，以從地上搬至 110cm 置物架一從置物架扛至肩上一扛沙袋經過 25m 長指定路線一將沙袋放至地上為一次完整的搬運，共需完成30次搬運。每完成6次搬運休息 2min ，并在休息期間填寫一次主觀評價量表，共填寫5次。5組搬運及主觀評價結束后，立馬進行認知能力測試，實驗時間 10min 。恢復階段PH3，時長 20min ：受試者著裝保持原狀態，降溫服持續工作，靜坐休息 20min ，期間每隔 5min 填寫1次主觀問卷。

實驗中使用耳溫槍（ IRT6525+LF20 ，Braun，墨西哥）監測受試者耳道溫度，使用溫濕度傳感器Ibuttons測試受試者的皮膚及衣下溫濕度，實驗前后分別測量受試者裸體體重和服裝質量。

2 結果與分析

2.1 生理指標

2. 1. 1 心率

使用心率帶（H1O，POLAR，芬蘭）貼于胸部下圍，通過無線藍牙實時記錄，結果如圖5所示。數據經Shapiro-Wilk檢驗滿足正態分布，因此對測試服裝和測試時間進行雙因素重復測量方差分析。分析發現實驗服裝對心率沒有顯著影響 （F（1，14）= 1.521， P=0.238 ），但穿著相變通風背心的心率始終低于穿對照組工作服的心率。實驗時間對心率有顯著性影響 ?F（3.259，45.624）=53.237，Plt;0.001） 。人體心率從適應階段的（ 93.33±8.81 ）次 ，經搬運后顯著增長至（ 121.56±16.69 ）次/min并趨于平緩，結束運動后逐漸下降至 92.88±12.20 次 O

圖5心率對比圖

Fig.5Comparison chart of heart rates

2.1.2 出汗量及汗液蒸發率

受試者在2種測試服裝下的出汗量與汗液蒸發率如圖6所示。2種實驗服裝下受試者的出汗量Ω_t^′=2.352，P=0.034lt;0.05 ）與汗液蒸發率（ t= -2.452， P=0.032lt;0.05） 均有顯著差異。穿著相變通風服狀態下的出汗量顯著降低，相變材料熔化吸熱有效地抑制出汗。風扇裝置對人體通風降溫，在對流散熱的同時能夠顯著增大人體的汗液蒸發率。

圖6出汗量與汗液蒸發率對比圖 Fig.6Comparison chart of sweat volume and sweatevaporationrate

2.1.3 平均皮膚溫度

實驗數據取每 5min 的平均皮膚溫度進行分析，結果如圖7所示。由圖8可知，平均皮膚溫度在搬運過程中呈上升趨勢，在 T₅₅ 至 T₆₀ 處達到最高值，隨后在恢復階段開始下降。雙因素重復測量方差分析發現，實驗服裝 （F（1，14）=13.109 ， P= 0.003）與實驗時間 （F（2.018，28.253）=22.250，Plt; 0.001）對平均皮膚溫度有顯著影響;實驗服裝與實驗時間對平均皮膚溫度無顯著交互作用（ F（2.018 ，28.253）=2.012，P=0.152） 。除了適應階段的前5min 外，相變通風服的平均皮膚溫度始終顯著低于對照工作服（ Plt;0.05） 。由于建筑工人作業強度大且夏季溫濕度高，在運動產熱于 20min 運動時長（ T₄₀ ）達到平衡后，相變通風服內的相變材料完全熔化并失去冷卻效果，只有風扇繼續發揮冷卻作用，服裝的總體降溫能力受限，但在運動結束后衣下持續通風能快速高效地降低平均皮膚溫度，有效抑制運動后皮膚溫度的持續升高[17] 。

圖7平均皮膚溫度對比圖

2.1.4 軀干衣下溫濕度

受試者在2種實驗服裝下的軀干衣下溫度隨時間變化如圖8所示。實驗服裝 （F（1，14）=57.087 Plt;0.001 ）和實驗時間 （F（1.734，24.270）=11.492 Plt;0.001 ）對軀干衣下微環境溫度都有顯著影響，且有顯著的交互作用（ （F（1.734，24.270））=10.065 P=0.001 ）。受試者軀干衣下溫度在 T₁₀ 至 T₄₀ 間的差異尤為顯著，相變材料熔化大量吸熱，使軀干衣下溫度劇烈降低，在 T₄₅ 至 T₈₀ 階段，相變材料已基本熔化完全，主要依靠風扇對流達到降低軀干衣下溫度效果，該階段降溫持續時間長且穩定。

Fig.8Comparison chart of temperature under torso clothing

圖8 軀干衣下溫度對比圖

軀干衣下濕度隨時間變化如圖9所示。在高溫高濕環境中進行搬運作業，大量出汗使得普通工作服的軀干衣下濕度持續升高，而相變通風服組呈現先升高后快速降低的趨勢。實驗服裝 （F（1，14）= 1.429， P=0.252 ）和實驗時間（ F（1.727，24.184）= 3.358， P=0.58 ）對軀干衣下微環境濕度都無顯著影響，但兩者對軀干衣下微環境濕度有顯著的交互作用（ F（1.727，24.184）=17.728，Plt;0.001） 。配對樣本檢驗發現，在 T₁₀ 至 T₃₅ 與 T₇₅ 至 T₈₀ 間，2 種實驗服裝下的軀干衣下濕度存在顯著差異（ Plt;0.05） ，在T₁₀ 至 T₃₅ ，相變材料熔化產生大量冷凝水，導致軀干衣下濕度增大并持續維持在較高水平。但搬運結束后，人體代謝產熱降低，風扇有效加快了汗液的蒸發，使得軀干衣下濕度持續并快速下降。說明在工作后的休息階段進行衣下通風，有利于人體的快速散熱散濕。

Fig.7Comparison chart of average skin temperature

圖9 軀干衣下濕度對比圖

Fig.9Comparison chart of humidity under torso clothing

2.2 主觀認知測評

受試者在2種實驗服裝下的主觀認知評分如表1所示。主觀認知測評成績均滿足正態分布，進行配對樣本 χ_t 檢驗。2件測試服裝在抑制認知干擾測試得分上 有顯著差異，相變通風服顯著優于普通工作服；注意力水平（ t= 0.686， P=0.515gt;0.05 與反應時間（ t=0.107 ， P= 0.918gt;0.05 ）均無顯著差異。相變通風服能夠通過改善工作微環境，恢復高溫高濕環境與大強度有氧運動對于認知自我控制的損害，但對于注意力水平及反應時間無顯著作用。

表1主觀認知測評成績表

Tab.1Subjective cognitive assessment score sheet

2.3 主觀感覺評價

2.3.1 熱感覺

受試者熱感覺評分變化如圖10所示。運動階段受試者體內熱蓄積不斷增加，熱感覺評分不斷增大，運動結束后熱感覺評分減小并趨于穩定。Wilcoxon符號秩和檢驗結果顯示，在適應階段 T₂₀ （ Z₂₀= -2.10，P=0.036） 和運動初始階段 T₂₆（Z₂₆=-2.536 ，P=0.011 時，相變通風服的熱感覺顯著低于普通工作服，隨著相變材料的熔化，受試者的熱感覺評分逐漸升高至恢復階段，2種實驗服裝的熱感覺評分相差甚微，僅風扇通風能較有效地降低平均皮膚溫度，但對緩解夏季搬運作業后的熱感覺作用不顯著。

圖10熱感覺評分對比圖

應用多元線性回歸，最終建立的熱感覺與客觀生理指標之間的多重線性回歸模型具有統計學意義（ F=29.834 Plt;0.001 ），因變量熱感覺的 82.0% 可由心率、軀干衣下溫度、軀干衣下濕度的變化來解釋（ TS=9.428+0.35×HR+0.175×T_g-0.182×W_g ，式中：TS為熱感覺； HR 為心率， w_k/min;T_g 為衣下軀干溫度， °C：W_g 為衣下軀干濕度， % ）。人體熱感覺主要受到運動量的影響，劇烈運動后的身體內產熱增加是影響熱感覺變差的主要因素，此時降低軀干衣下溫度可以在一定程度上緩解人體熱感覺。

2.3.2 熱舒適

受試者的熱舒適評分如圖11所示。雖然相變通風服的熱舒適性始終優于普通工作服，但只在運動階段 T₃₈（Z₃₈=-2.11，P=0.035） 時相變通風服的熱舒適顯著優于普通工作服，說明高溫高強度體力活動中，相變通風服對熱舒適的改善作用有限。

圖11 熱舒適評分對比圖

Fig.11Comparison chart of thermal comfort scores

2.3.3 濕感覺

受試者的濕感覺評分變化如圖12所示。實驗過程中，濕感覺評分在運動時不斷增大，運動結束后劇烈下降并穩定，相變通風服組濕感覺評分始終低于普通工作服，但2種實驗服裝的濕感覺在所有時刻均無顯著差異 （F（1，14）=57.830，P=0.39） 。實驗開始至 T₅₀ ，相變通風服狀態下的軀干衣下濕度均高于普通工作服，但相變通風服強烈的冷卻作用使得受試者濕感覺更佳；同時恢復階段 T₆₅ 至 T₈₀ 軀干衣下濕度也持續降低，但濕感覺評分未有顯著變化，主觀感受變化不明顯，此時降溫作用同樣不明顯。綜上發現，通風服在一定程度上能夠促進汗液蒸發，但相變材料的存在同時也阻礙了汗液的蒸發，因此衣下濕度的改善作用不明顯。

Fig.10Comparison chart of thermal sensation scores

圖12 濕感覺評分對比圖

Fig.12Comparison chart of wet sensation scores

3結論

本文模擬了夏季高溫建筑工地工人的作業狀態，比較普通工作服與相變通風服在建筑工人群體中的服裝工效性，得到以下主要結論：

a）相變通風服能夠有效降低高溫環境下搬運作業的皮膚溫度及衣下溫濕度，抑制大強度運動體溫的持續升高。但由于相變材料的快速熔化，人體熱感覺只能得到劇烈且短暫的改善。b）通過相變材料與風扇對人體的降溫作用，相變通風服能顯著降低出汗量；通過風扇風對流，相變通風服能提高汗液蒸發率；相變材料的熔化過程會產生冷凝水，造成軀干衣下濕度的增大。c）在高溫環境下的建筑作業中，通風（環境風）對熱感覺、熱舒適、濕感覺的改善程度有限。未來可通過設計選用慢熔化材料或制冷風扇，以持續降溫及促進汗液蒸發，提升高溫環境下建筑作業的舒適性。

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Cooling performance of phase change ventilation clothing in construction work

CHEN Yanzhuo， XIONG Mengyuan， HUANG Yufan， ZHANG Zhaohua（College of Fashion and Design，Donghua University，Shanghai 2Ooo51，China）

Abstract： The construction industry occupies a pivotal position in China's economy，and with the acceleration of urbanization，the demand forconstruction workers is growing.However，the construction industry is a field with frequent accidents，particularly in summer's high-temperature environments，where the labor safety of construction workers has garnered significant atention.The combination of high temperature and humidity，coupled with intense physical labor，can easily leadtoarapid rise in body temperature.Therefore，implementing efective thermal protection measures for construction workers exposed to such environments is crucial. In situations where the external working environment cannot be altered，active cooling clothing has emerged as an effective means to regulate heat stressand cope with outdoor high-temperature work.This type of clothing can be mainlyclassified into air-cooled， liquid-cooled， phase change material （PCM） -based， and fan-assisted varieties.

Hence， this study employed an artificial climate chamber set at 35°C with 75% relative humidity to simulate the real environment of a construction site in summer and mimicked the process of heavy lifting tasks （such as raising，carying，transferring，and unloading goods）.Eight male subjects completed the experiments while wearing phase changeventilation clothing （combining PCM with built-in fans）and ordinary workwear，respectively. Objective physiological data （including average skin temperature， temperature and humidity under the torso clothing，sweat production，and sweat evaporation rate）and subjective evaluations （tests on cognitive interference suppression，atention level，reaction time，as well asassessments of thermal sensation，thermal comfort，，and humidity sensation） were colected.Data analysis was conducted using methods such as repeated measures ANOVA and paired-samples t-tests，aiming to assess the physiological states of the subjects when they wear different types of clothing，subsequently，so as to evaluate the coling performanceof the phase change ventilation clothing in construction work.

The research results indicate that the phase change ventilation clothing significantly reduces human skin temperature，temperature and humidity under the clothing，and sweat production.By enhancing convection with the built-in fan topromote sweat evaporation，it effectively inhibits the continuous rise of body temperatureafter exercise.Additionall，it aided in recovering from thenegative impacts on cognitive self-control caused by hightemperature and high-humidity environments，as well as intense physical activities.However，the condensation water produced during the melting processof PCM increases the humidity under the torso clothing.Moreover，under high-intensity work in summer，the effect of the phase change ventilation clothing on improving human thermal comfort is limited，and its continuous coling ability isunstable.Future research could consider developing slowmelting materials or improving the design of cooling fans to enhance cooling efects and ventilation performance，so as to further improve the work comfort of construction workers in high-temperature environments.

KeyWords ： phase change ventilation clothing； construction workers；thermoregulation；thermaland humid sensation; skin temperature