緩解職業人員熱應激用個體冷卻服的研究進展

陳 曦，潘姝雯，戴宏欽，胡 玨，陳慧臻

(蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215021)

為了削弱有害職業環境對勞動者人身健康與安全的影響，在軍事、醫療、工業等場景中已經廣泛采用個人呼吸及皮膚防護裝具。個體防護裝具能夠包覆部分或全部人體，并至少對軀干、手臂、腿部進行防護。這些裝具通常具有厚重、多層、不透濕等特點，所有這些因素都限制了人體的熱傳遞，增加人體熱應激的風險[1]。長期以來，熱應激一直被認為是對作業人員健康和工作表現的一種風險，尤其是在高輻射或炎熱以及高活動量的環境中，如果未對人體進行及時的冷卻，嚴重時可能導致人走向死亡[2]。因此，如何采取有效的手段來緩解在特殊環境下穿著防護服進行體力勞動所導致的人體熱應激、保障勞動者的職業健康與安全是當前亟須考慮的問題。由于個體冷卻服價格低廉、使用便捷，在熱應力環境中，冷卻服被用作一種有效且經濟的方法來緩解熱不適、延長工作時間。對于穿著防護服的人來說，使用能夠降低軀干溫度的冷卻服裝已成為職業環境中緩解人體熱應激的最佳選擇。

1 個體冷卻服的分類

根據冷卻介質的不同,冷卻服主要分為氣體冷卻服、液體冷卻服、相變冷卻服和混合冷卻服等。

1.1 氣體冷卻服

氣體冷卻服利用環境或壓縮空氣作為冷卻介質，根據散熱機制的不同，可以分為蒸發型氣冷服和對流型氣冷服。

蒸發型氣冷服(圖1)又稱風扇冷卻服，主要由基礎服裝、微型風扇及電池組成。蒸發型氣冷服將風扇按一定順序嵌于服裝上，利用水汽壓梯度促進汗液蒸發散熱，具有能耗低、結構簡單、體積小、易于攜帶等優點[3]。在過去，防護服通常由風扇提供散熱。然而在高溫高濕環境中，較高的濕度將導致風扇散熱能力降低；而在炎熱、干燥的環境中，對流會導致大量汗液蒸發，嚴重時可能出現脫水現象，甚至危及生命，因此一般不采用風扇冷卻服對特殊職業環境中穿著防護服的勞動者進行降溫。有學者提出采用熱電制冷代替風扇制冷，熱電制冷法利用直流電流經具有熱電轉換特性的導體所組成的回路時會產生降溫效果進行冷卻，具有體積小、質量輕、無污染、使用壽命長、制冷效率高等優點[4]。2007年，牟超[5]研制了一款風冷式電子調溫服。該調溫服設置有熱電制冷片，并利用風扇對制冷片進行降溫，可用作醫療、生物、化學防護服及其他特殊防護服的防暑降溫，但存在使用不便、舒適性較差等缺點。

圖1 風扇冷卻服

對流型氣冷服(圖2)，由基礎服裝、空氣壓縮機、通風管等組成，當空氣被壓縮機冷卻后，通過高壓管輸入冷卻服內，氣體與人體進行熱對流，進而實現降溫目的[6]。Glitz等[7]通過向隔熱防護服的小氣候中以600 L/min的速度注入除濕空氣來增強蒸發熱損失，可以有效延長穿著隔熱防護服人員的耐受時間。此外,為防止持續冷卻導致熱感覺的改善而掩蓋了核心體溫的升高，Davey等[8]研究了冷卻背心間斷冷卻方式在維持熱平衡和提高熱舒適性方面的有效性，發現了以穩定增加和減少流速的冷卻方式提供了更涼爽的軀干溫度感覺，同時降低了電池功耗。劉何清等人[9]設計了一款對流型氣冷服，并研究了不同通氣量對人體皮膚溫度的影響，發現一定范圍內通氣量越大，皮膚溫度越低,并對人體熱舒適性起到一定程度的改善作用，但是在服裝結構、通風管排列以及開孔布局方面還需進行優化。這些實驗結果對對流型冷卻服設計提供了理論指導。由于對流式氣冷服的管道氣冷裝置的質量重、體積大、管長有限，并不適合穿著防護服在靈活工作流程中的移動使用。

圖2 對流型冷卻服

1.2 液體冷卻服

液體冷卻服，簡稱液冷服，如圖3所示，一般由基礎服裝、微型制冷系統及換熱管網組成，冷卻介質包括水、水和乙二醇或丙二醇組成的低于零度的冷凍液、相變乳液、冰水混合物等[10]。液冷服通過微型制冷系統驅動冷卻液在換熱管道中循環流動帶走人體的代謝熱，保持人體動態熱平衡。

圖3 液體冷卻服

液冷服最早應用于航天領域，以解決氣冷服無法滿足宇航員散熱需求的問題。目前，國內外學者從換熱管路參數、降溫介質溫度以及水泵特性等方面研究了液冷服的性能。牛麗等人[11]研究了液冷服管網排列方式對降溫效果的影響，發現穿著管路橫向排列的液冷服能更有效緩解消防員熱應激。由于液冷服管道的存在限制了汗液蒸發，Tanaka等人[12]研制了一款通過背部管道開孔勻速滲水進行蒸發冷卻的液冷服，可以在不增加衣服濕度的情況下顯著降低皮膚溫度。Caldwell等人[13]評估了以水為冷源的液冷服對干熱條件下穿著生化防護服人員的制冷效果，發現液冷服在15 ℃下，循環水可以有效改善不利的生理變化。Wang等人[14]開發了以相變微膠囊懸浮液為工作液的液冷服，發現液冷服的進口溫度、質量流量和體積濃度顯著影響冷卻服的散熱性能，為將來的航空航天應用提供了依據。由于液冷服冷卻液溫度過低會導致局部過冷，有害人體健康與安全，Bartkowiak等人[15]研制了一款可以根據人體需要調節冷源溫度的液冷服，可以有效改善穿著鍍鋁防護服人員的熱不適。

盡管普通液冷服采用的壓縮裝置制冷效率高，但其有使用不便、結構復雜、體積大、可靠性較差等缺點，故有學者提出利用熱電制冷代替壓縮機制冷，利用冷媒水在液冷服管道內循環，將冷量擴散到人體中進行降溫。Delkumburewatte等人[16]開發了基于熱電效應的液冷服，用于密封防護服衣下微環境的降溫。該冷卻服的自動冷卻控制系統既可以提高降溫的效率，也可以消除穿戴者不必要的監控。

1.3 相變冷卻服

相變冷卻服(圖4)，是一種應用較廣泛，通過放置在服裝夾層或內部口袋的相變材料(phase change materials,PCM)的相態變化進行冷卻的服裝，常用的冷卻材料有水、干冰、凝膠、水合鹽等[17]。由于相變冷卻服不必連接任何外部設備，這使得它比液冷服或氣冷服更便于攜帶。

圖4 相變冷卻服

相變材料的冷卻效果主要取決于其熔化溫度、熱熔等。Chou等人[18]首次對比了以石蠟和冰為冷源在降低消防員生理負荷上的有效性，發現石蠟熔化時比冰更為柔軟，與人體接觸面積更大，能有效地防止熱應激。Gao等人[19]同樣研究了熔化溫度對消防員降溫效果的影響，結果表明熔融溫度較低(24 ℃)的PCM背心對軀干和平均皮膚溫度有更強的冷卻作用，但未能有效降低核心溫度，需研究溫度較低且覆蓋面積較大的PCM冷卻裝置。House等人[20]在此基礎上評估了熔點為0、10、20、30 ℃相變背心對消防員的生理冷卻效果，發現熔融溫度在 0～10 ℃之間(或至少低于20 ℃)的冷卻背心提供了最有效的冷卻效果。此外，由于PCM的存在限制了水分從身體向環境的轉移，從而導致冷凝的風險，也增加了佩戴者的額外負荷。

相變材料的冷卻效果還取決于質量以及體表覆蓋面積。張寅平等人[21]開發了一款相變冷卻服，以防止傳染病隔離區醫護人員工作時產生中暑反應。通過對受試者身體各部位的熱不適投票進行分析，發現相變材料的位置分布制約著冷卻服的制冷效果。關平等人[22]對相變材料的位置分布進一步進行研究，發現相變材料以“門”字形分布時，可以使醫護人員的人體舒適性達到最優。為優化PCM在醫用防護服中的冷卻性能，Reinertsen等人[23]對PCM的數量及位置繼續進行了探討。實驗表明當PCM放置在熱敏性較高的部位如胸部、腹部、肩胛骨處能夠有效減少熱應力，同時相對較少的PCM能夠改善水分傳輸與蒸發，提高熱舒適性。由于減少PCM的數量將會降低冷卻時間，故Itani等人[24]提出利用PCM與固體干燥劑層相結合開發新型冷卻背心，使用固體干燥劑吸附微氣候區的水分，對提高人體汗液蒸發率具有借鑒意義。

1.4 混合冷卻服

結合2種及以上不同降溫原理的冷源制成的冷卻服稱為混合冷卻服，混合冷卻服兼顧不同冷源的優勢及特點，提高冷卻效率，在一定程度上擴大了使用場景,逐漸成為當前研究的重點。韋帆汝、Wan等人[25-26]開發了基于相變材料與微型風扇的混合冷卻服，與僅含PCM或僅含通風風扇的冷卻服相比，具有更好的冷卻性能。Wang等人[27]設計了基于干冰和通風風扇的混合冷卻服，利用干冰升華減輕人體負荷、風扇強化空氣循環，有效緩解了吉祥物演員的熱不適。但如何對干冰與人體的隔離處理、選擇風扇及其分布(以提高制冷效率)還需進一步研究。由于PCM對外界環境的吸熱和PCM表面的冷凝是影響混合冷卻服降溫性能的兩個主要問題，Raj等人[28]提出在PCM包的外表面添加一層額外的薄絕緣層，實驗證明該款混合冷卻服能夠有效降低平均皮膚溫度和上半身溫度，延長冷卻時間。

2 冷卻服制冷性能測試評價方法

2.1 人體穿著試驗

人體穿著試驗是指受試者穿著試驗服裝在特定實驗環境及人體活動水平下進行實驗，通過記錄和分析人體生理參數，來評價人體熱應激變化的一種有效方式。具體評價指標包括皮膚溫度、核心溫度、血壓、心率、出汗量等[29]。由于人體熱應激變化受多重因素影響，因此通常采用生理評價和心理學評價相結合。心理學評價通過主觀投票對全身熱感、舒適感、疲勞感等進行評分，并利用數學方法進行分析，以此評估穿著冷卻服時人體遭受的熱應激程度。人體穿著試驗易受實驗對象的影響，耗時且經濟成本較高。

2.2 暖體假人系統測試法

針對火場、有毒化學場所等復雜環境，采用真人實驗通常會使受試者處于危險之中，因此通過客觀模擬實驗來評價冷卻服整體動態熱性能很有必要。暖體假人法通常通過測量服裝的熱阻、濕阻來評價服裝的熱舒適性，測試方法包括恒皮溫、恒熱流、熱舒適3種模式。其中恒皮溫模式將假人各區段皮膚溫度設定在34～35 ℃，適用于非極端環境；恒熱流模式根據人體運動負荷設置加熱功率，適用于各種環境；熱舒適模式以Fanger的人體熱舒適方程為控制模型，僅適用于熱中性環境[30]。暖體假人法具有實驗結果穩定、可重復性高、避免人體遭受熱應激傷害等優點，但該系統設備極其昂貴、不具有推廣性[31]。由于暖體假人無法準確模擬人體熱調節，因此出現了利用人體熱調節模型，如Fiala熱調節模型，與暖體假人耦合的方法，以評價人體生理與知覺反應，但實驗的可靠性還需要進一步完善[32]。

2.3 數值模擬法

數值模擬法通過掃描人體模型，導入人體和服裝的掃描形狀數據，設置溫度、速度、靜壓、湍流動能等參數，采用計算機方法和模擬工具對人-服裝-環境系統之間熱濕傳遞進行分析、對人體著裝舒適感進行評價，具有成本低、靈活度高、實驗可重復性好等優點[33]。盡管針對復雜多變的職業環境進行熱傳遞和熱生理反應分析技術難度較高，模擬的準確性和合理性還需要對比實驗結果進行驗證，但隨著計算機技術的快速發展，數值模擬法已成為冷卻服動態熱性能評價及服裝產品設計優化中的重要工具。

3 冷卻服發展的趨勢

3.1 服裝面料的創新設計與結構優化

冷卻服面料選擇與結構設計需要考慮實際穿著情況、使用環境、可操作性及生產成本等因素。根據制冷源的類型選擇合適的面料制作服裝，可以從原理、設計、工藝、制造等多方面進行面料的創新設計。例如，開發由聚酯纖維和棉纖維制成的雙層織物，內聚酯層為導汗擴散層，棉質外層為吸附層，可以將人體皮膚表面的汗液快速排出至外層織物，保持皮膚干燥[34]。冷卻服一般貼身穿著，服裝結構設計要兼顧功能性與舒適性。例如，開發具有紅外透過性的聚乙烯/聚酰胺復合納米面料，并在靜電紡絲聚酰胺納米纖維中添加微珠，加寬纖維粒徑分布并提高紅光反射率，與傳統紡織品相比更能使人體保持舒適干爽[35]。此外，在設計時考慮衣長、領型、開口方式等因素的影響。由于靜態和動態工作中的緊密配合對最佳熱交換至關重要，可以結合織物技術、三維掃描和計算機輔助制造的最新進展進行服裝結構創新設計，以優化和個人的配合[36]。

3.2 制冷源的選擇與位置分布

制冷源要根據人體的實際熱量需求以及工作環境進行種類、質量與冷卻溫度的選擇，要求結構簡單、容易獲取、對環境安全無害[37]。例如，可以考慮利用熱電制冷代替壓縮機制冷，提高熱電制冷器的制冷量與制冷系數，實現熱電元件微型化設計；結合不同制冷方式的冷源開發混合冷卻服等。目前，冷卻服大多將冷源均勻地分布在整個軀干區域，然而人體各個部位對冷卻的需求量存在差異[38]。冷源的分布應以身體區域性生理特點為依據，努力使身體各部分的傳熱更加均勻，提高整體散熱性能，保證穿戴者的熱舒適性。如不同部位的血管分布、神經支配、組織隔熱值和發汗率等均應考慮在內[39]。此外，制冷源應能夠很好地貼合軀干部位，允許穿著者活動，并將體溫保持在安全穩定的水平。

3.3 尋找新型動力源

大多數冷卻服的動力源體積大、重量重，依賴電力，限制了佩戴者的行動自由，這是迄今為止市場上商業成功和可用性有限的潛在原因。尋求更高能量密度的供電電池，或是用微型內燃機代替電機驅動壓縮機運轉，這樣可以很大程度減輕動力源的重量[40]。研究人員應該朝著降低工程設計復雜性的方向發展，盡量減少故障和對主要任務的干擾，延長冷卻持續時間，同時降低成本和維護限制，能夠為佩戴者所接受。滿足這些條件是一項極其復雜的任務，需要針對大量不同的因素進行設計。

3.4 納米技術與相變材料的結合

采用納米技術封裝相變材料，制備新型、高效納米相變微膠囊。由于納米微膠囊具有體積效應和表面效應，易于分散在流體中，并能在漿液中穩定流動，使其在熱能儲存和熱管理方面具有良好的應用前景。國內外研究人員對納米微膠囊技術進行了研究，但仍存在一定的問題，包括如何準確表征納米材料的精細結構；建立預測微區尺寸與材料特性的關系函數；提高封裝效率；保障在各種傳熱和流動條件下的化學穩定性等[41]。

3.5 智能溫控系統的開發與運用

特殊環境作業者通常處于高風險環境中，需要及時掌握其健康安全并做好相關的防護。因此，能夠實時監測和分析他們的生理健康狀況尤為重要。開發結合人體生理學原理和計算機編程技術的智能溫控系統，利用傳感技術對皮膚溫度進行實時監測，同時根據人體生理參數的變化自動調節冷卻功率。將智能溫控系統與冷卻服相結合，可以有效改善人體舒適性[42]。操作簡單、易于訪問，電池供電與能量收集、硬件微型化設計、溫度的精細調控、穿著耐久性、安全性等問題是未來智能溫控系統的開發重點。

4 結語

隨著社會的發展，將有越來越多的勞動者投入到不同的工作、生活場景中，熱應激是眾所周知的職業健康危害之一，尋找有效的降溫干預措施對勞動者的健康和安全具有重要的意義。在氣候變化背景下管理熱應激的效率在很大程度上依賴于預警系統、有效和可靠的熱暴露測量和評估方法以及對預防措施的效率和成本效益的了解。目前，國內外進行了多種冷卻服的研究，但各種冷卻系統仍存在一定的短板，在保障職業安全方面還需要進一步提高。冷卻服是一個融合多種學科的產物，未來冷卻服發展的關鍵是評估熱應激水平以及技術創新，研究如何在保證制冷量的前提下減輕負荷，降低成本，增加產品功能性與可靠性，實現安全性與舒適性的統一。