黨天華，趙蒙蒙，錢 靜

(上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，上海 201620)

2020年全球爆發(fā)了新冠疫情，醫(yī)護(hù)人員必須穿著密閉性的防護(hù)服對(duì)患者進(jìn)行治療。由于醫(yī)用防護(hù)服表面覆有透水透氣性差的抗浸材料涂層，極度悶熱，時(shí)刻挑戰(zhàn)著醫(yī)護(hù)人員的身體極限，危害著醫(yī)護(hù)人員的健康。此外，航天航空人員、航海人員、核生化人員、野戰(zhàn)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(huán)境影響，人體多余的熱不能散失，身體無(wú)法彌補(bǔ)流失的液體和電解質(zhì)時(shí)，體核溫度升高、血壓升高，導(dǎo)致心情煩躁，甚至影響人體感知、記憶、識(shí)別和智力等方面[1]，進(jìn)而影響工作效率。嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)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(huán)境中工作的人們提供降溫和保護(hù)，更是降低人體熱危害最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)便的途徑。20世紀(jì)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(kāi)；20世紀(jì)60年代初期英國(guó)皇家空軍飛行員擁有了世界上第1件液冷服[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)降溫服的研究相對(duì)較晚，但也取得一些成果，如開(kāi)發(fā)的混合降溫服降溫效果良好，顯著提高人體舒適度。當(dāng)前降溫服的使用已經(jīng)更加貼近生活，向醫(yī)用、民用發(fā)展，但仍然存在制冷時(shí)間較短，服裝較重，美觀性差問(wèn)題。

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外降溫服的研究現(xiàn)狀及特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)方法，闡述了降溫服的市場(chǎng)與應(yīng)用前景，為降溫服的設(shè)計(jì)研發(fā)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(jī)將空氣預(yù)冷，預(yù)冷的空氣再通過(guò)分布在全身的管道系統(tǒng)排入服裝內(nèi)部，以對(duì)流和蒸發(fā)形式對(duì)人體降溫[4]，管道式氣體降溫服[4]見(jiàn)圖1。美國(guó)海軍航空兵系統(tǒng)司令部[5]與孫曉艷等[6]均開(kāi)發(fā)了飛行員穿著的降溫服。文獻(xiàn)[5]是使用過(guò)濾吹風(fēng)管把周圍的空氣吸入調(diào)節(jié)器中，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的空氣從出氣口進(jìn)入飛行服內(nèi)部的管道，內(nèi)部風(fēng)扇打開(kāi)，并釋放冷氣；而文獻(xiàn)[6]則更側(cè)重通風(fēng)，是利用扁平的通風(fēng)管，分支管縱向分布且有高強(qiáng)度材料支撐，從通風(fēng)管里側(cè)的小孔吹出氣體。柳源等[7-8]設(shè)計(jì)的礦用降溫服由渦旋管制冷器及服裝內(nèi)部具有一定布局的微孔塑料軟管襯層組成，冷空氣沿細(xì)塑料軟管上的微型孔進(jìn)入衣內(nèi)微空間，對(duì)人體散熱。Guo等[9]開(kāi)發(fā)了一種具有前開(kāi)口和不密封通風(fēng)的管狀通風(fēng)服裝，通風(fēng)裝置引入自然風(fēng)或者空氣冷卻風(fēng)進(jìn)入管道，從孔中吹出到內(nèi)衣上，具有易穿、輕便、阻力小，人機(jī)工程學(xué)好等特點(diǎn)。

1—基礎(chǔ)服裝；2—通風(fēng)管；3—空氣壓縮機(jī)。圖1 管道式氣體降溫服

1.1.2 風(fēng)扇式氣體降溫服

風(fēng)扇式降溫服主要是指在普通服裝上加裝小型風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)促進(jìn)對(duì)流及汗液蒸發(fā)。目前部分建筑工人、交通指揮人員等已經(jīng)在穿著。

國(guó)內(nèi)對(duì)于風(fēng)扇式降溫服的研究頗多。相關(guān)研究[10-12]研發(fā)了微型風(fēng)扇陣列人體降溫空調(diào)服。劉靜等[10]設(shè)計(jì)的微小型風(fēng)扇以并連方式通過(guò)編織在衣物內(nèi)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(shí)際考察風(fēng)扇陣列的降溫性能制作了實(shí)物，單個(gè)風(fēng)扇的大小4 cm×4 cm，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證這種降溫服確實(shí)具有良好的降溫效果。任萍[12]自制的空調(diào)服將16個(gè)2 cm的微型風(fēng)扇依次并聯(lián)，將連接好的風(fēng)扇陣列縫制于正方形紗布上，然后置于短袖T恤的背部區(qū)域，電池選用鋰離子蓄電池與太陽(yáng)電池板，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí),通過(guò)風(fēng)扇的降溫作用不明顯。趙蒙蒙[13]設(shè)計(jì)了5套風(fēng)扇位置與服裝開(kāi)口不同的嵌入式風(fēng)扇降溫服，發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇配置于前胸下部且衣身前后都開(kāi)口的條件下，軀干散熱最佳。Yi等[14]研究了降溫服風(fēng)扇與電池的最佳搭配，但風(fēng)扇提供的空氣流量隨著使用時(shí)間逐漸降低，降溫能力逐漸減小；又在之前風(fēng)扇基礎(chǔ)上增加了檔位，每個(gè)檔位能夠提供比較穩(wěn)定的風(fēng)量。Hadid[15]等測(cè)試的降溫背心帶有2個(gè)小風(fēng)扇，每個(gè)風(fēng)扇由4節(jié)AA電池供電，可工作約12 h，帶電池的系統(tǒng)總質(zhì)量為1.2 kg。

氣體降溫服降溫效果良好，制冷時(shí)間較長(zhǎng)；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(guò)微氣候區(qū)的循環(huán)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(chǔ)服裝和預(yù)冷裝置組成，通過(guò)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(huán)[16]。明尼蘇達(dá)州大學(xué)設(shè)計(jì)了一款液冷服，可冷卻或加溫，將液冷服內(nèi)的冷卻管道分布在人體散熱較大的區(qū)域，從而達(dá)到輕便、高效的效果[17]。岳豐田等[18]發(fā)明了一種礦井個(gè)體冷卻防護(hù)服，上衣的制冷層內(nèi)部設(shè)置有口袋(裝有冰袋)和冰水管路，冰袋下部通過(guò)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(fā)明了一種帶冰貼的水循環(huán)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(jìn)水口，水泵左右側(cè)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(dòng)自由，質(zhì)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(shè)有多個(gè)口袋，將相變材料包放入口袋內(nèi)，通過(guò)相變材料吸收人體熱量，進(jìn)而降溫。常用的相變材料主要有冰、干冰、凝膠、結(jié)晶鹽、相變材料膠囊等。Bennett等[20]對(duì)比了裝有不同數(shù)量凝膠降溫袋的降溫背心對(duì)減輕消防員熱應(yīng)激的影響。Yang等[21]開(kāi)發(fā)了一種便攜式個(gè)人降溫服，使用真空干燥劑冷卻包，總質(zhì)量3.4 kg，在37 ℃的環(huán)境中可以達(dá)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(guò)冷結(jié)晶，成功制成相變材料膠囊調(diào)溫服。孫文娟等[23]設(shè)計(jì)的礦工降溫服所采用的復(fù)合蓄冷材料，具有相變溫度合適、相變潛熱大且重復(fù)性好的特點(diǎn)。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(gè)水平的口袋用于放置降溫袋，背心加上降溫袋總質(zhì)量1.884 kg。錢炎萍等[25]設(shè)計(jì)了一種新型輔助降溫服，將冰袋固定于頸部雙側(cè)，便于臨床應(yīng)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(wú)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(fù)利用；但溫度不可調(diào)，覆蓋部位透氣性差，持續(xù)時(shí)間較短，應(yīng)急使用不便，且會(huì)存在泄露問(wèn)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(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究[26-27]開(kāi)發(fā)的混合降溫服都是由相變材料包和在下背部嵌入的2個(gè)風(fēng)扇組成。Bachnak等[28]設(shè)計(jì)的降溫服，將相變材料包和由電池驅(qū)動(dòng)、裝在前后軀干的通風(fēng)風(fēng)扇集成在一起，每個(gè)風(fēng)扇的直徑為6.7 cm。丁喜梅設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體降溫服[29]見(jiàn)圖2，熱電制冷與水冷散熱相結(jié)合，將具有高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱膜與半導(dǎo)體制冷片(前后面各布置4片)的制冷降溫性能結(jié)合起來(lái)，使降溫服所產(chǎn)生的冷量盡可能分布均勻，節(jié)約能耗。崔志英等[30]設(shè)計(jì)了一款結(jié)合風(fēng)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(jīng)實(shí)驗(yàn)證明混合型降溫服具有更好的制冷效果。

圖2 半導(dǎo)體降溫服

1.5 新型材料降溫服

隨著科技的發(fā)展，智能纖維出現(xiàn)，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(huán)保。美國(guó)研制了一種適用于制作蒸發(fā)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(xì)菌，使其對(duì)濕度敏感，室溫下將細(xì)菌放在乳膠兩側(cè)保持不變，當(dāng)一側(cè)暴露在高溫時(shí)，細(xì)菌的擴(kuò)張導(dǎo)致乳膠向外彎曲,通風(fēng)口打開(kāi)，汗水蒸發(fā)并降低穿著者體溫。出汗時(shí)可自動(dòng)通風(fēng)的生物智能服裝[32]見(jiàn)圖3。勞沈均一等[33]設(shè)計(jì)了一款太陽(yáng)能降溫服，其后面安裝了一塊半柔性太陽(yáng)能板，經(jīng)過(guò)一塊控制器給2個(gè)蓄電池組(分別為6個(gè)半導(dǎo)體制冷片和6個(gè)風(fēng)扇供電)供電。這種降溫服節(jié)約能源，綠色無(wú)污染。Ke等[34]設(shè)計(jì)了一種由納米多孔聚乙烯材料制成的常規(guī)版型女士商務(wù)襯衫，研究發(fā)現(xiàn)在使用這種降溫服時(shí)，可將可接受的空調(diào)設(shè)定點(diǎn)溫度從25.5 ℃增加到27.0 ℃，從而節(jié)省9%～15%的冷卻能量。Wei等[35]通過(guò)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(yáng)能反射率從62.6%提高到80.1%，以此達(dá)到降溫目的。

圖3 出汗時(shí)可自動(dòng)通風(fēng)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(duì)流、輻射、傳導(dǎo)和蒸發(fā)散熱。降溫服對(duì)人體的降溫主要是人體皮膚表面、服裝和環(huán)境之間的熱量傳遞，傳熱分析見(jiàn)圖4。

圖4 傳熱分析

降溫服的降溫效果與服裝面料、尺寸、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外界環(huán)境溫濕度等以及人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。

服裝因素包括面料、服裝尺寸以及服裝開(kāi)口設(shè)計(jì)。面料是制作降溫服最基本的材料，其對(duì)降溫效果有著重要影響。Guo等[36]開(kāi)發(fā)了一種混合降溫背心,使用具有薄、透氣、抗風(fēng)、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(fēng)量對(duì)3種通風(fēng)夾克冷卻性能的影響,服裝尺寸對(duì)人體熱損失的影響各不相同，并且這種影響隨著空氣通風(fēng)率的變化而變化。服裝的開(kāi)口有助于增強(qiáng)衣下空氣與外界環(huán)境之間氣體交換，增加對(duì)流和蒸發(fā)散熱，從而減緩皮膚溫度和衣下濕度升高。服裝腋下部位開(kāi)口對(duì)人體熱濕生理調(diào)節(jié)起到促進(jìn)作用，具有較好的著裝舒適感[38]。趙蒙蒙[13]設(shè)計(jì)的降溫服衣身前后都開(kāi)口，利于散熱。選擇合理的開(kāi)口結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到最佳的通風(fēng)降溫效應(yīng)。

受外界環(huán)境影響，降溫服的降溫效果會(huì)隨之變化，若環(huán)境溫度過(guò)高，使用風(fēng)扇降溫服對(duì)人體降溫效果不顯著。環(huán)境風(fēng)可以直接增加通過(guò)面料的氣體交換，同時(shí)改變衣下空間狀態(tài)，增強(qiáng)通風(fēng)效果，進(jìn)而提高降溫服的降溫效應(yīng)。

當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)或處于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)(如看書(shū))，使用降溫服的效果并不相同。與人體靜立狀態(tài)下的服裝不同,在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下由于運(yùn)動(dòng)造成空氣對(duì)流效應(yīng),增大了通風(fēng)量，但運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生更多的熱量，對(duì)降溫的需求也會(huì)相應(yīng)提高。

3 降溫服與人體熱舒適研究實(shí)驗(yàn)方法

3.1 暖體假人實(shí)驗(yàn)

暖體假人模擬人體與外界熱濕交換，可以測(cè)試服裝局部和整體的熱濕性能，可在多種環(huán)境下連續(xù)試驗(yàn)，代替真人在極端惡劣環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，更加安全且避免實(shí)驗(yàn)中個(gè)體差異，可重復(fù)性好、精度高。Gonzalez等[39]使用出汗暖體假人在高溫環(huán)境下評(píng)價(jià)了一款風(fēng)扇通風(fēng)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(diào)節(jié)模型，研究航天用液冷服對(duì)人體的降溫功效。韓增旺等[41]利用Walter假人對(duì)風(fēng)扇降溫服的冷卻性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(dòng)。王云儀等[24]采用暖體假人對(duì)相變降溫背心的熱調(diào)節(jié)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(zhǎng)高溫作業(yè)時(shí)間。趙蒙蒙[13]使用暖體假人Tore通過(guò)測(cè)量假人的表面溫度、各個(gè)區(qū)段的散熱量，評(píng)價(jià)風(fēng)扇降溫服的吸熱效應(yīng)。相關(guān)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(shí)驗(yàn)

真人著裝實(shí)驗(yàn)可以更真實(shí)的將人體測(cè)試的數(shù)據(jù)及主觀感受呈現(xiàn)出來(lái)，但是存在個(gè)體差異，主觀性較強(qiáng)，成本較高。文獻(xiàn)[43-44]通過(guò)人體穿著降溫服，測(cè)試受試者的各項(xiàng)指標(biāo)，研究表明受試者的熱應(yīng)激得到降低。關(guān)平等[45]研制了醫(yī)用相變降溫服，在氣候室進(jìn)行真人著裝實(shí)驗(yàn)，這對(duì)解決傳染病隔離區(qū)醫(yī)護(hù)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(huán)境，結(jié)果表明，參與者在被動(dòng)恢復(fù)期間穿上混合降溫背心可顯著緩解熱不適的感覺(jué)。Kang等[47]開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)值模型,參與者穿著混合降溫服進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)研究對(duì)于減輕在炎熱環(huán)境中工作的戶外工作人員的熱應(yīng)力是有益的。對(duì)于真人著裝實(shí)驗(yàn)，學(xué)者們[48-49]主要是通過(guò)測(cè)量人體溫度及填寫主觀人體感受問(wèn)卷，從而綜合評(píng)價(jià)降溫服對(duì)人體熱舒適性的影響。

4 降溫服的市場(chǎng)及應(yīng)用前景

目前市場(chǎng)上主要以風(fēng)扇式降溫服和液體降溫服為主。降溫服的國(guó)外品牌價(jià)格相對(duì)較高，主要有MSA梅思安、雷克蘭等，能達(dá)到同等品質(zhì)國(guó)內(nèi)品牌價(jià)格適中，如東莞弘明空調(diào)服有限公司生產(chǎn)的風(fēng)扇降溫服，電源、風(fēng)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(guó)家和地區(qū)。東莞市南耀智能服飾科技有限公司已經(jīng)生產(chǎn)出針對(duì)醫(yī)護(hù)人員防護(hù)服的隨身散熱風(fēng)扇，風(fēng)扇置于防護(hù)服內(nèi)部，不沾染外部細(xì)菌病毒，既保證了安全性，又可循環(huán)使用，解決了防護(hù)服內(nèi)部不透氣、悶熱的問(wèn)題。風(fēng)扇外形小巧，3檔風(fēng)速可調(diào)；采用鋰聚合物電芯，可用3.3～12.0 h。另外還設(shè)計(jì)了一款風(fēng)冷馬甲，主要由散熱風(fēng)扇和冰袋組成，口袋底部的3D網(wǎng)布可通風(fēng)，使全身氣流循環(huán)流通。

降溫服最初為航空航天領(lǐng)域設(shè)計(jì)，此后發(fā)展到航海、軍事、醫(yī)療、體育領(lǐng)域，現(xiàn)已走向日常民用，如在夏季的徒步旅行、登山探險(xiǎn)、釣魚(yú)、庭院田間勞作等應(yīng)用場(chǎng)景，但技術(shù)尚不夠完善，存在制冷時(shí)間較短、服裝較重等問(wèn)題。采用太陽(yáng)能供電與新型材料相結(jié)合是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，降溫服將向人性化體貼設(shè)計(jì)、安全化、綠色化、功能多樣化、智能化等方面發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

降溫服已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，人們更加注重對(duì)自身的防護(hù)，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(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)該根據(jù)他們的特點(diǎn)使用在合適領(lǐng)域，使其發(fā)揮最大的制冷作用?；旌辖禍胤C合性能優(yōu)良，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，是將來(lái)研發(fā)的重點(diǎn)方向。目前降溫服仍然存在如技術(shù)還不夠完善、制冷時(shí)間不足、舒適度及美觀性較差等問(wèn)題，需繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)法與真人著裝實(shí)驗(yàn)法，以用戶為中心，加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)和評(píng)價(jià)，確保產(chǎn)品安全可靠。