王小波， 錢曉明， 王立晶， 劉永勝， 白 赫

(1. 天津工業(yè)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(huán)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(nèi)多余的熱量無法有效排出到外界環(huán)境時，就會產(chǎn)生熱失衡。隨著熱失衡的不斷發(fā)展，人體將會產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)，嚴重時可能導(dǎo)致死亡。熱應(yīng)激還將影響消防戰(zhàn)斗人員的判斷能力和反應(yīng)能力，增加消防戰(zhàn)斗人員受傷的風險。

消防戰(zhàn)斗中，外界的高溫熱環(huán)境和體內(nèi)的高代謝水平，使得消防員體內(nèi)熱量迅速累積。同時由于外界環(huán)境和消防服的限制，人體內(nèi)的熱量無法通過汗液蒸發(fā)、熱對流和熱傳導(dǎo)等方式有效排出，熱失衡逐漸產(chǎn)生。黃冬梅等[1]對我國7個地區(qū)、31個省市的1 750名現(xiàn)役消防員進行了問卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)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(jīng)歷，85%的參與者經(jīng)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(fā)的情況下，研究者們嘗試通過主動冷卻技術(shù)對衣下微環(huán)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(huán)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(huán)使用次數(shù)限制等原因，在一般消防應(yīng)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(huán)使用等優(yōu)點，具備良好的消防服適用性[4]。本文系統(tǒng)地闡述了液體冷卻服裝的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合現(xiàn)行的消防冷卻策略，分析了液體冷卻消防服的應(yīng)用可行性和未來發(fā)展趨勢。

1 液體冷卻服的基本結(jié)構(gòu)

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(shè)計初衷是為了保護在炎熱高空中執(zhí)行飛行作業(yè)的飛行員免受高溫熱傷害。之后，由于LCG廣泛的可應(yīng)用性，被航天事業(yè)、消防作業(yè)和防化作業(yè)等研究使用。

LCG通過冷卻回路中的循環(huán)冷卻介質(zhì)帶走人體熱量，介質(zhì)被人體加熱后由冷卻回路流回冷源裝置，經(jīng)冷源降溫后再重新循環(huán)至位于人體表面的冷卻回路中，并繼續(xù)帶走人體的熱量。LCG的總質(zhì)量一般為1.5～4.5 kg，其中服裝質(zhì)量0.5～2.5 kg，便攜式冷卻系統(tǒng)質(zhì)量1～2 kg，系統(tǒng)體積為1～3 dm3，續(xù)航時間為3～6 h，冷卻介質(zhì)入口溫度為-5～30 ℃，介質(zhì)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(tǒng)一般由控制系統(tǒng)、冷卻管路、冷卻介質(zhì)、水泵、冷源、電源和基礎(chǔ)服裝組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中:1)控制系統(tǒng)一般由溫度傳感器、控制程序和介質(zhì)流量/溫度控制器組成。部分液冷系統(tǒng)同時監(jiān)測人體的熱平衡狀態(tài)，并根據(jù)不同的人體熱蓄積狀態(tài)，調(diào)整冷卻介質(zhì)的溫度和流量;2)冷卻回路根據(jù)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(shè)置以及分布特點。部分冷卻系統(tǒng)根據(jù)人體不同區(qū)域的冷熱耐受和血管分布特點，調(diào)整回路的分布和冷卻介質(zhì)狀態(tài)，以達到增加冷卻效率和舒適性的效果;3)冷卻介質(zhì)是影響系統(tǒng)冷卻效率的關(guān)鍵部分，通過改變冷卻介質(zhì)種類、調(diào)節(jié)介質(zhì)入口溫度和介質(zhì)流量，可以改變系統(tǒng)的冷卻效率;4)電源和冷源共同決定了冷卻系統(tǒng)的續(xù)航時間，根據(jù)任務(wù)執(zhí)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(jù)使用場景需求，基礎(chǔ)服裝可分為全尺寸服裝和局部冷卻服裝。同時，基礎(chǔ)服裝的合體性和隔熱性也將直接影響液冷系統(tǒng)的冷卻效率，基礎(chǔ)服裝的導(dǎo)濕能力將直接影響穿著者的熱濕舒適性。

圖1 LCG的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of LCG

2 LCG研究現(xiàn)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(guān)系到LCG的冷卻效果。表1部分列舉了前人關(guān)于冷卻回路內(nèi)徑、外徑和長度的研究[7]。表中數(shù)據(jù)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(nèi)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(qū)域的冷卻回路分布比例比較接近，且腿部分布更多，這從側(cè)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(shù)Tab.1 Parameters of cooling pipe in LCG

冷卻管的材質(zhì)也會影響整個回路的導(dǎo)熱性。目前，大多數(shù)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(dǎo)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(dǎo)熱材料發(fā)展迅速，導(dǎo)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(dǎo)熱和阻燃填料，制備了具有導(dǎo)熱和阻燃功能的PVC復(fù)合材料，該復(fù)合材料的導(dǎo)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(fù)合材料，當枝接效率為0.103%時，其導(dǎo)熱性為0.18 W/(m·K)。然而，目前還未出現(xiàn)將這些導(dǎo)熱材料應(yīng)用于液冷系統(tǒng)的研究，這些高導(dǎo)熱性材料對液冷系統(tǒng)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(zhì)

冷卻介質(zhì)的入口溫度是決定液冷系統(tǒng)冷卻效率和人體熱舒適度的關(guān)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(zhì)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(diào)節(jié)效果明顯優(yōu)于介質(zhì)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(guān)系，發(fā)現(xiàn)當出汗暖體假人皮膚溫度為30 ℃ 時，7 ℃和14 ℃的冷卻介質(zhì)入口溫度產(chǎn)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(zhì)和介質(zhì)流量也是影響冷卻效率的重要因素，不同的冷卻介質(zhì)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(zhì)為水，當要求冷卻介質(zhì)溫度低于0 ℃時，可使用水和乙二醇的混合物作為冷卻介質(zhì)[25-26],也可通過往水中加入不同比例的相變材料，調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的蓄冷能力。更高的介質(zhì)流量可在單位時間提供更多的冷量，促進了介質(zhì)與人體之間的熱交換。但與此同時，過高的介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)對LCG冷卻效率的影響。實驗結(jié)果表明，入口溫度的降低、介質(zhì)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(zhì)流量為200 g/min，相變材料含量體積比為20%時，在系統(tǒng)功耗沒有明顯提升的情況下，與冷卻介質(zhì)為水相比，系統(tǒng)的冷卻效率提升了26%。對于LCG而言，冷卻介質(zhì)的介質(zhì)種類、入口溫度和介質(zhì)流量應(yīng)根據(jù)實際情況合理配置，部分LCG使用的介質(zhì)種類、介質(zhì)溫度、介質(zhì)流量和冷卻效率如表2所示。

表2 冷卻介質(zhì)參數(shù)及其冷卻效率Tab.2 The cooling medium parameters and its cooling efficiency

2.3 基礎(chǔ)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(huán)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(yōu)秀的LCG內(nèi)層面料應(yīng)具備良好的導(dǎo)熱性、透濕性和接觸舒適性。其對18種不同纖維含量、纖維結(jié)構(gòu)和厚度的織物進行了導(dǎo)熱性、透濕性和接觸舒適性測試，實驗結(jié)果表明，由80%聚酯纖維和20%氨綸纖維構(gòu)成的編織物是內(nèi)層面料的最優(yōu)選擇。

冷卻回路與人體的接觸狀態(tài)和均勻性是影響LCG冷卻效率的另一關(guān)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(fā)揮LCG的冷卻能力。Bartkowiak等[28]設(shè)計了一種新的雙層針織物，該織物的內(nèi)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(nèi)層紗線的優(yōu)良導(dǎo)熱性，還將提高其對體表熱量的傳遞效率；內(nèi)外層紗線構(gòu)成的潤濕梯度，將會促進其對汗液的向外傳輸。實驗結(jié)果表明，基于該新型雙層織物開發(fā)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(tǒng)的智能控制

液冷系統(tǒng)的設(shè)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(tài)的改變，人體的產(chǎn)熱和熱平衡狀態(tài)會隨時變化，這將導(dǎo)致靜態(tài)的液冷系統(tǒng)無法適應(yīng)動態(tài)的人體熱平衡狀態(tài)。為液冷系統(tǒng)設(shè)置控制系統(tǒng)是解決這一問題的有效手段，LCG的控制系統(tǒng)可分為手動控制和自動控制二大類。前人的研究結(jié)果表明，自動控制系統(tǒng)較手動控制系統(tǒng)具有更好的使用效果[28]，并且冷熱刺激可能導(dǎo)致人體主觀的熱知覺與客觀的熱平衡狀態(tài)不符，從而導(dǎo)致不當?shù)氖謩诱{(diào)節(jié)行為。

LCG的自動控制系統(tǒng)通過判斷人體的熱平衡狀態(tài)，動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻回路的冷卻效率，從而調(diào)整人體的熱平衡狀態(tài)。研究自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于感知人體的熱平衡狀態(tài)，感知機制可以分為二大類：1)根據(jù)冷卻回路入口溫度和出口溫度之差，判斷人體熱平衡狀態(tài)；2)根據(jù)人體的實時生理參數(shù)判斷人體的熱平衡狀態(tài)，前人研究的狀態(tài)表征參數(shù)包括人體的出汗率[33]、皮膚溫度[34]、心率[35]、二氧化碳產(chǎn)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(jīng)驗規(guī)律和人體常態(tài)下的熱平衡參數(shù)，開發(fā)了一種基于冷卻介質(zhì)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(shè)定代替入口溫度。Cheuvront等[39]提出了一種間歇性區(qū)域冷卻系統(tǒng)的概念，其按照一定時間規(guī)律間歇性開啟冷卻循環(huán)。在冷卻循環(huán)關(guān)閉階段，冷卻回路中的冷卻介質(zhì)得以充分吸收人體的熱量；而在冷卻循環(huán)開啟階段，冷卻回路中被人體加熱了的冷卻介質(zhì)通過循環(huán)被替換為新的低溫冷卻介質(zhì)。實驗表明，間歇性區(qū)域冷卻可提供與普通LCG相當?shù)睦鋮s效率，并減少冷卻系統(tǒng)的能量消耗。

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

2.5 區(qū)域個性化冷卻

不同的人體區(qū)域具有不同的表面積、人體組織和血管分布等，這些區(qū)域?qū)渚哂胁煌拿舾卸?，且與冷卻回路具有不同的換熱效率。因此，根據(jù)人體各區(qū)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(yīng)用中，為更加有效地帶走人體內(nèi)的熱量，應(yīng)提高工作肌肉區(qū)[40]和部分血管密集區(qū)[41-42]的冷卻強度，這可以通過增加該區(qū)域的冷卻回路覆蓋率和降低該區(qū)域冷卻介質(zhì)的溫度實現(xiàn)。因為工作肌肉區(qū)更高的產(chǎn)熱和血管密集區(qū)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(yīng)注意的是，提高冷量供給的同時應(yīng)避免對人體造成過度冷卻，影響人體內(nèi)熱量的排出。一般而言，工作肌肉區(qū)相對于其他區(qū)域產(chǎn)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(yōu)化了Burton和Collier提出的全尺寸LCG冷卻回路分布策略。Xu等[18]設(shè)計了一種多回路LCG，為不同的人體區(qū)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(jié)果表明，多回路液冷系統(tǒng)消除了非運動區(qū)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(yīng)用可行性分析

3.1 消防戰(zhàn)斗環(huán)境及人體熱平衡

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

表3 消防戰(zhàn)斗熱環(huán)境危險等級分類Tab.3 Classification of thermal environmental in firefighting

人體時刻與周圍環(huán)境進行著動態(tài)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(chǎn)熱率，W/m2；W為人體的對外做功，W/m2；E為汗液蒸發(fā)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(dǎo)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(chǎn)熱有1%～2%通過呼吸和熱傳導(dǎo)散發(fā)至周圍環(huán)境[30]，而熱輻射和熱對流則向周圍環(huán)境傳遞了75%的人體產(chǎn)熱[44]。服裝在人體與環(huán)境之間的熱交換中起到了重要的調(diào)節(jié)作用。

在消防戰(zhàn)斗中，消防員體內(nèi)的熱蓄積主要由外界環(huán)境傳遞的熱量和自身的代謝產(chǎn)熱組成，影響其熱平衡狀態(tài)的主要因素有代謝產(chǎn)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(fā)和熱量的排散。大量的汗液被消防服吸收，卻不能有效蒸發(fā)，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(huán)境還將抑制人體通過熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)向外界排散熱量，這將導(dǎo)致人體的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)難以與消防防護裝備共同維系人體的熱平衡狀態(tài)，不可避免地在人體內(nèi)產(chǎn)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(chǎn)生心理警覺并激活體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。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(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)[46-47]，其主要表現(xiàn)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(dǎo)致焦慮、精神萎靡甚至死亡。

3.2 現(xiàn)行的消防冷卻策略

為緩解消防員體內(nèi)的熱蓄積，避免產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)，必須在人體達到熱蓄積極限前，對人體進行冷卻?，F(xiàn)行的消防冷卻策略根據(jù)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(zhàn)斗期間，在消防戰(zhàn)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(shù)加速消防員的體征恢復(fù)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(fā)散熱和輻射散熱。主動冷卻可分為傳導(dǎo)冷卻、對流冷卻和蒸發(fā)冷卻。傳導(dǎo)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(fā)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(qū)別，發(fā)現(xiàn)前臂浸水略優(yōu)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(fù)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(fù)效果。實驗結(jié)果表明，這些冷卻方式對人體體征恢復(fù)的促進效果并沒有明顯區(qū)別。以上實驗研究都是在溫和環(huán)境(24～35 ℃，35%～50% RH)下進行的。Carter等[50]在(40±1) ℃，(70±5)% RH的環(huán)境中，研究了風扇冷卻和被動冷卻的降溫效果，結(jié)果表明在間歇期中，被動冷卻組核心溫度繼續(xù)上升0.9 ℃，而風扇組僅上升0.25 ℃。Mcentire等[51]認為在高溫高濕環(huán)境中，被動冷卻無法繼續(xù)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(jié)果表明，環(huán)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(huán)境中，被動冷卻是較理想的冷卻方案，而在高溫高濕環(huán)境中，主動冷卻策略對人體的體征恢復(fù)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(jié)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(jié)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(fù)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(qū)別。Carter等[54]分別在熱環(huán)境(距地面1.2 m高度的溫度為170 ℃)和溫和環(huán)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(jié)果表明，在熱環(huán)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(shù)據(jù)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(shù)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(jié)果，可能是由于實驗中的活動強度和產(chǎn)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(dǎo)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(jié)合，設(shè)計研制了冷卻回路位于消防服內(nèi)側(cè)的液體冷卻消防服。實驗結(jié)果表明，液體冷卻消防服能幫助消防員緩解熱應(yīng)激，并延長消防員的消防救援時間。Bartkowiak等[28]設(shè)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(huán)境的改善效果。實驗結(jié)果表明，該LCG能有效降低皮膚溫度和改善衣下微環(huán)境的物理參數(shù)。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(jié)果表明，LCG能改善消防戰(zhàn)斗和消防間歇中的體征參數(shù)，緩解熱應(yīng)激反應(yīng)，提升消防戰(zhàn)斗表現(xiàn)。

從現(xiàn)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(fù)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(jù)實際情況可能出現(xiàn)差異性結(jié)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(xiàn)了較好的冷卻效果，可能是未來主動冷卻消防服的發(fā)展方向。

3.3 液體冷卻在消防服中的適用性

為實現(xiàn)良好的冷卻效果，LCG需要輔以特殊的基礎(chǔ)服裝、冷卻回路和冷卻介質(zhì)等。LCG的特性與消防服和消防救援任務(wù)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(chǔ)服裝來看，LCG要求其基礎(chǔ)服裝具有:1)良好的外界環(huán)境隔絕能力； 2)多層織物結(jié)構(gòu)；3)良好的合體性；4)良好的舒適層導(dǎo)熱性。消防服為具有優(yōu)秀隔熱能力的多層織物系統(tǒng)，從這個意義上說，其與LCG具有天然的相適性。但是消防服結(jié)構(gòu)寬松，舒適層一般為防火隔熱材料，這與液體冷卻服裝的設(shè)計要求相悖。良好的合體性和舒適層導(dǎo)熱性能增加液體冷卻系統(tǒng)與人體的換熱效率，從這個角度而言，消防服的織物系統(tǒng)嚴重限制了液冷系統(tǒng)對人體多余熱量的吸收。然而，消防服的應(yīng)用環(huán)境為極端熱環(huán)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(huán)境。位于多層織物系統(tǒng)中的冷卻回路，能有效地帶走從外界進入衣下微環(huán)境的熱量，從而減少人體的熱蓄積。除此之外，舒適層的低導(dǎo)熱性還將優(yōu)化冷卻介質(zhì)的最低入口溫度限制，讓冷卻介質(zhì)能以更低的入口溫度進入冷卻回路，而不會對人體產(chǎn)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(huán)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(guān)，在進行實驗研究時應(yīng)盡可能模擬消防戰(zhàn)斗的實際熱環(huán)境。

設(shè)計區(qū)域冷卻策略時，還應(yīng)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(huán)境，也可能面對熱源，導(dǎo)致人體前方的熱輻射明顯高于身體后方。根據(jù)實際救援工作，冷卻回路的分布可能需要進行針對性的優(yōu)化，然而目前還未見這方面的研究。另外，智能控制系統(tǒng)中的人體體征檢測功能，有利于消防戰(zhàn)斗指揮人員實時掌握消防員的熱應(yīng)激水平，使其免受進一步的熱傷害。除此之外，根據(jù)消防任務(wù)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(diào)節(jié)介質(zhì)流量控制冷卻效率，以減少額外的設(shè)備負擔。

3.4 液體冷卻消防服設(shè)計中的其他問題

衣下微環(huán)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(tǒng)含水率增加還會對消防服的熱防護性能產(chǎn)生不利影響。黃冬梅等[1]對現(xiàn)役1 750 名消防員的問卷調(diào)查表明，54%的人認為穿著消防服后服裝內(nèi)部比較潮濕，23.3%的人認為服裝內(nèi)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(jié)果表明，在高強度閃火暴露下，內(nèi)層織物被潤濕將降低織物系統(tǒng)的熱防護性能。何華玲等[58-59]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)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?qū)裾韺崿F(xiàn)。常見的單向?qū)裾硎侄斡校翰顒用毿?yīng)整理，潤濕梯度效應(yīng)整理和蒸騰效應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)合到消防服隔熱層外側(cè)，使隔熱層內(nèi)外側(cè)形成潤濕梯度，從而促使水分由親水性差的內(nèi)側(cè)向親水性好的外側(cè)單向傳導(dǎo)。實驗結(jié)果表明，內(nèi)外側(cè)具有潤濕梯度的隔熱層，并不具備有效的單向?qū)裥Ч?，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(tǒng)中加入了冷卻回路，這從一定程度上加劇了冷凝現(xiàn)象的發(fā)生，織物系統(tǒng)中的含水率可能會進一步增高，必須為液體冷卻消防服設(shè)計特殊的濕度管理系統(tǒng)。目前，關(guān)于消防服下的濕度管理研究較少，迫切需要更多的相關(guān)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(fā)特適性的硬件，能減少液冷系統(tǒng)對消防服的重量、體積和靈活性產(chǎn)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(shè)計法對微型泵葉輪進行改良，成功設(shè)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(zhì)量僅為21 g。目前，關(guān)于液體冷卻消防服特適性硬件的研究較少。

4 結(jié)束語

液體冷卻系統(tǒng)與消防服具有良好的契合性，通過對液體冷卻系統(tǒng)和消防服進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(dǎo)熱性能，改進液冷系統(tǒng)與人體的貼合度和對冷卻回路進行優(yōu)化設(shè)計等。

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

3)開發(fā)特適性硬件。為液體冷卻消防服開發(fā)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(yōu)化冷卻回路。目前研究者們傾向于通過為現(xiàn)有的防護服添加通用的內(nèi)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(nèi)置于消防服的多層織物結(jié)構(gòu)中，并優(yōu)化其分布策略，是未來液體冷卻消防服的發(fā)展趨勢。