張文歡，李 俊,2

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華大學(xué))，上海 200051)

消防戰(zhàn)斗中，消防員面臨的熱應(yīng)激、皮膚損傷甚至死亡等風(fēng)險(xiǎn)可發(fā)生在熱輻射、閃火、高溫液體或蒸汽等多種熱環(huán)境中[1-3]。然而，相比于閃火強(qiáng)熱流(20～160 kW/m2)的緊急環(huán)境，消防員在作業(yè)中更多處于常規(guī)和危險(xiǎn)環(huán)境(統(tǒng)稱為低熱輻射環(huán)境，2～20 kW/m2)，研究表明多數(shù)皮膚燒傷發(fā)生于該環(huán)境[4]，因此，針對(duì)低熱輻射環(huán)境與人體之間通過消防服系統(tǒng)的熱交換機(jī)制研究一直是熱防護(hù)領(lǐng)域的重要研究方向之一。受測(cè)評(píng)技術(shù)和手段的限制，相關(guān)研究可以分為以織物及其多層組合為對(duì)象和以服裝整體為對(duì)象2個(gè)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(zhì)量和厚度是影響其傳熱量和熱傳遞速率的重要因素[5-7]?？椢锱c人體之間的空氣層對(duì)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(shè)空氣層厚度均勻[8-10]。后續(xù)的研究則進(jìn)一步拓展至空氣層的非均勻形態(tài)及動(dòng)態(tài)活動(dòng)下的傳熱機(jī)制變化[11-12]。在干熱傳遞研究的基礎(chǔ)上，熱濕耦合作用得到關(guān)注[13]，包括織物內(nèi)水分含量及分布的影響等，但研究中大都采用的織物預(yù)加濕方式，顯然無法模擬人體出汗形成的水分向外傳遞時(shí)導(dǎo)致的衣下空間濕度變化，后者則會(huì)改變衣下空氣層的導(dǎo)熱系數(shù)和輻射發(fā)射率等[14]。由此，模擬主動(dòng)出汗的裝置研發(fā)使得這一問題得到一定程度的改進(jìn)[15]。

隨著測(cè)評(píng)技術(shù)的發(fā)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(qiáng)度、熱源對(duì)稱性、環(huán)境風(fēng)等對(duì)著裝人體熱平衡的作用機(jī)制得到研究[18]。相對(duì)織物層面的研究，假人測(cè)評(píng)更接近實(shí)際的著裝狀態(tài)，使得包括針對(duì)衣下空氣層形態(tài)以及模擬人體(持續(xù))出汗等情形的研究均更深入[19]。然而，目前假人層面測(cè)評(píng)研究?jī)H考慮人體的被動(dòng)受熱，忽略了人體熱生理調(diào)節(jié)機(jī)制的作用，這對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間熱暴露的情形尤為不足[20]。

綜上，無論是針對(duì)織物還是針對(duì)服裝在低熱輻射環(huán)境中的熱傳遞機(jī)制研究，均涉及到多個(gè)影響因素的作用，但其在織物和服裝上的作用規(guī)律存在差異。本文基于“人體-服裝-環(huán)境”系統(tǒng)熱交換理論，依據(jù)影響因素的類型分別討論分析了當(dāng)前的研究進(jìn)展及存在的問題，為后續(xù)綜合考慮織物和服裝的熱傳遞機(jī)制提供參考。

1 消防服系統(tǒng)的傳熱機(jī)制

作為提供熱防護(hù)功能的主體，服裝自身在熱環(huán)境中的表現(xiàn)是研究者集中關(guān)注的內(nèi)容，熱防護(hù)織物(系統(tǒng))的固有性能是首要因素；消防服設(shè)計(jì)特征的貢獻(xiàn)則無法在織物性能中得到體現(xiàn)。

1.1 織物的影響

現(xiàn)有研究多假設(shè)織物內(nèi)部熱傳遞形式為傳導(dǎo)和輻射，忽略對(duì)流傳熱。

1.1.1 影響傳導(dǎo)傳熱的因素

根據(jù)傅里葉定律，影響熱傳導(dǎo)的因素主要有導(dǎo)熱系數(shù)和溫度變化率?？椢锏膶?dǎo)熱能力受到纖維類型以及織物中纖維與空氣相對(duì)比例的影響，可通過織物的厚度、密度、質(zhì)量等基本參數(shù)以及織物熱阻等指標(biāo)進(jìn)行表征。

已有研究[21]表明，外層織物厚度或者質(zhì)量較大時(shí)，織物內(nèi)外表面的溫差較大，到達(dá)皮膚表面熱量較少，熱防護(hù)性能較高，且顯示出明顯的線性關(guān)系[22-24]。在多層織物系統(tǒng)中，同樣表現(xiàn)出隨著單層織物厚度的增加，整體熱防護(hù)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(duì)其他面料層，隔熱層質(zhì)量增加對(duì)熱防護(hù)性能的積極作用尤為明顯[28]。所以，織物的厚度和質(zhì)量通常被認(rèn)為是評(píng)估其熱防護(hù)能力的重要參數(shù)[21]。

針對(duì)消防服洗滌等使用維護(hù)性能的研究同樣發(fā)現(xiàn)，織物厚度和質(zhì)量的變化是洗滌對(duì)消防服熱防護(hù)性能影響的重要原因?？椢锏目s水性能使得洗滌后織物更緊密，厚度和質(zhì)量增加，熱防護(hù)性能增加[21]；但當(dāng)織物縮水量不顯著時(shí)，洗滌中機(jī)械作用力導(dǎo)致的磨損則會(huì)引起厚度和質(zhì)量的降低，熱防護(hù)性能隨之降低[29]。

然而，織物質(zhì)量對(duì)熱防護(hù)性能的作用規(guī)律在服裝中變得復(fù)雜。厚重服裝會(huì)使得著裝人體的代謝產(chǎn)熱增加，加之熱環(huán)境中難以向外界環(huán)境傳遞，形成更高的人體熱負(fù)荷，皮膚燒傷的風(fēng)險(xiǎn)上升[30]。可見，在消防服設(shè)計(jì)與開發(fā)中，質(zhì)量是一個(gè)需要平衡的要素。如何在未來研究中，對(duì)同一環(huán)境著裝人體的實(shí)際生理反應(yīng)(包括核心溫度等生理指標(biāo)和皮膚燒傷程度等物理指標(biāo))進(jìn)行同時(shí)預(yù)測(cè)和評(píng)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(jié)構(gòu)[21]均有關(guān)聯(lián)，因此也作為評(píng)價(jià)織物熱防護(hù)能力的指標(biāo)之一。有研究[22,25]發(fā)現(xiàn)，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(hù)性能。

1.1.2 影響輻射傳熱的因素

織物內(nèi)輻射熱傳遞的情形更為復(fù)雜，通常包括熱量的反射、吸收、透射和自發(fā)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(fā)射率和輻射角系數(shù)決定。有學(xué)者認(rèn)為，織物表面低發(fā)射率的織物系統(tǒng)可通過高反射、低吸收的方式提高織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能[31]；織物表面發(fā)射率與輻射熱防護(hù)性能之間呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系[32]；輻射角系數(shù)通過影響熱傳遞分布特點(diǎn)及局部傳熱量，提高織物系統(tǒng)總體傳熱量[8,33]。

對(duì)于織物的輻射傳熱的量化研究，最初利用有效輻射系數(shù)計(jì)算輻射能量在多孔介質(zhì)中的傳遞[34]，僅考慮熱量的反射，忽略了織物內(nèi)部的吸收、透射和自發(fā)射輻射。有學(xué)者進(jìn)一步提出采用雙通量模型的方法來解釋多孔介質(zhì)中的熱傳遞[35]。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化該熱傳遞過程，忽略自發(fā)射輻射，多數(shù)研究利用Beer定律模擬織物內(nèi)部輻射熱傳遞過程，并認(rèn)為輻射傳熱的衰減由織物對(duì)輻射的吸收和向后散射作用決定[36-37]。由于低熱輻射環(huán)境織物自發(fā)射輻射的作用不可忽略，有學(xué)者進(jìn)一步考慮織物的輻射反射以及自發(fā)射輻射，構(gòu)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(shí)也增加了蓄積熱釋放階段的皮膚燒傷風(fēng)險(xiǎn)。隨著織物蓄積熱對(duì)著裝人體的二次傷害被強(qiáng)調(diào)，針對(duì)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(tǒng)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(shí)更多傳向人體皮膚，存在瞬時(shí)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(fā)現(xiàn)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(duì)消防服織物系統(tǒng)熱防護(hù)性能的貢獻(xiàn)較為復(fù)雜，在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時(shí)要特別加以重視。

1.2 服裝款式與結(jié)構(gòu)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(huì)產(chǎn)生織物性能所不能覆蓋的特性，促使學(xué)者對(duì)服裝整體的熱傳遞機(jī)制展開討論[24]，發(fā)現(xiàn)在僅考慮顯熱傳遞情況下，熱防護(hù)性能最優(yōu)的織物系統(tǒng)在服裝整體性能評(píng)估中并未體現(xiàn)出最優(yōu)性能[9]。

針對(duì)多層結(jié)構(gòu)厚重服裝造成的散熱困難問題，學(xué)者先后提出打開衣領(lǐng)[39]、在側(cè)縫部位設(shè)計(jì)開口[39]及縮短外套長(zhǎng)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(duì)人體局部熱損失的作用顯著依賴于開口設(shè)計(jì)方法及打開方式[41-42]。然而，研究均在熱中性環(huán)境進(jìn)行，高溫環(huán)境的空氣向衣下空間流動(dòng)導(dǎo)致微氣候溫度增加，皮膚溫度升高[43]。熱環(huán)境引起的人體熱不平衡將會(huì)增加熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱應(yīng)激的發(fā)生，這與熱中性環(huán)境中開口的積極作用結(jié)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(huán)境之間的熱交換速度；但分體設(shè)計(jì)影響了服裝的封閉性和衣下空間的完整性，后者對(duì)于服裝整體熱防護(hù)能力具有積極的影響[44]。相互矛盾的結(jié)論提示未來研究中應(yīng)該合理設(shè)計(jì)服裝開口，謹(jǐn)慎平衡熱防護(hù)和熱舒適問題。

消防服系統(tǒng)各層材料配置也會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)傳熱產(chǎn)生顯著影響[40]。防水層設(shè)計(jì)中，相比氯丁橡膠材料，戈?duì)柼厮?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(duì)局部熱傳遞能力會(huì)產(chǎn)生明顯的阻礙作用[9]。

服裝(織物)性能測(cè)試對(duì)熱防護(hù)性能評(píng)估是最直接且關(guān)鍵的評(píng)價(jià)。在織物研究的基礎(chǔ)上，全面分析服裝層面的作用機(jī)制，將著裝人體與環(huán)境之間熱交換視為統(tǒng)一整體，才能實(shí)現(xiàn)服裝性能的全面評(píng)估與預(yù)測(cè)。

2 人體與環(huán)境的傳熱機(jī)制

為有效模擬人體與環(huán)境之間的作用平臺(tái)與傳熱機(jī)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(jī)制研究主要包括2個(gè)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(huán)境之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)(包括人體自身運(yùn)動(dòng)和環(huán)境風(fēng))中的對(duì)流熱傳遞的作用效果。

2.1 衣下空氣層

空氣的導(dǎo)熱系數(shù)(常溫環(huán)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(guān)注[27]。理論上，空氣層中熱量以傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射形式傳遞，其中：傳導(dǎo)熱量可利用傅里葉定律計(jì)算；對(duì)流傳熱量通常使用牛頓冷卻定律計(jì)算，且常用瑞利數(shù)Ra判斷對(duì)流傳熱發(fā)生與否；輻射熱傳遞采用斯蒂芬波爾茨曼定律計(jì)算，通常假設(shè)空氣為透明體，不考慮空氣對(duì)輻射的吸收。但是當(dāng)空氣內(nèi)含有極性氣體(如水分子)時(shí)，空氣對(duì)輻射熱吸收不可忽略，可構(gòu)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(tǒng)熱傳遞中作用的討論主要涉及厚度、方向、位置、形態(tài)以及動(dòng)態(tài)性幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的提取及其作用機(jī)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(nèi)，織物的熱防護(hù)性能隨著厚度增加先提高，但繼續(xù)增加至發(fā)生明顯的自然對(duì)流時(shí)，熱防護(hù)性能略有下降，因此，自然對(duì)流是否發(fā)生成為另一研究熱點(diǎn)，即尋找“最優(yōu)空氣層厚度”。在不同的熱暴露環(huán)境中，空氣層的作用特性存在差異，其最優(yōu)值不盡相同。在熱輻射環(huán)境中，豎直空氣層內(nèi)發(fā)生自然對(duì)流的厚度約為6 mm[37]，但在高溫高濕環(huán)境中，這一厚度顯著增加，達(dá)到12 mm[48]。在服裝層面，有研究借助服裝尺寸變化構(gòu)造空氣層厚度梯度發(fā)現(xiàn)，服裝尺寸與蒸發(fā)散熱能力之間顯著正相關(guān)[49]。

以往的研究中，多將衣下空氣層假設(shè)為均勻形態(tài)，然而，人體體表的不規(guī)則形態(tài)以及織物的柔性特征，使得衣下空氣層實(shí)際呈現(xiàn)非均勻狀態(tài)。有學(xué)者通過設(shè)計(jì)褶裥空氣層進(jìn)行了不規(guī)則形態(tài)的簡(jiǎn)化研究[12]，結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中褶裥空氣層設(shè)置增加了人體熱損失。三維掃描技術(shù)的發(fā)展使得獲取真實(shí)衣下空氣層的形態(tài)成為可能[50]，對(duì)不規(guī)則空氣層的量化研究有待深入展開。

對(duì)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(duì)消防服多層織物系統(tǒng)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(rùn)濕后的織物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，表現(xiàn)出空氣層靠近輻射熱源時(shí)熱防護(hù)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(yùn)動(dòng)

在關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)對(duì)服裝熱傳遞影響的研究中，移動(dòng)速度是重要的變量。有學(xué)者[49]利用可行走的暖體假人實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了高溫環(huán)境中人體皮膚表面蒸發(fā)散熱量與步速之間的回歸模型發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)散熱量隨步速增加而增加，但增長(zhǎng)率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。而另一項(xiàng)采用數(shù)值模擬方法分析人體移動(dòng)對(duì)熱防護(hù)性能影響的研究[54]表明，隨著人體移動(dòng)速度的增加，二級(jí)燒傷時(shí)間先降低后增加；但是移動(dòng)速度增加顯著增加了三級(jí)燒傷時(shí)間。究其原因，移動(dòng)速度影響了織物系統(tǒng)入射能，而隨著移動(dòng)速度的增加，雖然入射能變化速率增加，但達(dá)到穩(wěn)定階段后織物系統(tǒng)入射能反而降低；同時(shí)，人體與熱源之間的相對(duì)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(jié)果使得二級(jí)和三級(jí)燒傷時(shí)間表現(xiàn)出不同的作用規(guī)律。

也有研究則關(guān)注人體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的服裝形變，及由此引起的衣下空氣層的動(dòng)態(tài)變化。一項(xiàng)采用數(shù)值模擬方法的相關(guān)研究中[11]，空氣層運(yùn)動(dòng)被假設(shè)為正弦波動(dòng)，變化頻率和變化幅度被作為動(dòng)態(tài)空氣層的特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)空氣層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，皮膚表面溫度上升，熱防護(hù)性能降低，并且對(duì)流和輻射傳熱量與運(yùn)動(dòng)頻率顯著相關(guān)。但研究?jī)H考慮空氣層的水平方向運(yùn)動(dòng)，而對(duì)流換熱顯著依賴于浮升力，與空氣層方向密切相關(guān)，進(jìn)一步研究可充分考慮縱向空氣層內(nèi)浮力作用。

2.3 環(huán)境風(fēng)

關(guān)于環(huán)境風(fēng)對(duì)著裝人體熱傳遞作用的研究中，風(fēng)速是最為常見的參數(shù)。利用干態(tài)暖體假人討論輻射熱環(huán)境中風(fēng)速影響的研究顯示[18]，風(fēng)速大大增加服裝的散熱能力。但由于暖體假人測(cè)試原理的限制，實(shí)驗(yàn)在5～12 ℃的環(huán)境進(jìn)行，實(shí)際的輻射熱暴露環(huán)境則可能包含環(huán)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(fēng)速的作用還有待進(jìn)一步討論。

另一項(xiàng)采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行閃火轟燃環(huán)境下環(huán)境風(fēng)作用的研究同樣發(fā)現(xiàn)了環(huán)境風(fēng)速對(duì)對(duì)流傳熱的積極作用，但同時(shí)也顯示出風(fēng)對(duì)人體正面和背面總熱流密度分布的影響，即風(fēng)向影響了服裝表面邊界層氣體流動(dòng)速度和方向，未來可對(duì)此進(jìn)行更為細(xì)化的研究[55]。

3 外部熱源傳熱機(jī)制

長(zhǎng)時(shí)間低熱輻射暴露情況下，包括輻射強(qiáng)度、輻射時(shí)長(zhǎng)、輻射距離等在內(nèi)的熱源特征對(duì)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(qiáng)度

輻射強(qiáng)度對(duì)織物系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，熱源強(qiáng)度與織物系統(tǒng)累積蓄熱量之間存在顯著線性相關(guān)關(guān)系[15]；綜合考慮織物系統(tǒng)傳熱和蓄熱釋放的作用時(shí)，隨著熱源強(qiáng)度的增加(6.3、7.5、8.3 kW/m2)，二級(jí)燒傷時(shí)間明顯減短[25]。

進(jìn)一步研究[56]表明：當(dāng)輻射強(qiáng)度超過20.9 kW/m2時(shí)，皮膚燒傷取決于熱暴露過程中傳熱量；當(dāng)輻射強(qiáng)度較低時(shí)，熱暴露結(jié)束后織物蓄熱釋放顯著增加皮膚燒傷的概率，因此，當(dāng)消防人員處于熱輻射強(qiáng)度不同的作業(yè)場(chǎng)合時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意區(qū)分不同的防護(hù)策略。

3.2 輻射時(shí)長(zhǎng)

一項(xiàng)針對(duì)熱暴露時(shí)間與皮膚燒傷之間關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)[28]：隨著熱暴露時(shí)間的增加，累積傳熱量增加的同時(shí)，增加量也逐步增加；而累積蓄熱量則表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。

與熱源強(qiáng)度的作用類似，學(xué)者發(fā)現(xiàn)短時(shí)間熱暴露時(shí)，皮膚燒傷來自熱暴露結(jié)束后織物系統(tǒng)熱蓄積；而在超過該時(shí)間的熱暴露中皮膚燒傷來自熱暴露階段的熱傳遞[6]。進(jìn)一步分析則量化了該結(jié)果，認(rèn)為在熱暴露時(shí)間較短時(shí)，皮膚接受的熱量多數(shù)來自織物系統(tǒng)蓄熱釋放，達(dá)到80%，但是熱暴露時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，蓄積熱釋放導(dǎo)致皮膚表面熱量增加僅占30%～50%[28]。這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，同樣值得在針對(duì)性的產(chǎn)品研發(fā)和防護(hù)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(shí)間延長(zhǎng)[54]。而且，輻射距離不同時(shí)，熱傳遞途徑也會(huì)發(fā)生改變。輻射距離較短時(shí)，熱源與織物系統(tǒng)表面之間以輻射熱傳遞為主，隨著距離的增加，對(duì)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(huán)境中的安全作業(yè)距離：當(dāng)暴露在8.5 kW/m2下300 s時(shí)，避免產(chǎn)生二級(jí)燒傷的安全作業(yè)區(qū)域?yàn)榇笥?.3 m，避免產(chǎn)生三級(jí)燒傷的安全作業(yè)區(qū)域?yàn)榇笥?.15 m。

4 熱濕耦合作用機(jī)制

根據(jù)傳熱傳質(zhì)原理，織物系統(tǒng)內(nèi)的熱量傳遞和水分傳遞不是相互獨(dú)立的過程[57-58]。原因在于：水分會(huì)改變織物的熱導(dǎo)率、比熱容等物理性能，以及輻射吸收系數(shù)、透過率等光學(xué)性質(zhì)；水分在吸濕/解吸、蒸發(fā)/冷凝過程中均會(huì)吸收或釋放熱量，呈現(xiàn)出濕熱耦合效應(yīng)，導(dǎo)致織物及服裝中的熱傳遞機(jī)制發(fā)生變化。消防服系統(tǒng)中常見來自外界的水分以及人體出汗產(chǎn)生的水分，包括氣態(tài)和液態(tài)，因此，濕熱耦合效應(yīng)對(duì)人體與環(huán)境之間熱交換機(jī)制的作用也得到較多研究[38,59]。根據(jù)研究關(guān)注點(diǎn)的不同，本文將其分為針對(duì)含水織物的研究、針對(duì)人體動(dòng)態(tài)出汗的研究、以及針對(duì)含濕衣下空間的研究3類，分別進(jìn)行闡述。

4.1 織物內(nèi)部水分

探索織物中的水分對(duì)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(yù)加濕的方法，忽略織物的吸濕過程。研究發(fā)現(xiàn)：在熱流密度為6.3 kW/m2的熱暴露條件下，織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能隨著含水量的增加先下降后上升；且含水量為織物質(zhì)量的15%時(shí)，熱防護(hù)性能最差[5]。

針對(duì)消防服織物系統(tǒng)的多層構(gòu)成特征，研究進(jìn)一步細(xì)分到各功能層中水分的具體影響。對(duì)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(shí)其熱防護(hù)性能最佳[60]。對(duì)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(shí)，則呈現(xiàn)相反的規(guī)律[29]。

防水透汽層作為消防服織物系統(tǒng)中特殊功能層，與水分相關(guān)的研究主要集中于其透濕能力與熱防護(hù)能力之間的關(guān)系，研究結(jié)論并不統(tǒng)一。有研究認(rèn)為防水層透濕性對(duì)熱防護(hù)性能影響較小[61]；也有研究發(fā)現(xiàn)隨著透濕性增加防護(hù)性能先增加后降低[62]?？梢?，防水層對(duì)水汽的透過能力對(duì)熱傳遞的作用機(jī)制復(fù)雜。

4.2 模擬動(dòng)態(tài)出汗

采用預(yù)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(jié)論產(chǎn)生一定的偏差[63-64]。而且，預(yù)加濕方法中包含了單一的織物干燥過程，并未考慮人體動(dòng)態(tài)出汗時(shí)對(duì)織物的持續(xù)潤(rùn)濕能力。一項(xiàng)使用出汗軀干的研究證明[65]，在30 kW/m2的輻射熱暴露下，預(yù)加濕和模擬動(dòng)態(tài)出汗2種方法中，水分對(duì)熱防護(hù)性能的影響顯示出相反的作用規(guī)律。因此，進(jìn)一步的研究中開始關(guān)注人體動(dòng)態(tài)出汗的模擬。

有研究進(jìn)一步利用置于輻射熱暴露下的出汗軀干，研究持續(xù)出汗過程中多層織物系統(tǒng)的熱濕傳遞規(guī)律[23]發(fā)現(xiàn)，織物二維平面內(nèi)的濕傳遞提高了蒸發(fā)冷卻能力，而織物層間的濕傳遞則呈現(xiàn)相反結(jié)果。可見，人體持續(xù)出汗形成的水分動(dòng)態(tài)流動(dòng)，使得多層織物系統(tǒng)中的熱量傳遞規(guī)律發(fā)生了很大變化，但是，該研究在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境(20 ℃，60%相對(duì)濕度)且輻射強(qiáng)度低于1 kW/m2的條件下進(jìn)行，結(jié)論是否能外推至其他外部環(huán)境條件和熱源強(qiáng)度還有待進(jìn)一步驗(yàn)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(tǒng)熱傳遞中發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，衣下空間的相對(duì)濕度升高對(duì)織物系統(tǒng)整體的熱防護(hù)性能起到積極影響[14]。面料含水時(shí)，最優(yōu)空氣層厚度遠(yuǎn)大于干態(tài)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(shí)其傳熱機(jī)制會(huì)發(fā)生較大的變化。

對(duì)于相同厚度的空氣層和初始溫差，干濕態(tài)空氣層內(nèi)Ra相近，水分的存在增加了空氣的有效導(dǎo)熱系數(shù)，熱傳遞系數(shù)增加[36]。同時(shí)，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(duì)人體動(dòng)態(tài)出汗影響的關(guān)注，關(guān)于非穩(wěn)態(tài)衣下空間濕度的研究也得到一定開展?！拔h(huán)境熱飽和理論”間接支持了這一觀點(diǎn)，即微環(huán)境中熱濕飽和較快形成時(shí)，相應(yīng)服裝的熱防護(hù)性能越差[69]。

5 結(jié)束語

在低熱輻射環(huán)境中，輻射作用強(qiáng)度低，熱暴露時(shí)間長(zhǎng)，消防作業(yè)人員的熱損傷多發(fā)生于這一環(huán)境。當(dāng)前針對(duì)低熱輻射下消防服系統(tǒng)熱傳遞機(jī)制的揭示已經(jīng)取得了一定的進(jìn)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(tài)構(gòu)成及活動(dòng)狀態(tài)、輻射熱源的特征，以及熱濕耦合作用等多角度進(jìn)行了不同深度的研究。本文基于對(duì)當(dāng)前研究進(jìn)展的分析，提出未來該研究領(lǐng)域值得進(jìn)一步探索的幾個(gè)問題。

1)非均勻空氣層的分布與模擬方法。當(dāng)前關(guān)于輻射熱環(huán)境中服裝傳遞機(jī)制的研究，多假設(shè)空氣層分布均勻或直接接觸，針對(duì)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(jìn)行簡(jiǎn)化處理的方法。三維掃描技術(shù)、逆向工程技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，為對(duì)人體復(fù)雜曲面形態(tài)及不規(guī)則衣下空間的探索提供了有力的技術(shù)支撐。未來可通過細(xì)化和虛擬再現(xiàn)著裝人體與服裝之間空氣層形態(tài)，提取有效的空氣層特征參數(shù)(如曲率、傾斜度)，研究非均勻空氣層的傳熱機(jī)制及其對(duì)服裝系統(tǒng)整體熱傳遞的影響。

2)非穩(wěn)態(tài)人體運(yùn)動(dòng)和環(huán)境風(fēng)的作用。當(dāng)前關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)和環(huán)境風(fēng)的研究主要集中在均勻輻射熱環(huán)境中人體與環(huán)境達(dá)到熱平衡時(shí)的熱傳遞機(jī)制探索，對(duì)于風(fēng)向影響的研究也不夠充分，而對(duì)非穩(wěn)態(tài)風(fēng)的環(huán)境或人體變速運(yùn)動(dòng)下的機(jī)制的研究仍然存在難度。未來可進(jìn)一步細(xì)化和深入研究非穩(wěn)態(tài)條件下的氣流場(chǎng)和熱流場(chǎng)，并借助數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化研究，挖掘氣流變化對(duì)服裝系統(tǒng)中熱傳遞機(jī)制的影響。

3)人體熱調(diào)節(jié)功能的充分考慮。已有的研究多數(shù)將人體視為被動(dòng)受熱體，對(duì)人體自身的熱調(diào)節(jié)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(dòng)態(tài)出汗功能，提高模擬貼合度，進(jìn)行輻射熱防護(hù)研究；另一方面，可以研究低熱輻射環(huán)境中人體的熱生理反應(yīng)，耦合人體熱調(diào)節(jié)模型，深入探索該環(huán)境條件下消防服系統(tǒng)中熱量的傳遞規(guī)律。

綜合而言，對(duì)低熱輻射下消防服熱傳遞機(jī)制的深入研究，有助于提高服裝熱防護(hù)性能評(píng)估的全面性和準(zhǔn)確性，有利于優(yōu)化消防服的產(chǎn)品開發(fā)與功能設(shè)計(jì)，最終服務(wù)于減少消防作業(yè)人員的傷亡和保障生命安全。