常 敏 王 瑜 張 穎 陳宗琪 黃 樂

(南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 南京 211816)

根據(jù)美團(tuán)發(fā)布的《2019年度企業(yè)社會(huì)責(zé)任報(bào)告》[1]可知，該年度通過(guò)美團(tuán)獲得收入的騎手人數(shù)高達(dá)399萬(wàn)人，同比增長(zhǎng)23.3%，全社會(huì)將外賣騎手視為主要工作的人數(shù)已突破三百萬(wàn)大關(guān)。相變防護(hù)服的投入使用能夠緩解他們?cè)谙募靖邷貞敉怛T行的不適感，為快遞外賣員提供更多人文關(guān)懷[2]。相變防護(hù)服屬于被動(dòng)式降溫[3],通常將相變材料置于服裝內(nèi),通過(guò)材料相態(tài)的變化吸收人體的熱量。相變冷卻服因具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可循環(huán)使用、穿戴方便、制冷效果好等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

國(guó)外普遍在20世紀(jì)50年代開始研制液冷服。1962年，伯頓和科利爾為英國(guó)皇家空軍設(shè)計(jì)和開發(fā)了第一套液體冷卻服裝[4]，以消除飛行員引起的代謝熱量，并提高其作業(yè)能力。20世紀(jì)70年代的美國(guó)[5],以CO2為相變材料發(fā)生氣-固相變?yōu)槿梭w保溫。20世紀(jì)80年代以后,研究人員嘗試將CaCl2·6H2O、SrCl2·6H2O、聚乙二醇等應(yīng)用于服裝中，研究表明其具有一定的調(diào)溫效果[6]。

目前國(guó)內(nèi)防護(hù)服發(fā)展較為迅速，熱防護(hù)服可以和其他功能防護(hù)服搭配使用,通常穿著于其他功能性防護(hù)服內(nèi)側(cè)，如宇航服、消防服、醫(yī)療防護(hù)服等。熱防護(hù)服的款式與功能多種多樣，結(jié)合其他新技術(shù)、新材料等形成了耐火防護(hù)服、相變恒溫服、電子調(diào)溫服、智能降溫頭盔等。在相變防護(hù)服的研究過(guò)程中，C.S.Gao等[7-9]在降溫袋填充不同的相變材料，并制作成熱防護(hù)服測(cè)試。在高溫環(huán)境下，測(cè)試防護(hù)服穿戴者穿著前后熱防護(hù)服的內(nèi)外側(cè)溫度、人體皮膚表面溫度等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，熱防護(hù)服穿戴者反映降溫效果良好，穿上熱防護(hù)服能夠顯著降低人體皮膚表面溫度。B.L.Bennett等[10-11]研究降溫袋的數(shù)量對(duì)降溫效果與人體感受的影響，結(jié)果表明防護(hù)服內(nèi)降溫袋數(shù)量越多，降溫效果越好。但隨著降溫袋數(shù)量增多，質(zhì)量也會(huì)增加，給人帶來(lái)負(fù)重感，不利于人員正常的活動(dòng)。為提高防護(hù)服的綜合性能,平衡功能性需求和舒適性要求之間的關(guān)系,近年已經(jīng)出現(xiàn)結(jié)合密度小、導(dǎo)熱率低的氣凝膠材料的熱防護(hù)服[12]，可以在爆炸和突發(fā)火災(zāi)等高溫環(huán)境下有效抵擋熱輻射，減少物理、化學(xué)等外界因素對(duì)人體造成的熱損傷，降低人體的儲(chǔ)存熱，緩解熱應(yīng)激癥狀。

目前研究仍存在如下不足：1)傳統(tǒng)的電力降溫防護(hù)服，氣體、液體降溫防護(hù)服，蓄冷式被動(dòng)熱防護(hù)服[13]存在安全性低、能源消耗大、填充材料易分層、使用復(fù)雜等問題。2)目前市場(chǎng)上的高級(jí)熱防護(hù)服主要應(yīng)用于高溫作業(yè)領(lǐng)域，但批發(fā)價(jià)格最高可達(dá)3 000元，尚不能投入到商業(yè)化當(dāng)中；本防護(hù)服填補(bǔ)了室外環(huán)境和工作平臺(tái)缺少簡(jiǎn)單可靠防護(hù)服的空白，具有較大的市場(chǎng)空間。3)高溫戶外工作人員還沒有普遍采取對(duì)自身的熱防護(hù)，僅使用普通防曬外衣或防曬配飾如墨鏡、帽子等來(lái)抵擋太陽(yáng)輻射[14]。

本文基于相變換熱的原理，采用相變恒溫材料作為熱防護(hù)服的填充材料，利用其在高溫時(shí)發(fā)生相變、吸熱性好、可循環(huán)利用等特點(diǎn)[15-17]，吸收人體散發(fā)的熱量，降低熱負(fù)荷，從而保證人員的正常工作狀態(tài)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的熱防護(hù)服性能，首先利用熱水模擬人體發(fā)熱量進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)；靜態(tài)實(shí)驗(yàn)確定防護(hù)服熱容量滿足需求后，真人在37.1、41、45、60 ℃的高溫環(huán)境下持續(xù)運(yùn)動(dòng)3 h，完成真人實(shí)驗(yàn)。兩類實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證確保防護(hù)服的降溫效果和持續(xù)時(shí)間。本文設(shè)計(jì)的防護(hù)服在后續(xù)推廣應(yīng)用上將結(jié)合新型材料技術(shù)，如將相變材料與納米材料、碳纖維等相結(jié)合可以提高其降溫性能,根據(jù)快遞員、外賣員、高溫車間作業(yè)員等職業(yè)人群的需求，進(jìn)行個(gè)性化定制；以及逐漸拓展到特殊高溫環(huán)境如坦克、裝甲車輛中，保證作戰(zhàn)士兵的良好狀態(tài)。

1 防護(hù)服設(shè)計(jì)

1.1 相變材料選擇

相變材料的傳熱性能對(duì)比[18]如表1所示，在選取的19個(gè)相變材料中，對(duì)比各相變材料的質(zhì)量潛熱發(fā)現(xiàn)，除Na2HPO4·12H2O外，Na2SO4·10H2O的質(zhì)量潛熱最高，為241.0 kJ/kg，相變溫度為32.4 ℃，且符合人體體感溫度要求。綜合考慮相變材料的相變溫度、來(lái)源獲取、制備工序與成本、腐蝕性、阻熱性等，選用Na2SO4·10H2O作為填充材料最為合適。

表1 19種無(wú)機(jī)水合鹽相變材料的熱物性[18]Tab.1 Thermal properties of 19 inorganic hydrate phase change materials[18]

1.2 材料制備

選用相變恒溫材料冰沙作為主要材料，總質(zhì)量為2.18 kg，成分為Na2SO4·10H2O，同時(shí)混合Na2B4O7·10H2O、硼砂(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%)、增稠劑聚丙烯酰胺(CH2CHCONH2)r、晶型改變劑六偏磷酸鈉(NaPO3)6、懸浮劑二氧化硅SiO2、表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和水[18-19]；冰沙接觸到高溫物體后溫度升高，到熔點(diǎn)時(shí)發(fā)生物理相變，吸收熱量。

1.3 防護(hù)服設(shè)計(jì)

防護(hù)服內(nèi)部以熱復(fù)合PVC 包裝的相變恒溫材料填充；外部面料采用麻纖維，透氣性好，顏色選淺色系，盡可能減少太陽(yáng)熱輻射；防護(hù)服的腰部下側(cè)為開口設(shè)計(jì)，減緩了人體體表溫度的升高，同時(shí)減少汗液的蓄積。護(hù)臂設(shè)計(jì)為可拆卸式，滿足了穿戴者在不同工作環(huán)境下的需求；在兩護(hù)臂手腕處分別連接松緊帶，通過(guò)自由放縮來(lái)減少環(huán)境的熱量進(jìn)入到護(hù)臂內(nèi)部。防護(hù)服正視圖如圖1所示，三維圖如圖2所示。

1～8第一～第八相變材料；9第一拉鏈；10第二拉鏈；11第一松緊帶；12第二松緊帶；13第一護(hù)臂；14第二護(hù)臂；15第一束腰；16第二束腰；17防護(hù)服；18第三拉鏈。圖1 防護(hù)服正視圖Fig.1 Front view of the protective clothing

圖2 防護(hù)服三維圖Fig.2 Three-dimensional figure of the protective clothing

相變材料采用分區(qū)處理的方法，分成小塊均勻分布在人體的前胸、后背及手臂上；分區(qū)處理方法不僅讓相變材料分布均勻，不至于某一部位過(guò)重，使得穿著者具備良好的工作舒適性；而且還擴(kuò)展了相變材料與皮膚的接觸面積，充分發(fā)揮了相變材料的降溫性能，避免沉淀；外表利用熱復(fù)合PVC面料經(jīng)高壓融合而成的雙層壓邊分塊網(wǎng)格密閉封裝，相鄰相變材料包之間的間隙為6 mm。防護(hù)服實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 防護(hù)服實(shí)物圖Fig.3 Physical image of the protective clothing

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

熱水模擬和真人實(shí)驗(yàn)所需實(shí)驗(yàn)儀器、測(cè)量?jī)x器量程及其相對(duì)誤差如表2和圖4所示。

表2 熱水模擬實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)Tab.2 Parameters of test instruments for the hot water simulation

圖4 主要實(shí)驗(yàn)儀器Fig.4 Main test instruments

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

通過(guò)使用定量的熱水模擬人體勞動(dòng)時(shí)的發(fā)熱量，確定此時(shí)防護(hù)服的降溫效果，可以排除因?qū)嶒?yàn)人員的心理、生理因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，確保后續(xù)真人實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。根據(jù)錢揚(yáng)義等[20]研究的熱水降溫曲線公式以及比熱容計(jì)算釋放熱量公式，如式(1)和式(2)所示，計(jì)算得出在高溫工況重度勞動(dòng)強(qiáng)度人體上半身所散發(fā)的熱量，定量計(jì)算出用初始溫度為100 ℃熱水降溫釋放相等熱量時(shí)所需的熱水質(zhì)量約為2 kg，如表3所示。

表3 熱水模擬所需的水量和時(shí)長(zhǎng)Tab.3 Water amount and lasting time for the hot water simulation

熱水降溫曲線：

(1)

式中：T為熱水的實(shí)時(shí)溫度，℃；T0為環(huán)境的溫度，℃；A為熱水和環(huán)境的最大溫差，℃；t為時(shí)間，s；V為熱水的體積，mL。

釋放熱量計(jì)算式：

Q=cmΔt

(2)

式中：Q為熱量，J；c為比熱容，J/(kg·K)；m為物質(zhì)的質(zhì)量，kg；Δt為物體的變化溫度，K。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)準(zhǔn)備好所需實(shí)驗(yàn)器材，在熱防護(hù)服的前胸、腹部、側(cè)腹和后背表面位置用記號(hào)筆框選4個(gè)待測(cè)點(diǎn)；由于衣服的溫度變化趨勢(shì)和平均皮膚溫度的變化趨勢(shì)一致，防護(hù)服的初始溫度低于人體體表溫度，隨著溫度升高，相變材料達(dá)到相變點(diǎn)，吸收熱量，延遲人體、衣服溫度升高。由于皮膚表面平均溫度波動(dòng)范圍小，例如女性上半身平均溫差最大處為腰部的2.7 ℃[21-22]，選擇測(cè)量防護(hù)服的外表面測(cè)點(diǎn)溫度變化。

2)通過(guò)醫(yī)用紅外測(cè)溫槍記錄熱防護(hù)服4個(gè)待測(cè)點(diǎn)的初始溫度。

3)用電熱水壺將2 kg水燒開，用探針式測(cè)溫計(jì)測(cè)量記錄熱水的溫度，并將熱水快速倒入熱水袋中，密封熱水袋，包裹在熱防護(hù)服中，放置在電取暖器表面。

4)開始實(shí)驗(yàn)，每隔10 min記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，待測(cè)點(diǎn)溫度穩(wěn)定達(dá)到預(yù)期的人體適宜溫度，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，由于高溫戶外工作人員工作時(shí)間一般為09∶00—12∶00，14∶00—17∶00，這兩段時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射最為強(qiáng)烈，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)預(yù)計(jì)3 h；熱水模擬實(shí)驗(yàn)分別在30、41、45 ℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行，處理分析3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.3 真人實(shí)驗(yàn)

真人穿戴上熱防護(hù)服后，實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)保持劇烈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 真人實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.5 Real human testing process

1)準(zhǔn)備好所需的實(shí)驗(yàn)器材，在熱防護(hù)服的前胸和后背位置用記號(hào)筆框選4個(gè)待測(cè)點(diǎn)，用鋁箔包裹熱電偶貼附在熱防護(hù)服表面。

2)接入電源，啟動(dòng)智能溫度多路巡檢儀，根據(jù)溫濕度監(jiān)測(cè)計(jì)記錄當(dāng)前的環(huán)境溫度、濕度，用手持式醫(yī)用紅外測(cè)溫槍測(cè)量人體初始體溫。

3)開始實(shí)驗(yàn)，人體保持不同程度運(yùn)動(dòng)，每隔10 min記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別記錄熱防護(hù)服測(cè)點(diǎn)溫度、人體溫度，待熱防護(hù)服測(cè)點(diǎn)溫度穩(wěn)定達(dá)到預(yù)期的人體適宜溫度，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束；真人實(shí)驗(yàn)分別在37.1、39、41、60 ℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行，處理分析4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熱水模擬實(shí)驗(yàn)

第1、2、3次模擬熱源實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分別在30、41、45 ℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行180 min，將2 kg的100 ℃熱水用塑料熱水袋包裹好放入熱防護(hù)服中，再將熱防護(hù)服豎直懸掛在高溫的小房間中。隨著時(shí)間的推移，熱水的熱量逐漸擴(kuò)散至熱防護(hù)服中。實(shí)驗(yàn)記錄3種工況下4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)變化，如圖6所示。

圖6 不同環(huán)境溫度下100 ℃熱水模擬實(shí)驗(yàn)180 min內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig.6 Temperature change of measuring points within 180 min in 100 ℃ hot water simulation test at different ambient temperatures

圖6(a)所示為30 ℃環(huán)境下100.0 ℃熱水實(shí)驗(yàn)時(shí)的防護(hù)服表面溫度變化。在0～40 min內(nèi)，熱防護(hù)服測(cè)點(diǎn)溫度曲線近似直線狀態(tài)迅速升高；40～60 min內(nèi)熱防護(hù)服測(cè)點(diǎn)溫度曲線逐漸變緩，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至60 min時(shí)溫度升至頂峰約41 ℃；隨著熱防護(hù)服開始發(fā)生相變吸熱，在60～120 min時(shí)溫度曲線降低速率較大；在120 min至實(shí)驗(yàn)結(jié)束期間，由于凝膠的高傳熱性，以及防護(hù)服包裹的水的溫度不斷降低，溫度曲線降低速率變緩，表面溫度維持在約26 ℃。

圖6(b)所示為41 ℃環(huán)境下100.0 ℃熱水實(shí)驗(yàn)時(shí)的防護(hù)服表面溫度變化。在0～40 min內(nèi)變化趨勢(shì)與圖6(a)一致，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至60 min時(shí)溫度升至頂峰約43 ℃；隨著熱防護(hù)服開始發(fā)生相變吸熱，變化趨勢(shì)與圖6(a)一致。

表4所示為模擬實(shí)驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)的最高溫度和平均溫度，由表4可知：

表4 模擬實(shí)驗(yàn)馬甲測(cè)溫點(diǎn)參數(shù)分析Tab.4 Analysis of temperature measurement point parameters of the designed clothing in simulation test

1)隨著環(huán)境溫度不斷升高，防護(hù)服表面平均溫度也逐漸升高，防護(hù)服在30 ℃工況下表面溫度最低，性能最優(yōu)。

2)在整個(gè)180 min實(shí)驗(yàn)期間，防護(hù)服各測(cè)點(diǎn)平均溫度低于34 ℃，驗(yàn)證了熱防護(hù)服可以在高溫環(huán)境下吸收巨大的熱量，降低人體皮膚表面的升溫速率。

3)在30 ℃工況下，防護(hù)服側(cè)腹的降溫幅度最大，為15 ℃；在41、45 ℃工況下，防護(hù)服前胸的降溫幅度最大分別為16.7、17.9 ℃。因此在30、41、45 ℃工況的模擬熱源實(shí)驗(yàn)中，防護(hù)服降溫效果最好的部位分別為側(cè)腹、前胸。

4)防護(hù)服各測(cè)點(diǎn)的峰值溫度均低于人體灼痛感臨界溫度45 ℃[23]，預(yù)計(jì)基本可以滿足人的體表舒適溫度要求。

3.2 真人馬甲實(shí)驗(yàn)

4次真人實(shí)驗(yàn)，分別在37.1、39、41、60 ℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行180 min，每次實(shí)驗(yàn)記錄4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，如圖7～圖8所示。其中60 ℃的高溫測(cè)試能夠更好地驗(yàn)證防護(hù)服在極端熱環(huán)境下的降溫性能，為后續(xù)在高溫作業(yè)特種環(huán)境的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)由兩名實(shí)驗(yàn)者在汗蒸房環(huán)境下交替進(jìn)行，每人運(yùn)動(dòng)30 min后即將衣服交換給下一人，不會(huì)造成人體的熱失調(diào)。熱防護(hù)服初始溫度保持在約22 ℃，實(shí)驗(yàn)者穿好熱防護(hù)服后，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)。

如圖7(a)所示，環(huán)境溫度為37.1 ℃時(shí)，在0～110 min內(nèi)，隨著人體的發(fā)熱量持續(xù)增加，熱防護(hù)服內(nèi)的熱量的不斷累積，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度不斷升高。由于熱水在前期散發(fā)熱量較快，后期熱量即散發(fā)完畢，而人體散發(fā)熱量是持續(xù)的過(guò)程，故真人實(shí)驗(yàn)時(shí)防護(hù)服表面溫度最高點(diǎn)相對(duì)于熱水實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的較晚。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至110 min時(shí)，測(cè)點(diǎn)溫度接近Na2SO4·10H2O的相變點(diǎn)32.4 ℃，相變材料開始發(fā)生相變吸熱，從而加強(qiáng)了防護(hù)服吸收人體散發(fā)熱量的速率。在110～180 min，測(cè)點(diǎn)溫度開始緩慢下降。由于人體散熱不均勻，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)防護(hù)服部分區(qū)域的相變材料已液化，但部分區(qū)域相變材料尚未完全融化，相變材料處于過(guò)冷狀態(tài)；且實(shí)驗(yàn)者處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與周圍空氣存在相對(duì)速度帶來(lái)的對(duì)流換熱，進(jìn)一步降低了相變材料溫度，因此混合物的相變區(qū)間不會(huì)對(duì)防護(hù)服的最終溫度產(chǎn)生大的影響，防護(hù)服4個(gè)測(cè)點(diǎn)最終平均溫度維持在約26 ℃。

如圖7(b)和圖7(c)所示，環(huán)境溫度分別為39、41 ℃，各測(cè)點(diǎn)在180 min內(nèi)變化趨勢(shì)與圖7(a)一致。

圖7 不同環(huán)境溫度下真人實(shí)驗(yàn)180 min內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig.7 Temperature change of measuring points within 180 min in the real human test at different ambient temperatures

60 ℃環(huán)境溫度下的測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖8所示，在0～60 min內(nèi)，隨著人體的發(fā)熱量持續(xù)增加，熱防護(hù)服內(nèi)的熱量的不斷累積，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度不斷升高，最高溫度達(dá)到40 ℃。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至60 min時(shí)，測(cè)點(diǎn)溫度接近相變點(diǎn)32.4 ℃，相變材料開始發(fā)生相變，大幅加強(qiáng)了吸收人體散發(fā)熱量的速率，因此在60～180 min，測(cè)點(diǎn)溫度開始緩緩下降，平均溫度曲線降低變緩，維持在約31 ℃。

圖8 60 ℃環(huán)境溫度下真人實(shí)驗(yàn)180 min內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig.8 Temperature change of measuring points within 180 min in the real human test at the ambient temperature of 60 ℃

表5所示為真人實(shí)驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)的最高溫度和平均溫度，由表5可知：

表5 真人實(shí)驗(yàn)馬甲測(cè)溫點(diǎn)參數(shù)分析Tab.5 Analysis of temperature measurement point parameters of the designed clothing in real human test

1)在夏季室外正常溫度為37.1、39、41 ℃條件下，防護(hù)服前胸、后背、側(cè)腹、腹部的平均溫度保持在約28 ℃，整個(gè)3 h內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在120 min，最高溫度約為32 ℃，在180 min時(shí)溫度穩(wěn)定在約26 ℃，整體變化趨勢(shì)和持續(xù)時(shí)間與熱水模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

2)在極端溫度60 ℃條件下，防護(hù)服前胸平均溫度為35.24 ℃，側(cè)腹平均溫度為31.72 ℃，后背的平均溫度為33 ℃，腹部的平均溫度為33.26 ℃，整個(gè)3 h內(nèi)最高溫度在60 min，約為37.6 ℃，在180 min溫度穩(wěn)定在約31 ℃。

3)在37.1、39 ℃工況下，防護(hù)服側(cè)腹部的降溫幅度最大均為7.1 ℃；在41 ℃工況下，防護(hù)服后背的降溫幅度最大為6.9 ℃；在60 ℃工況下，防護(hù)服在腹部的降溫幅度最大為9.8 ℃。在不同部位的降溫效果的差異主要與人體熱敏感度和產(chǎn)熱量有關(guān)[24]，所以對(duì)于本實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)人員，在37.1、39、41、60 ℃工況下，防護(hù)服降溫效果最好的分別是側(cè)腹、后背、腹部。

4)防護(hù)服的降溫性能在環(huán)境溫度為41 ℃以下范圍內(nèi)較好，60 ℃的工況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)平均溫度存在大幅升高，但4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的峰值均低于人體灼痛感臨界溫度45 ℃，預(yù)計(jì)基本可以滿足人的體表舒適溫度要求。

3.3 真人護(hù)臂實(shí)驗(yàn)

本防護(hù)服主要面向戶外高溫的工作者，但僅依靠馬甲的防曬降溫只能滿足部分工種的需求。在快遞、外賣等行業(yè)，工作者在騎行過(guò)程中大部分時(shí)間胳膊暴露在太陽(yáng)輻射下，長(zhǎng)時(shí)間的太陽(yáng)輻射會(huì)導(dǎo)致皮膚紫外線曬傷。本節(jié)為防護(hù)服添加了護(hù)臂，可以在防曬的基礎(chǔ)上附加降溫的功能，緩解騎行時(shí)胳膊的不適感。且本護(hù)臂為可拆卸護(hù)臂，與防護(hù)服互相獨(dú)立工作，不使用時(shí)可以脫下，不會(huì)增加人員負(fù)擔(dān)。

圖9所示為60 ℃環(huán)境溫度下真人實(shí)驗(yàn)兩護(hù)臂180 min內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度變化。由圖9可知，60 ℃工況下，防護(hù)服的初始溫度保持在約16 ℃，實(shí)驗(yàn)者穿著防護(hù)服，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷運(yùn)動(dòng)。

圖9 60 ℃環(huán)境溫度下真人實(shí)驗(yàn)兩護(hù)臂180 min內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig.9 Temperature change of measuring points within 180 min of two arms in the real human test at the ambient temperature of 60 ℃

隨著實(shí)驗(yàn)者不斷運(yùn)動(dòng)，人體散發(fā)的熱量逐漸增多，熱防護(hù)服內(nèi)的熱量的不斷累積，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度不斷升高。在實(shí)驗(yàn)40 min時(shí)接近Na2SO4·10H20的相變溫度32.4 ℃，相變材料開始發(fā)生相變，大幅加強(qiáng)了吸收人體散發(fā)熱量的速率。在60～180 min，測(cè)點(diǎn)溫度開始緩緩下降，平均溫度曲線降低變緩，維持在約30 ℃。

表6所示為60 ℃環(huán)境溫度下護(hù)臂實(shí)驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)的最高溫度和平均溫度，由表6可知：

表6 60 ℃環(huán)境溫度下真人實(shí)驗(yàn)兩護(hù)臂測(cè)溫點(diǎn)參數(shù)分析Tab.6 Analysis of temperature measuring point parameters of the two arms in real human test at the ambient temperature of 60 ℃

1)在60 ℃工況下，防護(hù)服上下護(hù)臂外側(cè)最高溫度和平均溫度均高于內(nèi)側(cè)溫度，這是因?yàn)槿舜┲o(hù)臂時(shí)手臂外側(cè)與外界高溫環(huán)境的接觸面積大，外側(cè)比內(nèi)側(cè)所受的輻射熱量多。

2)上臂測(cè)點(diǎn)的最高溫度和平均溫度均高于下臂測(cè)點(diǎn)溫度，這是由于根據(jù)均勻環(huán)境下皮膚溫度分布，人體胳膊上側(cè)的溫度普遍高于下側(cè)[25]。

3)在60 ℃工況下，防護(hù)服的左右護(hù)臂的最高溫度均發(fā)生在100 min，最高溫度均低于40 ℃；防護(hù)服護(hù)臂內(nèi)外側(cè)平均溫度均最終能降至約32 ℃。

4 結(jié)論

根據(jù)Na2SO4·10H20相變吸熱的原理，本文設(shè)計(jì)了面向快遞外賣員的結(jié)合可拆卸護(hù)臂的無(wú)源熱防護(hù)服，利用熱水模擬人體發(fā)熱量進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)；在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成了高溫下的真人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論如下：

1)根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)可知，防護(hù)服在30、41、45 ℃的工況下，在60 min升至最高溫度，在后120 min平均溫度降至約26 ℃，驗(yàn)證了熱防護(hù)服的降溫性能良好，其中在30 ℃工況下，防護(hù)服降溫性能較好,在45 ℃工況下性能較差。

2)根據(jù)4次真人實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了防護(hù)服在37.1、39、41 ℃工況下，在60 min內(nèi)平均溫度可降至約26 ℃；在60 ℃工況下，60 min內(nèi)平均溫度可降至約31 ℃；其中防護(hù)服在37.1 ℃時(shí)降溫效果最優(yōu)，在60 ℃時(shí)降溫效果較差，但由于60 ℃屬于高溫極限工況，所以最終溫度會(huì)高于人體舒適溫度，且此時(shí)防護(hù)服表面溫度低于人體灼痛感臨界溫度45 ℃。

3)在60 ℃高溫工況下，防護(hù)服護(hù)臂平均溫度均能降至約30 ℃，3 h內(nèi)護(hù)臂表面溫度同樣低于人體灼痛感臨界溫度45 ℃。

綜上所述，本防護(hù)服可以實(shí)現(xiàn)在夏季高溫環(huán)境下給人體降溫的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在41 ℃以下滿足人體的熱舒適性要求，在60 ℃以下滿足人體熱防護(hù)需求。除夏季高溫作業(yè)人群人體降溫外，本防護(hù)服后續(xù)可以用于坦克、裝甲車等特種防護(hù)領(lǐng)域。

本文受2019年中國(guó)建設(shè)教育協(xié)會(huì)教改一般立項(xiàng)項(xiàng)目(2019138)資助。(The project was supported by the General Educational Reform Project of China Construction Education Association (No.2019138).)