盧 浩 張洲瀛 陳佳暉 傅亞婷 常文軍 于旭東

1. 上海理工大學(xué) 健康科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200433;2. 海軍軍醫(yī)大學(xué) 海醫(yī)系,上海 200433;3. 海軍特色醫(yī)學(xué)中心 特種作戰(zhàn)醫(yī)學(xué)研究室,上海 200433

近年,隨著全球氣候的變暖,世界各地平均氣溫都有些許增高,于是許多與熱相關(guān)的問題顯現(xiàn)出來[1]。盡管使用空調(diào)系統(tǒng)是最常用的降溫方法[2],但輪船空間非常有限,且輪船輪機(jī)艙內(nèi)有柴油機(jī)、電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等大型設(shè)備,它們工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱[3],故在此環(huán)境中使用空調(diào)系統(tǒng)降溫效果并不明顯。輪機(jī)員在進(jìn)行輪機(jī)艙機(jī)械設(shè)備的操作、檢修和保養(yǎng)時(shí)很容易出現(xiàn)中暑、熱衰竭等癥狀,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)熱痙攣、熱射病等職業(yè)病[4-5]。為了延長輪船輪機(jī)員在高溫環(huán)境下的工作時(shí)間,提高工作效率,避免熱應(yīng)激和熱負(fù)荷過大對人體造成熱損傷,本文設(shè)計(jì)了一款新型智能化溫控復(fù)合降溫背心(下文簡稱“新型降溫背心”),并對其降溫效果進(jìn)行了評(píng)定。

1 材料與方法

1.1 研究對象

受試者為體檢合格的10名健康男性,年齡在(24±2)歲,身高為(1.75±0.10)m,體質(zhì)量為(72.9±3.8)kg,身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)為(24.7±2.45) kg/m2[6],且無熱習(xí)服史和中暑史。

1.2 背心原型

新型降溫背心由變頻壓縮機(jī)、微通道冷凝器(含板式換熱器)、蒸發(fā)水箱、水泵、電控系統(tǒng)和網(wǎng)格背心等組成,其運(yùn)行原理和相關(guān)器件見圖1。通電后,低溫低壓氣態(tài)制冷劑經(jīng)變頻壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑,排出后通過微通道冷凝器,經(jīng)風(fēng)冷冷凝成中溫高壓液態(tài)制冷劑,再通過節(jié)流閥小孔噴出,膨脹為低溫低壓氣態(tài)制冷劑,并在蒸發(fā)水箱處與外界交換熱量,吸熱后流回變頻壓縮機(jī)入口[7]。如此往復(fù)循環(huán),實(shí)現(xiàn)對人體的持續(xù)降溫。

1—變頻壓縮機(jī);2—環(huán)境溫度傳感器;3—微通道冷凝器;4—冷凝風(fēng)機(jī);5—干燥過濾器;6—節(jié)流毛細(xì)管;7—蒸發(fā)水箱;8—水泵;9—出水溫度傳感器;10—網(wǎng)格背心;11—進(jìn)水溫度傳感器。圖1 新型降溫背心運(yùn)行原理及相關(guān)器件示意Fig.1 Operation principle and related device schematic of new cooling vest

與一代降溫背心相比,新型降溫背心:冷源改為變頻壓縮機(jī)制冷,制冷功率120 W,是一代降溫背心的2倍;采用了更大流量的低噪聲離心式水泵(水泵流量0.9 L/min),以及更大散熱量的板式換熱器;增加了微通道冷凝器、冷凝風(fēng)機(jī)和蒸發(fā)水箱等核心元部件,使降溫效果最大化;采用了電控系統(tǒng),可實(shí)時(shí)設(shè)定進(jìn)水口水溫,并實(shí)時(shí)監(jiān)測出水口水溫;主機(jī)機(jī)殼采用3A21鋁合金材料,輕巧、堅(jiān)固,能保證傾倒后設(shè)備繼續(xù)工作;電池改為更大容量的電池組(24 V直流電,6.5 A),續(xù)航時(shí)間為一代降溫背心的1.6倍;網(wǎng)格背心面料原料采用滌綸和尼龍,款式由以前的半袖式改為帽衫式,頭部位置也排列有水管,降溫效果提升。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)環(huán)境和測試時(shí)間

試驗(yàn)?zāi)M了3種環(huán)境:溫度37 ℃,相對濕度70%～80%;溫度41 ℃,相對濕度60%;溫度45 ℃,相對濕度55%～60%。測試時(shí)間為90 min。如果試驗(yàn)期間受試者感覺不適,則立即停止試驗(yàn)。

1.3.2 著裝

受試者基本著裝一致,均穿戴統(tǒng)一配發(fā)的訓(xùn)練服套裝(含半袖上衣、短褲和運(yùn)動(dòng)鞋)及新型降溫背心。其中,試驗(yàn)組穿著訓(xùn)練服套裝和工作狀態(tài)的新型降溫背心,對照組穿著訓(xùn)練服套裝和非工作狀態(tài)的新型降溫背心。

1.3.3 監(jiān)測設(shè)備

利用233621 SENSE頸掛式體溫心率監(jiān)測藍(lán)牙耳機(jī)(溫度測量范圍30.0～38.5 ℃,測量精度±0.2 ℃;心率測量范圍40～240次/min)監(jiān)測受試者的耳蝸溫度和心率。利用SV224智能測溫膠囊(測量范圍25.0～43.0 ℃,測量精度±0.2 ℃)測量受試者的胸部、背部、腹部、腰部、前臂、上臂、大腿、小腿和腋窩等9處的皮膚溫度,以及直腸溫度與網(wǎng)格背心內(nèi)微小氣候區(qū)溫度。利用SV223測溫膠囊(測量范圍25.0～43.0 ℃,測量精度±0.2 ℃)測量受試者的口腔溫度。利用精密人體秤(測量精度±0.01 g)測量受試者試驗(yàn)前后體質(zhì)量的變化,以獲得出汗量。

1.3.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文主要利用平均體溫(Tb)、直腸溫度、網(wǎng)格背心內(nèi)微小氣候區(qū)溫度(Tm)以及主觀感覺等指標(biāo),評(píng)價(jià)新型降溫背心的冷卻效果。

按式(1)計(jì)算加權(quán)平均皮膚溫度(Ts),按式(2)式計(jì)算Tb[8]:

Ts=0.110T胸+0.110T腹+0.110T背+0.110T腰+

0.085T上臂+0.085T前臂+0.230T大腿+0.160T小腿

(1)

Tb=0.8Trec+0.2Ts

(2)

式中:T胸為前胸部溫度,℃;T腹為右腹部溫度,℃;T腰為腰部溫度,℃;T上臂為右上臂溫度,℃;T前臂為右前臂溫度,℃;T大腿為右大腿溫度,℃;T小腿為右小腿溫度,℃;Trec為直腸溫度,℃。

采用ASHRAE評(píng)分法進(jìn)行局部溫?zé)岣性u(píng)價(jià)[9],即1分表示冷,2分表示微冷,3分表示涼,4分表示舒適,5分表示微熱,6分表示熱,7分表示很熱。舒適度指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為0分表示舒適,1分表示輕微不舒適,2分表示不舒適,3分表示很不舒適,4分表示不可忍受。采用RPE評(píng)分法進(jìn)行疲勞度評(píng)價(jià)[10],即6分表示沒有感覺,7分表示非常輕松,8、9分表示很輕松,10、11分表示尚輕松,12、13分表示稍累,14、15分表示累,16、17分表示很累,18、19、20分表示精疲力竭。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

測試數(shù)據(jù)的平均值采用“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式表示。試驗(yàn)組與對照組數(shù)據(jù)的比較采用配對樣本t檢驗(yàn)法,且所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 21.0軟件進(jìn)行分析,檢驗(yàn)顯著性水平取0.05。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 皮膚溫度

表1和表2分別為3種環(huán)境條件下測得試驗(yàn)組和對照組各部位的皮膚溫度,可以看出:試驗(yàn)組由于穿著了工作狀態(tài)的新型降溫背心,與對照組相比,前者軀干部位(如胸部、背部、腹部、腰部、腋窩等)的皮膚溫度均有顯著性降低(P<0.01),甚至未被覆蓋的四肢部位(如前臂、上臂、大腿和小腿)的皮膚溫度也有顯著性降低(P<0.01);即便在45 ℃的高溫極端環(huán)境下,新型降溫背心對人體仍具有良好的降溫效果。

表1 3種環(huán)境條件下試驗(yàn)組和對照組各部位皮膚溫度

表2 3種環(huán)境條件下試驗(yàn)組和對照組各部位皮膚溫度的變化情況Tab.2 Changes of skin temperatures of test groups and control groups under three kinds of environmental conditions 單位:℃

2.2 其他生理指標(biāo)

表3和表4分別列出了3種環(huán)境條件下測得試驗(yàn)組與對照組的其他生理指標(biāo)值,可以看出:

表3 3種環(huán)境條件下試驗(yàn)組和對照組的相關(guān)生理指標(biāo)

表4 3種環(huán)境條件下試驗(yàn)組和對照組相關(guān)生理指標(biāo)的變化情況

(1)心率是檢驗(yàn)熱應(yīng)激的一項(xiàng)重要生理指標(biāo)[11]。對比3種環(huán)境條件下試驗(yàn)組與對照組的心率發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)組的心率比對照組的低約16%。

(2)相較于對照組,試驗(yàn)組的耳蝸溫度、口腔溫度、出汗量、Ts和Tb均存在非常顯著性的差異(P<0.01)。穿著工作狀態(tài)的新型降溫背心能有效改善高溫環(huán)境下人體的生理機(jī)能,減少熱應(yīng)激。

(3)試驗(yàn)組的直腸溫度在3種環(huán)境溫度下均有降低,盡管數(shù)字上差異不顯著,但仍有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

(4)環(huán)境溫度越高,試驗(yàn)組顯示的網(wǎng)格背心內(nèi)微小氣候區(qū)的降溫效果越明顯。穿著工作狀態(tài)的新型降溫背心在37、41和45 ℃的環(huán)境溫度中,最大有效降溫分別達(dá)0.9、1.6和2.4 ℃。

(5)在人體熱量散發(fā)到熱環(huán)境中的過程中,汗液發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。出汗是有效緩解人體熱應(yīng)激的一種方式[12]。與對照組相比,試驗(yàn)組在37 ℃時(shí)減少了約26%的汗液流失,在41 ℃時(shí)減少了約34%的汗液流失,在45 ℃時(shí)減少了約37%的汗液流失,可見工作狀態(tài)的新型降溫背心降溫效果明顯。

(6)3種環(huán)境條件下,試驗(yàn)組的Tb值均低于對照組的。且測試過程中,隨著時(shí)間的推移,試驗(yàn)組與對照組皮膚溫度的差值在35 min時(shí)達(dá)到最大(37 ℃環(huán)境溫度中最大平均皮膚溫度差值為1.3 ℃;41 ℃環(huán)境溫度中最大平均皮膚溫度差值為1.5 ℃;45 ℃環(huán)境溫度中最大平均皮膚溫度差值為1.7 ℃)。35 min后,這一差距逐漸降低,直到試驗(yàn)結(jié)束(P<0.05)。

2.3 主觀感受

表5和表6分別為3種環(huán)境條件下測得試驗(yàn)組與對照組的主觀感受即局部溫?zé)岣小⑹孢m感和疲勞感評(píng)分結(jié)果,可以看出:整個(gè)試驗(yàn)過程中,試驗(yàn)組的主觀感受評(píng)分較對照組的都降低了約1分,降低效果顯著(P<0.01)。其中,局部溫?zé)岣兄饕c皮膚溫度有關(guān),而直腸溫度和皮膚溫度的變化又會(huì)對舒適感產(chǎn)生重大影響[13]。穿著工作狀態(tài)的新型降溫背心降低了皮膚溫度、直腸溫度及生理指標(biāo)參數(shù),減少了出汗量,改善了局部溫?zé)岣?提高了人體舒適度,繼而減緩了疲勞感的增加?？傊?高溫環(huán)境中穿著工作狀態(tài)的新型降溫背心會(huì)顯著降低人體的熱應(yīng)激,改善人體作業(yè)時(shí)的疲勞度,延長作業(yè)時(shí)間。

表5 3種環(huán)境條件下試驗(yàn)組和對照組的主觀感受評(píng)分

表6 3種環(huán)境條件下試驗(yàn)組和對照組的主觀感受變化情況Tab.6 Changes of subjective feelings of test groups and control groups under three kinds of environmental conditions 單位:分

3 結(jié)語

高溫可以引起人體出現(xiàn)脫水、橫紋肌溶解及多器官功能障礙等一系列病理性或生理性改變,體溫過高導(dǎo)致的死亡率高達(dá)50%[13]。因此,高溫高濕條件下作業(yè)人員的生命安全也一直是國內(nèi)外相關(guān)研究者關(guān)注的重點(diǎn)。

本文研制的新型智能化溫控復(fù)合降溫背心與一代降溫背心相比,在小于40 ℃的環(huán)境溫度中非人體穿著時(shí),測得網(wǎng)格背心內(nèi)微小氣候區(qū)的溫度比環(huán)境溫度低8 ℃,降溫效果遠(yuǎn)大于一代降溫背心[14],且背心管路中進(jìn)水口溫度低于環(huán)境溫度8～15 ℃,進(jìn)水口最低溫度14.8 ℃,進(jìn)出水口溫差6～9 ℃。受試者分別在30、35和40 ℃的溫度下穿著新型降溫背心,開啟制冷功能前后背心管路中進(jìn)出水口溫差分別為9、7和4 ℃,可見即使是在40 ℃的極端高溫環(huán)境下,該新型降溫背心仍具有降溫效果。

新型降溫背心背包式設(shè)計(jì),小巧、便攜,裝備總質(zhì)量在4.5 kg左右,可根據(jù)不同的環(huán)境續(xù)航3～5 h,能有效地將人體與高溫環(huán)境隔離,顯著改善穿著者的局部溫?zé)岣泻褪孢m度,進(jìn)而提高穿著者的作業(yè)效能,延長有效工作時(shí)間,降低熱應(yīng)激。且多次試驗(yàn)表明,試驗(yàn)組的各項(xiàng)生理指標(biāo)參數(shù)均顯著低于對照組的,原因一方面是新型降溫背心采用了水冷復(fù)合方式降溫,能夠最大限度地提供冷源[15],且降溫持續(xù),同時(shí)避免了冷源輸送的束縛,使輪船輪機(jī)員動(dòng)作不受限制;另一方面,背心管路布局為S形,并集中在軀干和頭頸部等發(fā)熱量大的部位,降溫效果進(jìn)一步提升。

總之,本文測得的數(shù)據(jù)均在正常人體生理數(shù)據(jù)范圍內(nèi),有效、可靠,受試者安全且都未發(fā)生意外。綜合對比心率及直腸溫度等指標(biāo)可以認(rèn)為,新型降溫背心的降溫性能達(dá)到了預(yù)期,相關(guān)數(shù)據(jù)可為水冷降溫背心的改進(jìn)提供參考,并為本試驗(yàn)條件下穿著新型降溫背心作業(yè)時(shí)間的確定提供依據(jù)。

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