2. 安徽建筑大学 机械与电气工程学院, 合肥 230601
2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China
根据环境温度及其和人体热平衡之间的关系，通常把32 ℃以上的生产劳动环境作为高温环境[1]。火灾救援场景下，消防员常常面临高温热辐射复合环境，同时伴随一定强度的劳动，这往往会引起消防员的热应激反应，甚至造成晕厥和伤亡等。热感觉和热舒适严重影响消防员的作业效率和有效救援时长。因此，消防员配备热防护装备很有必要。现有的降温服分为4类：蓄冷型、液冷型、风冷型和混合型。蓄冷型降温服具有轻质、便携和更换灵活的特点，因此广泛应用于消防领域。
近年来，国内外对于降温服的研究逐渐深入。Hu等[2]分别在室内空气温度26和32 ℃环境下，研究了降温服对穿戴个体防护装备的医护人员在缓解热应激和提高热舒适性方面的有效性。陈莹等[3]利用高分子蓄冷材料设计降温服，通过暖体假人研究了20%、50%和80%这3种相对湿度水平对降温服降温性能的影响。这些研究取得了较大进展，但实验工况相对常规，未涉及高温热辐射复合环境消防员救援场景。田水承等[4]研究了高温环境下降温服对消防员生理热反应的影响，仅探讨了受试者核心温度、皮肤温度、心率和出汗速率等生理参数，而未展开对于主观感知响应(热感觉、热舒适和热应激)方面的研究；Borg等[5]对生理应变指数(physiological strain index，PSI) 进行了修正并验证了其有效性，但未应用于火灾救援场景下的热应激评估。
消防员进行火灾救援作业时常常处于高温热辐射环境下，同时伴有中高强度的劳动。本文运用高温环境舱和碳化硅热辐射板搭建高温热辐射实验装置，在高温35 ℃、2.5 kW/m2热辐射复合环境下，受试者分别以4.5和7.0 km/h两种强度运动，研究降温服对消防员生理热反应及主观感知响应的影响。运用生理应变指数和感知应变指数[6](perceptual strain index，PeSI)对高温热辐射环境下的人体热应激水平进行评估，并量化降温服对消防员热反应的缓解效果，从而为消防员个体热防护提供参考，为消防员用降温服的研发和改进提供数据基础。
1 实验 1.1 实验仪器采用高温环境舱为实验提供人工气候环境，其空间尺寸为6 m×5 m×4.7 m，可控温范围为20~80 ℃，相对湿度(relative humidity，RH)范围为30%~95%。
辐射热源使用碳化硅红外加热板，由5×6阵列分布的30块板组成宽105 cm、高125 cm的热辐射面，装配支架底端距地面0.7 m。该加热板产生的最大辐射热通量为20 kW/m2，辐射总功率为0~15 kW，其中每块碳化硅板功率为500 W，并可单独控制其开关。
采用核心温度监测系统来采集受试者的核心温度数据，包括核心温度胶囊、核心温度胶囊激活器、核心温度监视器和相应的计算机端数据读取软件。核心温度胶囊采样率为2次/min，长度为17.7 mm, 直径为8.9 mm, 质量约为1.7 g，其测量范围为25~45 ℃，测量精度为±0.2 ℃。
皮肤温度传感器采用iButton无线温度传感器，包括纽扣传感器、通信读写器和配套计算机端软件。使用时用医用胶布将它粘贴于人体皮肤表面。该传感器采样率为1次/min，测量范围为-40~ +85 ℃，测量精度优于±0.5 ℃。
心率监测系统包括传感器背带、传感器电子模块和特定数据管理软件。设置其采样率为4次/min，测量心率范围为0~300 bpm (beat per minute，每分钟心跳次数)，测量精度为±0.5 bpm。
1.2 实验材料降温服采用消防队伍广泛配置的蓄冷型降温背心。其蓄冷材料的主要成分是盐水混合物，蓄冷剂相变热≥259.88 kJ/kg，蓄冷剂总蓄冷量≥301.5 kJ，蓄冷袋尺寸为35 cm×24 cm×2 cm，覆盖面积为0.168 m2，质量为1 131 g。通过暖体假人测量降温背心的总热阻为1.18 clo (1 clo=0.155 m2·℃/W)，总湿阻为0.037 kPa·m2/W。实验采用的消防员灭火防护服(消防服)满足国标GA 10—2014, 通过暖体假人测量的总热阻为3.40 clo，总湿阻为0.11 kPa·m2/W。
1.3 实验方法 1.3.1 实验工况本次实验同时设立2个人工气候室：其一设置为26 ℃、45%RH，用作受试者休息室；另一个设置为35 ℃、45%RH和2.5 kW/m2的高温热辐射复合环境，用作模拟实验环境。设置穿着和不穿降温服两种着装条件，以不穿着降温服组为对照组，以穿着降温服组为实验组。
1.3.2 实验流程本次实验流程分为多个阶段，如图 1所示。实验开始前的准备阶段先给受试者穿戴实验设备，此后受试者进入26 ℃、45%RH人工气候室静坐30 min，使受试者生理状态处于热中性状态。此后实验正式开始。第1阶段，受试者穿着消防服，仍在26 ℃、45%RH环境中静坐30 min，使受试者生理状态逐渐达到热适应状态；第2阶段，受试者在消防服内穿着/不穿降温服，进入35 ℃、45%RH和2.5 kW/m2的高温热辐射环境中以4.5 km/h的跑步速度模拟人体中等代谢率[1]运动20 min；第3阶段，受试者保持着装状态不变，进入26 ℃、45%RH环境中静坐休息20 min；第4阶段，受试者仍保持着装条件不变，进入35 ℃、45%RH和2.5 kW/m2的高温热辐射环境中以7.0 km/h的跑步速度模拟人体高代谢率[7-8]运动20 min；第5阶段，受试者脱下消防服和降温服，仅穿着基础服装，进入26 ℃、45%RH环境中休息30 min。此后实验设备停止记录数据，受试者拆下所穿戴的实验设备。整个实验流程模拟消防员救援过程中“作业-间歇-作业”全过程。
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| 图 1 实验流程 |
1.3.3 实验人员
本次实验招募5名健康成年男性作为受试者，平均年龄为(24±0.8)岁，平均体重为(73.5±5.3)kg，平均身高为(176.7±1.8)cm，平均身体质量指数(body mass index，BMI)为(23.3±1.5)kg/m2。选取的受试者与消防人员情况基本一致。实验前24 h，所有参与者被要求不要吸烟、摄入咖啡因或酒精，也不要剧烈运动。所有实验方案都得到了大学伦理委员会的批准，并在实验前将实验程序告知每个受试者。所有受试者签署书面知情同意书。当受试者在实验过程中感到难以坚持时，他们有权利终止实验。
1.3.4 主观问卷从实验正式开始(第1阶段)时进行计时。在30 min静坐结束时对受试者进行一次问卷调查，在40、50、70、80、90和120 min时(分别顺次)分别多次填写问卷。实验具体实施时，由实验辅助人员口头提问，受试者在不停止运动的情况下口头回答，实验辅助人员记录并填写问卷。对于人体热感觉和人体热舒适，采用问卷调查的方式进行评分，其中人体热感觉投票(thermal sensation vote，TSV)采用九分制分级[9]：-4表示“非常冷”；-3表示“冷”；-2表示“较冷”；-1表示“微冷”；0表示“中性”；1表示“微热”；2表示“较热”；3表示“热”；4表示“非常热”；人体热舒适投票(thermal comfort vote，TCV)采用4分制分级(ISO 10551—1995)：0表示“舒适”；1表示“稍不舒适”；2表示“不舒适”；3表示“非常不舒适”。TSV值越接近0则人体越接近热中性状态，TCV值越接近0则人体感觉越舒适。
2 实验结果分析与讨论 2.1 降温服对生理响应的影响 2.1.1 核心温度实验过程中受试者核心温度的平均值如图 2所示。在第1阶段，受试者处于静坐状态，核心温度均稳定于37.22 ℃左右。在第2阶段，受试者进入高温热辐射环境并开始以4.5 km/h的速度运动。穿上降温服初期，降温服组核心温度明显小于对照组，差值最大为0.1 ℃，此后两种着装条件下核心温度均逐渐上升且两者差异不大，对照组和降温服组最高温度分别达到37.57 ℃和37.52 ℃。这一方面是由于人体进入运动状态，散热量快速上升而降温服降温效果有限造成的，另一方面是由于进入高温热辐射环境后，外部热环境向人体热传递增大，且热辐射加速了这一过程。据此，对于消防员用降温服，可通过提高面料的热防护性能应对热辐射环境。
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| 图 2 核心温度随时间变化 |
在第3阶段，受试者处于静坐状态20 min，对照组的核心温度仍有小幅度上升，而降温服组的核心温度逐渐稳定在37.65 ℃。进入第4阶段，受试者开始以7.0 km/h的速度跑步，两组的核心温度出现明显差异：对照组大于降温服组。第79 min时，相较于对照组，降温服引起核心温度最大下降0.21 ℃。在第5阶段，尽管已进入26 ℃环境舱处于静坐状态，但核心温度仍有一段时间的缓慢上升，这是因为高强度运动停止初期，人体新陈代谢仍处于较高的状态，一段时间之后再缓慢降低。对照组和降温服组的核心温度最高值分别为38.75 ℃和38.54 ℃，降温服使人体最高核心温度降低0.21 ℃。在第2阶段和第4阶段，受试者分别是以4.5 km/h和7.0 km/h的速度运动，而第4阶段两组受试者的核心温度曲线分层更明显，即7.0 km/h状态下比4.5 km/h状态下降温服的降温效果相对更佳，这是因为降温服自身质量对人体造成的代谢率增大量在高运动强度下占比更小，同时穿上降温服后蓄冷剂对人体持续吸热的积累作用逐渐显现。
2.1.2 皮肤温度平均皮肤温度采用八点法[10]测量，包括人体的额头、右上臂、左前臂、胸口部位(左)、肩胛(右)、左手、右大腿和左小腿。根据Gagge等[11]的方法，对8点的温度进行加权计算，
| $ \begin{gathered} T_{\text {mean }}=0.07\left(T_{\text {foreheead }}+T_{\text {upperarm }}+T_{\text {forearm }}\right)+ \\ 0.175\left(T_{\text {chest }}+T_{\text {scapula }}\right)+0.05 T_{\text {hand }}+ \\ 0.19 T_{\text {thigh }}+0.20 T_{\text {calf }} . \end{gathered} $ | (1) |
2组受试者的平均皮肤温度如图 3所示。在第1阶段，受试者平均皮肤温度均稳定在32.88 ℃左右。第2阶段穿上降温服后，降温服引起平均皮肤温度明显下降，在第40 min，降温服组比对照组的平均皮肤温度降低0.94 ℃。在第3阶段，两种着装条件下受试者平均皮肤温度相差不大，均持续下降，这是因为进入26 ℃环境后人体向外界环境散热增加，而降温服穿在消防服内，存在一定的热阻和湿阻，对于人体向外界环境散热有一定的阻碍作用。第5阶段与第3阶段平均皮肤温度的变化趋势相同，在82 min时降温服使受试者平均皮肤温度相较于对照组下降0.92 ℃。第5阶段，降温服组和对照组最高平均皮肤温度分别为36.86 ℃和37.10 ℃，降温服使最高平均皮肤温度降低0.24 ℃。
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| 图 3 平均皮肤温度随时间变化 |
2.1.3 心率
心率(heart rate, HR)可以充分反映人体负荷的大小。实验过程中受试者的平均心率如图 4所示。在第1阶段，两组受试者的心率均稳定在76 bpm左右。在第2阶段，受试者进入高温热辐射环境并开始运动，其心率不断上升，对照组和降温服组分别在第46 min和第43 min达到最大值，分别为129和121 bpm。此阶段实验组和对照组的心率差异不明显，这与核心温度在这一阶段的变化趋势类似，其原因是受试者进入运动状态后新陈代谢快速上升，造成身体负荷较大。在第3阶段，两组受试者心率均快速下降，其中降温服组更明显，心率最低下降至76 bpm，比对照组低14 bpm。在第5阶段，即7.0 km/h的高强度运动阶段，实验组和对照组的心率曲线出现明显分层：降温服组小于对照组。降温服组心率上升趋势比对照组更缓和，对照组和降温服组受试者最高心率分别为159和152 bpm，降温服对于心率影响明显，造成最高心率减小约7 bpm。由此可见，降温服可在一定程度上有效减少心脏负荷，从而降低人体热应激水平。降温服组与对照组差异不明显的原因可能是因为此时人体心率接近心脏负荷峰值，心率波动幅度下降。
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| 图 4 心率随时间变化 |
2.1.4 出汗速率与蒸发率
出汗速率在一定程度上可以有效反映人体热应激水平。分别在实验开始和结束时测量受试者的净体重和服装的总质量，根据式(2)和(3)计算出汗速率Rs和蒸发率Re。
| $ R_{\mathrm{s}}=\frac{m_{N_0}-m_{N_1}}{t}, $ | (2) |
| $ R_e=\frac{m_{T_0}-m_{T_1}}{m_{N_0}-m_{N_1}} \text {. } $ | (3) |
其中：mN0为实验开始时受试者的净体重，g；mN1为实验结束时受试者的净体重，g；mT0为实验开始时受试者的总体重，g；mT1为实验结束时受试者的总体重，g；t为实验时长，min。
如图 5所示，相较于对照组，降温服组受试者出汗速率下降达1.35 g/min，可见降温服有效降低了人体的热应激水平。然而，降温服还造成蒸发率下降11.6%，这是由于在消防服内穿着降温服时，服装层数增加且降温服存在较大的湿阻，阻碍了汗液蒸发与人体散热。基于此，可以使用吸汗、导汗面料对降温服进行改进。
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| 图 5 两组受试者的出汗速率与蒸发率对比 |
2.2 降温度对主观感知响应的影响 2.2.1 热感觉
人体对于外部环境的热感觉严重影响身心健康和作业效率。实验过程中受试者分别在第30、40、50、70、80、90和120 min时对其热感觉进行打分，受试者的热感觉打分平均值如图 6所示。在实验的第30 min，对照组和降温服组的热感觉值十分接近，均处于热中性状态；在第40 min，受试者以4.5 km/h的速度运动10 min后，热感觉值升高至1.33，但此时降温服组与对照组仍没有明显差异，这是因为受试者由静坐的热中性状态进入一定强度的运动中，人体新陈代谢急剧加速，引起人体热感觉值上升，同时人体毛孔舒张，散热量增大，而降温服的降温效果有限且增加了人体负重，造成此时降温服的降温效果不够明显。在此后的50、70、80和90 min，降温服组的热感觉平均得分明显小于对照组，其中在70和90 min，降温服对人体热感觉的影响最明显，降温服组热感觉值比对照组低1.0，这是因为人体逐渐热适应且新陈代谢趋于稳定，而降温服的吸热降温作用仍然在持续积累。降温服在高运动强度下对人体热感觉的影响更明显。如图 6所示，50和90 min时，即分别为以4.5 km/h和7.0 km/h运动20 min后，降温服组的热感觉值比对照组分别减小1.0和0.33。该结果与人体核心温度的变化趋势一致，能够互相印证。
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| 图 6 热感觉随时间变化 |
2.2.2 热舒适
人体的热舒适状态作为评价人体感知外部环境的重要指标，严重影响消防人员的健康状况。由于本次实验使用的降温服呈背心状，仅覆盖于人体的躯干部位，因此对受试者的躯干部位和整体热舒适分别展开问卷调查。计算得到受试者热舒适打分的平均值如图 7和8所示。
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| 图 7 躯干部位热舒适随时间变化 |
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| 图 8 整体热舒适随时间变化 |
躯干部位热舒适评分结果如图 7所示。从实验的第30 min受试者穿上降温服开始，降温服组和对照组的躯干热舒适曲线存在明显的分层现象，降温服组的热舒适值均小于对照组，即更接近人体舒适状态。在实验前期的第40、50、70 min时，降温服均引起躯干热舒适值比对照组减小0.33，而后在第80 min，降温服的影响逐渐增大，使躯干热舒适值比对照组减小1.0，直至90 min时降温服引起躯干热舒适值减小作用达到最大，为1.33。这与人体生理参数的变化规律一致，其原因是降温服在人体躯干部位的覆盖面积较大，且降温服的降温效果持续积累。
整体热舒适评分结果如图 8所示。降温服组与对照组存在一定的差异。在第50 min，降温服组和对照组间的热舒适值差异最大，为0.67。但这种差异相较于躯干部位的热舒适值差异明显减小，其中在70~80 min，降温服组与对照组整体热舒适值无明显差异，这是由于受试者进入高温热辐射环境进行7.0 km/h运动状态后，整体热舒适值大幅度下降，而降温服仅覆盖于躯干部位，此时局部热舒适性对整体的影响不明显，局部降温措施对整体热舒适性的影响减小。在80~90 min，由于人体进入静坐状态，代谢产热减小以及降温服的持续作用使得局部热舒适的影响又逐渐增大，90 min时降温服组比对照组整体热舒适值小0.33。
2.3 降温服对热应激水平的影响 2.3.1 生理应变指数PSI生理应变指数PSI最初由Moran等[12]提出，文[13]作出了修正并验证了其有效性。根据实验数据和式(4)计算各时刻生理应变指数值，如图 9所示。
| $ \mathrm{PSI}=\frac{5\left(T_{\mathrm{c} t}-T_{\mathrm{c}, \mathrm{r}}\right)}{39.5-T_{\mathrm{c}, \mathrm{r}}}+\frac{5\left(\mathrm{HR}_t-60\right)}{\mathrm{HR}_{\max }-60} . $ | (4) |
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| 图 9 生理应变指数随时间变化 |
其中：TC为核心温度；TC, r为受试者穿着防护服前15 min静坐休息期间获得的最低且稳定的TC值；HRmax是在最大有氧能力评估中测量的个体最大可达到的HR；TCt和HRt为记录时刻t的TC和HR。
在实验的第30 min，降温服组和对照组的PSI值接近，而后在40~50 min，降温服组的PSI值明显大于对照组，这是因为降温服的自身质量在4.5 km/h中等劳动强度下对受试者代谢的增大作用，大于降温服吸热的缓解作用，因此建议降温服的研发和改进朝着更轻质的方向进行。在50~70 min，这种影响逐渐减小，至70 min降温服组的PSI小于对照组0.13。在70~90 min，降温服组的PSI均小于对照组，此阶段降温服对人体热应激的缓解作用明显。其中90 min时最明显，两组受试者差值为0.77，可见降温服在7.0 km/h运动强度下对生理热应激的缓解作用相对更明显。
2.3.2 感知应变指数PeSIPeSI与PSI的计算公式结构相似[14], 见式(5), 其中热感觉和感知用力度(rating of perceived exertion, RPE)对总感知响应的权重相等，在0到10的尺度内都取5。
| $ \mathrm{PeSI}=5\left(\mathrm{TSV}-\frac{7}{6}\right)+\frac{5(\mathrm{RPE}-6)}{14} . $ | (5) |
其中RPE为感知用力度[15]，采用多分制分级：6~7表示“极度轻”；8~9表示“很轻”；10~11表示“有点轻”；12~13表示“有点困难”；14~15表示“困难”；16~17表示“很困难”；18~20表示“极度困难”。
如图 10所示，实验90 min时人体感知应变最大，对照组和降温服组的PeSI值分别为15.26和10.37，分别达到“很困难”和“困难”的程度。此时采取降温措施缓解热应激很有必要，但效果有限。因此，建议针对消防员高温热辐射环境下高运动强度的应用场景，开发更高效的降温方法和降温材料。降温服组和对照组的PeSI值存在明显的分层现象，高温热辐射环境下降温服对感知应变具有明显的缓解作用，其中90 min时两组的PeSI值差异最大，降温服组比对照组减小4.89，减小约32%；40 min时差异最小，仅为0.47。
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| 图 10 感知应变指数随时间变化 |
3 结论
高温热辐射环境下，与对照组相比，降温服明显降低受试者的核心温度、皮肤温度、心率及出汗速率，有效缓解生理负荷、降低人体热应激水平。实验工况下，降温服使人体最高核心温度降低0.21 ℃，最高平均皮肤温度降低0.24 ℃，最大心率减小约7 bpm，出汗速率下降达1.35 g/min，蒸发率下降11.6%。降温服在高运动强度(7.0 km/h) 下效果更明显。主观感知响应评估结果表明，降温服有效改善了受试者的热舒适性，在50 min时降温服组和对照组间整体热舒适得分差异最大，为0.67，但这种差异相较于降温服对受试者躯干部位的热舒适性的影响明显要小；在90 min时降温服使PSI值最大降低0.77，PeSI值最大降低4.89(约32%)。
基于实验结果，在消防员用降温服设计中，可通过改进其面料提高热防护性能以应对热辐射环境。针对消防员高温热辐射环境下高运动强度的应用场景，应采用更高效的降温方法和运用更轻质、更吸汗的降温材料。本研究可为个体热防护装备测试评价提供参考，为消防员用降温服的研发和改进提供数据基础。
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