张文欢，李 俊,2

(1.东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051；2.现代服装设计与技术教育部重点实验室(东华大学)，上海 200051)

消防战斗中，消防员面临的热应激、皮肤损伤甚至死亡等风险可发生在热辐射、闪火、高温液体或蒸汽等多种热环境中[1-3]。然而，相比于闪火强热流(20～160 kW/m2)的紧急环境，消防员在作业中更多处于常规和危险环境(统称为低热辐射环境，2～20 kW/m2)，研究表明多数皮肤烧伤发生于该环境[4]，因此，针对低热辐射环境与人体之间通过消防服系统的热交换机制研究一直是热防护领域的重要研究方向之一。受测评技术和手段的限制，相关研究可以分为以织物及其多层组合为对象和以服装整体为对象2个阶段。

研究者首先研究织物与人体皮肤之间的热交换，指出织物质量和厚度是影响其传热量和热传递速率的重要因素[5-7]。织物与人体之间的空气层对热传递形式和传热量的作用随后得到研究，但研究中大都假设空气层厚度均匀[8-10]。后续的研究则进一步拓展至空气层的非均匀形态及动态活动下的传热机制变化[11-12]。在干热传递研究的基础上，热湿耦合作用得到关注[13]，包括织物内水分含量及分布的影响等，但研究中大都采用的织物预加湿方式，显然无法模拟人体出汗形成的水分向外传递时导致的衣下空间湿度变化，后者则会改变衣下空气层的导热系数和辐射发射率等[14]。由此，模拟主动出汗的装置研发使得这一问题得到一定程度的改进[15]。

随着测评技术的发展，假人(包括模拟躯干[16]和全尺度假人[17])为从服装整体的视角开展研究提供了可能，辐射强度、热源对称性、环境风等对着装人体热平衡的作用机制得到研究[18]。相对织物层面的研究，假人测评更接近实际的着装状态，使得包括针对衣下空气层形态以及模拟人体(持续)出汗等情形的研究均更深入[19]。然而，目前假人层面测评研究仅考虑人体的被动受热，忽略了人体热生理调节机制的作用，这对于长时间热暴露的情形尤为不足[20]。

综上，无论是针对织物还是针对服装在低热辐射环境中的热传递机制研究，均涉及到多个影响因素的作用，但其在织物和服装上的作用规律存在差异。本文基于“人体-服装-环境”系统热交换理论，依据影响因素的类型分别讨论分析了当前的研究进展及存在的问题，为后续综合考虑织物和服装的热传递机制提供参考。

1 消防服系统的传热机制

作为提供热防护功能的主体，服装自身在热环境中的表现是研究者集中关注的内容，热防护织物(系统)的固有性能是首要因素；消防服设计特征的贡献则无法在织物性能中得到体现。

1.1 织物的影响

现有研究多假设织物内部热传递形式为传导和辐射，忽略对流传热。

1.1.1 影响传导传热的因素

根据傅里叶定律，影响热传导的因素主要有导热系数和温度变化率。织物的导热能力受到纤维类型以及织物中纤维与空气相对比例的影响，可通过织物的厚度、密度、质量等基本参数以及织物热阻等指标进行表征。

已有研究[21]表明，外层织物厚度或者质量较大时，织物内外表面的温差较大，到达皮肤表面热量较少，热防护性能较高，且显示出明显的线性关系[22-24]。在多层织物系统中，同样表现出随着单层织物厚度的增加，整体热防护性能同比增加[25]；隔热层厚度增加提高了其隔热能力[26-27]；相对其他面料层，隔热层质量增加对热防护性能的积极作用尤为明显[28]。所以，织物的厚度和质量通常被认为是评估其热防护能力的重要参数[21]。

针对消防服洗涤等使用维护性能的研究同样发现，织物厚度和质量的变化是洗涤对消防服热防护性能影响的重要原因。织物的缩水性能使得洗涤后织物更紧密，厚度和质量增加，热防护性能增加[21]；但当织物缩水量不显著时，洗涤中机械作用力导致的磨损则会引起厚度和质量的降低，热防护性能随之降低[29]。

然而，织物质量对热防护性能的作用规律在服装中变得复杂。厚重服装会使得着装人体的代谢产热增加，加之热环境中难以向外界环境传递，形成更高的人体热负荷，皮肤烧伤的风险上升[30]。可见，在消防服设计与开发中，质量是一个需要平衡的要素。如何在未来研究中，对同一环境着装人体的实际生理反应(包括核心温度等生理指标和皮肤烧伤程度等物理指标)进行同时预测和评估则尤为重要。

表征织物隔热能力的热阻，与纤维类型、织物密度[31]、纤维结构[21]均有关联，因此也作为评价织物热防护能力的指标之一。有研究[22,25]发现，低密度、高热阻的织物比高密度、低热阻的织物具有更高的热防护性能。

1.1.2 影响辐射传热的因素

织物内辐射热传递的情形更为复杂，通常包括热量的反射、吸收、透射和自发射。

基于传热理论，织物中的辐射热传递除受到温差影响外，主要由辐射发射率和辐射角系数决定。有学者认为，织物表面低发射率的织物系统可通过高反射、低吸收的方式提高织物系统的热防护性能[31]；织物表面发射率与辐射热防护性能之间呈现双曲线关系[32]；辐射角系数通过影响热传递分布特点及局部传热量，提高织物系统总体传热量[8,33]。

对于织物的辐射传热的量化研究，最初利用有效辐射系数计算辐射能量在多孔介质中的传递[34]，仅考虑热量的反射，忽略了织物内部的吸收、透射和自发射辐射。有学者进一步提出采用双通量模型的方法来解释多孔介质中的热传递[35]。为进一步简化该热传递过程，忽略自发射辐射，多数研究利用Beer定律模拟织物内部辐射热传递过程，并认为辐射传热的衰减由织物对辐射的吸收和向后散射作用决定[36-37]。由于低热辐射环境织物自发射辐射的作用不可忽略，有学者进一步考虑织物的辐射反射以及自发射辐射，构建了辐射热传递方程[38]。

1.1.3 影响蓄积热的因素

织物蓄热能力的提高有助于延缓热暴露阶段的传热能力，但同时也增加了蓄积热释放阶段的皮肤烧伤风险。随着织物蓄积热对着装人体的二次伤害被强调，针对织物蓄热性能的研究逐渐得到重视。有研究表明，在多层织物系统中，外层面料的蓄热量最多，占总蓄热量的36%～57%[24]，能够有效减缓热量传递[28]。

隔热层是除舒适层外最靠近人体的织物层，其蓄热性能得到较多研究[26-27]。一方面，由于隔热层靠近皮肤，蓄积热释放时更多传向人体皮肤，存在瞬时放热量过大等消极作用，且隔热层越厚蓄积热量越高；另一方面，较厚的隔热层能够有效阻隔外层和防水层面料的蓄热向人体的回放，但在织物受压情况下，隔热层的这种阻隔能力被大大削减，研究发现加压后的织物蓄热回放量的增加量主要来自冷却初期的防水层和外层[28]。可见，隔热层对消防服织物系统热防护性能的贡献较为复杂，在进行产品开发时要特别加以重视。

1.2 服装款式与结构的影响

二维织物制成三维服装的过程中，织物的分割、拼合、层叠，服装的覆盖面积、体积和开口，以及辅料的增添等，均会产生织物性能所不能覆盖的特性，促使学者对服装整体的热传递机制展开讨论[24]，发现在仅考虑显热传递情况下，热防护性能最优的织物系统在服装整体性能评估中并未体现出最优性能[9]。

针对多层结构厚重服装造成的散热困难问题，学者先后提出打开衣领[39]、在侧缝部位设计开口[39]及缩短外套长度[40]等方法以增加服装散热能力，维持人体热平衡，提高服装舒适性。其对人体局部热损失的作用显著依赖于开口设计方法及打开方式[41-42]。然而，研究均在热中性环境进行，高温环境的空气向衣下空间流动导致微气候温度增加，皮肤温度升高[43]。热环境引起的人体热不平衡将会增加热应力，导致热应激的发生，这与热中性环境中开口的积极作用结论相反。此外，尽管分体式服装在腹腰臀部位存在上下装的重叠，减慢了人体与环境之间的热交换速度；但分体设计影响了服装的封闭性和衣下空间的完整性，后者对于服装整体热防护能力具有积极的影响[44]。相互矛盾的结论提示未来研究中应该合理设计服装开口，谨慎平衡热防护和热舒适问题。

消防服系统各层材料配置也会对系统内传热产生显著影响[40]。防水层设计中，相比氯丁橡胶材料，戈尔特斯(GORE-TEX)薄膜因其具备良好的防水透汽性，使背部和手臂部位的散热能力显著提升[39]。此外，消防服中使用的拉链以及反光带对局部热传递能力会产生明显的阻碍作用[9]。

服装(织物)性能测试对热防护性能评估是最直接且关键的评价。在织物研究的基础上，全面分析服装层面的作用机制，将着装人体与环境之间热交换视为统一整体，才能实现服装性能的全面评估与预测。

2 人体与环境的传热机制

为有效模拟人体与环境之间的作用平台与传热机制，人体自身因素的作用不可忽略。从人体角度开展的消防服热传递机制研究主要包括2个方面：一是人体着装后形成的衣下空间中的热量传递特征；二是人体与环境之间相对运动(包括人体自身运动和环境风)中的对流热传递的作用效果。

2.1 衣下空气层

空气的导热系数(常温环境为0.026 7 W/(m·K))极低，因此，在着装人体热传递研究中得到关注[27]。理论上，空气层中热量以传导、对流和辐射形式传递，其中：传导热量可利用傅里叶定律计算；对流传热量通常使用牛顿冷却定律计算，且常用瑞利数Ra判断对流传热发生与否；辐射热传递采用斯蒂芬波尔茨曼定律计算，通常假设空气为透明体，不考虑空气对辐射的吸收。但是当空气内含有极性气体(如水分子)时，空气对辐射热吸收不可忽略，可构建Beer定律和辐射热传递方程(RTE)来描述辐射衰减。

空气层在服装系统热传递中作用的讨论主要涉及厚度、方向、位置、形态以及动态性几个关键参数的提取及其作用机制的分析[45]。

均匀空气层厚度的研究[46-47]表明，在3～15 mm的空气层厚度范围内，织物的热防护性能随着厚度增加先提高，但继续增加至发生明显的自然对流时，热防护性能略有下降，因此，自然对流是否发生成为另一研究热点，即寻找“最优空气层厚度”。在不同的热暴露环境中，空气层的作用特性存在差异，其最优值不尽相同。在热辐射环境中，竖直空气层内发生自然对流的厚度约为6 mm[37]，但在高温高湿环境中，这一厚度显著增加，达到12 mm[48]。在服装层面，有研究借助服装尺寸变化构造空气层厚度梯度发现，服装尺寸与蒸发散热能力之间显著正相关[49]。

以往的研究中，多将衣下空气层假设为均匀形态，然而，人体体表的不规则形态以及织物的柔性特征，使得衣下空气层实际呈现非均匀状态。有学者通过设计褶裥空气层进行了不规则形态的简化研究[12]，结果显示，标准环境中褶裥空气层设置增加了人体热损失。三维扫描技术的发展使得获取真实衣下空气层的形态成为可能[50]，对不规则空气层的量化研究有待深入展开。

对于多层服装而言，空气层除分布于人体和服装之间，还存在于织物层间。针对消防服多层织物系统层间空气层作用的研究表明，仅考虑热传递的情况下，水平放置的外层-防水层间空气层的隔热作用小于防水层-隔热层间的空气层[10]，但是，润湿后的织物系统实验结果相反，表现出空气层靠近辐射热源时热防护性能较高[51-52]。然而，目前仍无法有效提取多层服装的衣下空气分布情况[53]。

2.2 人体运动

在关于人体运动对服装热传递影响的研究中，移动速度是重要的变量。有学者[49]利用可行走的暖体假人实验构建了高温环境中人体皮肤表面蒸发散热量与步速之间的回归模型发现，蒸发散热量随步速增加而增加，但增长率呈现先增大后降低的趋势。而另一项采用数值模拟方法分析人体移动对热防护性能影响的研究[54]表明，随着人体移动速度的增加，二级烧伤时间先降低后增加；但是移动速度增加显著增加了三级烧伤时间。究其原因，移动速度影响了织物系统入射能，而随着移动速度的增加，虽然入射能变化速率增加，但达到稳定阶段后织物系统入射能反而降低；同时，人体与热源之间的相对距离急剧减少，热传递速率和皮肤温度变化率显著增加。综合两方面的作用结果使得二级和三级烧伤时间表现出不同的作用规律。

也有研究则关注人体运动导致的服装形变，及由此引起的衣下空气层的动态变化。一项采用数值模拟方法的相关研究中[11]，空气层运动被假设为正弦波动，变化频率和变化幅度被作为动态空气层的特征参数，发现空气层运动状态下，皮肤表面温度上升，热防护性能降低，并且对流和辐射传热量与运动频率显著相关。但研究仅考虑空气层的水平方向运动，而对流换热显著依赖于浮升力，与空气层方向密切相关，进一步研究可充分考虑纵向空气层内浮力作用。

2.3 环境风

关于环境风对着装人体热传递作用的研究中，风速是最为常见的参数。利用干态暖体假人讨论辐射热环境中风速影响的研究显示[18]，风速大大增加服装的散热能力。但由于暖体假人测试原理的限制，实验在5～12 ℃的环境进行，实际的辐射热暴露环境则可能包含环境温度高于人体皮肤温度的情形。随着温度梯度方向的改变，风速的作用还有待进一步讨论。

另一项采用数值模拟方法进行闪火轰燃环境下环境风作用的研究同样发现了环境风速对对流传热的积极作用，但同时也显示出风对人体正面和背面总热流密度分布的影响，即风向影响了服装表面边界层气体流动速度和方向，未来可对此进行更为细化的研究[55]。

3 外部热源传热机制

长时间低热辐射暴露情况下，包括辐射强度、辐射时长、辐射距离等在内的热源特征对传递至人体的热量有较大的影响，因而不少研究围绕热源的特征变化展开。

3.1 辐射强度

辐射强度对织物系统热传递的作用主要影响热暴露阶段的传热量和冷却阶段的蓄热释放量[6]，研究发现，热源强度与织物系统累积蓄热量之间存在显著线性相关关系[15]；综合考虑织物系统传热和蓄热释放的作用时，随着热源强度的增加(6.3、7.5、8.3 kW/m2)，二级烧伤时间明显减短[25]。

进一步研究[56]表明：当辐射强度超过20.9 kW/m2时，皮肤烧伤取决于热暴露过程中传热量；当辐射强度较低时，热暴露结束后织物蓄热释放显著增加皮肤烧伤的概率，因此，当消防人员处于热辐射强度不同的作业场合时，应当注意区分不同的防护策略。

3.2 辐射时长

一项针对热暴露时间与皮肤烧伤之间关系的研究发现[28]：随着热暴露时间的增加，累积传热量增加的同时，增加量也逐步增加；而累积蓄热量则表现出先增加后降低的趋势。

与热源强度的作用类似，学者发现短时间热暴露时，皮肤烧伤来自热暴露结束后织物系统热蓄积；而在超过该时间的热暴露中皮肤烧伤来自热暴露阶段的热传递[6]。进一步分析则量化了该结果，认为在热暴露时间较短时，皮肤接受的热量多数来自织物系统蓄热释放，达到80%，但是热暴露时间较长时，蓄积热释放导致皮肤表面热量增加仅占30%～50%[28]。这一规律的发现，同样值得在针对性的产品研发和防护策略的制定中引起重视。

3.3 辐射距离

辐射距离的不同引起入射热流密度显著变化，从而决定了皮肤表面累积得热量。随着距离的增加，入射热流密度(13.6～95.0 J/cm2)降低，皮肤烧伤时间延长[54]。而且，辐射距离不同时，热传递途径也会发生改变。辐射距离较短时，热源与织物系统表面之间以辐射热传递为主，随着距离的增加，对流传热增加，与辐射热传递共同作用于入射热流。

有研究[54]指出了热辐射环境中的安全作业距离：当暴露在8.5 kW/m2下300 s时，避免产生二级烧伤的安全作业区域为大于0.3 m，避免产生三级烧伤的安全作业区域为大于0.15 m。

4 热湿耦合作用机制

根据传热传质原理，织物系统内的热量传递和水分传递不是相互独立的过程[57-58]。原因在于：水分会改变织物的热导率、比热容等物理性能，以及辐射吸收系数、透过率等光学性质；水分在吸湿/解吸、蒸发/冷凝过程中均会吸收或释放热量，呈现出湿热耦合效应，导致织物及服装中的热传递机制发生变化。消防服系统中常见来自外界的水分以及人体出汗产生的水分，包括气态和液态，因此，湿热耦合效应对人体与环境之间热交换机制的作用也得到较多研究[38,59]。根据研究关注点的不同，本文将其分为针对含水织物的研究、针对人体动态出汗的研究、以及针对含湿衣下空间的研究3类，分别进行阐述。

4.1 织物内部水分

探索织物中的水分对热传递的影响，是研究热湿耦合作用的第1阶段，此类研究大都采用织物预加湿的方法，忽略织物的吸湿过程。研究发现：在热流密度为6.3 kW/m2的热暴露条件下，织物系统的热防护性能随着含水量的增加先下降后上升；且含水量为织物质量的15%时，热防护性能最差[5]。

针对消防服织物系统的多层构成特征，研究进一步细分到各功能层中水分的具体影响。对于外层织物而言，在15.4 kW/m2辐射热暴露水平下，相比0%、30%和100%的含水率水平，含水率为60%时其热防护性能最佳[60]。对于隔热层而言，在热暴露阶段，隔热层中含水率起到消极作用，而在综合考虑蓄热释放时，则呈现相反的规律[29]。

防水透汽层作为消防服织物系统中特殊功能层，与水分相关的研究主要集中于其透湿能力与热防护能力之间的关系，研究结论并不统一。有研究认为防水层透湿性对热防护性能影响较小[61]；也有研究发现随着透湿性增加防护性能先增加后降低[62]。可见，防水层对水汽的透过能力对热传递的作用机制复杂。

4.2 模拟动态出汗

采用预加湿方式研究热湿耦合作用，由于忽视了汗液在皮肤表面集聚以及从皮肤表面向织物的传递过程，使得研究结论产生一定的偏差[63-64]。而且，预加湿方法中包含了单一的织物干燥过程，并未考虑人体动态出汗时对织物的持续润湿能力。一项使用出汗躯干的研究证明[65]，在30 kW/m2的辐射热暴露下，预加湿和模拟动态出汗2种方法中，水分对热防护性能的影响显示出相反的作用规律。因此，进一步的研究中开始关注人体动态出汗的模拟。

有研究进一步利用置于辐射热暴露下的出汗躯干，研究持续出汗过程中多层织物系统的热湿传递规律[23]发现，织物二维平面内的湿传递提高了蒸发冷却能力，而织物层间的湿传递则呈现相反结果。可见，人体持续出汗形成的水分动态流动，使得多层织物系统中的热量传递规律发生了很大变化，但是，该研究在标准环境(20 ℃，60%相对湿度)且辐射强度低于1 kW/m2的条件下进行，结论是否能外推至其他外部环境条件和热源强度还有待进一步验证。

4.3 衣下空间含湿量

如前文所述，衣下空气层在服装系统热传递中发挥着重要作用。研究发现，衣下空间的相对湿度升高对织物系统整体的热防护性能起到积极影响[14]。面料含水时，最优空气层厚度远大于干态面料(水平方向6.4 mm[66]，垂直方向6 mm[37])，接近9～12 mm[67]。这也从一方面证明了衣下空间含有水分时其传热机制会发生较大的变化。

对于相同厚度的空气层和初始温差，干湿态空气层内Ra相近，水分的存在增加了空气的有效导热系数，热传递系数增加[36]。同时，水分的存在显著增加了短波辐射的吸收和散射能力，因此辐射热传递降低[68]。

随着对人体动态出汗影响的关注，关于非稳态衣下空间湿度的研究也得到一定开展。“微环境热饱和理论”间接支持了这一观点，即微环境中热湿饱和较快形成时，相应服装的热防护性能越差[69]。

5 结束语

在低热辐射环境中，辐射作用强度低，热暴露时间长，消防作业人员的热损伤多发生于这一环境。当前针对低热辐射下消防服系统热传递机制的揭示已经取得了一定的进展，研究者们从消防服织物基本性能和服装的款式特征、人体的形态构成及活动状态、辐射热源的特征，以及热湿耦合作用等多角度进行了不同深度的研究。本文基于对当前研究进展的分析，提出未来该研究领域值得进一步探索的几个问题。

1)非均匀空气层的分布与模拟方法。当前关于辐射热环境中服装传递机制的研究，多假设空气层分布均匀或直接接触，针对全尺度着装人体的非均匀衣下空气层的研究目前仅有部分将空气层进行简化处理的方法。三维扫描技术、逆向工程技术和数值模拟技术的发展，为对人体复杂曲面形态及不规则衣下空间的探索提供了有力的技术支撑。未来可通过细化和虚拟再现着装人体与服装之间空气层形态，提取有效的空气层特征参数(如曲率、倾斜度)，研究非均匀空气层的传热机制及其对服装系统整体热传递的影响。

2)非稳态人体运动和环境风的作用。当前关于人体运动和环境风的研究主要集中在均匀辐射热环境中人体与环境达到热平衡时的热传递机制探索，对于风向影响的研究也不够充分，而对非稳态风的环境或人体变速运动下的机制的研究仍然存在难度。未来可进一步细化和深入研究非稳态条件下的气流场和热流场，并借助数值模拟技术进行参数化研究，挖掘气流变化对服装系统中热传递机制的影响。

3)人体热调节功能的充分考虑。已有的研究多数将人体视为被动受热体，对人体自身的热调节能力考虑不充分，如代谢、出汗等。一方面，可以在全尺度假人层面引入动态出汗功能，提高模拟贴合度，进行辐射热防护研究；另一方面，可以研究低热辐射环境中人体的热生理反应，耦合人体热调节模型，深入探索该环境条件下消防服系统中热量的传递规律。

综合而言，对低热辐射下消防服热传递机制的深入研究，有助于提高服装热防护性能评估的全面性和准确性，有利于优化消防服的产品开发与功能设计，最终服务于减少消防作业人员的伤亡和保障生命安全。