常 敏 王 瑜 张 颖 陈宗琪 黄 乐

(南京工业大学城市建设学院 南京 211816)

根据美团发布的《2019年度企业社会责任报告》[1]可知，该年度通过美团获得收入的骑手人数高达399万人，同比增长23.3%，全社会将外卖骑手视为主要工作的人数已突破三百万大关。相变防护服的投入使用能够缓解他们在夏季高温户外骑行的不适感，为快递外卖员提供更多人文关怀[2]。相变防护服属于被动式降温[3],通常将相变材料置于服装内,通过材料相态的变化吸收人体的热量。相变冷却服因具有成本低、结构简单、可循环使用、穿戴方便、制冷效果好等优点，成为国内外学者研究的热点。

国外普遍在20世纪50年代开始研制液冷服。1962年，伯顿和科利尔为英国皇家空军设计和开发了第一套液体冷却服装[4]，以消除飞行员引起的代谢热量，并提高其作业能力。20世纪70年代的美国[5],以CO2为相变材料发生气-固相变为人体保温。20世纪80年代以后,研究人员尝试将CaCl2·6H2O、SrCl2·6H2O、聚乙二醇等应用于服装中，研究表明其具有一定的调温效果[6]。

目前国内防护服发展较为迅速，热防护服可以和其他功能防护服搭配使用,通常穿着于其他功能性防护服内侧，如宇航服、消防服、医疗防护服等。热防护服的款式与功能多种多样，结合其他新技术、新材料等形成了耐火防护服、相变恒温服、电子调温服、智能降温头盔等。在相变防护服的研究过程中，C.S.Gao等[7-9]在降温袋填充不同的相变材料，并制作成热防护服测试。在高温环境下，测试防护服穿戴者穿着前后热防护服的内外侧温度、人体皮肤表面温度等。实验结果显示，热防护服穿戴者反映降温效果良好，穿上热防护服能够显著降低人体皮肤表面温度。B.L.Bennett等[10-11]研究降温袋的数量对降温效果与人体感受的影响，结果表明防护服内降温袋数量越多，降温效果越好。但随着降温袋数量增多，质量也会增加，给人带来负重感，不利于人员正常的活动。为提高防护服的综合性能,平衡功能性需求和舒适性要求之间的关系,近年已经出现结合密度小、导热率低的气凝胶材料的热防护服[12]，可以在爆炸和突发火灾等高温环境下有效抵挡热辐射，减少物理、化学等外界因素对人体造成的热损伤，降低人体的储存热，缓解热应激症状。

目前研究仍存在如下不足：1)传统的电力降温防护服，气体、液体降温防护服，蓄冷式被动热防护服[13]存在安全性低、能源消耗大、填充材料易分层、使用复杂等问题。2)目前市场上的高级热防护服主要应用于高温作业领域，但批发价格最高可达3 000元，尚不能投入到商业化当中；本防护服填补了室外环境和工作平台缺少简单可靠防护服的空白，具有较大的市场空间。3)高温户外工作人员还没有普遍采取对自身的热防护，仅使用普通防晒外衣或防晒配饰如墨镜、帽子等来抵挡太阳辐射[14]。

本文基于相变换热的原理，采用相变恒温材料作为热防护服的填充材料，利用其在高温时发生相变、吸热性好、可循环利用等特点[15-17]，吸收人体散发的热量，降低热负荷，从而保证人员的正常工作状态。为了验证设计的热防护服性能，首先利用热水模拟人体发热量进行静态实验；静态实验确定防护服热容量满足需求后，真人在37.1、41、45、60 ℃的高温环境下持续运动3 h，完成真人实验。两类实验相互验证确保防护服的降温效果和持续时间。本文设计的防护服在后续推广应用上将结合新型材料技术，如将相变材料与纳米材料、碳纤维等相结合可以提高其降温性能,根据快递员、外卖员、高温车间作业员等职业人群的需求，进行个性化定制；以及逐渐拓展到特殊高温环境如坦克、装甲车辆中，保证作战士兵的良好状态。

1 防护服设计

1.1 相变材料选择

相变材料的传热性能对比[18]如表1所示，在选取的19个相变材料中，对比各相变材料的质量潜热发现，除Na2HPO4·12H2O外，Na2SO4·10H2O的质量潜热最高，为241.0 kJ/kg，相变温度为32.4 ℃，且符合人体体感温度要求。综合考虑相变材料的相变温度、来源获取、制备工序与成本、腐蚀性、阻热性等，选用Na2SO4·10H2O作为填充材料最为合适。

表1 19种无机水合盐相变材料的热物性[18]Tab.1 Thermal properties of 19 inorganic hydrate phase change materials[18]

1.2 材料制备

选用相变恒温材料冰沙作为主要材料，总质量为2.18 kg，成分为Na2SO4·10H2O，同时混合Na2B4O7·10H2O、硼砂(质量分数3%)、增稠剂聚丙烯酰胺(CH2CHCONH2)r、晶型改变剂六偏磷酸钠(NaPO3)6、悬浮剂二氧化硅SiO2、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和水[18-19]；冰沙接触到高温物体后温度升高，到熔点时发生物理相变，吸收热量。

1.3 防护服设计

防护服内部以热复合PVC 包装的相变恒温材料填充；外部面料采用麻纤维，透气性好，颜色选浅色系，尽可能减少太阳热辐射；防护服的腰部下侧为开口设计，减缓了人体体表温度的升高，同时减少汗液的蓄积。护臂设计为可拆卸式，满足了穿戴者在不同工作环境下的需求；在两护臂手腕处分别连接松紧带，通过自由放缩来减少环境的热量进入到护臂内部。防护服正视图如图1所示，三维图如图2所示。

1～8第一～第八相变材料；9第一拉链；10第二拉链；11第一松紧带；12第二松紧带；13第一护臂；14第二护臂；15第一束腰；16第二束腰；17防护服；18第三拉链。图1 防护服正视图Fig.1 Front view of the protective clothing

图2 防护服三维图Fig.2 Three-dimensional figure of the protective clothing

相变材料采用分区处理的方法，分成小块均匀分布在人体的前胸、后背及手臂上；分区处理方法不仅让相变材料分布均匀，不至于某一部位过重，使得穿着者具备良好的工作舒适性；而且还扩展了相变材料与皮肤的接触面积，充分发挥了相变材料的降温性能，避免沉淀；外表利用热复合PVC面料经高压融合而成的双层压边分块网格密闭封装，相邻相变材料包之间的间隙为6 mm。防护服实物图如图3所示。

图3 防护服实物图Fig.3 Physical image of the protective clothing

2 实验方案

2.1 实验仪器

热水模拟和真人实验所需实验仪器、测量仪器量程及其相对误差如表2和图4所示。

表2 热水模拟实验仪器参数Tab.2 Parameters of test instruments for the hot water simulation

图4 主要实验仪器Fig.4 Main test instruments

2.2 模拟实验

2.2.1 实验原理

通过使用定量的热水模拟人体劳动时的发热量，确定此时防护服的降温效果，可以排除因实验人员的心理、生理因素对实验结果造成的影响，确保后续真人实验的准确性。根据钱扬义等[20]研究的热水降温曲线公式以及比热容计算释放热量公式，如式(1)和式(2)所示，计算得出在高温工况重度劳动强度人体上半身所散发的热量，定量计算出用初始温度为100 ℃热水降温释放相等热量时所需的热水质量约为2 kg，如表3所示。

表3 热水模拟所需的水量和时长Tab.3 Water amount and lasting time for the hot water simulation

热水降温曲线：

(1)

式中：T为热水的实时温度，℃；T0为环境的温度，℃；A为热水和环境的最大温差，℃；t为时间，s；V为热水的体积，mL。

释放热量计算式：

Q=cmΔt

(2)

式中：Q为热量，J；c为比热容，J/(kg·K)；m为物质的质量，kg；Δt为物体的变化温度，K。

2.2.2 实验步骤

1)准备好所需实验器材，在热防护服的前胸、腹部、侧腹和后背表面位置用记号笔框选4个待测点；由于衣服的温度变化趋势和平均皮肤温度的变化趋势一致，防护服的初始温度低于人体体表温度，随着温度升高，相变材料达到相变点，吸收热量，延迟人体、衣服温度升高。由于皮肤表面平均温度波动范围小，例如女性上半身平均温差最大处为腰部的2.7 ℃[21-22]，选择测量防护服的外表面测点温度变化。

2)通过医用红外测温枪记录热防护服4个待测点的初始温度。

3)用电热水壶将2 kg水烧开，用探针式测温计测量记录热水的温度，并将热水快速倒入热水袋中，密封热水袋，包裹在热防护服中，放置在电取暖器表面。

4)开始实验，每隔10 min记录一次实验数据，待测点温度稳定达到预期的人体适宜温度，直至实验结束，由于高温户外工作人员工作时间一般为09∶00—12∶00，14∶00—17∶00，这两段时间内太阳辐射最为强烈，因此实验时长预计3 h；热水模拟实验分别在30、41、45 ℃的高温环境下进行，处理分析3组实验数据。

2.3 真人实验

真人穿戴上热防护服后，实验期间内保持剧烈运动状态，如图5所示。

图5 真人实验过程Fig.5 Real human testing process

1)准备好所需的实验器材，在热防护服的前胸和后背位置用记号笔框选4个待测点，用铝箔包裹热电偶贴附在热防护服表面。

2)接入电源，启动智能温度多路巡检仪，根据温湿度监测计记录当前的环境温度、湿度，用手持式医用红外测温枪测量人体初始体温。

3)开始实验，人体保持不同程度运动，每隔10 min记录一次实验数据，分别记录热防护服测点温度、人体温度，待热防护服测点温度稳定达到预期的人体适宜温度，直到实验结束；真人实验分别在37.1、39、41、60 ℃的高温环境下进行，处理分析4组实验数据。

3 实验结果与分析

3.1 热水模拟实验

第1、2、3次模拟热源实验，实验分别在30、41、45 ℃的高温环境下进行180 min，将2 kg的100 ℃热水用塑料热水袋包裹好放入热防护服中，再将热防护服竖直悬挂在高温的小房间中。随着时间的推移，热水的热量逐渐扩散至热防护服中。实验记录3种工况下4个测点温度数据变化，如图6所示。

图6 不同环境温度下100 ℃热水模拟实验180 min内测点温度变化Fig.6 Temperature change of measuring points within 180 min in 100 ℃ hot water simulation test at different ambient temperatures

图6(a)所示为30 ℃环境下100.0 ℃热水实验时的防护服表面温度变化。在0～40 min内，热防护服测点温度曲线近似直线状态迅速升高；40～60 min内热防护服测点温度曲线逐渐变缓，实验进行至60 min时温度升至顶峰约41 ℃；随着热防护服开始发生相变吸热，在60～120 min时温度曲线降低速率较大；在120 min至实验结束期间，由于凝胶的高传热性，以及防护服包裹的水的温度不断降低，温度曲线降低速率变缓，表面温度维持在约26 ℃。

图6(b)所示为41 ℃环境下100.0 ℃热水实验时的防护服表面温度变化。在0～40 min内变化趋势与图6(a)一致，在实验进行至60 min时温度升至顶峰约43 ℃；随着热防护服开始发生相变吸热，变化趋势与图6(a)一致。

表4所示为模拟实验中各测点的最高温度和平均温度，由表4可知：

表4 模拟实验马甲测温点参数分析Tab.4 Analysis of temperature measurement point parameters of the designed clothing in simulation test

1)随着环境温度不断升高，防护服表面平均温度也逐渐升高，防护服在30 ℃工况下表面温度最低，性能最优。

2)在整个180 min实验期间，防护服各测点平均温度低于34 ℃，验证了热防护服可以在高温环境下吸收巨大的热量，降低人体皮肤表面的升温速率。

3)在30 ℃工况下，防护服侧腹的降温幅度最大，为15 ℃；在41、45 ℃工况下，防护服前胸的降温幅度最大分别为16.7、17.9 ℃。因此在30、41、45 ℃工况的模拟热源实验中，防护服降温效果最好的部位分别为侧腹、前胸。

4)防护服各测点的峰值温度均低于人体灼痛感临界温度45 ℃[23]，预计基本可以满足人的体表舒适温度要求。

3.2 真人马甲实验

4次真人实验，分别在37.1、39、41、60 ℃的高温环境下进行180 min，每次实验记录4个测点温度数据，如图7～图8所示。其中60 ℃的高温测试能够更好地验证防护服在极端热环境下的降温性能，为后续在高温作业特种环境的应用提供数据基础。实验由两名实验者在汗蒸房环境下交替进行，每人运动30 min后即将衣服交换给下一人，不会造成人体的热失调。热防护服初始温度保持在约22 ℃，实验者穿好热防护服后，在整个实验过程中不断进行剧烈运动。

如图7(a)所示，环境温度为37.1 ℃时，在0～110 min内，随着人体的发热量持续增加，热防护服内的热量的不断累积，4个测点的温度不断升高。由于热水在前期散发热量较快，后期热量即散发完毕，而人体散发热量是持续的过程，故真人实验时防护服表面温度最高点相对于热水实验出现的较晚。在实验进行至110 min时，测点温度接近Na2SO4·10H2O的相变点32.4 ℃，相变材料开始发生相变吸热，从而加强了防护服吸收人体散发热量的速率。在110～180 min，测点温度开始缓慢下降。由于人体散热不均匀，导致实验过程中出现防护服部分区域的相变材料已液化，但部分区域相变材料尚未完全融化，相变材料处于过冷状态；且实验者处于运动状态，与周围空气存在相对速度带来的对流换热，进一步降低了相变材料温度，因此混合物的相变区间不会对防护服的最终温度产生大的影响，防护服4个测点最终平均温度维持在约26 ℃。

如图7(b)和图7(c)所示，环境温度分别为39、41 ℃，各测点在180 min内变化趋势与图7(a)一致。

图7 不同环境温度下真人实验180 min内测点温度变化Fig.7 Temperature change of measuring points within 180 min in the real human test at different ambient temperatures

60 ℃环境温度下的测点温度变化如图8所示，在0～60 min内，随着人体的发热量持续增加，热防护服内的热量的不断累积，4个测点的温度不断升高，最高温度达到40 ℃。在实验进行至60 min时，测点温度接近相变点32.4 ℃，相变材料开始发生相变，大幅加强了吸收人体散发热量的速率，因此在60～180 min，测点温度开始缓缓下降，平均温度曲线降低变缓，维持在约31 ℃。

图8 60 ℃环境温度下真人实验180 min内测点温度变化Fig.8 Temperature change of measuring points within 180 min in the real human test at the ambient temperature of 60 ℃

表5所示为真人实验中各测点的最高温度和平均温度，由表5可知：

表5 真人实验马甲测温点参数分析Tab.5 Analysis of temperature measurement point parameters of the designed clothing in real human test

1)在夏季室外正常温度为37.1、39、41 ℃条件下，防护服前胸、后背、侧腹、腹部的平均温度保持在约28 ℃，整个3 h内最高温度出现在120 min，最高温度约为32 ℃，在180 min时温度稳定在约26 ℃，整体变化趋势和持续时间与热水模拟实验结果一致。

2)在极端温度60 ℃条件下，防护服前胸平均温度为35.24 ℃，侧腹平均温度为31.72 ℃，后背的平均温度为33 ℃，腹部的平均温度为33.26 ℃，整个3 h内最高温度在60 min，约为37.6 ℃，在180 min温度稳定在约31 ℃。

3)在37.1、39 ℃工况下，防护服侧腹部的降温幅度最大均为7.1 ℃；在41 ℃工况下，防护服后背的降温幅度最大为6.9 ℃；在60 ℃工况下，防护服在腹部的降温幅度最大为9.8 ℃。在不同部位的降温效果的差异主要与人体热敏感度和产热量有关[24]，所以对于本实验运动人员，在37.1、39、41、60 ℃工况下，防护服降温效果最好的分别是侧腹、后背、腹部。

4)防护服的降温性能在环境温度为41 ℃以下范围内较好，60 ℃的工况下各个测点平均温度存在大幅升高，但4个测点温度的峰值均低于人体灼痛感临界温度45 ℃，预计基本可以满足人的体表舒适温度要求。

3.3 真人护臂实验

本防护服主要面向户外高温的工作者，但仅依靠马甲的防晒降温只能满足部分工种的需求。在快递、外卖等行业，工作者在骑行过程中大部分时间胳膊暴露在太阳辐射下，长时间的太阳辐射会导致皮肤紫外线晒伤。本节为防护服添加了护臂，可以在防晒的基础上附加降温的功能，缓解骑行时胳膊的不适感。且本护臂为可拆卸护臂，与防护服互相独立工作，不使用时可以脱下，不会增加人员负担。

图9所示为60 ℃环境温度下真人实验两护臂180 min内测点温度变化。由图9可知，60 ℃工况下，防护服的初始温度保持在约16 ℃，实验者穿着防护服，在整个实验过程中不断运动。

图9 60 ℃环境温度下真人实验两护臂180 min内测点温度变化Fig.9 Temperature change of measuring points within 180 min of two arms in the real human test at the ambient temperature of 60 ℃

随着实验者不断运动，人体散发的热量逐渐增多，热防护服内的热量的不断累积，4个测点的温度不断升高。在实验40 min时接近Na2SO4·10H20的相变温度32.4 ℃，相变材料开始发生相变，大幅加强了吸收人体散发热量的速率。在60～180 min，测点温度开始缓缓下降，平均温度曲线降低变缓，维持在约30 ℃。

表6所示为60 ℃环境温度下护臂实验中各测点的最高温度和平均温度，由表6可知：

表6 60 ℃环境温度下真人实验两护臂测温点参数分析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 ℃工况下，防护服上下护臂外侧最高温度和平均温度均高于内侧温度，这是因为人穿着护臂时手臂外侧与外界高温环境的接触面积大，外侧比内侧所受的辐射热量多。

2)上臂测点的最高温度和平均温度均高于下臂测点温度，这是由于根据均匀环境下皮肤温度分布，人体胳膊上侧的温度普遍高于下侧[25]。

3)在60 ℃工况下，防护服的左右护臂的最高温度均发生在100 min，最高温度均低于40 ℃；防护服护臂内外侧平均温度均最终能降至约32 ℃。

4 结论

根据Na2SO4·10H20相变吸热的原理，本文设计了面向快递外卖员的结合可拆卸护臂的无源热防护服，利用热水模拟人体发热量进行了模拟实验；在模拟实验的基础上完成了高温下的真人实验验证，得到结论如下：

1)根据模拟实验可知，防护服在30、41、45 ℃的工况下，在60 min升至最高温度，在后120 min平均温度降至约26 ℃，验证了热防护服的降温性能良好，其中在30 ℃工况下，防护服降温性能较好,在45 ℃工况下性能较差。

2)根据4次真人实验，验证了防护服在37.1、39、41 ℃工况下，在60 min内平均温度可降至约26 ℃；在60 ℃工况下，60 min内平均温度可降至约31 ℃；其中防护服在37.1 ℃时降温效果最优，在60 ℃时降温效果较差，但由于60 ℃属于高温极限工况，所以最终温度会高于人体舒适温度，且此时防护服表面温度低于人体灼痛感临界温度45 ℃。

3)在60 ℃高温工况下，防护服护臂平均温度均能降至约30 ℃，3 h内护臂表面温度同样低于人体灼痛感临界温度45 ℃。

综上所述，本防护服可以实现在夏季高温环境下给人体降温的设计目标，在41 ℃以下满足人体的热舒适性要求，在60 ℃以下满足人体热防护需求。除夏季高温作业人群人体降温外，本防护服后续可以用于坦克、装甲车等特种防护领域。

本文受2019年中国建设教育协会教改一般立项项目(2019138)资助。(The project was supported by the General Educational Reform Project of China Construction Education Association (No.2019138).)