輪船輪機員用新型智能化溫控復合降溫背心的試制及其降溫效果評價

盧 浩 張洲瀛 陳佳暉 傅亞婷 常文軍 于旭東

1. 上海理工大學 健康科學與工程學院,上海 200433;2. 海軍軍醫大學 海醫系,上海 200433;3. 海軍特色醫學中心 特種作戰醫學研究室,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,于是許多與熱相關的問題顯現出來[1]。盡管使用空調系統是最常用的降溫方法[2],但輪船空間非常有限,且輪船輪機艙內有柴油機、電機、風機、水泵等大型設備,它們工作運轉時會產生大量的熱[3],故在此環境中使用空調系統降溫效果并不明顯。輪機員在進行輪機艙機械設備的操作、檢修和保養時很容易出現中暑、熱衰竭等癥狀,嚴重時還會引發熱痙攣、熱射病等職業病[4-5]。為了延長輪船輪機員在高溫環境下的工作時間,提高工作效率,避免熱應激和熱負荷過大對人體造成熱損傷,本文設計了一款新型智能化溫控復合降溫背心(下文簡稱“新型降溫背心”),并對其降溫效果進行了評定。

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,體質量為(72.9±3.8)kg,身體質量指數(BMI)為(24.7±2.45) kg/m2[6],且無熱習服史和中暑史。

1.2 背心原型

新型降溫背心由變頻壓縮機、微通道冷凝器(含板式換熱器)、蒸發水箱、水泵、電控系統和網格背心等組成,其運行原理和相關器件見圖1。通電后,低溫低壓氣態制冷劑經變頻壓縮機壓縮成高溫高壓氣態制冷劑,排出后通過微通道冷凝器,經風冷冷凝成中溫高壓液態制冷劑,再通過節流閥小孔噴出,膨脹為低溫低壓氣態制冷劑,并在蒸發水箱處與外界交換熱量,吸熱后流回變頻壓縮機入口[7]。如此往復循環,實現對人體的持續降溫。

1—變頻壓縮機;2—環境溫度傳感器;3—微通道冷凝器;4—冷凝風機;5—干燥過濾器;6—節流毛細管;7—蒸發水箱;8—水泵;9—出水溫度傳感器;10—網格背心;11—進水溫度傳感器。圖1 新型降溫背心運行原理及相關器件示意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、冷凝風機和蒸發水箱等核心元部件,使降溫效果最大化;采用了電控系統,可實時設定進水口水溫,并實時監測出水口水溫;主機機殼采用3A21鋁合金材料,輕巧、堅固,能保證傾倒后設備繼續工作;電池改為更大容量的電池組(24 V直流電,6.5 A),續航時間為一代降溫背心的1.6倍;網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 試驗設計

1.3.1 試驗環境和測試時間

試驗模擬了3種環境: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%。測試時間為90 min。如果試驗期間受試者感覺不適,則立即停止試驗。

1.3.2 著裝

受試者基本著裝一致,均穿戴統一配發的訓練服套裝(含半袖上衣、短褲和運動鞋)及新型降溫背心。其中,試驗組穿著訓練服套裝和工作狀態的新型降溫背心,對照組穿著訓練服套裝和非工作狀態的新型降溫背心。

1.3.3 監測設備

利用233621 SENSE頸掛式體溫心率監測藍牙耳機(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,以及直腸溫度與網格背心內微小氣候區溫度。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)測量受試者試驗前后體質量的變化,以獲得出汗量。

1.3.4 評價標準

本文主要利用平均體溫(Tb)、直腸溫度、網格背心內微小氣候區溫度(Tm)以及主觀感覺等指標,評價新型降溫背心的冷卻效果。

按式(1)計算加權平均皮膚溫度(Ts),按式(2)式計算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評分法進行局部溫熱感評價[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。舒適度指標評分標準為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評分法進行疲勞度評價[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 統計分析

測試數據的平均值采用“均值±標準差”的形式表示。試驗組與對照組數據的比較采用配對樣本t檢驗法,且所有試驗數據利用SPSS 21.0軟件進行分析,檢驗顯著性水平取0.05。

2 試驗結果與分析

2.1 皮膚溫度

表1和表2分別為3種環境條件下測得試驗組和對照組各部位的皮膚溫度,可以看出:試驗組由于穿著了工作狀態的新型降溫背心,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種環境條件下試驗組和對照組各部位皮膚溫度

表2 3種環境條件下試驗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

表3和表4分別列出了3種環境條件下測得試驗組與對照組的其他生理指標值,可以看出:

表3 3種環境條件下試驗組和對照組的相關生理指標

表4 3種環境條件下試驗組和對照組相關生理指標的變化情況

(1)心率是檢驗熱應激的一項重要生理指標[11]。對比3種環境條件下試驗組與對照組的心率發現,試驗組的心率比對照組的低約16%。

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

(3)試驗組的直腸溫度在3種環境溫度下均有降低,盡管數字上差異不顯著,但仍有統計學意義。

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

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

(6)3種環境條件下,試驗組的Tb值均低于對照組的。且測試過程中,隨著時間的推移,試驗組與對照組皮膚溫度的差值在35 min時達到最大(37 ℃環境溫度中最大平均皮膚溫度差值為1.3 ℃;41 ℃環境溫度中最大平均皮膚溫度差值為1.5 ℃;45 ℃環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,直到試驗結束(P<0.05)。

2.3 主觀感受

表5和表6分別為3種環境條件下測得試驗組與對照組的主觀感受即局部溫熱感、舒適感和疲勞感評分結果,可以看出:整個試驗過程中,試驗組的主觀感受評分較對照組的都降低了約1分,降低效果顯著(P<0.01)。其中,局部溫熱感主要與皮膚溫度有關,而直腸溫度和皮膚溫度的變化又會對舒適感產生重大影響[13]。穿著工作狀態的新型降溫背心降低了皮膚溫度、直腸溫度及生理指標參數,減少了出汗量,改善了局部溫熱感,提高了人體舒適度,繼而減緩了疲勞感的增加?？傊?高溫環境中穿著工作狀態的新型降溫背心會顯著降低人體的熱應激,改善人體作業時的疲勞度,延長作業時間。

表5 3種環境條件下試驗組和對照組的主觀感受評分

表6 3種環境條件下試驗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 結語

高溫可以引起人體出現脫水、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,體溫過高導致的死亡率高達50%[13]。因此,高溫高濕條件下作業人員的生命安全也一直是國內外相關研究者關注的重點。

本文研制的新型智能化溫控復合降溫背心與一代降溫背心相比,在小于40 ℃的環境溫度中非人體穿著時,測得網格背心內微小氣候區的溫度比環境溫度低8 ℃,降溫效果遠大于一代降溫背心[14],且背心管路中進水口溫度低于環境溫度8～15 ℃,進水口最低溫度14.8 ℃,進出水口溫差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計,小巧、便攜,裝備總質量在4.5 kg左右,可根據不同的環境續航3～5 h,能有效地將人體與高溫環境隔離,顯著改善穿著者的局部溫熱感和舒適度,進而提高穿著者的作業效能,延長有效工作時間,降低熱應激。且多次試驗表明,試驗組的各項生理指標參數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合方式降溫,能夠最大限度地提供冷源[15],且降溫持續,同時避免了冷源輸送的束縛,使輪船輪機員動作不受限制;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熱量大的部位,降溫效果進一步提升。

總之,本文測得的數據均在正常人體生理數據范圍內,有效、可靠,受試者安全且都未發生意外。綜合對比心率及直腸溫度等指標可以認為,新型降溫背心的降溫性能達到了預期,相關數據可為水冷降溫背心的改進提供參考,并為本試驗條件下穿著新型降溫背心作業時間的確定提供依據。

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