《Energy and Buildings》：Multi-zone phase change cooling garment for mining thermal environments: design and experimental evaluation
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多区域相变材料冷却服在高温矿井环境中的生理与认知保护效果研究，通过对比传统背心式与新型六区覆盖式冷却服，发现后者能显著降低核心体温（0.3-0.4℃）和心率（约5bpm），提升热舒适度与注意力水平，尤其在重复作业中效果更明显。
李梦琳|李世东|张顺新|陈金石|张振|刘冰|杨文宇
山东科技大学安全与环境工程学院，中国山东省青岛市266590
摘要
在深部地下采矿中，日益加剧的热负荷凸显了传统仅覆盖躯干的相变材料冷却服装（PCM-CG）的一个关键缺陷：这些服装仅关注躯干部分，忽视了头部、颈部和手腕等关键的热调节区域，从而限制了其在缓解全身热负荷和保持认知功能方面的效果。为了解决这一问题，研究人员开发并评估了一种多区域相变材料冷却服装（MZPCM-CG），该服装将相变材料的覆盖范围扩展到六个对热敏感的区域，包括头盔内部、面部、颈部、躯干和手腕。在高度仿真的矿井环境中进行了对照实验，二十名专业装卸工人在三种不同热湿应力条件下穿着MZPCM-CG或传统的PCM-CG完成了重复的运输周期。实验综合评估了受试者的主观感知反应、生理指标（核心温度、皮肤温度、心率）以及认知表现（注意力分配和反应时间）。结果表明，在这种特定条件下，MZPCM-CG显著提高了热舒适度和感知评分，在最高热条件下将核心温度和皮肤温度降低了0.3–0.4°C，心率降低了约5次/分钟。参与者的认知韧性也得到了增强，注意力效率下降的速度更慢，反应时间的增加也更小。这些益处在多次暴露后更加明显。这项研究提供了有力的证据，证明将PCM-CG的覆盖范围扩展到躯干以外可以在持续的热应力下同时提供生理保护和认知保护的双重优势。因此，MZPCM-CG为深部采矿等高风险环境中的个人冷却策略提供了改进。
引言
在地下矿井的极端高温环境中，长时间暴露可能导致严重的热应激，影响矿工的生理功能和工作表现[1]。尽管通风系统的改进和机械制冷装置的安装取得了一定效果[2]、[3]、[4]，但这些方法能耗高且维护成本高昂——通常占矿山电力支出的25%以上[5]。此外，为了维持经济产出而同时运行多个工作面会进一步增加冷却负荷和财务负担[6]。作为一种补充策略，个人防护装备（PPE）如冷却服装提供了一种实用且局部的方法来缓解热负荷，降低皮肤表面温度并延长安全工作时间，而无需大规模制冷的基础设施[7]、[8]、[9]、[10]。
用于缓解热危害的个人防护装备主要分为四类：风冷式、液冷式、半导体式和基于相变材料（PCM）的系统。风冷式服装依赖压缩气体或强制空气循环，但其电气组件和加压管线存在爆炸和泄漏风险，而刚性管材会限制移动性——这在动态采矿环境中是关键的缺点[12]。液冷式背心能有效散热，但会增加3.2–4.5公斤的重量，从而加速疲劳，并在模拟试验中降低18–22%的生产效率[13]、[14]。半导体设备利用珀尔帖效应进行冷却，但成本较高且制造复杂[15]。相比之下，基于PCM的服装利用熔化的潜热被动吸收和储存体热。集成的PCM包无需外部电源即可提供持续、均匀的冷却效果，兼具轻量化设计、人体工程学灵活性和在恶劣条件下的可靠性能[16]。
关于传统仅覆盖躯干的相变材料冷却服装（PCM-CG）的研究已在多种职业环境中展开。宋等人[17]在炎热且湿度适中的环境中将PCM包应用于上半身和下半身，发现其提高了办公室工作人员的热舒适度。陈等人[18]报告称，在建筑、户外清洁和机场工作中使用PCM-CG可显著减轻身体疲劳。赵等人[19]证实了建筑工人生理和感知疲劳的减轻，而伊塔尼（Itani）、加达尔（Ghaddar）和加利（Ghali）开发的混合PCM-干燥剂层在炎热潮湿的气候中提高了性能[20]、[21]。这些研究一致验证了PCM-CG在降低核心温度方面的效果，但主要关注躯干部分的覆盖[22]、[23]。
尽管取得了这些进展，现有的PCM-CG仍存在局限性，因为它们仅关注躯干部分，导致周围对热敏感的区域得不到保护，从而限制了整体热舒适度。Ke等人[24]、[25]观察到未覆盖区域的温度上升，抵消了背心带来的冷却效果，张等人的类似发现也强调了需要更广泛的覆盖范围以有效调节平均皮肤温度[26]。
为了解决这一问题，本研究开发了一种多区域相变材料冷却服装（MZPCM-CG），将高潜热PCM集成到六个关键区域：安全头盔内部、面部、颈部、躯干和手腕。这种配置有助于保持前额温度，从而保护认知功能，并利用手腕的高导热性快速散热[27]、[28]。通过在这些主要热调节区域提供被动的高容量热缓冲，MZPCM-CG旨在提高高温采矿环境中的整体热舒适度并减少生理疲劳[29]。
本文对创新的MZPCM-CG和传统的PCM-CG进行了多方面的性能比较。在模拟矿井环境中进行的严格实验和数据分析验证了全覆盖设计的实际有效性。研究结果为预防矿工热应激提供了新的见解，支持可持续的采矿作业，并推动了地下工作综合冷却策略的发展。
研究设计与伦理审批
2025年5月至6月，在中国山东省的一个模拟矿井巷道中进行了对照实验。实验获得了山东科技大学安全与环境工程学院伦理委员会的批准，并遵循《赫尔辛基宣言》及相关国家指南进行。所有参与者在收到详细解释后均签署了书面知情同意书。
温度和湿度稳定性
在所有六个实验阶段，环境参数均保持在预定义的目标范围内，确保观察到的任何人类反应差异均可归因于冷却服装，而非环境条件的不可控波动。在条件A下，平均室内温度为34.1±0.3°C，平均相对湿度为79.8±1.2%；在条件B下，这些数值分别为36.0±0.4°C和85.1±1.0%；在条件C下，平均室内温度为37.9±0.5°C。
局限性
本研究存在一些局限性。首先，样本仅包括来自一家采矿企业的二十名男性装卸工人，这限制了研究结果对女性工人、其他职业角色或在不同地质或气候条件下工作的矿山的普遍适用性。为了提高外部有效性，未来的研究应采用多地点和多人群的设计。
结论
本研究在高度仿真的地下采矿环境中评估了一种新型全覆盖相变材料冷却服装与传统仅覆盖躯干的PCM服装的有效性。在三种不同热应力条件下的四个运输周期中，MZPCM-CG在主观舒适度、生理疲劳和认知表现方面始终表现出更好的效果。穿着全覆盖服装的工人报告称热感和湿润感显著降低。
作者贡献声明
李梦琳：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、资源获取、数据分析、概念构思。
李世东：监督、资源获取、资金筹集、数据管理。
张顺新：软件开发、方法设计、数据管理。
陈金石：验证、调查、数据管理。
张振：验证、软件开发、资源管理、项目协调、概念构思。
刘冰：监督、资源获取、调查、数据管理。
杨文宇：撰写 –
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金 [资助编号 -->ZR2023M130-->的支持。
