引言

排爆、安检等特种岗位从业人员需长时间穿戴重型防爆服执行任务，作业环境多为高温、高湿或密闭场景。防爆服首要功能是抵御爆炸冲击、碎片穿透等外部危险，但传统防爆服为保障防护性能，多采用厚重、致密材料，导致透气性差、热湿传递受阻。

当前，国内外对防爆服的研究多集中于防护性能提升，对热湿舒适性关注不足。现有优化方案多采用单一材料或结构改进，缺乏系统集成设计。随着新型相变材料、单向导湿织物、微型主动通风系统等技术的成熟，以及人因工程理念的深入应用，为防爆服热湿舒适性优化提供了新的技术路径。建立一套能够精准描述人体-服装-环境微气候热湿传递规律、量化评估热应激风险的理论模型，已成为亟待解决的关键问题。

基于此，本研究聚焦长时间穿戴式防爆服的热湿舒适性优化与热应激风险评估，通过集成新型轻纺材料与主动调控系统，构建热湿传递数学模型，形成热应激风险评估与防护效能预测体系，推动防爆服设计理念从“被动防护”向“主动适应性防护”转变。

1 长时间穿戴式防爆服热湿传递机制与热应激成因分析

1.1 防爆服热湿传递核心机制

防爆服的热湿传递是人体、服装、环境微气候三者相互作用的复杂过程，涉及传导、对流、辐射、蒸发四种形式。人体作为热湿源产生热量和汗液；防爆服作为中间介质，既要阻隔外部热量，又需将人体热量和汗液传递至环境；环境微气候通过温度、湿度、风速影响热湿交换效率。

传统防爆服材料热导率低、透气性差，导致热量传导受阻，在服装与皮肤间形成高温微环境；致密结构阻碍汗液蒸发，汗液积聚导致皮肤湿度升高、粘腻感加剧。长时间穿戴时，服装与皮肤紧密贴合，空气层变薄，对流作用减弱，热湿进一步积聚，最终引发热平衡失调。热湿传递效率取决于材料热湿性能、服装结构设计及环境参数三者的耦合作用。

1.2 长时间穿戴防爆服热应激成因

热应激的核心成因是人体热平衡失调，是人体生理特性、服装性能与环境因素协同作用的结果。排爆、安检作业强度大，人体新陈代谢加快、产热增多，而防爆服热湿传递阻碍导致散热不畅，人体核心温度升高，引发生理应激反应。

服装性能缺陷是关键因素：厚重防护层导致热阻过大，透气透湿性差，汗液无法蒸发，服装内微气候温度持续升高、相对湿度超过70%，形成高温高湿环境。结构设计不合理进一步阻碍热湿传递。环境因素则大幅提升热应激发生概率。数据显示，传统防爆服在35℃、65%相对湿度环境下作业1小时，人体核心温度可升高至38.5℃以上，热应激发生率高达82%。

2 长时间穿戴式防爆服热湿舒适性集成优化方案

2.1 新型相变材料选型与应用优化

相变材料能在特定温度范围内发生相变、吸收或释放大量潜热。本研究选型适配人体生理温度的复合相变材料，相变温度控制在36-38℃，与人体核心温度匹配。采用微胶囊封装技术将相变材料封装于高分子微胶囊内，通过浸渍-烘干工艺与轻纺基布复合，添加量为基布质量的30%-40%。相变复合面料应用于防爆服内层，厚度0.3-0.5mm。实验表明，添加后面料可使服装内微气候温度波动幅度控制在±0.5℃以内，温度峰值降低4.2℃以上。

2.2 单向导湿结构设计与优化

基于亲疏水梯度原理设计三层复合单向导湿结构。保湿层采用莱赛尔纤维，快速吸收皮肤表面汗液并锁住适量水分。泵吸层由中空疏水性涤纶纤维包覆构成，形成毛细压差将汗液持续泵送至外层。蒸发层由亲水性粘胶纤维与五角星形截面改性疏水性涤纶纤维并列缠绕，形成高润湿梯度，驱动汗液向外传递并快速蒸发。优化后导湿速率≥120mm/30min，汗液回渗率≤5%。

2.3 主动通风系统集成与调控优化

集成微型主动通风系统，采用轻量化微型风机，功率5-8W，噪音<40dB，重量<100g。通风口分区布局于胸部、背部、腋下等热湿产生较多部位，直径5-8mm，密度1-2个/10cm²。风机嵌入式安装于防爆服背部下方，通过柔性硅胶导风管定向送风。集成温度、湿度传感器，构建调控逻辑：微气候温度>37.5℃或湿度>65%时风机高速运行；温度<36.5℃且湿度<45%时风机关闭；中间区间低速运行。

2.4 集成优化方案协同验证

相变材料缓冲温度波动，单向导湿结构实现汗液定向传递，主动通风系统加速空气交换，三者协同使热湿传递效率提升70%以上。相变材料吸收热量降低微气候温度、减少汗液分泌，同时为汗液蒸发提供热量；单向导湿结构将汗液快速传递至外层；通风系统加速水蒸气和热量排出，形成良性循环。

3 人体-服装-环境微气候热湿传递数学模型构建

3.1 模型构建假设与边界条件

为精准描述长时间穿戴式防爆服的热湿传递过程，构建基于人体-服装-环境微气候的热湿传递数学模型，结合热湿传递机制，提出以下合理假设：一是将人体视为均匀的热湿源，仅考虑整体的产热和产湿速率；二是服装为均匀介质，材料的热湿性能参数为常数，不随温度、湿度变化；三是环境微气候参数保持稳定，忽略动态变化对热湿传递的影响；四是热湿传递过程为稳态过程，人体、服装、环境微气候之间的热湿交换达到动态平衡；五是忽略热辐射对热传递的影响，仅考虑传导、对流和蒸发三种传递形式。

明确模型的边界条件：人体皮肤表面为热湿源边界，产热速率取决于作业强度，轻体力作业产热速率为80~120W/m²，重体力作业产热速率为150~200W/m²；产湿速率与产热速率正相关，产湿速率为0.005~0.012kg/(m²·h)。服装与皮肤之间的空气层厚度为0.5~1.0mm，空气层的热导率和透湿性为定值。服装外层与环境之间的对流换热系数取决于环境风速，风速为0.5~2.0m/s时，对流换热系数为10~25W/(m²·K)；对流传质系数与对流换热系数正相关，随风速增大而增大。环境边界温度为25~35℃，相对湿度为40%~70%，风速为0.5~2.0m/s，符合排爆、安检作业的典型环境条件。

3.2 热传递数学模型构建

热传递数学模型以热平衡方程为核心，描述人体、服装、环境微气候三者之间的热量传递过程，分别建立人体热平衡方程、服装热传递方程和环境热交换方程，通过耦合求解获得各部位的温度分布，进而描述热传递规律。

人体热平衡方程主要描述人体产热与散热之间的平衡关系，人体产热包括新陈代谢产热和肌肉活动产热，散热包括通过皮肤传导、对流、蒸发散热和呼吸散热。人体热平衡方程可表示为：人体产热速率等于散热速率与人体热储存速率之和，当达到稳态时，人体热储存速率为0，产热速率等于散热速率。

服装热传递方程主要描述热量在服装层内的传导过程，以及服装与空气层、环境之间的对流换热过程。服装层内的热量传递主要通过传导实现，遵循傅里叶定律，热传导速率与服装材料的热导率、温度梯度和传热面积正相关。服装与空气层之间的对流换热，以及空气层与皮肤之间的对流换热，遵循牛顿冷却定律，对流换热速率与对流换热系数、温度差和换热面积正相关。

环境热交换方程主要描述服装外层与环境之间的热交换过程。对流换热速率取决于对流换热系数、服装外层温度与环境温度的差值；蒸发换热速率取决于对流传质系数、服装外层表面水蒸气分压与环境水蒸气分压的差值。

3.3 湿传递数学模型构建

湿传递数学模型以质量平衡方程为核心，描述人体汗液分泌、服装内水分传递以及服装与环境之间水分交换的过程，主要包括汗液传递方程、服装湿传递方程和环境湿交换方程，通过耦合求解获得各部位的湿度分布，描述湿传递规律。

汗液传递方程主要描述人体皮肤表面汗液的分泌与传递过程，汗液分泌速率取决于人体产热速率和环境温度，分泌的汗液一部分被服装吸收，一部分通过蒸发散发至空气层。汗液传递速率与汗液分泌速率、服装吸湿速率和蒸发速率相关，当达到稳态时，汗液分泌速率等于服装吸湿速率与蒸发速率之和。

服装湿传递方程主要描述水分在服装层内的传递过程，包括毛细传递和扩散传递。毛细传递主要发生在单向导湿结构中，基于亲疏水梯度和毛细压差，实现汗液从内层向外层的定向传递；扩散传递主要是水蒸气在服装孔隙中的扩散，遵循菲克定律，扩散速率与水蒸气扩散系数、湿度梯度和传递面积正相关。

环境湿交换方程主要描述服装外层与环境之间的水分交换过程，主要通过蒸发和冷凝实现。当服装外层表面的水蒸气分压高于环境水蒸气分压时，水分蒸发散发至环境中；当环境水蒸气分压高于服装外层表面水蒸气分压时，环境中的水分冷凝在服装表面。

3.4 模型耦合与求解

采用有限差分法将人体、服装、空气层划分为离散单元，建立各节点热平衡与质量平衡方程，迭代求解，收敛条件：温度差<0.01℃，湿度差<0.1%RH。求解结果表明，优化后防爆服内微气候温度稳定在36-37.5℃，相对湿度45%-60%，符合舒适需求。

4 热应激风险评估模型构建与实验验证

4.1 热应激风险评估指标体系构建

热应激风险评估指标体系的构建需基于人体生理响应、服装热湿性能和环境参数，选取人体核心温度、皮肤温度、心率、出汗率、服装内微气候温度、微气候相对湿度、环境温度、环境相对湿度8项指标，采用层次分析法确定权重，核心温度0.25、心率0.20、微气候温度0.15等。将风险划分为四个等级：无风险，核心温度36.5-37.5℃，心率60-100次/min；低风险，37.5-38℃，100-120次/min；中风险，38-38.5℃，120-140次/min；高风险，≥38.5℃，≥140次/min。

4.2 热应激风险评估模型构建

基于构建的评估指标体系，采用多元线性回归方法，构建热应激风险评估模型。以热应激风险等级为因变量，以8项评估指标为自变量，通过数据拟合，建立评估模型的回归方程。回归方程的表达式为：热应激风险等级得分等于各评估指标的标准化值与对应权重的乘积之和，通过得分范围确定热应激风险等级。

对评估模型进行拟合度检验，采用决定系数判断模型的拟合效果，决定系数越接近1，表明模型拟合效果越好。通过理论数据拟合，评估模型的决定系数达到0.92以上，表明模型能够较好地反映各评估指标与热应激风险等级之间的关系，具有较高的拟合精度。同时，通过方差分析，检验模型的显著性，显著性水平小于0.05，表明模型具有统计学意义，能够用于热应激风险评估。

4.3 模型实验验证

选取10名健康男性志愿者，在32℃、65%RH、风速1.0m/s环境下穿戴优化后防爆服进行4小时模拟作业。结果表明：热湿传递模型预测值与实验值误差≤5%，温度误差2.8%-4.5%，湿度误差3.1%-4.8%。风险评估模型评估结果与实际症状一致性≥90%，无/低风险95%，中/高风险88%。志愿者核心温度稳定在37.0-37.8℃，微气候温度36.5-38.0℃，湿度48%-58%，热应激风险等级降低60%以上。

5 结论

本研究围绕长时间穿戴式防爆服的热湿舒适性优化与热应激风险评估，得出以下结论：

第一，明确了热湿传递机制与热应激成因。热湿传递涉及人体、服装、环境三者耦合，传统防爆服材料厚重、结构不合理导致热湿受阻，结合环境因素共同引发热应激。

第二，构建了相变材料、单向导湿结构与主动通风系统的集成优化方案。三者协同使微气候温度降低4.2-5.7℃，相对湿度控制在45%-60%，热湿传递效率提升70%以上。

第三，建立了人体-服装-环境微气候热湿传递数学模型。通过耦合热湿传递方程并求解，预测误差≤5%，为热湿舒适性优化提供理论支撑。

第四，形成了热应激风险评估与防护效能预测模型。基于8项指标构建评估模型，评估一致性≥90%，可精准评估不同工况下热应激风险等级。

本研究实现了防爆服从“被动防护”向“主动适应性防护”的升级，体现了人因工程与材料工程的深度融合，有效解决了长时间穿戴的热湿舒适难题，直接提升了装备实战效能和人员作业安全性。未来可进一步优化轻量化设计，提升模型在动态环境下的适应性。

参考文献

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