《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Effects of clothing types on physiological and perceptual responses in hot and humid underground environments
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本研究通过对比矿工工作服与夏季运动服在高温高湿环境下的生理和心理响应，揭示工作服对核心温度、出汗量、心率及主观热应激的影响机制，为优化防护装备设计及通风策略提供依据。
王星明|王一江|范文博|桑春丽|赖晓娟
中国矿业大学力学与土木工程学院智能建造与深部地下工程健康运维国家重点实验室，徐州，221116，中国
摘要
随着采矿深度的增加，矿工在深部地下空间遇到的热环境变得更加恶劣。矿工的工作服（MWW）进一步加剧了热应激的风险。本研究旨在通过比较穿着MWW和夏季运动服装（SSC）的受试者在炎热潮湿环境中的热反应，阐明生理和感知指标的程度和机制。在气候室中进行人体试验，测量了受试者的热生理和心理参数。此外，还计算了感知劳累程度（RPE）、生理应激指数（PSI）和感知应激指数（PeSI）。结果表明，穿着MWW的受试者表现出更高的热生理和感知反应。与SSC条件相比，MWW导致核心温度升高0.35°C，平均皮肤温度升高0.72°C，总汗量增加194.61克，心率增加11.82次/分钟。MWW加剧了呼吸感知和RPE，并提高了PSI和PeSI。它还降低了通过热感知预测热生理参数的可靠性。此外，代谢率的升高加剧了MWW对盐离子流失的负面影响，在MWW条件下达到了67.24毫摩尔/升，而在SSC条件下为12.25毫摩尔/升。MWW对热舒适度的负面影响比对热感觉的影响更为明显。这些发现可以为个人防护服装的设计、通风策略的优化以及炎热潮湿地下环境中热应激的管理提供依据。
引言
随着采矿作业向地下更深处延伸，矿工面临的热危害风险相应增加[1]，在1000米深的矿井中，平均每天有1.9例中暑事件[2]。先进采矿技术的引入使得超过1000米深的矿井数量稳步增加，从而加剧了矿工所经历的环境热应力[3]。环境热应激的影响是多方面的，包括认知表现和劳动效率下降[4]，主观感知改变，以及中暑和热相关疾病的风险增加[5,6]。深部地下环境中热相关事件的风险不仅归因于这些环境特有的空气温度、相对湿度和空气流速，还归因于矿工的工作服[7,8]。迫切需要研究矿工的工作服（MWW）在炎热潮湿条件下对人类生理和心理的影响程度和机制[9]。
地下环境的特点是温度高、湿度大和空气流速快[10]。随着矿井深度的增加，周围岩石的温度可上升至45-60°C[1]，导致空气温度、相对湿度和空气流速分别达到最高36°C、100%[11]和1.45米/秒[3]。Jin等人[12]进一步指出，当相对湿度超过70%时，湿度对人类热反应的影响显著增强，高温加剧了这种负面影响。Yang等人[13]发现温度和湿度的协同作用比任何单一因素的影响更为明显，其中温度的影响最为显著。Chen等人[14]观察到在超过39°C的环境中锻炼的受试者的认知能力下降。Sheng等人[15]发现环境温度与职业伤害的发生率之间存在显著相关性。Lu和Zhu[16]证明，在空气温度在30-42°C的环境中，使用电脑（175瓦）、组装硬件（349瓦）和举重（580瓦）50分钟后，人体口腔温度分别超过了38.0°C、39.5°C和40°C。Zheng等人[17]强调了高环境热应力对人类生理和心理的影响，并提出了一种生理状态评分来评估这些影响。Yang等人[18]发现，在高温环境下，随着代谢率的增加，主观感知和中性温度会下降。Zhao等人[19]指出温度和劳动强度是影响热风险的关键因素，指出长时间暴露在炎热潮湿的环境中会显著增加工人的热应激，从而降低他们的安全状况[20]。
在炎热潮湿的环境中，热量和水分的交换通过皮肤、服装微气候和周围空气之间的耦合路径进行。对流和辐射通过空气间隙和织物层传递显热[21]，而皮肤或湿润织物的汗液蒸发则控制潜热传递[22]。这两个过程都受到织物特性、微气候厚度、运动姿势和气流方向的显著影响[23]。高湿度促进织物内水分的积累，可能导致多层服装中的局部冷凝和湿传导[24]。毛细管吸水和织物吸附过程决定了汗液的储存和重新蒸发，从而影响皮肤的局部湿润度和热感觉[25]。身体运动和空气流动改变了空气间隙的大小，促进了服装的通风（泵送作用）[26]，通常会降低蒸发阻力，尽管它们有时会通过开口和接缝引导潮湿空气[27]。空气间隙厚度、织物接触和身体不同部位的局部渗透性的变化导致服装微气候的空间异质性[24]，从而引起热通量和感知应激的区域差异[28]。在繁重的体力劳动中，矿工通常会表现出高水平的出汗，他们的服装吸收了大约60%的汗液[29]。这种吸收和冷凝在多层防护服装中也表现出空间异质性，降低了环境与皮肤之间的热量和水分传递效率[30]，从而加剧了工人的热不适[31]。先进的防护服装和工业外骨骼有可能在举重和搬运任务中降低机械和代谢率；然而，它们也引入了额外的织物层和带子，增加了局部热绝缘，并减少了泵送效果[32,33]。人体试验表明，被动式外骨骼可以在举重活动中降低代谢产热；在温暖的环境中，它们也可能增加局部绝缘和皮肤温度[32]。此外，人体模型评估表明，使用背式外骨骼可以使代谢率降低5%，从而将出汗率降低20%[34]。然而，机械外骨骼增加的热阻和蒸发阻力需要进一步优化[34]。
先前的研究表明，职业防护服装阻碍了人体热量的散发，从而降低了穿着者的热感知。矿工的工作服（MWW）具有较高的热阻和蒸发阻力[7]，这加剧了矿工在炎热潮湿地下环境中的热反应[7,35]。Li等人[36]证明，服装类型调节了空气温度、相对湿度和空气流速对矿井通风系统中工人主观热感知的影响。Ke等人[35]强调了MWW造成的伤害潜力，并研究了改进的矿工制服设计对移动性和舒适性的影响。此外，Yuan等人[37]分析了在炎热潮湿环境中穿着防刺身甲的受试者的生理和感知反应。结果表明，实验组的生理和感知反应显著高于对照组。这种现象可能是由于服装的物理尺寸和通风能力影响了皮肤表面的汗液蒸发和对流热传递[38]。Yang等人[39]研究了穿着专业制服的消防员所经历的热应激，并提出了一个预测核心温度和皮肤温度的模型。
然而，传统的热感知研究主要集中在办公楼、教室和住宅区，这些地方的人们通常穿着休闲服装并进行低强度的体力活动[40]。必须认识到采矿和办公室职业在环境条件、服装特性和活动水平方面的显著差异[10]。目前关于在千米深处工作的操作员的生理和心理反应的研究需要进一步完善[9]。虽然有少数研究探索了这些环境中的热感知，但对包括防尘口罩和安全鞋在内的矿工工作服装的全面考虑还不够[13]。中国煤矿安全法规要求工人佩戴符合GB2626-2019标准的防尘口罩并正确使用它们。因此，本研究旨在通过充分考虑深部地下环境的独特特性和MWW来填补这些空白。通过使用气候室实验进行了系统的比较和分析，以研究服装类型在炎热潮湿地下环境中对生理和感知反应的影响。本研究的结果为改进防护服装的设计、优化通风策略和管理深部地下环境中的热应激提供了理论基础和实证证据。
实验条件参数
实验条件的环境参数设置为30°C、80%相对湿度（RH）、1.0米/秒、70分贝（dBA）、10勒克斯（lux）和1.0个大气压（atm）。首先，Han等人的研究[11]指出，当人员集中区域的空气温度超过30°C时，工人应停止作业，这符合中国煤矿安全法规的规定。正如我们之前的研究[3]所指出的，-1015米工作区域的平均环境温度、相对湿度和空气流速
核心温度
图4展示了在MWW和SSC条件下的核心温度变化。当受试者穿着MWW时，核心温度的升高更为明显。15分钟后，两组受试者的核心温度逐渐出现差异。SSC条件下的平均核心温度为37.15°C，第55分钟时记录的最大值为37.50°C。同样，MWW条件下的平均核心温度也为37.50°C
皮肤温度和TSV、TCV
图5中观察到的穿着MWW时的皮肤温度升高主要归因于MWW的固有特性。MWW比SSC覆盖的身体表面积更大，导致服装与皮肤之间的空气层减少，以及服装内的空气流通速度降低[38]。这种配置导致皮肤表面的热调节过程效率降低，特别是在热对流和蒸发方面。
结论
本研究调查了矿工工作服在典型深部地下环境中的影响，这些环境的特点是空气温度为30°C，相对湿度为80%，空气流速为1.0米/秒。对一系列热生理和感知指标进行了全面的评估和分析，并探讨了主观参数和客观参数之间的关系。主要结论总结如下
作者贡献声明
王星明：撰写——原始草案，调查。王一江：监督，方法论。范文博：概念化。桑春丽：调查。赖晓娟：调查。
