使用热假人研究背心结构、气流速度和湿度对蒸发冷却能力的影响

当世界变热时保持凉爽

随着夏季变得更热、热浪更频繁，数以百万计在户外或高温工厂工作的人员面临着疲劳、疾病和受伤风险上升的问题。一种有前景的防护手段是看似简单的冷却背心——它们储水并利用蒸发将热量从身体带走。本研究提出了一个务实且具有现实意义的问题：哪种类型的蒸发冷却背心效果最好？在何种温度、气流和湿度组合下，它们能提供最大的保护？

冷却背心为何对工人重要

热应激不仅令人不适；它会损害器官功能、减慢思维速度，并增加工作中发生事故的概率，尤其是在建筑或农业等需要穿戴笨重防护装备并进行高强度劳动的岗位。循环冷水或使用特殊蜡状材料的传统冷却服虽然有效，但往往沉重、昂贵或依赖外部电源。相比之下，蒸发冷却背心轻便、廉价，仅依赖水和空气流动。当背心中的水蒸发时，会带走热量，帮助佩戴者在漫长的高温班次中维持核心体温。

对四种背心设计的测试

为了公平比较，研究者使用了一个受热的铜制躯干——称为热假人，维持在典型皮肤温度并置于气候可控舱内。他们测试了四种背心：两种基于聚合物凝胶的（其中一款带有额外穿孔，一款不带）、一种以纤维素为核心的吸水背心，以及一种广泛销售的商业型号。每件背心先浸水，然后在35或40摄氏度的空气温度下，由两种湿度水平和三种从几乎静止到强风的气流速度条件下穿戴在假人上。通过测量假人在两小时内维持温度所需的功率以及每件背心的失水量，团队能够计算出冷却能力以及每公斤水被转化为有效冷却的效率。

是什么让某款背心更凉爽

在大多数炎热、干燥的条件下表现最突出的为基于纤维素的背心。其结构——多孔吸水层结合透气的外层织物——既能容纳更多水分，又允许空气通过，促成稳定的蒸发而非快速干涸。在最热、最干且气流强的设置下，这款背心提供了最高的平均冷却功率，而商业型号在每次测试中均落后，主要原因是其储水量较低且更快干燥。在聚合物背心中，未穿孔的版本通常比带孔版本冷却更好且持续时间更长；带孔设计促成了快速且不均匀的蒸发，导致性能随时间迅速下降。

气流与湿度如何改变局势

气流被证明是把双刃剑。中到强的气流通常会提升背心的即时冷却能力，尤其是对纤维素和实心聚合物设计，因为气流加速了蒸发。然而，相同的气流也会更快耗尽水分，这意味着效率——水的冷却潜能中实际用于冷却假人的比例——往往随着风速增加而下降。相反，更高的湿度使情况更糟：当空气已较潮湿时，背心内的水蒸发更慢，冷却能力大约降低四分之一或更多。热成像相机对背心表面的成像直观地证实了这些趋势，显示出冷湿区域随时间收缩，尤其是在气流快速时更明显。

对现实世界防暑的意义

从非专业读者的角度看，结论很直观：在炎热干燥的气候中，设计良好、含水量高且透气的背心可以显著减轻工人和运动员的热负担，尤其在有一定气流的情况下更为有效。以纤维素为核心并经合理构造的织物层优于简单且容量低的设计。但需要在瞬时强冷却和背心保持有效的持续时间之间权衡，背心需要多长时间重新浸水。在闷热潮湿的条件下，任何蒸发型背心都会表现不佳，此时可能需要采用其他冷却策略。总体而言，该研究为设计与选择冷却背心提供了具体指导，有助于在变暖的世界中更安全地从事体力劳动。

引用: Soleimani, N., Dehghan, A. & Dehghan, H. Effect of vest structure, airflow velocity, and humidity on evaporative cooling capacity using a thermal manikin. Sci Rep 16, 8878 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41309-5

关键词: 蒸发冷却背心, 热应激, 职业热暴露, 冷却服设计, 气流与湿度