热环境下间歇运动期间可穿戴冷却设备的热生理与感知反应

《Textiles》：Thermophysiological and Perceptual Responses to Wearable Cooling Devices During Intermittent Exercise in a Hot Environment Hiroki Maru, Takumi Yuasa and Hiroyuki Kanai

　　

本研究在热环境中对间歇运动期间的两种可穿戴冷却方式进行比较，分别为风扇冷却服（fan-cooling garment, FC条件）提供的强制对流冷却，以及颈部冷却装置（neck cooling device, NC条件）提供的传导冷却，旨在明确二者对热生理反应及主观感受的影响。研究分别在两种模式下开展：冷却持续应用于整个运动与休息阶段（实验1），以及仅在休息阶段应用冷却（实验2）。由于两项实验采用不同受试者组，冷却时机的效果仅作探索性解读。基线水平在各条件下无差异。FC条件下全身散热（HFmean）显著增加（p < 0.05），尤其在恢复阶段，且与平均皮肤温度上升显著受抑（p < 0.05）及热舒适度提升相关。相反，尽管NC条件下颈部局部散热（HFneck）显著增加，其对全身散热及平均皮肤温度的影响有限。腋下温度与心率反应在不同冷却条件间未见一致差异。结果表明，促进服装内通风的强制对流冷却与局部传导冷却表现出不同的热反应特征。本研究在受控条件下提供了基础比较数据，有助于理解可穿戴冷却装置的响应特性。

研究背景与意义

全球变暖与城市热岛效应加剧了高温环境下劳动者与运动员的热射病风险，开发便携、高效的可穿戴冷却设备成为防暑降温的重要方向。现有研究多单独评估某一种冷却方式的效能，缺乏对强制对流冷却与局部传导冷却在同一热负荷与运动方案下的直接对比，亦较少探讨冷却时机（全程冷却与仅休息期冷却）的差异。本研究由Hiroki Maru、Takumi Yuasa与Hiroyuki Kanai开展，发表于《Textiles》，通过在受控热湿环境中模拟工作?休息交替场景，系统比较风扇冷却服与颈部冷却装置在间歇运动过程中的热生理与主观反应特征，为可穿戴冷却设备的优化设计与作业场景适配提供基础数据支撑。

关键技术方法

研究招募10名健康男性大学生，分为两组分别参与实验1（全程冷却）与实验2（仅休息期冷却），每组5人。实验在35°C、相对湿度70%的环境舱中进行，采用两步阶梯运动（每步20 cm，15步/min，约4 METs强度）与坐位休息交替的两周期方案（每周期5 min运动+5 min休息）。冷却设备选用市售腰部双风扇风扇冷却服（最大风量70 m3/h）与半导体制冷颈部冷却装置（最大功率下冷板表面温度23°C）。测量指标包括热通量（计算全身平均散热HF_mean与颈部局部散热HF_neck）、7点法加权平均皮肤温度、腋下温度、心率、出汗量（基于Kurasumi体表面积公式计算），以及热舒适度与衣物内湿润感的主观评分。统计分析采用线性混合效应模型与Friedman检验，控制多重比较误差。

研究结果

3.1 热消散反应

全身平均散热（HF_mean）在两项实验中均受冷却方式显著影响（实验1 p=0.001，实验2 p<0.001），FC条件在全部时段尤其是恢复阶段显著高于非冷却条件，而NC条件未显著提升HF_mean。颈部局部散热（HF_neck）在NC条件下显著升高（p<0.001），且在实验2恢复阶段增幅最大，表明FC促进全身散热，NC仅产生颈部局部散热增强。

3.2 温度反应

平均皮肤温度在两项实验中均受冷却方式与时段显著影响，实验2存在交互作用；恢复阶段FC条件的皮肤温度显著低于非冷却条件（p<0.02），与散热增强直接相关。腋下温度在实验1不受冷却方式影响，实验2虽有统计学差异但效应量极小且无交互作用，表明核心温度指标对短期冷却刺激不敏感。

3.3 心率反应

平均心率在两项实验中均未显示冷却方式的显著主效应，主要受运动?休息时段影响，反映循环反应更多取决于运动强度与个体差异。

3.4 出汗反应

出汗量在两项实验中均无显著冷却方式差异，FC在实验2均值最低但未达统计学意义。

3.5 主观反应

热舒适度在实验1所有时段及实验2恢复期均有显著差异，FC条件舒适度中位数最高，肯德尔和谐系数W为0.61~0.93，效应量大；衣物内湿润感在所有条件下均无显著差异。

讨论与结论

强制对流冷却通过置换服装内湿热空气增强蒸发散热，实现全身散热提升与皮肤温度抑制，并改善主观舒适度；局部传导冷却仅增加颈部散热，对全身热平衡影响有限。腋下温度与心率未受冷却方式系统性影响，可能与指标响应滞后性及运动主导有关。冷却时机因组间设计仅作探索性分析，提示恢复阶段强制对流在高湿运动后可能更有效。研究局限包括样本量小、组间时机比较、腋下温度敏感性不足、热通量传感器受气流干扰、体表面积公式选择及潜在短期热适应等。

结论表明，风扇冷却服在间歇运动恢复阶段可显著提升全身散热并抑制皮肤升温，改善舒适感；颈部冷却装置仅提供局部颈部散热，对全身热生理指标影响有限。结果明确了两类可穿戴冷却设备的机制差异与应用场景特征，为高温作业与运动防护的设备选型提供了受控实验依据。未来研究应扩大人群多样性、采用组内设计验证冷却时机、结合更精确的核心温度指标，并拓展至更长作业时长与综合工效学评价。