Gilets rafraîchissants et déshydratation

physique du changement de phase

Cependant, la cire et les autres matériaux à changement de phase (MCP) non à base de glace présentent des inconvénients majeurs par rapport à la glace. Pour comprendre cela, il est nécessaire d'expliquer brièvement les principes physiques du changement de phase. La « chaleur de fusion » désigne la quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre un solide. L'eau possède une chaleur de fusion élevée : 79,7 calories par gramme (334 joules par gramme). En comparaison, les matériaux à base de cire ont généralement une chaleur de fusion inférieure d'environ 30 % (environ 55 calories ou 230 joules par gramme).

Lors d'un changement d'état, la température du matériau en fusion reste constante. Par exemple, ajouter 79,7 calories à un gramme de glace à 0 °C permet de le transformer en exactement un gramme d'eau à 0 °C. Il faut beaucoup moins de chaleur pour augmenter la température de l'eau solide ou liquide sans en changer l'état. La quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de la glace de 1 °C (appelée « capacité thermique massique » de la glace) est de seulement 0,5 calorie par gramme. La capacité thermique massique de l'eau liquide est de 1 calorie par gramme. À titre de comparaison, la quantité de chaleur nécessaire pour transformer un gramme de glace à 0 °C en eau à 0 °C élèverait la température de l'eau liquide à près de 79,7 °C (environ 144 °F).

Pourquoi est-ce important ? Les gilets rafraîchissants à changement de phase (PCM) n’offrent qu’un refroidissement minimal lorsque la glace atteint son point de fusion ou lorsque de l’eau froide est réchauffée après avoir complètement fondu. La quasi-totalité de l’absorption de chaleur se produit lors du changement de phase proprement dit, la fusion. Concrètement, cela signifie que les systèmes PCM doivent être remplacés une fois complètement fondus pour une efficacité de refroidissement maximale. Les gilets rafraîchissants à PCM INUTEQ sont uniques et peuvent être réactivés plus de 50 000 fois.

Déshydratation et refroidissement personnel

La suite de cet article porte sur les recherches concernant la transpiration lors de l'utilisation de systèmes de refroidissement personnels. De nombreuses études montrent que le port d'un gilet à changement de phase (PCM) réduit la transpiration de plus de 20 %. Outre la prévention de la déshydratation, une transpiration moindre diminue le stress cardiovasculaire, notamment en maintenant le volume sanguin et en réduisant la quantité de sang détournée des organes et des muscles vers la peau pour la thermorégulation.

Étude de l'effet des gilets rafraîchissants

Les études sur l'efficacité des gilets rafraîchissants impliquent généralement des sujets d'essai soumis à un stress physique dans un environnement chaud et contrôlé, avec une température et une humidité définies (les études théoriques utilisant des modèles de température et de chaleur de fusion ou les études avec des mannequins thermiques sont également courantes).

Les protocoles d'effort physique varient. La marche sur tapis roulant est courante, mais l'intensité diffère. Certains tests incluent des périodes de repos pour simuler des cycles effort/repos. Des vélos stationnaires sont également utilisés. Les tests qui reproduisent des conditions réelles (par exemple, la lutte contre les incendies) impliquent de soulever des cartons ou de monter des escaliers de façon continue. Une limite de sécurité de température corporelle centrale de 39 °C est généralement appliquée pour interrompre les tests prématurément et prévenir les coups de chaleur, ce qui est assez réaliste avec des protocoles de test intensifs et sans gilet rafraîchissant.

Outre l'effort physique, les tests impliquent souvent le port de vêtements spécialisés : tenues de sport légères, uniformes militaires ou de police, et, dans des cas extrêmes, combinaisons de pompiers ou de protection NRBC. Cela permet d'étudier l'efficacité des gilets rafraîchissants dans des conditions réalistes ou avec des vêtements de protection qui entravent considérablement la dissipation de la chaleur.

Pour déterminer l'effet des gilets rafraîchissants sur la déshydratation, on mesure généralement le poids corporel avant et après le test ; la perte de poids est interprétée comme une perte de sueur. Si la consommation d'eau est autorisée, elle est également prise en compte.

Résultats de l'étude

Lors d'un effort physique, la transpiration est généralement de 1,5 litre par heure (L/h) et peut dépasser 2,0 L/h en cas de stress extrême et par forte chaleur. Des études sur les gilets rafraîchissants à changement de phase (PCM) montrent une réduction de la transpiration de 20 à 30 %. Un article de synthèse rapporte une réduction moyenne de 0,24 litre par heure, soit l'équivalent d'environ un quart d'une gourde d'un litre ou d'environ la moitié d'une glacière.

Des études individuelles ont examiné les gilets de protection chimique portés sous les vêtements militaires ou les équipements de protection de la police. Le port de combinaisons de protection chimique engendre des conditions thermiques particulièrement difficiles ; à ce sujet, il est à noter : « Le travail avec un tel équipement n’est tolérable que pendant de courtes périodes sans refroidissement supplémentaire. » Une étude a montré une réduction de la transpiration de 0,2 L/h, un résultat cohérent avec d’autres études, mais remarquable car tous les participants ont dû interrompre prématurément le protocole de test en raison d’épuisement ou de problèmes de sécurité (durée du test : 3 heures).

Une étude plus pratique a été menée par la Marine américaine auprès de pompiers : 40 minutes sur un tapis roulant, en tenue complète de pompier et appareil respiratoire. Le port d’un gilet rafraîchissant a entraîné une réduction de 27 % de la consommation d’eau, soit 0,352 litre en moyenne, environ 40 % d’une gourde. Le taux de transpiration était également inférieur de 20 % en moyenne. Une étude canadienne similaire a montré une réduction de 26 % du taux de transpiration et de 0,53 litre de la consommation d’eau lors du port de la tenue de pompier après 45 minutes de boxe (un coup toutes les 5 secondes) suivies de 45 minutes de port de la tenue.

La transpiration diminue davantage lors d'efforts légers et prolongés. Une étude de la Marine américaine, portant sur six heures de marche par forte chaleur et humidité (en uniforme léger), a montré une réduction de 49 % de la transpiration dans des conditions plus fraîches (44 °C). Les 14 participants ont tous porté un gilet rafraîchissant pendant le test, mais seuls cinq ne l'ont pas porté. À des températures plus élevées (une mesure a été effectuée à 56,7 °C), une réduction de 38 % a été constatée.

Les gilets rafraîchissants réduisent également la transpiration lorsqu'ils sont portés uniquement avant l'entraînement (pré-refroidissement) ou pendant les phases de récupération. Le pré-refroidissement abaisse la température corporelle avant l'effort, créant ainsi une plus grande marge de chaleur. La transpiration étant déclenchée à partir d'un certain seuil de température, le pré-refroidissement permet de prolonger les périodes d'exercice sans transpirer. (Le pré-refroidissement est principalement étudié dans le cadre des sports de compétition.) Une étude utilisant des gilets à changement de phase (PCM) pendant les étirements, l'échauffement et la récupération (hors course) a montré une réduction de la transpiration de 10 à 23 % et une durée d'exercice légèrement plus longue à 95 % de la VO₂max.

Limites des gilets rafraîchissants

L'efficacité des gilets rafraîchissants a ses limites. Dans des situations extrêmes, les gilets à changement de phase (PCM) s'avèrent peu efficaces, par exemple lors d'efforts très intenses générant une forte chaleur métabolique, et avec des vêtements qui entravent fortement la dissipation de la chaleur. Dans de tels cas, leur capacité de refroidissement peut être dépassée.

Par exemple, un rapport de 1991 de l'Institut canadien de médecine environnementale de la défense et du secteur civil décrivait un test : les participants marchaient sur un tapis roulant fortement incliné, puis soulevaient et transportaient des caisses (1 heure) tout en portant une combinaison de protection chimique. Bien que les auteurs aient constaté une réduction de la transpiration, ils ont conclu que les gilets rafraîchissants « ne peuvent probablement pas dissiper suffisamment de chaleur dans ces conditions d'effort, surtout en combinaison avec l'isolation thermique de la combinaison de protection ». C'est tout à fait exact, mais il est difficile d'imaginer un scénario thermique plus extrême.

D'autres études menées dans des conditions extrêmes ont montré des résultats légèrement meilleurs. Lors d'un essai utilisant des gilets à changement de phase (PCM) sous des combinaisons de protection NBC (2 heures sur tapis roulant à 39,4 °C, inclinaison modérée), les gilets rafraîchissants ont légèrement amélioré les performances. En moyenne, les sujets portant des gilets rafraîchissants ont pu tenir environ 12 minutes de plus ; cependant, même dans ce cas, l'effort s'est avéré finalement trop important pour la plupart.

Les refroidisseurs INUTEQ PCM Coolovers ont remporté tous les tests en termes de performances de refroidissement, d'hygiène et de facilité d'utilisation.

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À propos de l'auteur : Erik Patton a obtenu son doctorat à l'Université Duke, où il a mené des recherches sur les défis posés par la hausse des températures à l'entraînement militaire. Vétéran de l'armée américaine, Erik a servi dans de nombreux climats extrêmes, des déserts du sud-ouest des États-Unis et du Moyen-Orient (49 °C) aux conditions arctiques du centre de l'Alaska (-41 °C).