高溫環境常見于工業生產中的熱處理作業和應急救援中的消防滅火等場景中。高溫環境中的人體安全防護是公共安全研究的重要內容,需要將“人體-服裝-環境”作為一個熱系統來考慮。這一系統涉及環境與服裝間的熱輻射、服裝內部的熱傳導、服裝與人體間的熱對流和熱輻射等多個物理過程。

高溫環境下的人體安全研究方法,主要包括熱反應建模計算和真人或人體模擬實驗研究兩種:

1\\)熱反應建模計算方法依據熱物理原理,建立“人體-服裝-環境”三者的熱反應計算模型,通過數值迭代計算得 到 人 體 的 熱 生 理 參 數。1971年 提 出 的Stolwijk模型應用負反饋的控制理論建立了6區段25單元的人體熱反應模型,被認為是人體熱反應模型的一次突破。

Huizenga等建立了常溫復雜熱環境下人體生理和舒適性評價的Berkeley模型,對Stolwijk熱反應模型作出了7個方面的改進,提高了模擬計算的準確性。Tanabe等基于多點熱調節和輻射模型以及計算流體力學,建立服裝熱舒適性評價方法,并考慮溫度非一致性的環境。韓雪峰等建立了一個基于20分區發汗暖體假人設備的多分區多層傳熱數值模型,通過實驗等方式確定各分區的各項熱物理參數,建立熱平衡方程組,實現對假人在給定熱應力下的溫度變化,以及與服裝的熱交換作用的模擬。熱反應建模計算方法能夠模擬人體在熱環境中的體溫、出汗、呼吸、心率等的變化,同時具有耗時短、成本低的優點。此類方法雖取得較大進展,但仍有所局限:考慮人體-環境相互影響的精細復雜細節不足,如空氣湍流、局部空氣擾動、溫度和濕度、周圍表面的不均勻溫度輻射、多層服裝系統的熱和物質交換、人體的各種生理調節行為導致的蒸發、液化、濕氣遷移,以及人體運動對熱反應的影響等。

2\\)真人或人體模擬實驗研究方法。真人研究難以在較極端的條件下進行,并且需要大量的真人研究才能總結出人體的熱反應規律,提高了真人實驗研究的成本;人體模擬實驗研究將具有體熱、出汗等功能的假人作為核心設備,模擬人體的熱生理反應。Psikuta等在常溫范圍內對具有體熱、出汗等生理調節的假人進行實驗與建模研究,但僅研究了單段人體模型,并非全身。Coca等以暖體假人為研究工具,考察了消防員的運動行為對防護服性能的影響。諶玉紅等以中等熱濕環境下人體實驗和人體3維尺寸數據為基礎,研制出了出汗假人測試系統并對服裝的熱濕性能進行了測試與評價。受技術所限,大部分的人體模擬設備不能根據環境的熱應力對體溫、出汗等作出主動、實時調節,或者僅為部分而非全身人體模型。但由于人體模擬實驗研究具有設備穩定、實驗結果可重復性高、依實驗評定服裝性能準確等優點,己成為高溫環境下的人體安全評價研究的熱點方法。

本文針對高溫環境下的人體安全問題,建立了將理論計算與實驗模擬相結合的人體安全評價方法。將暖體假人置于封閉的高溫環境實驗艙內,實時測量人體周圍的環境參量,應用熱反應模型計算得到該環境參量下的人體熱生理反應,通過暖體假人的體熱、出汗等功能實現該時間的生理反應,進而實現人體與環境的熱反應交互過程。此外,通過觀測實驗過程中人體熱生理參數的變化,依據醫學生理學的研究結果,判斷人體的安全狀態。

1 實驗設計

1.1 實驗平臺的構建
實驗平臺包括人-機-環境模擬子系統、參數測量子系統和數據采集/傳輸/處理子系統3部分。

人-機-環境模擬子系統通過高溫艙和熱輻射板制造特定熱應力環境,應用NEWTON暖體假人模擬人體的熱生理響應行為,并為假人穿著熱防護服,進而形成人-機-環境的熱反應系統。由參數測量子系統測量環境的溫、濕度等基本參量和假人的熱生理參數。數據采集/傳輸/處理子系統由數據采集儀、假人控制軟件ThermDAC和人體熱反應計算模型組成,接收參數測量系統的實時測量結果,計算假人的熱生理響應行為,并將相應指令傳輸至NEWTON暖體假人,作為暖體假人對人體熱生理響應模擬的依據。實 驗 平 臺 的 整 體 結 構 和 邏 輯 關 系 如 圖1所示?！緢D1】

暖體假人是人體生理行為的模擬設備,多應用于服裝舒適性研究。本實驗基于美國西北公司生產的NEWTON暖體假人,以熱生理模擬計算的熱響應結果為指令,模擬人體在熱環境中的體熱、出汗等生理反應。

NEWTON暖體假人包括假人及皮膚層、外部系統、環境傳感器和控制軟件等部分。其中,假人及皮膚層是模擬人體的外部結構,并在皮膚層下內置體內控制器及毛細管,作為模擬人體體熱、出汗的微觀作用單元;外部系統由與體熱、出汗等生理對應的外置控制箱組成,發揮與人體生理功能對應的臟器的作用。

NEWTON暖體假人的整體結構和功能關系如圖2所示?！緢D2】


1.2 實驗方案
熱環境下人體安全研究實驗的主要思路為:將暖體假人和熱輻射板置于封閉的熱環境實驗艙內,通過熱輻射板制造特定的熱環境,由暖體假人參數測量系統和環境參數測量系統獲取相關參數,經數據處理系統計算得到該熱應力下假人的熱生理反應,傳輸至暖體假人使其產生相應的體熱、出汗等響應。通過實時測得的假人生理參數,以體溫、出汗率兩項指標為判據,判斷人體的安全狀態。為方便對安全評價方法的研究,實驗中未對假人著熱防護服裝,而僅穿著發汗皮膚,以發汗皮膚的熱阻、濕阻參數代替熱防護服裝的熱、濕性能參數。

實驗的主要流程為:

1\\)開啟熱輻射板,艙內溫度升高;2\\)人體隨環境溫度升高而累積熱量,體溫升高;3\\)熱量累積到一定程度,開啟出汗功能,通過汗液蒸發散熱;4\\)通過體溫和出汗相關參數,判斷人體安全狀態,相關參數大于安全閾值則進入危險狀態,大于極限閾值則進入極限狀態,否則處于安全狀態。實驗主要流程如圖3所示?！緢D3】

1.3 生理指標的計算
在數據采集/傳輸/處理系統中,嵌入人體熱生理反應計算模型,以實時測得的環境和人體熱濕參量作為輸入,迭代計算得出人體的熱生理反應。計算模型采用ISO 7933中推薦的模型,主要計算公式為:

1\\)計算皮膚表面最大蒸發熱流量Emax\\(W/m2\\)?！竟?】


其中:psk與pa分別為皮膚表面溫度和環境溫度對應的飽和蒸氣壓,kPa;Rcl為皮膚層及服裝的濕阻,m2kPa/W;M為指定勞動強度下的新陳代謝率,W/m2;deq為與新陳代謝率相關的使體溫上升的存儲率,W/m2;W為人體的 對 外 做 功 率,W/m2;Cres和Rres分別為呼吸產生的熱對流率和熱蒸發率,W/m2;C和R分別為皮膚表面的熱對流率和熱蒸發率,W/m2。以上參量中:psk、pa、Rcl根據實測值得出;M、W根據實際情況設置;其他參數為:【公式2】

在醫學生理學中,常用人體的直腸溫度代替核心溫度。由此,可通過設置人體參量,測量環境參量,計算出人體在該熱環境下所需出汗率和直腸溫度。

2 實驗結果與分析

人體熱舒適時的皮膚溫度Tsk=34℃,將這一數值設置為人體皮膚溫度初始值。分別將熱輻射板的溫度Trad設置為30 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃、38℃、40℃,考察實驗4h內的人體熱生理變化,通過體溫、出汗兩項生理指標判斷人體的安全狀態。

2.1 直腸溫度變化

直腸溫度Tre在實驗過程中的變化如圖4所示?！緢D4】

1\\)熱輻射溫度Trad越高,Tre的升高越快。

2\\)當Trad為30℃和32℃時,Tre先升高后降低,最后達到一較穩定值,說明人體能夠適應此熱輻射的環境;當Trad=34℃時,Tre最后仍有波動,說明此熱輻射溫度為人體對熱環境適應的臨界情況,這與Tsk穩 定 值 為34℃相 符;當Trad為36℃、38℃、40℃時,Tre先較快增長,直至趨近于ISO7933模型的有效計算臨界值Tre=40 ℃\\(對應時間t1=98min\\),此時人體的熱響應規律已無法用ISO7933模型進行計算。

3\\)當Tre達到危險值時,人體進入相應的危險狀態。直腸溫度的危險限值為生理上限38.5℃,安全上限38.9℃,耐受上限39.4℃。由此判斷的危險時間如表1所示?！颈?】


由表1可見,當熱環境強度超過人體的調節能力時,熱輻射溫度越高,人體處于熱危險狀態的時間越早。

2.2 出汗率變化分析
出汗率s在實驗過程中的變化規律,判斷人體安全狀態,如圖5所示?！緢D5】


1\\)Trad越高,s的增長越快;2\\)當Trad為30℃和32℃時,s先增大后減小,最后達到一較穩定值,說明人體能夠適應此熱輻射環境;當Trad=34℃時,s最后仍有波動,說明此熱輻射溫 度 為 人 體 對 熱 環 境 適 應 的 臨 界 情 況;當Trad為36℃、38℃、40℃時,s先較快增長,后穩定到一 極 限 值。對 照Tre曲 線 可 以 發 現,Tre=40℃,即實驗時間tl=108min時,人體的熱響應規律 已 無 法 用ISO 7933模 型 進 行 計 算,此 時sl=375mL/\\(m2·h\\),也為計算得到的出汗率的極限值。3\\)當s大 于 體 重 的0.01%時 \\(246.33mL/\\(m2·h\\)\\),人體處于由出汗率判斷的危險狀態。由此判斷的各熱輻射溫度對應的危險時間如表2所示。當人體能夠適應熱輻射環境時,危險時間隨熱輻射溫度的升高逐漸縮短;當人體不能適應熱輻射環境時,危險時間基本相同。這說明當熱環境的強度超過人體的調節能力時,人體的出汗率具有對應的極限值,出汗率圍繞該極限值進行變化。4\\)人體總失水量存在極限值。當總失水量Σs超過該極限值時,人體處于失水的危險狀態。當Σs達到體重的2%\\(1.4kg\\)時,進入危險狀態;當Σs達到體重的5%\\(3.5kg\\)時,進入熱危害狀態。不同熱輻射溫度下危險狀態的時間刻如表3所示?！颈?-3】


3 討論與結論

針對單一理論計算或實驗模擬在研究高溫環境下人體安全問題時的局限性,本文應用出汗暖體假人為核心設備,建立了將理論計算與實驗模擬相結合的人體熱安全評價模型。該模型能夠對熱環境作出實時反應,通過體溫和出汗率的變化判斷人體的熱安全狀態,從而實現對高溫環境下的人體安全防護的輔助決策功能。

該安全評價方法還存在一定不足,主要有:

1\\)體表溫度值由20個軀段的體表溫度按對應的體表面積加權得出,出汗量根據加權后的體表溫度進行調整。更精確地,應將各軀段區別對待,即根據各軀段的表面溫度分別計算并調整出汗率。

2\\)實驗在封閉的熱環境實驗艙進行,實驗過程中艙內的溫度、濕度一直變化,由于這種變化與暖體假人實時的發熱率、出汗率直接相關,使得實驗結果很難與無法考慮假人主動熱響應調節的理論模型計算結果進行對比。下一步應在恒溫恒濕環境箱中進行該實驗,并將實驗結果與理論模型計算結果進行對比,進而對安全評價方法作出改進。

3\\)本實驗中,為簡化方法研究,對暖體假人未著熱防護服,僅用附著于假人外層的發汗皮膚的熱阻、濕阻值代替防護服裝的熱濕性能。顯然,發汗皮膚的熱濕阻值遠小于熱防護服裝的相應參數。下一步應進行穿著防護服裝后的高溫環境下人體熱安全實驗。