陳孜虎

高溫作業(yè)環(huán)境下人體熱平衡與熱應激反應及應對措施研究

陳孜虎

（中冶建工集團有限公司 重慶 400084）

隨著生活水平的逐漸提高，高溫環(huán)境下的作業(yè)人員的身體和生理狀況的研究越來越受到重視。高溫作業(yè)環(huán)境不僅對人體的生理影響較大，同時對人體的生理影響也較大，人體因環(huán)境溫度的升高而產生的勞動生產率下降及安全事故發(fā)生率的升高；研究高溫環(huán)境的氣候條件與生理反應之間的關系，提出針對人體的重點部位降溫的技術措施，對我國職業(yè)危害防治方面的標準制定具有重要的意義。

高溫作業(yè)環(huán)境；人體熱平衡；生理反應；人體局部降溫

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國接觸到高溫的工作人員有5000余萬，經常性戶外工作人員約有3000萬，如建筑工人、野外勘探人員、消防員、值勤交警等；尤其是建筑行業(yè)，由于高溫環(huán)境會給人的身體機能產生負面作用，影響工作效率和操作安全性。在高溫環(huán)境下工作，不僅損害工人的身體健康，降低勞動生產率，而且會影響安全生產。據(jù)英國學者的研究，夏季有通風設備的工廠，生產量較春秋季節(jié)降低3%，但缺少通風設備的同類型工廠，夏季生產量降低13%。據(jù)研究，意外事故率最低的溫度為20℃左右，溫度高于28℃時，意外事故增加30%[1]。因此研究高溫環(huán)境氣候條件和人體生理反應的關系，具有重要意義。

1 人體代謝熱平衡

與許多生物體一樣，人體是一個機械效率很低的生物熱機；人體攝取的營養(yǎng)素相當于燃料，并與氧氣結合產生代謝熱、機械功和身體的增長。在人體熱量平衡狀態(tài)下，代謝熱的產生，是通過身體與周圍環(huán)境的熱傳遞來達到平衡的。當人體和周圍環(huán)境換熱平衡被打破時，人體就會有意識的減輕這種狀況，如脫下衣服、改變活動量等方式來重新建立人體和環(huán)境之間的熱交換的平衡狀態(tài)，這就是所謂的“人體熱平衡調節(jié)”[2]。然而，代謝熱A的一部分可能積聚在體內，導致核心溫度t和皮膚溫度t的短暫升高。

假設的人體模型中身體由平均溫度t的中心核心組成，被平均溫度t的皮膚外層組織包圍，簡稱為平均皮膚溫度。值得注意的是，核心溫度不是恒定的，但是對于沒有經歷熱激勵的健康個體來說，就身體內的位置和肌肉活動而言，核心溫度通常在36到38℃之間變化。根據(jù)身體表面的位置、衣服、環(huán)境空氣的溫度和速度、排汗速率以及在較小程度上的代謝活動，皮膚溫度會有所變化。皮膚的平均溫度和濕潤度是生理熱交換中最重要的參數(shù)。對于處于無冷熱感環(huán)境中的休息者，平均皮膚溫度接近34℃。

當表t超過36℃時，人體就會感覺到“熱”，當超過37℃時，就威脅到人體的安全，甚至會致命，因此研究人體熱平衡對生理過程的影響具有重要意義。

2 人體的傳熱

人體代謝能分為代謝熱Q、做功，計算如式（1）所示[2]：

=Q+（1）

其中較小部分用于對外做功，大部分熱保留在體內，若要保持熱平衡，人體就必須和周圍環(huán)境換熱，主要通過呼吸、對流、輻射和蒸發(fā)進行?；蚵云渌苄〉挠绊懸蛩?，能量平衡方程，如式（2）：

Q=Q+Q+Q+Q+Q（2）

式中：Q為新陳代謝熱量，W；Q為對流換熱量，W；Q為輻射換熱量，W；Q為蒸發(fā)換熱量，W；Q為呼吸換熱量，W；Q為體內儲熱量，W，用于增加體重，提高核心溫度和表皮溫度。

新陳代謝熱和人體活動、健康狀況、環(huán)境適應情況及情感狀態(tài)有關，表1為人體不同狀態(tài)下產生的總能量和以1.83m2（體重70kg，身高1.73cm）為基礎換算的單位面積代謝熱M。

表1 人體不同狀態(tài)下的代謝熱

2.1 對流傳熱

人體熱傳遞的對流、輻射和蒸發(fā)模式都受到衣服覆蓋程度和熱性質的影響。在赤裸身體的情況下，對流傳熱由公式（3）確定[2]：

式中：q為單位面積上的對流換熱量，W/m2；Q為人體對流換熱量，W；h為對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；f為人體覆蓋物（如衣服）的面積影響因子，其值為穿衣時身體表面積和赤身時身體表面積之比；R為衣服單位面積的熱阻，(m2·℃)/W，其值與相應對流換熱系數(shù)h互為倒數(shù)；t為體表溫度，℃；t為環(huán)境的干球溫度，℃；A為人體表面積，m2。

求對流換熱量的關鍵在于確定對流換熱系數(shù)c，根據(jù)Stewart在1982年發(fā)表于美國采暖、制冷與空調工程師協(xié)會的研究結果，適用于人體的對流傳熱系數(shù)的實驗數(shù)據(jù)，并提出了經驗公式。該參數(shù)取決于空氣的濕度條件、局部（小氣候）相對速度，以及身體的尺寸和外形。當氣流速度范圍在0.2～5m/s時，計算公式可采用（4）：

式中：為當?shù)卮髿鈮毫?，Pa；為微環(huán)境風流的有效相對速度，m/s。

2.2 輻射傳熱

人體的輻射換熱發(fā)生在身體或衣服的外表面和任何周圍介質之間。衣服外表面的溫度由式（5）給出：

式中：t為體表衣服表面溫度，℃；q為對流換熱密度，W/m2。

輻射熱Q計算式如下[2]：

式中：f為輻射角系數(shù)，對坐、站立、臥等姿勢取值為0.7～0.75[3]；h為輻射換熱系數(shù)，對于大多數(shù)井下環(huán)境，10～40℃范圍內h=5～7W/（m2·℃）；t為輻射溫度，℃；為表面積，m2。

2.3 蒸發(fā)傳熱

隨著氣溫持續(xù)升高，人體不斷對外做功，會導致身體開始出汗，身體表面出現(xiàn)部分濕潤。此時身體傳熱過程將發(fā)生重大變化，就是伴隨蒸發(fā)冷卻現(xiàn)象的出現(xiàn)。首先，在出汗的整個過程中，直到體表完全濕潤，蒸發(fā)冷卻減緩了皮膚溫度相對于環(huán)境溫度持續(xù)上升的速度。此外，在整個這一階段，對流和輻射冷卻的主導地位逐漸被蒸發(fā)傳熱所取代。當皮膚溫度接近并超過約34℃時，皮膚會產生反應，進一步增強出汗的強度，蒸發(fā)冷卻的效果也進一步提高。然而，當皮膚變得完全濕潤時，只能通過皮膚溫度的升高來獲得換熱量的進一步增加。因此，皮膚溫度恢復了較高的增長率。因此，蒸發(fā)換熱在一定區(qū)間內維持皮膚溫度相對穩(wěn)定，有著重要的意義。

蒸發(fā)換熱Evap由下式計算：

帶入（7）可以得：

式中：為皮膚濕潤分數(shù)，根據(jù)潤濕表面占總表面大小0～1之間取值，當濕球溫度達到33℃時=1，一般情況下=0.06，取值可參考ASHRAE[4]；h為體表蒸發(fā)傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；e為潮濕表面溫度下的飽和蒸氣壓，Pa；為巷道風流實際氣壓，Pa；i為衣服的蒸發(fā)滲透率，0～1，赤身時取1，一般取值為0.35～0.41。

2.4 呼吸傳熱

人體肺部的大的內部面積和濕度提供了良好的熱交換效率，相當于一個高效的換熱器。呼吸冷卻傳熱取決于呼吸速率和環(huán)境空氣的濕球溫度。呼吸傳熱量Q計算式如下[2]：

式中：m為呼吸空氣的質量流量，kg/s；S為排除空氣焓值，J/kg；S為吸入空氣焓值，J/kg。

S、S可以根據(jù)濕球溫度計算，S與呼出氣體濕球溫度t和人體溫度、周圍空氣條件有關，其計算的經驗公式為[3]：

t=32.6+0.066t+0.00020（12）

式中：t為呼出氣體的濕球溫度，℃；t為空氣干球溫度，℃；0為當?shù)卮髿鈮毫?，Pa。

2.5 體內儲熱量

在平衡狀態(tài)下，代謝熱的產生是由身體向周圍環(huán)境的熱傳遞來維持平衡的。然而，一部分代謝熱c可能在體內積聚，導致核心溫度瞬間升高Δt和皮膚溫度瞬間升高Δt短暫升高。假設80%的身體質量處于核心溫度t，20%處于皮膚溫度t，熱積累速率可近似為：

式中：m為體重，kg；C為人體平均比熱，取3470J/(kg·K)；為時間，s。

3 環(huán)境溫度對工作的影響

隨著周圍氣流的冷卻功率降低到大約300W/m2以下，人員的工作效率將大大降低，工作的速度和質量將會下降，不但生產效率出現(xiàn)下降，而且勞動事故率也會出現(xiàn)升高。國外學者研究表明：同感溫度22℃工作績效為100%，27℃開始下降，超過30℃出現(xiàn)快速下降趨勢[5,6]。環(huán)境溫度和工作績效之間的影響關系曲線如下圖1所示[2]。

圖1 同感溫度與工作績效之間的關系曲線

隨著空氣對人體的冷卻能力的下降，勞動生產效率也會出現(xiàn)較大幅度的下降[2]，兩者之間的影響關系統(tǒng)計如圖2所示。

圖2 人體周圍空氣的冷卻能力與勞動生產率之間的影響關系

任何引起身體不適的環(huán)境因素都會導致工作人員對工作的注意力與關注度下降，進而引發(fā)事故的發(fā)生。在機械化生產中，事故所產生的損失可能會更大，因為一個錯誤的操作會導致更加嚴重的后果。另外，高溫環(huán)境會導致工作人員的士氣低落、易怒，這也是熱應激反應的早期癥狀，很容易導致緊張勞資關系。必將會對工期產生災難性的影響。

4 人體熱應激反應的影響及處理

人體的體溫調節(jié)系統(tǒng)依賴于機體溫度感受組織的有效反應，血液在全身尤其是人體內部和皮膚組織之間的流動以及排汗。如果這些機制中的任何一種失效，甚至減弱，那么身體將逐漸表現(xiàn)出一種或多種統(tǒng)稱為熱病的一系列疾病的癥狀。這些疾病可能是由可識別的原因引起的獨立的可識別的疾病。然而，對于在濕熱環(huán)境中工作的工人來說，它們可能同時發(fā)生。

典型的初始癥狀是對任務無法集中注意力和難以保持警惕性。在任何不利的環(huán)境中，尋求更舒適環(huán)境的愿望是一種心理反應，它既是體溫調節(jié)作用的一部分，也是身體防御機制的一部分。當舒適環(huán)境的需求被抑制時，可能會導致易怒或表現(xiàn)出憤怒情緒。即使是對這種影響不敏感的人也可能會出現(xiàn)這種情況。身體癥狀通常首先表現(xiàn)為失去協(xié)調性和靈活性，嚴重影響安全生產。

因此，即使從這些中暑的最初癥狀來看，體力勞動和腦力勞動的生產率都會受到影響，士氣很可能會低落、安全標準也會下降。

中暑的主要癥狀有以下幾個方面：

（1）熱暈厥，會導致腦部暫時缺血，喪失意識。

（2）熱疲勞，血液流動主要作用之一是將身體核心熱量帶走，通過皮膚進行散熱，如果供血不足就會引發(fā)中暑，身體水或鹽分不足會導致脫水，造成供血不足。其表現(xiàn)的特征是疲勞、頭暈、頭痛、惡心、手腳指疼痛或麻木、呼吸困難、心悸、視力模糊、昏厥、皮膚冰冷、臉色發(fā)灰或發(fā)紅。

（3）熱痙攣，人體血液電解平衡遭到破壞后，就會產生手臂、腿和腹部發(fā)生疼痛性肌肉收縮，這是由于鹽分缺失造成的。

（4）熱射病，是身體體溫調節(jié)出現(xiàn)障礙時，電解質代謝紊亂、神經系統(tǒng)功能損害的癥狀的總稱。是一種嚴重威脅生命的急性病，不及時治療，可引起抽搐甚至死亡、永久性腦損害或腎臟衰竭等后果。

當發(fā)生熱應激反應后，輕者引起勞動效率下降，提高安全事故的發(fā)生概率，重者導致身體的嚴重損傷，甚至導致死亡。因此，必須重視高溫環(huán)境下作業(yè)工人的溫度環(huán)境。

對于不同型式的中暑表現(xiàn)[6]，應及時采取對應的治療措施：發(fā)生熱暈厥、熱疲勞時，盡快讓病人平躺在較涼爽的地方，脫下衣物，使腦部供血恢復。間斷的移動身體可降低熱暈厥發(fā)生率，給患者多補充水分。熱痙攣是由于缺鹽造成的，醫(yī)學建議可用不高于0.1%的鹽水及時治療。熱射病的常規(guī)治療方法是立即采取有效的降溫措施，直到身體核心溫度得到控制。降溫的急救方式包括：用水或者空氣冷卻身體，介質溫度不應低于15℃，避免溫度過低導致表皮毛細血管收縮。

5 預防措施

針對高溫工作環(huán)境的氣候條件，做好中暑的預防措施，具有十分重要的意義，主要方法如下：

（1）采取人體局部溫度控制裝置，對人體體表溫度進行有效控制；

（2）作業(yè)場所提供冷飲、鹽水、維生素C等飲品；

（3）加強培訓，讓高溫場所作業(yè)人員了解出現(xiàn)中暑的身體反應，從而及時準確的判斷自身的工作狀態(tài)，避免嚴重中暑癥狀的發(fā)生；

（4）進行熱習服訓練，通過體檢，篩選出能夠適應熱環(huán)境工作的年輕力壯的工作人員，進行熱習服訓練[2]。

以上方式方法中，最行之有效的辦法是采取人體局部微環(huán)境溫度控制措施，通過制冷裝置對人體體表溫度進行有效控制，如半導體制冷空調服、相變材料空調服、壓縮制冷空調服等。半導體空調服可以降人體微環(huán)境氣溫降低8～10℃，持續(xù)運行時間4h左右，能夠滿足工作時間的要求，另外，風機可以保持人體體表周圍氣體循環(huán)保持一定的速度，進一步增加體感舒適性，降低高溫環(huán)境對人體產生的傷害，提高勞動效率，增加生產安全性。

6 結論

在高溫環(huán)境中工作，不僅要考慮生理影響、也要考慮心里影響，當人體對環(huán)境散熱能力下降到300W/m2以下，勞動效率就會大大降低。高溫的工作環(huán)境會導致注意力不集中、安全警惕性下降、士氣低落、事故率升高、中暑等。國外學者研究表明：同感溫度22℃工作績效為100%，27℃開始下降，超過30℃出現(xiàn)快速下降趨勢。

通過對人體熱平衡、常見中暑疾病癥狀及預防措施的研究，可以科學準確的掌握熱環(huán)境和人體熱平衡之間的關系，對高溫工作環(huán)境的人員管理與組織、科學防治、應急治療措施等具有一定的指導意義。同時，改善高溫作業(yè)環(huán)境工人的工作條件，不僅能夠降低職業(yè)危害、保護工作人員的生命與人身安全，并且可以提高工作效率、降低安全事故的發(fā)生，具有顯著的社會和經濟效益。

[1] 郭伏,錢省三.人因工程學（第2版）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2018:36-48.

[2] Malcolm J. McPherson. Subsurface Ventilation and Environmental Engineering [M]. Kluwer Academic Publishers, 1993:2-39.

[3] ASHRAE. American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers[M]. Fundamentals Handbooks, 1989:672-684.

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Study on Heat Balance and Heat Stress Response of Human Body under High Temperature Working Environment and Countermeasures

Chen Zihu

( China Metallurgical Construction Engineering Group Co., Ltd, Chongqing, 400084 )

With the gradual improvement of living standards, more and more attention has been paid to the study of physical and physiological conditions of workers in high temperature environment. The high temperature working environment not only has a great impact on human physiology, but also has a great impact on human physiology. The human body's labor productivity and the incidence of safety accidents due to the rise of the environmental temperature are reduced. The relationship between the climatic conditions and physiological response of the high temperature environment is studied, and the technical measures for cooling the key parts of the human body are put forward to prevent and control the occupational hazards in China It is of great significance to establish standards.

High Temperature Working Environment; Heat Balance of Human Body; Heat Stress; Local Cooling of Human Body

X921

A

1671-6612（2020）05-527-05

重慶市科技重大主題專項項目《建筑行業(yè)智慧建造關鍵技術及管控平臺研究與示范推廣》（項目編號：18jszx-cyztzxX0031）

陳孜虎（1983-），男，碩士，高級工程師，E-mail：841015153@qq.com

2020-05-12