安啟啟，徐 剛，2，楊 杰，王興明，朱 輝

(1．西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

“熱”是威脅人類健康的職業(yè)危害因素之一，尤其是長期從事高溫環(huán)境下作業(yè)的工人更容易患熱疾病[1]。研究表明，長期暴露在熱環(huán)境下作業(yè)的工人不僅身體會受到熱傷害，還會影響其工作狀態(tài)和生產(chǎn)效率，甚至造成生產(chǎn)安全事故[2]。因此，人體熱生理研究對我國職業(yè)危害熱防護、人員的熱安全性評估以及保障企業(yè)的安全高效生產(chǎn)具有非常重要的意義。

自20世紀(jì)中期以來，許多研究者開始聚焦于人體熱生理的研究，同時開展了一系列的人體熱生理實驗以發(fā)現(xiàn)人體暴露在高溫高濕環(huán)境下的生理變化特點[3-4]。但由于熱生理實驗耗時比較長，費用比較高，可操作性不強，且火災(zāi)高溫輻射場景存在一定熱危險性，無法利用真人來展開實驗研究[5]。因此，越來越多的研究者開始關(guān)注人體熱生理模型的建立以預(yù)測人體在不同環(huán)境溫度下的生理反應(yīng)及舒適性[6-8]。受到國際上廣泛認可和使用的是Gagge等提出的兩節(jié)點模型，該模型將人體分為2個節(jié)點(核心節(jié)點和皮膚節(jié)點)，并提出每個節(jié)點的熱平衡方程，同時該模型中加入了經(jīng)過簡化的熱調(diào)節(jié)機制以控制人體的產(chǎn)熱和散熱量，進而預(yù)測人體的熱生理變化，該模型的優(yōu)點在于簡單實用[9-10]。之后，許多研究者為了獲得更精確的人體熱響應(yīng)模型，基于兩節(jié)點模型進行擴展和修正。例如，OOKA等改進了兩節(jié)點模型中的出汗模型并且驗證了改進后的模型在高溫環(huán)境下的適用性[11]。TAKADA等測試了兩節(jié)點模型預(yù)測皮膚穩(wěn)態(tài)溫度的有效性[12]；PREK等改進了二節(jié)點模型，建立了體現(xiàn)熱量和質(zhì)量在體內(nèi)傳遞或轉(zhuǎn)化特性的模型[13]。ZOLFAGHARI等開發(fā)了一個新的簡化體溫調(diào)節(jié)模型，用于評估人體對瞬態(tài)環(huán)境的熱響應(yīng)[14]。以上這些改進后的模型在一定程度上增加了模型的精確度，但這些方法大多從某一個方面來改進模型，并且這些模型在能量代謝率輸入方面大多取的是近似值，其模糊性較大；此外，以前的熱生理模型大都未考慮人體出汗極限，從而使得在高溫高濕條件下模型散熱較大，與實際情況產(chǎn)生一定的誤差[15]。

文中從Gagge兩節(jié)點模型入手，通過綜合考慮暴露在高溫環(huán)境下作業(yè)人員的生理變化特點，分別對兩節(jié)點模型中的能量代謝率、出汗率、血流速度以及皮膚的最大蒸發(fā)熱損失等多方面進行改進，建立了改進的人體熱生理模型，并通過實驗研究對所建模型進行驗證和分析，最后利用改進的熱生理模型預(yù)測煤礦工人的核心溫度和安全作業(yè)時間，提出職業(yè)防護建議，從而確保在熱濕環(huán)境中作業(yè)人員的安全性，降低事故發(fā)生。

1 人體熱生理模型的建立

1.1 Gagge兩節(jié)點模型

Gagge兩節(jié)點模型將人體看成是由2個同心圓柱體組成。外圓柱體代表身體的皮膚層，由皮膚和相關(guān)組織組成，內(nèi)圓柱體代表人體的核心層，由骨骼、肌肉和內(nèi)部器官組成。核心層和皮膚層的熱量傳輸都服從人體熱平衡方程[10-11]，兩節(jié)點模型的計算流程如圖1所示。

圖1 Gagge模型計算流程Fig.1 Gagge model calculation flow chart

在核心層，人體為了維持自身的體溫以及保障正常生理活動，需通過代謝產(chǎn)生熱量(M)，這些熱量主要通過以下方面將熱量消耗：人體對外界所做的功(W)、核心層通過熱傳導(dǎo)以及血液傳遞的方式將熱量轉(zhuǎn)移到皮膚層(Qcr-sk)、與外界進行氣體交換損失的熱量(Qres)，剩余的能量被存儲并導(dǎo)致核心溫度升高，具體平衡方程如下

(1)

皮膚層的熱量傳輸主要包括與核心層之間的熱量傳輸(Qcr-sk)以及通過對流、輻射(Qc，r)和皮膚蒸發(fā)(Esk)與環(huán)境之間的熱量交換，具體方程如下

(2)

式中m為人體體重，kg；Cb為身體的比熱容，(≈3 490 J/kg·℃)；t為時間，s；Tcr，Tsk分別為核心溫度(指人體身體內(nèi)部的溫度，醫(yī)學(xué)測量中一般以口腔舌下或者直腸溫度為參考值)和皮膚溫度，℃；AD，α分別為人體表面積(m2)和皮膚質(zhì)量比(無量綱)，可通過公式(3)和(4)計算

(3)

AD=0.202m0.425l0.725

(4)

人體通過呼吸損失的熱量計算如下

Qres=0.001 4M(34-Ta)+0.017 3M(5.87-Pa)

(5)

式中Ta為空氣溫度，℃；Pa為人體周圍空氣中的飽和水蒸氣分壓，kPa。

核心層主要通過熱傳導(dǎo)以及血液傳遞的方式將熱量轉(zhuǎn)移到皮膚層，其轉(zhuǎn)移的熱量計算公式為

(6)

式中K為核心與皮膚之間的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2·K；Cbl為血液的比熱，J/kg·℃。

皮膚層通過對流和輻射與環(huán)境交換的熱量如下

Qc,r=ht·(Tsk-To)

(7)

式中To為操作溫度，℃；ht為從皮膚到其熱環(huán)境的總傳熱系數(shù)，W /(m2·K)。

皮膚蒸發(fā)熱損失(Esk)計算公式如下

Esk=w·Emax

(8)

式中w為皮膚濕潤度;Emax為最大蒸發(fā)熱損失，W/m2。

人體在冷環(huán)境中會通過發(fā)抖和血管收縮來調(diào)節(jié)人體熱平衡；在熱環(huán)境中通過血管舒張和出汗來調(diào)節(jié)人體熱平衡，Gagge兩節(jié)點模型中的溫度調(diào)節(jié)信號模擬了人體在熱環(huán)境和冷環(huán)境下的溫度調(diào)節(jié)機制，這些信號取決于人體每個節(jié)點(核心或皮膚)的溫度與其相關(guān)的中性溫度之間的差異。人體對皮膚層和核心層的冷熱信號定義如下

WSIGcr=max{0,Tcr-Tcr,n}

(9)

CSIGcr=max{0,Tcr,n-Tcr}

(10)

WSIGsk=max{0,Tsk-Tsk,n}

(11)

CSIGsk=max{0,Tsk,n-Tsk}

(12)

WSICb=max{Tb-Tb,n,0}

(13)

式中CSIG和WSIG分別為人體的冷信號和溫信號，下標(biāo)sk，cr分別為人體的皮膚和核心；Tsk，n為中性皮膚溫度(33.7 ℃)；Tcr，n為中性核心溫度(36.8 ℃)。熱中性是指人體每個節(jié)點(皮膚和核心)的蓄熱量為0。Tb，Tb，n分別為身體的溫度以及身體的中性溫度，℃，可用公式(14)和(15)表示

Tb=αTsk+(1-α)Tcr

(14)

Tb,n=αnTsk,n+(1-αn)Tcr

(15)

式中αn為人體中性條件下的皮膚所占熱量比。

1.2 Gagge兩節(jié)點模型的改進

1.2.1 被動系統(tǒng)的改進

在Gagge兩節(jié)點模型中，對于能量代謝率的預(yù)測計算主要分為3種。第1種是通過生理實驗測量人體的最大耗氧量，然后根據(jù)能量代謝率與最大耗氧量之間的經(jīng)驗公式計算得出；第2種根據(jù)人體的活動情況，通過國際標(biāo)準(zhǔn)查找近似值；第3種是直接根據(jù)能量代謝率的經(jīng)驗公式計算得出。第1種方法雖然能體現(xiàn)個體差異性，但是人體實驗耗時較長、費用較高，此外，很多高溫?zé)彷椛洵h(huán)境無法利用真人展開實驗研究；第2種方法模糊性較大，從而誤差也較大。綜上，利用精確度較高的經(jīng)驗公式預(yù)測能量代謝率是相對可靠的，同時有關(guān)研究表明，當(dāng)人在負重及運動條件下能量代謝率會發(fā)生變化。因此，基于上述考慮，本研究在Gagge兩節(jié)點模型中引用PANDOLF等得出的計算人體在負重及運動狀態(tài)下較為準(zhǔn)確的代謝率公式，以模擬人體在高溫高濕環(huán)境下作業(yè)的熱生理變化[16]，具體公式如下

(16)

式中L為人體負重的質(zhì)量，kg；V為人體行走的速度，m/s；G為坡度，%；η為地形影響因子，通常取1。

1.2.2 主動系統(tǒng)的改進

有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，出汗率和血液流速除了受溫度信號的影響外，還受到體表面積的影響[17-18]，因此，需要在出汗率以及血流速率公式中引入體表面積修正因子，具體公式如下

(17)

(18)

式中Cba為體表面積修正因子，計算如下式

(19)

有關(guān)研究指出，人體出汗速率存在上限，且上限值為696 g/h[5]。在熱中性條件下可以不考慮該條件，但是在高溫高濕環(huán)境下需予以考慮。但以前的熱生理模型很少將其考慮其中，因此，本研究將該上限值引用到Gagge兩節(jié)點模型中，使模型更切合實際。此外，身體在實際散熱過程中排出的汗液并不是全部蒸發(fā)掉，尤其當(dāng)皮膚濕潤度越大時，汗液蒸發(fā)效率越低。因此，本研究引用了HAVENITH等提出的汗液蒸發(fā)效率與皮膚潤濕度關(guān)系式[19]

當(dāng)w≤1時

(20)

當(dāng)1

(21)

當(dāng)w>1.7時

ηm=0.05

(22)

式中ηm為汗液蒸發(fā)效率。

同時，在Gagge兩節(jié)點模型中，對于人體表面積的計算通常采用的是標(biāo)準(zhǔn)人體公式，未考慮到性別差異，因此，本模型應(yīng)用了區(qū)分性別的人體表面積公式使模型得到更廣泛的應(yīng)用，具體如下[17]

(AD)男性=0.005 7l+0.012 1m+0.088 2

(23)

(AD)女性=0.007 3l+0.012 1m-0.210 6

(24)

1.2.3 服裝系統(tǒng)的改進

服裝對于皮膚的蒸發(fā)熱損失(Esk)具有顯著的影響，由于著裝人體汗液是在服裝表面或內(nèi)部織物間蒸發(fā)。因此，蒸發(fā)同樣汗水量的著裝者和裸體者感受到的冷卻效果是不同的，在Gagge模型中需要考慮著裝者的最大蒸發(fā)熱損失(Emax)[20]，具體公式如下

Emax=16.7hc(Psk-Pa)Fpcl

(25)

式中hc為蒸發(fā)傳熱系數(shù)，W/(m2·kPa)；Psk為皮膚溫度下空氣中水蒸氣的飽和分壓力，kPa；Fpcl為服裝的滲透系數(shù)。

Fpcl=1/(1+0.143fcl×hc×Icl)

(26)

式中fcl為服裝面積系數(shù)；Icl為服裝基本熱阻，clo。

此外，由于Gagge兩節(jié)點模型中對于人體通過服裝與環(huán)境進行對流與輻射的熱交換計算中的服裝有效熱阻很難確定，通常取的是模糊值。因此，本研究在Gagge兩節(jié)點模型中引用同濟大學(xué)葉海等在提出熱平衡數(shù)時所用到的關(guān)于計算服裝與環(huán)境進行對流與輻射的熱交換(Qc，r)公式[21]，該公式將替換公式(7)，具體如下

(27)

式中Ia為服裝外的空氣層熱阻，m2·℃ /W；Icl單位為m2·℃ /W。

(28)

式中v為風(fēng)速，m/s。

2 人體熱生理模型的檢驗

文中應(yīng)用3個案例對模型的可靠性進行檢驗，前2個案例是根據(jù)文中所設(shè)實驗條件進行模擬驗證。案例3是根據(jù)高俊勇等研究人體在溫度為40 ℃，相對濕度為80%的環(huán)境條件下進行重體力勞動時的實驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證[21]。核心溫度、皮膚溫度以及出汗量對人體在熱環(huán)境下的風(fēng)險性評估具有重要的參考價值，也是人體熱生理響應(yīng)中非常重要的3個參數(shù)，因此，用它們來驗證新模型的準(zhǔn)確性。

2.1 實驗方法及流程

人體熱生理實驗在人工氣候室進行，該氣候室可根據(jù)實驗需要設(shè)定室內(nèi)溫度和濕度，風(fēng)速約為 0.05 m/s。選用了10名健康男性大學(xué)生作為人體實驗的受試者。受試者的信息：年齡20.9± 0.9歲；身高：174.8±4.6 cm；體重：64.8±7.7 kg。實驗開始前24 h內(nèi)，受試者不得進行劇烈運動，不得飲酒、喝咖啡。實驗過程中受試者里面穿著短袖短褲，外面穿著普通制服，總熱阻約為0.7 clo[20-22]。

高溫環(huán)境一般指的是 35 ℃以上的生活環(huán)境與32 ℃以上的生產(chǎn)環(huán)境，并且部分生產(chǎn)行業(yè)中環(huán)境溫度會更高。為驗證所建模型在高溫環(huán)境下預(yù)測人體生理參數(shù)的適用性，同時考慮實驗的安全性，文中在高溫環(huán)境(40 ℃)下設(shè)定相對濕度分別為50%及60%這2個工況。實驗開始前，受試者稱完體重后在氣候室外(室內(nèi)自然風(fēng)流環(huán)境)靜坐15 min以減小環(huán)境因素對人體熱生理實驗的影響。實驗期間，受試者暴露在設(shè)定工況條件下(40 ℃/60%或40 ℃/50%)的氣候室內(nèi)，并在跑步機上以6.5 km/h的速度行走50 min(勞動強度可視為重勞動)。在此期間，測量他們的皮膚溫度和核心溫度。實驗結(jié)束后，受試者離開氣候室，回到靜坐時的環(huán)境下?lián)Q衣服，最后稱體重(此階段共計10 min)。具體流程如圖2所示。

圖2 實驗流程Fig.2 Experiment flow chart

人體核心溫度的測量采用核心膠囊(測量范圍25～50 ℃，精度±0.1 ℃)實時監(jiān)測，人體平均皮膚溫度的測量根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)[23]使用皮膚溫度傳感器(測量范圍-40～150 ℃，精度±0.1 ℃)連續(xù)測量頸部、右肩胛骨、左手和右脛骨4點的皮膚溫度，然后通過以下公式加權(quán)計算[24]

Tsk=0.28T1+0.28T2+0.16T3+0.28T4

(29)

式中T為測量部位的皮膚溫度，℃；下標(biāo)為測量部位，對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 4點法測量平均皮膚溫度示意 (左正面，右背面)Fig.3 Schematic diagram of mean skin temperature measured by four-point method(left front，right back)

2.2 實驗結(jié)果及模型檢驗

2.2.1 核心溫度

將不同環(huán)境條件下測量得到的人體核心溫度與模擬值進行對比，如圖4～6所示。

圖4 核心溫度的變化(案例1)Fig.4 Change of core temperature(Case 1)

圖5 核心溫度的變化(案例2)Fig.5 Change of core temperature(Case 2)

圖6 核心溫度的變化(案例3)[21]Fig.6 Change of core temperature(Case 3)[21]

從圖4～5可以看出，本模型與實驗值較為吻合。通過計算案例1和案例2實驗值與模擬值之間的均方根偏差(RMSD)發(fā)現(xiàn)，新建模型預(yù)測50 min內(nèi)核心溫度的RMSD分別為0.15 ℃和0.23 ℃。圖6可以看出模擬值與實驗值在前30 min吻合度良好，但是在t=30 min后核心溫度突然下降，這是因為人員在該環(huán)境下持續(xù)30 min跑步出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)迫于停止實驗，30 min到40 min人員處于休息狀態(tài)[21]。同時，計算了實驗值與模擬值之間的最大誤差，案例1的最大誤差為0.28 ℃，案例2的最大誤差為0.41 ℃，案例3中前30 min的最大誤差不超過0.3 ℃。綜上，新建熱生理模型與實驗值之間的所有誤差均不超過1 ℃，且能在誤差允許范圍內(nèi)可靠預(yù)測人體的核心溫度。

2.2.2 皮膚溫度

不同案例下的皮膚溫度測量值與模擬值的比較如圖7～9所示。

圖7 皮膚溫度的變化(案例1)Fig.7 Change of skin temperature(Case 1)

圖8 皮膚溫度的變化(案例2)Fig.8 Change of skin temperature(Case 2)

圖9 皮膚溫度的變化(案例3)[21]Fig.9 Change of skin temperature(Case 3)[21]

由圖7和圖8可以看出皮膚溫度的模擬曲線在實驗測得皮膚溫度誤差棒范圍內(nèi)，并且由圖9可以看出本模型在案例3中也同樣適用。計算案例1和案例2下50 min內(nèi)新建模型預(yù)測的皮膚溫度的RMSD分別為1.03 ℃和0.78 ℃，其模擬值與實驗值之間的最大誤差分別為1.37 ℃和1.21 ℃，并且在30～50 min時模擬值更接近實驗值。此外，通過案例3檢驗了本模型在該環(huán)境條件下預(yù)測人體皮膚溫度的適用性，其最大誤差為0.74 ℃。文獻中指出平均皮膚溫度的模擬值與實驗值的差值在 1.6 ℃內(nèi)是合理范圍[25]，因此可以看出新建熱生理模型在預(yù)測人體皮膚溫度方面較為可靠。

2.2.3 出汗量

本實驗測量的累計總失水量與新建模型模擬的累計出汗總量進行對比如圖10所示。

圖10 失水量的變化Fig.10 Change of water loss

可以看出，2個工況下人體累計總失水量均超過1 kg，模擬值小于實驗值?？赡艿脑蛴幸韵?點，①實驗測量的受試者累計總失水量是實驗后人體凈重減去實驗前的人體凈重，包括準(zhǔn)備階段和收尾階段受試者在夏季自然通風(fēng)室內(nèi)所損失的水分，由于個體差異性不排除受試者在此階段有汗液損失；②人體在實驗過程中通過呼吸以及新陳代謝等需要消耗一部分水分。

3 模型的應(yīng)用

隨著我國工業(yè)的進一步發(fā)展，高溫高濕作業(yè)導(dǎo)致的職業(yè)熱病已滲透到越來越許多的行業(yè)，采礦業(yè)就是其中之一。有關(guān)研究的現(xiàn)場測試表明，高溫礦井的采掘工作面由于地?zé)?、采掘機電設(shè)備運轉(zhuǎn)時持續(xù)放熱等原因致使其實際作業(yè)環(huán)境溫度超過30 ℃，可視為《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的高溫環(huán)境，相對濕度大多在80%～90%，甚至惡劣條件下相對濕度可達100%[26-27]?？梢钥闯?，采掘工作面是煤礦井下典型的高溫高濕作業(yè)環(huán)境，工人長期在此作業(yè)勢必會導(dǎo)致一些職業(yè)熱疾病。因此，有必要利用已通過可靠性驗證的熱生理模型來預(yù)測煤礦工人在該環(huán)境下的核心溫度的變化，并參考ISO 9886標(biāo)準(zhǔn)[23]中提出的正常人體核心溫度的監(jiān)測限值38.5 ℃(超過該值人體可能會出現(xiàn)一些生理預(yù)警或降低工作效率)來預(yù)測安全作業(yè)時長，從而提出煤礦井下職業(yè)防護建議。

本次模擬場景設(shè)置為夏季煤礦工人在采掘工作面從事生產(chǎn)作業(yè)的場景。為了達到最大安全防護，環(huán)境溫度設(shè)置為《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的高溫環(huán)境界限，即30℃，相對濕度設(shè)置為經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)夏季高濕煤礦井下的環(huán)境條件，即：80%、90%、100%這3個工況；同時，采掘工作面礦工從事的工種按照勞動強度等級分為輕勞動(強度近似于0.8 m/s的步行)、中勞動(強度近似于1.5 m/s的步行)、重勞動(強度近似于1.8 m/s的步行)[28]。

由圖11可以看出輕勞動下礦工的核心溫度維持在37 ℃左右，屬于正常人體核心溫度波動范圍，說明從事輕勞動的礦工在此環(huán)境下受環(huán)境條件的影響很小。由圖12可以看出隨著濕度的增加礦工的安全作業(yè)時間在減少，在濕度為100%惡劣環(huán)境下中勞動礦工安全作業(yè)時間為107 min，濕度在90%～100%之間礦工安全作業(yè)時長為107～124 min，濕度在80%～90%之間，安全作業(yè)時長為124～149 min。圖13可以看出，濕度為100%時安全作業(yè)時長為37 min，比濕度為80%和90%分別減少了6 min和4 min，因此當(dāng)?shù)V工從事重體力勞動時安全作業(yè)時長減少，并且受濕度的影響也變小?；谏鲜龇治觯瑸榇_保人員安全和提高作業(yè)效率，并達到最大防護時間，本研究提出如下3點煤礦井下采掘工作面職業(yè)熱防護建議。

圖11 輕勞動作業(yè)礦工的核心溫度Fig.11 Core temperature of miners for light work

圖12 中勞動作業(yè)礦工的核心溫度Fig.12 Core temperature of miners for medium work

圖13 重勞動作業(yè)礦工的核心溫度Fig.13 Core temperature of miners for heavy work

1)對于從事中勞動作業(yè)的礦工，在相對濕度大于90%時，應(yīng)每工作107～124 min，進行一次簡短休息；當(dāng)相對濕度在80%～90%之間時，應(yīng)每124～149 min，進行一次簡短休息。

2)對于從事重勞動作業(yè)的礦工，在相對濕度大于90%時，應(yīng)每工作37～41 min，進行一次簡短休息；當(dāng)相對濕度在80%～90%之間時，應(yīng)每工作41～43 min，進行一次簡短休息。

3)應(yīng)定期對不同作業(yè)工種的員工開展問卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括超過有效作業(yè)時間時其生理或心理方面會產(chǎn)生哪些預(yù)警信號，如在作業(yè)過程中出現(xiàn)類似預(yù)警則應(yīng)及時采取救護措施。

4 結(jié) 論

1)基于Gagge兩節(jié)點模型，對該模型中的被動系統(tǒng)、主動系統(tǒng)以及服裝系統(tǒng)進行改進，建立了改進的人體熱生理模型。

2)通過人體熱生理實驗驗證了本模型的精確性，結(jié)果表明，該模型能較為準(zhǔn)確的預(yù)測人體的皮膚溫度，核心溫度等。

3)通過預(yù)測礦工在煤礦井下高溫高濕環(huán)境中持續(xù)作業(yè)的安全作業(yè)時間發(fā)現(xiàn)，從事重勞動作業(yè)的礦工安全作業(yè)時間最短，基本需每工作40 min左右就要進行一次短暫休息，從事中勞動的工人安全作業(yè)時間在2小時左右，從事輕勞動的工人受環(huán)境影響較小，該研究可為我國煤礦生產(chǎn)作業(yè)工序提供科學(xué)指導(dǎo)。