吳建松，李樂天，韓新陽，高 嵩，邊海峰，蘇 峰，王 東

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083； 2.國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209；

3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006； 4.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031)

0 引言

隨著中國工業(yè)化的快速發(fā)展和持續(xù)推進(jìn)的城市化進(jìn)程，整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)對電力的需求不斷增加，電力線路的建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，同時(shí)也給電網(wǎng)日常巡檢與維護(hù)工作帶來了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。無人機(jī)巡檢雖逐漸成為電網(wǎng)公司的常態(tài)化作業(yè)形式，但受航空、天氣、成本以及設(shè)備智能化程度的制約，大量的基層電網(wǎng)巡檢工作目前仍然依靠電網(wǎng)戶外巡檢人員來完成[1]。近年來，我國高溫?zé)崂藰O端天氣時(shí)有發(fā)生，電網(wǎng)戶外作業(yè)人員持續(xù)暴露在高溫環(huán)境中易發(fā)生熱應(yīng)激，人身安全受到嚴(yán)重威脅。相關(guān)報(bào)告指出，在接受調(diào)查的電力工作者中，約82%的人在夏季中暑，12.36%的人每月都會(huì)中暑[2]。因此，針對夏季高溫環(huán)境，預(yù)測和評估電網(wǎng)戶外作業(yè)人員的熱應(yīng)激情況對于避免電網(wǎng)作業(yè)人員熱損傷具有重要意義。

為了評估高溫環(huán)境對人體造成的影響，眾多學(xué)者在過去數(shù)十年制定或修正了大量熱應(yīng)力預(yù)測評價(jià)指標(biāo)，例如作為ISO標(biāo)準(zhǔn)廣泛使用的濕球黑球溫度指數(shù)(WBGT)[3]、Wonseok提出的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(Extended SET)[4]、Moran提出的環(huán)境應(yīng)力指標(biāo)(ESI)[5]、Golbabaei提出的戶外環(huán)境熱指數(shù)(OEHI)[6]等。然而，這些指標(biāo)主要考慮環(huán)境對人體熱應(yīng)激的影響，尚未考慮代謝率、服裝熱阻濕阻對熱應(yīng)激的影響。熱生理模型的開發(fā)與改進(jìn)解決了這一問題。其中，Malchaire等提出的預(yù)測熱應(yīng)激(Predicted Heat Strain,PHS)模型綜合考慮了外界環(huán)境因素、人體生理參數(shù)和服裝熱阻濕阻，計(jì)算得到人體核心溫度和出汗量預(yù)測值[7]，經(jīng)過改進(jìn)后的PHS模型形成了熱應(yīng)激評估標(biāo)準(zhǔn)ISO 7933：2004《Ergonomics of the thermal environment—Analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain》，在作業(yè)人員的熱傷害安全評價(jià)領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用。吳建松等對高溫高濕礦井作業(yè)人員熱應(yīng)激情況進(jìn)行了分析評價(jià)[8]，Kuklane采用PHS模型對甘蔗田間作業(yè)工人的熱應(yīng)激進(jìn)行評估[9]。然而，杜晨秋等研究表明，PHS模型受個(gè)體因素、環(huán)境條件、職業(yè)工作特征等的限制，容易低估我國作業(yè)人員的核心溫度、高估其允許暴露時(shí)間[10]。因此，Malchaire的PHS模型尚不能準(zhǔn)確預(yù)測分析我國戶外高溫環(huán)境下電網(wǎng)作業(yè)人員的熱應(yīng)激水平。

本文基于預(yù)測熱應(yīng)激(PHS)模型，考慮人體移動(dòng)和風(fēng)速對服裝的動(dòng)態(tài)影響，結(jié)合考慮個(gè)體特征的適合我國作業(yè)人員的基礎(chǔ)代謝率和電網(wǎng)戶外工作活動(dòng)強(qiáng)度，確定電網(wǎng)戶外作業(yè)人員工作時(shí)的新陳代謝率，計(jì)算分析戶外高溫環(huán)境下電網(wǎng)作業(yè)人員核心體溫、出汗量等生理參數(shù)和最大允許暴露時(shí)長，計(jì)算結(jié)果對電網(wǎng)公司評估作業(yè)人員熱應(yīng)激水平，優(yōu)化戶外作業(yè)組織策略具有一定的參考價(jià)值。

1 PHS人體預(yù)測熱應(yīng)激計(jì)算模型及改進(jìn)

PHS人體熱應(yīng)激計(jì)算模型基于人體熱平衡方程，綜合考慮空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度和風(fēng)速等環(huán)境因素以及身高、體重、代謝率、服裝熱阻和濕阻等個(gè)體特征因素，計(jì)算得到一段時(shí)間內(nèi)的人體核心體溫、出汗量的變化特征和最大允許暴露時(shí)長。PHS模型的計(jì)算結(jié)果可作為人體熱應(yīng)激評估參考，其有效性根據(jù)672次實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和237次野外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證[11]。PHS模型主要計(jì)算公式如下[7,12]：

1)人體熱平衡方程

如式(1)所示：

M-W=Cres+Eres+K+C+R+E+S

(1)

式中：M為人體代謝率，W/m2；W為人體所做的機(jī)械功，W/m2；Cres和Eres分別為因呼吸造成的對流散熱量和蒸發(fā)散熱量，W/m2；K、C、R分別為皮膚以熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射形式與外界環(huán)境的熱交換量，W/m2；E為皮膚與外界環(huán)境間的蒸發(fā)散熱量，W/m2；S為人體內(nèi)積蓄的熱量，W/m2。其中，Cres和Eres由式(2)～(3)確定：

Cres=0.001 52M(28.56+0.885Ta+0.641Pa)

(2)

Eres=0.001 27M(59.34+0.53Ta-11.63Pa)

(3)

式中：Ta為空氣溫度，℃；Pa為水蒸氣分壓，kPa。

2)服裝熱阻和濕阻

服裝的熱阻和濕阻表征服裝的隔熱和透濕能力。當(dāng)人體移動(dòng)或周圍空氣流速較大時(shí)，服裝的熱阻和濕阻會(huì)發(fā)生變化。本文根據(jù)前人研究結(jié)果[13-14]，采用動(dòng)態(tài)服裝熱阻濕阻代替PHS模型中的熱阻濕阻，計(jì)算公式如式(4)～(5)所示：

IT,dyn=e(-0.281×(var-0.15)+0.044×(var-0.15)2-0.492w+0.176w2)·IT,sta

(4)

RT,dyn=e(-0.468×(var-0.15)+0.08×(var-0.15)2-0.874w+0.358w2)·RT,sta

(5)

式中：IT,dyn為服裝總熱阻，m2·K/W；IT,sta為靜態(tài)服裝總熱阻，m2·K/W；RT,dyn為修正服裝總濕阻，Pa·K/W；RT,sta為靜態(tài)服裝總濕阻，Pa·K/W；var為人體移動(dòng)與風(fēng)流相對速度，m/s；w為人體移動(dòng)速度，m/s，本文定為1.1 m/s。

3)核心體溫和累計(jì)出汗量

由式(6)～(8)計(jì)算：

(6)

(7)

(8)

式中：tcr和tre分別為人體核心體溫和直腸溫度，℃；α為皮膚溫度系數(shù)；cp為人體熱容，J/(kg·K)；Swtot為累計(jì)出汗量，g；Swp為預(yù)計(jì)出汗率，W/m2；AD為人體表面積，m2；i和i-1表示時(shí)間步。

4)人體代謝率計(jì)算改進(jìn)

PHS模型中的人體代謝率大多根據(jù)活動(dòng)類型取經(jīng)驗(yàn)值，尚未考慮不同地區(qū)、不同職業(yè)人群的差異。事實(shí)上，人體在高溫勞動(dòng)環(huán)境中熱應(yīng)激的個(gè)體差異性使得人體代謝率也各不相同。本文綜合考慮不同個(gè)體身高、體重、性別、年齡等個(gè)性化因素，引入適合我國作業(yè)人員的人體基礎(chǔ)代謝率計(jì)算公式，根據(jù)電網(wǎng)戶外作業(yè)人員的工作特點(diǎn)，選取合適的活動(dòng)強(qiáng)度，計(jì)算得到電網(wǎng)戶外作業(yè)人員工作時(shí)的代謝率，并將此作為PHS模型的輸入量。其中，適合中國作業(yè)人員的基礎(chǔ)代謝率(BMR)計(jì)算公式如式(9)所示[15]：

其次，當(dāng)代大學(xué)生是社會(huì)建設(shè)發(fā)展的生力軍，是中國特色社會(huì)主義的合格建設(shè)者和可靠接班人，必須不斷提高自身的科學(xué)文化素質(zhì)和思想品德素質(zhì)。而對事物因果聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，對事件行為始因的判斷，牽制著他們思維、實(shí)踐的能力。傳導(dǎo)者在傳遞知識(shí)的同時(shí)，更要注重對接受主體能力的培養(yǎng)，教會(huì)他們?nèi)绾芜M(jìn)行行為歸因判斷，矯正他們以往錯(cuò)誤的歸因理念和方式。教師對學(xué)生的歸因、期望和態(tài)度等影響到教師對學(xué)生的行為，而教師的行為又直接影響學(xué)生對自己學(xué)習(xí)結(jié)果的歸因。[4]當(dāng)代大學(xué)生身臨全球化的時(shí)空境遇，難免出現(xiàn)價(jià)值觀念模糊、價(jià)值判斷有誤、價(jià)值選擇不明、價(jià)值行為失宜的情況，需要教師對其進(jìn)行正確的引導(dǎo)，以保證思想政治教育接受活動(dòng)的實(shí)效性。

(9)

式中：BMR為人體基礎(chǔ)代謝率，kcal/d；Wei為人體體重，kg；Hei為身高，cm；Age為年齡，年；Sex為性別，男性取0，女性為1。

靜息代謝率(RMR)是指人體保持身體平衡及某種姿勢所消耗的能量[16]，通常為基礎(chǔ)代謝率的1.2倍，其計(jì)算公式如式(10)所示：

RMR=1.2BMR

(10)

Haskell在《體力活動(dòng)概要》中統(tǒng)計(jì)了21類821項(xiàng)特定活動(dòng)的代謝當(dāng)量[17]。其中，部分活動(dòng)與電網(wǎng)戶外作業(yè)人員從事工作類似，如表1所示?；诖?，本文選取合適的活動(dòng)類型推導(dǎo)得出改進(jìn)的代謝當(dāng)量值，計(jì)算公式如式(11)所示：

(11)

表1 《體力活動(dòng)概要》中部分活動(dòng)的代謝當(dāng)量Table 1 Metabolic equivalents of some activities in Compendium of Physical Activities

式中：MET*為改進(jìn)的代謝當(dāng)量值；α為某一活動(dòng)工作代謝率與靜息代謝率之比，靜坐時(shí)為1。由于PHS模型中代謝率單位為W/m2，將式(10)進(jìn)行換算，得到考慮了個(gè)體差異性的特定活動(dòng)下人體代謝率計(jì)算公式，如式(12)所示：

M*=58.2MET*

(12)

式中：M*為改進(jìn)的人體代謝率，W/m2。

不同地區(qū)、不同職業(yè)人群的代謝率差異集中反映在身高、體重、性別、年齡等的不同，由式(9)～(12)計(jì)算得到不同個(gè)體的代謝率，如表2所示。從表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，BMR與身高體重呈正相關(guān)，體重相同的人，身高尺寸大的人由于體表面積大于身高矮的人，耗散能量較多，所以基礎(chǔ)代謝高于后者。隨著年齡的增大，人體基礎(chǔ)代謝率也相應(yīng)降低，且女性基礎(chǔ)代謝率一般低于男性。MET*表示特定活動(dòng)下的代謝率與標(biāo)準(zhǔn)靜息代謝率(4.184 kJ·kg-1·h-1)之比，其變化規(guī)律與BMR類似，但受體重影響更大。根據(jù)人員1和人員3的計(jì)算結(jié)果可以看出在同一活動(dòng)下體型相對瘦高的人代謝率M*更大。

表2 不同個(gè)體改進(jìn)后的代謝率Table 2 Modified metabolic rates of different individuals

在特定條件下計(jì)算出的人體核心體溫和出汗量對比臨界生理指標(biāo)確定最大允許暴露時(shí)長[8,12]。人體核心體溫耐受上限確定為39.4 ℃，補(bǔ)水充足時(shí)出汗量不超過體重的5%，補(bǔ)水短缺時(shí)出汗量不超過體重的3%。當(dāng)人體核心溫度和出汗量任何1項(xiàng)超過生理安全界限的累計(jì)時(shí)間即為該特定條件下的最大允許暴露時(shí)長。

2 戶外高溫電網(wǎng)作業(yè)人員熱應(yīng)激計(jì)算評價(jià)

2.1 計(jì)算工況設(shè)定

隨著全球變暖趨勢的加劇，近年來，我國夏季多地日最高氣溫在35 ℃以上甚至超過40 ℃。江南、華南等地在夏季還可能出現(xiàn)高溫高濕的“桑拿天”，即使在東北有些地區(qū)，夏季平均戶外溫度也在30 ℃以上。此外，電網(wǎng)戶外作業(yè)人員的日常工作花費(fèi)時(shí)間長、體力消耗大，工作時(shí)的人體代謝率較高。本文根據(jù)國家氣象局近些年公布的氣象數(shù)據(jù)確定夏季戶外高溫環(huán)境工況，重點(diǎn)分析夏季戶外工作場所中各類環(huán)境因素和不同勞動(dòng)強(qiáng)度對電網(wǎng)作業(yè)人員熱應(yīng)激水平的影響。

戶外高溫環(huán)境工況設(shè)置如下：環(huán)境溫度區(qū)間設(shè)為32～40 ℃；輻射溫度設(shè)為與環(huán)境溫度相等；相對濕度取65%～85%；風(fēng)速取1～5 m/s(無風(fēng)設(shè)為0.1 m/s)。個(gè)體差異性對熱應(yīng)激的影響已在上文進(jìn)行分析，人體身高和體重以我國成年男性平均身高1.70 m和平均體重69.6 kg計(jì)算，根據(jù)式(9)～(12)以及表1，選取合適的電網(wǎng)巡線檢修工作強(qiáng)度，將電網(wǎng)作業(yè)人員人體代謝率選為190，240，290，340 W/m2。結(jié)合電網(wǎng)戶外作業(yè)人員實(shí)際工作服情況，依據(jù)ISO 9920—2007中服裝熱阻濕阻參考值，電網(wǎng)巡線檢修人員工作服熱阻約為0.9 clo，濕阻約為25 Pa·K/W[18]。在計(jì)算時(shí)認(rèn)為電網(wǎng)巡檢人員對工作環(huán)境已經(jīng)熱適應(yīng)，工作期間可自由飲水。

2.2 人體核心體溫計(jì)算結(jié)果分析

戶外高溫環(huán)境中電網(wǎng)巡檢人員核心體溫在不同工況下的變化情況如下圖1～3所示。由圖1可知，在風(fēng)速、濕度、代謝率一定的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，人體核心體溫也隨之不斷升高，且環(huán)境溫度越高，人體核心體溫變化幅度也越大。當(dāng)人體暴露在高溫環(huán)境中時(shí)，體內(nèi)短時(shí)間內(nèi)大量蓄熱引起核心體溫快速升高，之后體溫調(diào)節(jié)機(jī)制的啟動(dòng)使得核心體溫增長變緩并趨于穩(wěn)定。在圖1中的工況下，當(dāng)環(huán)境溫度超過36 ℃時(shí)，人體核心體溫在快速增長階段達(dá)到耐受上限，當(dāng)環(huán)境溫度在32 ℃時(shí)人體核心體溫維持在37.5 ℃左右，根據(jù)直腸溫度指標(biāo)電網(wǎng)巡檢人員在此工況下可以持續(xù)至少5 h的勞動(dòng)。

圖1 不同環(huán)境溫度下電網(wǎng)戶外作業(yè)人員人體核心溫度變化情況Fig.1 Change of core body temperature of power grid outdoor workers under different ambient temperatures

圖2 不同環(huán)境溫度和相對濕度下風(fēng)速對電網(wǎng)戶外作業(yè)人員人體核心溫度影響Fig.2 Influence of wind speed on core body temperature of power grid outdoor workers under different ambient temperatures and relative humidities

圖3 不同代謝率下電網(wǎng)戶外作業(yè)人員人體核心溫度變化情況Fig.3 Change of core body temperature of power grid outdoor workers under different metabolic rates

不同溫度和濕度下風(fēng)速對人體核心體溫的影響如圖2所示。在圖2(a)和圖2(b)的高溫高濕工況下，當(dāng)風(fēng)速從0.1 m/s(無風(fēng))升至3 m/s時(shí)，人體核心體溫隨著風(fēng)速的增加而逐漸降低，風(fēng)速起到了降溫效果；當(dāng)風(fēng)速超過4 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，人體核心體溫會(huì)逐漸升高。結(jié)合對修正服裝熱阻濕阻的計(jì)算，低風(fēng)速時(shí)服裝熱阻濕阻隨風(fēng)速增加而減小，核心體溫也因此降低；當(dāng)風(fēng)速升高超過臨界值時(shí)，服裝熱阻濕阻會(huì)逐漸增大，風(fēng)速的增加反而會(huì)加重?zé)嶝?fù)荷，引起核心體溫的上升。從圖2(a)可以看出，當(dāng)風(fēng)速大于2 m/s時(shí)，風(fēng)速增加引起的降溫效果大大減弱。從圖2(b)可以看出，在高溫高濕環(huán)境中，核心體溫在暴露初期階段近乎呈直線升高，在40 min內(nèi)就達(dá)到人體直腸溫度耐受上限。在直線上升階段，風(fēng)速對核心體溫的變化影響很小。因此，在實(shí)際的戶外作業(yè)指導(dǎo)中應(yīng)盡量避免安排電網(wǎng)作業(yè)人員在高溫高濕環(huán)境中工作或合理安排人員休息和輪換，避免作業(yè)人員受到熱傷害。

代謝率對人體核心體溫的影響如圖3 所示，可以看出，隨著代謝率的提高，人體核心體溫也隨之提高。當(dāng)電網(wǎng)作業(yè)人員從事代謝率為190 W/m2的工作時(shí)，核心體溫在緩慢上升階段超過耐受上限，依據(jù)核心體溫生理指標(biāo)確定的最大允許暴露時(shí)長約為170 min；當(dāng)作業(yè)人員從事代謝率為240 W/m2的高勞動(dòng)強(qiáng)度工作時(shí)，核心體溫在快速上升階段就超過耐受上限，最大允許暴露時(shí)長相比代謝率為190 W/m2時(shí)減小了一半以上。

2.3 最大允許暴露工作時(shí)長計(jì)算分析

多種熱濕耦合環(huán)境下電網(wǎng)作業(yè)人員最大允許暴露時(shí)長的變化規(guī)律如圖4所示。在不同溫度、風(fēng)速、濕度耦合的環(huán)境中，依據(jù)不同生理指標(biāo)確定的最大允許暴露時(shí)長差別較大。在高溫高濕環(huán)境中根據(jù)直腸溫度確定的最大允許暴露時(shí)長一般要低于根據(jù)出汗量確定的最大允許暴露時(shí)長，說明核心溫度超過生理安全界限對人體的危害更大。在圖4所示的各種環(huán)境下，相比于采用直腸溫度指標(biāo)確定的最大允許暴露時(shí)長在不同環(huán)境下的差異，根據(jù)出汗量確定的最大允許暴露時(shí)長維持在180 min左右。因在本文改進(jìn)的PHS模型中最大出汗率設(shè)為500 W/m2，而在圖4設(shè)置的各種高溫高濕環(huán)境中，溫度、濕度降低或風(fēng)速增大引起人體散熱量的增多仍不足以彌補(bǔ)為維持人體熱平衡需要通過出汗蒸發(fā)的熱量，在這種環(huán)境中，人體實(shí)際可能以最大出汗率進(jìn)行蒸發(fā)散熱，直到出汗量達(dá)到臨界生理值，所以在圖4設(shè)定的各類環(huán)境中采用出汗量確定的最大暴露允許時(shí)長穩(wěn)定不變。

圖4 不同環(huán)境工況下電網(wǎng)戶外作業(yè)人員最大允許暴露時(shí)長Fig.4 Maximum allowable exposure time of power grid outdoor workers under various environmental conditions

由圖4知，隨著環(huán)境溫度和相對濕度的升高，以直腸溫度確定的最大允許暴露時(shí)長逐漸減小。此外，不同熱濕耦合環(huán)境下溫度、濕度和風(fēng)速對最大允許暴露時(shí)長的影響也不盡相同。在溫度和濕度相對較低的環(huán)境中，由圖4，在溫度為36 ℃時(shí)，濕度分別為65%、75%、85%的情況下最大允許暴露時(shí)長變化較大；當(dāng)濕度為65%，溫度分別為36,38,40 ℃同理。而當(dāng)溫度為40 ℃(RH=65%、75%、85%)或濕度為85%(Ta=36,38,40 ℃)時(shí)，最大允許暴露時(shí)長受濕度或溫度影響變化較小,產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是因?yàn)樵诟邷馗邼癍h(huán)境中，人體的蒸發(fā)散熱能力減弱，體內(nèi)多余熱量快速積蓄，核心體溫快速上升，短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到耐受上限。對比分析圖4中不同環(huán)境下以直腸溫度指標(biāo)確定的最大允許暴露時(shí)長，可以看出，不同溫度濕度下風(fēng)速增加引起的降溫效果不盡相同。在36 ℃、RH=65%時(shí)，風(fēng)速在2 m/s以上時(shí)的最大允許暴露時(shí)長至少為1 m/s時(shí)的3倍，風(fēng)速增加加快了人體通過對流、蒸發(fā)等形式向外散熱，最大允許暴露時(shí)長也隨之增加。而溫度和濕度的繼續(xù)升高，使風(fēng)速增加引起的降溫效果逐漸減弱，最大允許暴露時(shí)長的變化也逐漸減小。因此像電網(wǎng)巡線檢修人員這類長時(shí)間在戶外的作業(yè)人員，在環(huán)境條件無法控制時(shí)可以根據(jù)不同環(huán)境下特定員工的最大允許暴露時(shí)長合理安排其休息和輪換，避免出現(xiàn)熱應(yīng)激人身傷害。

3 結(jié)論

1)隨著環(huán)境溫度、相對濕度和新陳代謝率的升高，電網(wǎng)作業(yè)人員的核心體溫也隨之升高。在中等勞動(dòng)強(qiáng)度(新陳代謝率為190 W/m2)、風(fēng)速為1 m/s的情況下，當(dāng)相對濕度超過75%、環(huán)境溫度超過36 ℃時(shí)，電網(wǎng)作業(yè)人員的核心體溫在快速增長階段達(dá)到耐受上限。當(dāng)電網(wǎng)作業(yè)人員從事代謝率超過240 W/m2的高勞動(dòng)強(qiáng)度工作時(shí)，最大允許暴露時(shí)長相比代謝率為190 W/m2時(shí)減小50%以上。

2)在環(huán)境溫度37 ℃、相對濕度70%和環(huán)境溫度40 ℃、相對濕度75%的濕熱環(huán)境中，電網(wǎng)作業(yè)人員核心體溫隨著風(fēng)速的增加而降低，當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步升高引起服裝熱阻濕阻增大時(shí)，電網(wǎng)作業(yè)人員核心體溫會(huì)隨風(fēng)速的增加而升高。

3)在濕熱的環(huán)境中，以電網(wǎng)作業(yè)人員核心體溫指標(biāo)確定的最大允許暴露時(shí)長要遠(yuǎn)低于以出汗率指標(biāo)確定的最大允許暴露時(shí)長。