熊慧慧 孟曉靜, 2 賈開發(fā)

(1.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院 西安 710055；2.西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710055)

0 引言

由于生產(chǎn)工藝的需求，工業(yè)廠房往往存在高溫?zé)嵩聪蚴覂?nèi)散發(fā)大量余熱，室內(nèi)余熱強(qiáng)度通常為10～50 W/m3[1]。孟曉靜等[2]在對(duì)某鋼鐵廠房環(huán)境調(diào)研和測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，夏季室內(nèi)溫度基本超過35 ℃，局部工作區(qū)輻射溫度達(dá)到100 ℃，室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足職業(yè)衛(wèi)生的要求。在夏熱地區(qū)，某鋼鐵廠熱車間室內(nèi)平均溫度經(jīng)常在45 ℃以上，工作人員中暑現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生[3]。因此，工業(yè)廠房高溫作業(yè)環(huán)境下作業(yè)人員的安全健康受到廣泛關(guān)注。

濕球黑球溫度(WBGT)是綜合評(píng)價(jià)人體接觸作業(yè)環(huán)境熱負(fù)荷的一個(gè)基本參量[4]。呂石磊等[5]分析了高溫高濕環(huán)境下不同WBGT值對(duì)勞動(dòng)者忍耐時(shí)間的影響程度，提出了WBGT與忍耐時(shí)間的回歸關(guān)系式。許孟楠等[6]發(fā)現(xiàn)在高溫環(huán)境下,心率與實(shí)際活動(dòng)水平具有良好的線性關(guān)系，提出了不同心率區(qū)間的WBGT 指數(shù)限值。WANG Y等[7]建立了基于室內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)空氣溫度、平均輻射溫度、空氣相對(duì)濕度及空氣速度的室內(nèi)WBGT預(yù)測(cè)模型。 CHOWDHURY S等[8]利用熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬軟件EnergyPlus，提出了預(yù)測(cè)生產(chǎn)廠房全年WBGT值的方法。WBGT是目前應(yīng)用最為廣泛的熱應(yīng)力指標(biāo)，被國(guó)內(nèi)外職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)用來評(píng)價(jià)高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)，如GBZ 2.2—2007[9]和ISO 7243:2017[10]。

針對(duì)高污染散發(fā)的工業(yè)廠房，室內(nèi)余熱強(qiáng)度和通風(fēng)換氣次數(shù)是影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素[11]。本文在現(xiàn)有WBGT預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，利用熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬軟件EnergyPlus，以西安市某工業(yè)廠房為例，研究不同氣候區(qū)條件下室內(nèi)余熱強(qiáng)度和通風(fēng)換氣次數(shù)對(duì)夏季室內(nèi)WBGT的影響規(guī)律，根據(jù)職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)高溫職業(yè)接觸限值對(duì)高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 濕球黑球溫度預(yù)測(cè)模型

建筑室內(nèi)WBGT值的計(jì)算公式[4]為：

WBGT值=0.7tnw+0.3tg

(1)

式中，tnw為自然濕球溫度，℃；tg為黑球溫度，℃。

可以看出，室內(nèi)WBGT是自然濕球溫度和黑球溫度的關(guān)系式，而不是室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的關(guān)系式，導(dǎo)致WBGT只能應(yīng)用于既有建筑的熱環(huán)境評(píng)價(jià)，而無法為建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)[7]。WANG Y等[7]、高潔[12]基于室內(nèi)熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)建立了室內(nèi)WBGT預(yù)測(cè)模型，濕球和黑球的熱平衡方程式為：

σεw[(tr+273.15)4-(tw+273.15)4]+hw(ta-tw)=he(pw-pa)

(2)

σεg[(tg+273.15)4-(tr+273.15)4]+hg(tg-ta)=0

(3)

式中，σ為Stefan-Boltzman系數(shù)，為5.67×10-8；εw為濕球棉芯表面的輻射發(fā)射率，一般為0.95；εg為黑球的發(fā)射率，一般為1；tr為平均輻射溫度，℃；ta為空氣溫度，℃；hw為濕球棉芯表面的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；he為濕球棉芯表面的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，W/(m2·℃)；hg為黑球表面綜合對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；pw為濕球棉芯表面的飽和水蒸氣分壓力，kPa；pa為空氣中的水蒸氣分壓力，kPa。

將室內(nèi)空氣溫度、平均輻射溫度、空氣速度及空氣相對(duì)濕度等參數(shù)代入式(2)和式(3)中，可以得到自然濕球溫度和黑球溫度，然后根據(jù)式(1)可以得到WBGT值。為分析工業(yè)廠房在整個(gè)夏季的WBGT變化規(guī)律，室內(nèi)空氣溫度和相對(duì)濕度的動(dòng)態(tài)變化通過數(shù)值模擬方法獲取。相關(guān)研究表明，空氣流速對(duì)WBGT的影響較小[7]，在本文中取定值。平均輻射溫度的計(jì)算參照文獻(xiàn)[12]，如式(4)所示。

tr=

273.15

(4)

式中，εs為熱源表面輻射率；εi為廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面輻射率；Fp-s為人體與熱源表面之間的角系數(shù)；Fp-i為人體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面之間的角系數(shù)；ts為熱源表面溫度；ti為圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度。

2 數(shù)值模擬方法

本文采用EnergyPlus軟件對(duì)工業(yè)廠房室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。EnergyPlus是由美國(guó)能源部和勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)的一款建筑能耗和熱環(huán)境模擬軟件。本文模擬的工業(yè)廠房物理模型為某縫紉車間，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=30 m×27 m×4 m，如圖1所示。南北外墻設(shè)置有外窗，窗戶尺寸為長(zhǎng)×高=5 m×2 m。該廠房的外墻為白灰粉刷(20 mm)+磚墻(180 mm)+水泥砂漿(20 mm)，樓板為水泥砂漿(20 mm)+鋼筋混凝土(200 mm)+水泥砂漿(20 mm)，外窗為透明玻璃(6 mm)+鋁合金窗框。

圖1 工業(yè)廠房的物理模型

WBGT主要是對(duì)夏季高溫環(huán)境進(jìn)行的評(píng)價(jià)，本文數(shù)值模擬考慮夏季(6月1日—8月31日)在8：00—21：00工作時(shí)間內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)，室外氣象條件采用西安市典型氣象年數(shù)據(jù)。室內(nèi)余熱強(qiáng)度和通風(fēng)換氣次數(shù)是影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素，室內(nèi)余熱強(qiáng)度分別設(shè)置為10、15、20、25、30 W/m3，通風(fēng)換氣次數(shù)分別設(shè)置為1、1.5、2、3、5次/h。利用熱環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬軟件EnergyPlus，研究不同余熱強(qiáng)度和通風(fēng)換氣次數(shù)對(duì)工業(yè)廠房夏季室內(nèi)WBGT的影響規(guī)律。

3 結(jié)果分析

根據(jù)工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值的規(guī)定[9]，體力勞動(dòng)強(qiáng)度為輕勞動(dòng)、接觸時(shí)間為8 h，高溫作業(yè)職業(yè)接觸WBGT限值為30 ℃。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7243規(guī)定[10]，輕勞動(dòng)作業(yè)條件下，對(duì)高溫未適應(yīng)者WBGT參考值為29 ℃，對(duì)高溫已適應(yīng)者WBGT參考值為30 ℃。因此本文考慮了高溫作業(yè)接觸WBGT限值和參考值的規(guī)定，分析了不同余熱強(qiáng)度和通風(fēng)換氣次數(shù)條件下夏季工業(yè)廠房室內(nèi)WBGT超限小時(shí)數(shù)，評(píng)價(jià)作業(yè)人員高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 余熱強(qiáng)度的影響

由于生產(chǎn)工藝的需求，工業(yè)廠房室內(nèi)存在不同的余熱強(qiáng)度。在通風(fēng)換氣次數(shù)一定(5次/h)的條件下，不同余熱強(qiáng)度對(duì)工業(yè)廠房室內(nèi)WBGT的影響如圖2和圖3所示。

圖2是不同余熱強(qiáng)度下夏季典型日(7月21日)工業(yè)廠房室內(nèi)空氣溫度和室內(nèi)WBGT變化曲線?？梢钥闯?，室內(nèi)空氣溫度和WBGT隨著余熱強(qiáng)度的增加而增加。余熱強(qiáng)度從10 W/m3增加到30 W/m3時(shí)，日平均空氣溫度和WBGT分別增加了5.6 ℃和3.8 ℃。當(dāng)余熱強(qiáng)度小于15 W/m3時(shí)，夏季典型日室內(nèi)WBGT低于30 ℃；當(dāng)余熱強(qiáng)度大于15 W/m3時(shí)，室內(nèi)存在不同程度的過熱情況，作業(yè)人員面臨高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)。

(a)室內(nèi)空氣溫度

圖3是不同余熱強(qiáng)度對(duì)夏季工業(yè)廠房室內(nèi)WBGT超限小時(shí)數(shù)的影響?？梢钥闯觯S著室內(nèi)余熱強(qiáng)度的增大，WBGT超限小時(shí)數(shù)幾乎呈線性增加。當(dāng)余熱強(qiáng)度為10 W/m3時(shí)，夏季工作時(shí)間內(nèi)WBGT超限小時(shí)數(shù)最小，約70 h的工作時(shí)間內(nèi)WBGT高于29 ℃；當(dāng)余熱強(qiáng)度為30 W/m3時(shí)，夏季工作時(shí)間內(nèi)約60%的時(shí)間室內(nèi)WBGT超過29 ℃，作業(yè)人員面臨較大的高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)工業(yè)廠房室內(nèi)高溫?zé)嵩?，?yīng)采取隔熱措施減少熱源向室內(nèi)的散熱量，降低作業(yè)人員高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 通風(fēng)換氣次數(shù)的影響

通風(fēng)是工業(yè)廠房排出室內(nèi)余熱與污染物的主要方式，由于自然通風(fēng)量和機(jī)械通風(fēng)量的不同，工業(yè)廠房通風(fēng)存在不同的換氣次數(shù)。在室內(nèi)余熱強(qiáng)度一定(10 W/m3)的條件下，不同通風(fēng)換氣次數(shù)對(duì)工業(yè)廠房室內(nèi)WBGT的影響如圖4和圖5所示。

圖4是不同通風(fēng)換氣次數(shù)下夏季典型日(7月21日)工業(yè)廠房室內(nèi)空氣溫度和WBGT變化曲線?？梢钥闯?，室內(nèi)空氣溫度和WBGT都隨著通風(fēng)換氣次數(shù)的增加而降低。通風(fēng)換氣次數(shù)從1次/h增加到5次/h時(shí)，日平均空氣溫度和WBGT分別降低了2.7 ℃和1.5 ℃。當(dāng)通風(fēng)換氣次數(shù)大于2次/h時(shí)，夏季典型日室內(nèi)WBGT低于高溫作業(yè)職業(yè)接觸限值30 ℃。

圖5是不同通風(fēng)換氣次數(shù)對(duì)夏季工業(yè)廠房室內(nèi)WBGT超限小時(shí)數(shù)的影響。可以看出，室內(nèi)WBGT超限小時(shí)數(shù)隨著通風(fēng)換氣次數(shù)的增加而減小。當(dāng)通風(fēng)換氣次數(shù)為1次/h時(shí)，夏季室內(nèi)熱環(huán)境最差，工作時(shí)間內(nèi)約20%的時(shí)間室內(nèi)WBGT超過29 ℃；當(dāng)通風(fēng)換氣次數(shù)達(dá)到5次/h時(shí)，約70 h的工作時(shí)間室內(nèi)WBGT高于29 ℃，很大程度上降低了作業(yè)人員高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)高余熱散發(fā)的工業(yè)廠房，可通過增加通風(fēng)換氣次數(shù)，降低作業(yè)人員高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 不同通風(fēng)換氣次數(shù)下夏季室內(nèi)WBGT分布規(guī)律

4 結(jié)論

WBGT是綜合評(píng)價(jià)人體接觸作業(yè)環(huán)境熱負(fù)荷的指標(biāo)，也是目前應(yīng)用最為廣泛的熱應(yīng)力指標(biāo)。以西安市某工業(yè)廠房為例，研究了工業(yè)廠房余熱強(qiáng)度和通風(fēng)換氣次數(shù)對(duì)室內(nèi)WBGT的影響規(guī)律，分析了夏季工業(yè)廠房室內(nèi)WBGT超限小時(shí)數(shù)。研究結(jié)果可為降低作業(yè)人員高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

(1)室內(nèi)WBGT超限小時(shí)數(shù)隨著余熱強(qiáng)度的增大幾乎呈線性增加，隨著通風(fēng)換氣次數(shù)的增加而減小。余熱強(qiáng)度從10 W/m3增大到30 W/m3時(shí)，夏季典型日平均室內(nèi)WBGT增加了3.8 ℃；通風(fēng)換氣次數(shù)從1次/h增加到5次/h時(shí)，夏季典型日平均室內(nèi)WBGT降低了1.5 ℃。

(2)當(dāng)余熱強(qiáng)度為30 W/m3、通風(fēng)換氣次數(shù)為5次/h時(shí)，夏季工作時(shí)間內(nèi)約60%的時(shí)間室內(nèi)WBGT超過29 ℃，作業(yè)人員面臨較大的高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)。

(3)針對(duì)高余熱散發(fā)的工業(yè)廠房，應(yīng)采取隔熱措施減少熱源向室內(nèi)的散熱量，增加通風(fēng)換氣次數(shù)，降低作業(yè)人員高溫職業(yè)暴露風(fēng)險(xiǎn)。