熱防護(hù)服降溫效果評價體系研究

李紫含，王世杰，徐伯樂，謝　恬 ，張　英

(1.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

高溫高濕環(huán)境廣泛存在于各個行業(yè)，例如冶金、煤礦、船舶、玻璃生產(chǎn)和陶瓷制造等。長期暴露在高溫環(huán)境下的作業(yè)人員由于受到高溫?zé)釕?yīng)力的影響，會導(dǎo)致體溫升高、心率增加、出汗量增加，造成熱積蓄，嚴(yán)重時會造成機(jī)體的過度蓄熱，破壞機(jī)體的熱平衡狀態(tài)，引發(fā)熱不適、熱昏厥，甚至中暑死亡[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國，80%的建筑工地事故發(fā)生在6—8月份，與夏季高溫有著必然聯(lián)系[3]。在國外，如日本1991—2001年期間每年平均有13.8%的工人死于熱相關(guān)疾??；美國1992—2006年間就有423名工人因長期暴露在高溫環(huán)境下而死亡[4]。

熱防護(hù)服作為一種能有效保護(hù)人體免遭高溫傷害的個體防護(hù)裝備，對其降溫效果的評價一直是熱防護(hù)服研究中相當(dāng)重要的內(nèi)容。對于熱防護(hù)服降溫效果的評價，國內(nèi)外普遍采用真人與假人實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、客觀與主觀評價相結(jié)合的方法[5-9]。1941年GAGGE等提出用服裝的隔熱保暖指標(biāo)(clo值)來評價服裝面料的熱濕傳遞性能，但由于受到拉鏈、縫合及后處理加工的影響，面料的性能不能代表服裝整體的性能；此后WOODCOCK提出了反映服裝整體熱濕傳遞性能的透濕指數(shù)、蒸發(fā)散熱效率指數(shù)[10]。20世紀(jì)90年代初，日本的原田隆司博士提出了衣內(nèi)微氣候理論[11]，把衣內(nèi)微小空間的溫度、濕度、氣流、壓力等作為評價防護(hù)服熱濕舒適性能的重要指標(biāo)。此后，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了假人測試技術(shù)，利用暖體假人或“出汗”暖體假人來評價防護(hù)服的整體性能，這種測試方法的優(yōu)點(diǎn)是相對合理且精準(zhǔn)，缺點(diǎn)是不能模擬真人活動且沒有考慮個體差異性。隨后，學(xué)者圍繞熱防護(hù)服的熱防護(hù)性能及其對人體熱濕舒適性的影響展開了大量的研究，提出了一系列評價熱環(huán)境下人體熱應(yīng)激程度的生理指標(biāo)、心理評價標(biāo)尺，包括生理效應(yīng)指標(biāo)(the index of physiological effect，Ep)、累積熱應(yīng)激指標(biāo)(cumulative heat strain index，CHSI)和生理應(yīng)激指標(biāo)(physiological strain index，PSI)等，這些評價指標(biāo)能反映人體在熱環(huán)境下所遭受的熱應(yīng)激程度，但由于其推導(dǎo)過程復(fù)雜，難以在現(xiàn)場使用，更不能實(shí)現(xiàn)不同熱防護(hù)服降溫效果的綜合比較。

從人和服裝兩個不同方面出發(fā)對熱防護(hù)服的降溫效果進(jìn)行準(zhǔn)確評價是開展熱防護(hù)服研究的基礎(chǔ)，同時也直接影響到實(shí)際環(huán)境中熱防護(hù)服的評判和應(yīng)用。評價熱防護(hù)服降溫效果的方法眾多，可從服裝和人體多個層面分別進(jìn)行評價，但缺乏統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)和體系來實(shí)現(xiàn)不同防護(hù)服降溫效果的比較。筆者針對國內(nèi)外高溫高濕環(huán)境下熱防護(hù)服降溫效果評價的4個階段，對熱防護(hù)服降溫效果的主要評價指標(biāo)進(jìn)行分析研究，提出了熱環(huán)境下熱防護(hù)服的降溫效果評價指標(biāo)體系。

1　熱防護(hù)服降溫效果評價指標(biāo)

高溫高濕環(huán)境下熱防護(hù)服的降溫效果評價主要分為4個階段進(jìn)行，如圖1所示。第1階段是利用平板儀或者出汗平板儀對服裝面料在靜態(tài)和動態(tài)兩種情況下，通過測試其熱阻、濕阻等物理參數(shù)來反映服裝面料的熱濕傳遞性能。面料的單一性能并不能代表服裝的整體性能，服裝在設(shè)計(jì)過程中，受到服裝衣下間隙、服裝開口、面料層次、縫合形式和拉鏈等的影響，其整體性能會發(fā)生變化。基于此，第2階段采用暖體假人或出汗暖體假人，在模擬實(shí)際著裝環(huán)境條件下，通過測量服裝整體的熱濕性能參數(shù)，對服裝的熱濕性能進(jìn)行評價。第3階段是在受控的氣候艙內(nèi)進(jìn)行人體著裝實(shí)驗(yàn)，即在特定的環(huán)境條件及人體活動水平下，記錄人體著裝時的生理指標(biāo)(如核心溫度、皮膚體溫、出汗量、心率、血壓及微觀氣候環(huán)境等)和主觀感覺，并用數(shù)學(xué)方法對測試結(jié)果進(jìn)行分析處理，利用客觀和主觀評價相結(jié)合的方法對服裝的降溫效果進(jìn)行有效評價。第4階段是在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中，通過一定數(shù)量或者大規(guī)模著裝人員的試穿實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對熱防護(hù)服降溫效果的綜合評價，為最終研發(fā)產(chǎn)品的確定提供依據(jù)。

圖1　熱防護(hù)服降溫效果評價的四個階段

綜合以上4個階段，可將熱防護(hù)服降溫效果評價概括為客觀評價和主觀評價兩個方面。客觀評價包括服裝的物理性能評價和人體在穿著服裝時的生理指標(biāo)評價，發(fā)生在熱防護(hù)服降溫效果評價的各個階段。主觀評價則主要通過人體的心理學(xué)指標(biāo)來進(jìn)行評價，發(fā)生在第3階段和第4階段。

1.1　熱防護(hù)服降溫效果客觀評價指標(biāo)

1.1.1服裝的物理性能指標(biāo)

通過文獻(xiàn)調(diào)研[12-17]發(fā)現(xiàn)：高溫高濕環(huán)境下評價熱防護(hù)服降溫效果的物理性能指標(biāo)主要包括兩大類：①反映服裝整體傳熱透濕能力的指標(biāo)；②反映服裝實(shí)際使用過程中的實(shí)用性指標(biāo)。張昭華[18]指出服裝的熱濕特性主要由兩個因素決定：一個是熱阻，另一個是濕阻。這些服裝的熱濕特性主要由暖體假人實(shí)驗(yàn)測得。另外，目前市場上常見的熱防護(hù)服均存在冷卻時間短、降溫初期容易造成過冷卻等問題，因此冷卻時間和降溫速率也是評價熱防護(hù)服降溫效果的關(guān)鍵參數(shù)。故可以用來評價熱防護(hù)服降溫效果的物理指標(biāo)主要包括：

(1)有效降溫時長。有效降溫時長可通過假人實(shí)驗(yàn)測得，是指熱防護(hù)服具有致冷作用開始至結(jié)束的一段時間。顯然，其是評價熱防護(hù)服降溫效果的關(guān)鍵因素，且有效工作時間越長越好。

(2)初期降溫速率。熱防護(hù)服在穿著前期，常常會由于降溫速率過快造成初期皮膚溫度下降得過快，導(dǎo)致人體產(chǎn)生不適感。故降溫速率也應(yīng)作為熱防護(hù)服降溫效果評價的指標(biāo)之一。

(3)服裝熱阻。服裝熱阻是指服裝兩面的溫差與垂直通過服裝的單位面積熱流量之比，其表示紡織品處于穩(wěn)定的溫度梯度條件下，通過規(guī)定面積的干熱流量。通過假人實(shí)驗(yàn)測服裝的熱阻時，熱阻可根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算：

He=λ·Q

(1)

(2)

(4)服裝濕阻。服裝濕阻是指服裝兩面的水蒸氣壓力差與垂直通過服裝的單位面積蒸發(fā)熱流量之比，其表示紡織品處于穩(wěn)定的水蒸氣壓力梯度條件下，通過一定面積的蒸發(fā)熱流量。通過假人實(shí)驗(yàn)測服裝的濕阻時，濕阻可以根據(jù)式(3)計(jì)算得到[19]：

(3)

1.1.2人體的生理指標(biāo)

在高溫高濕環(huán)境下，由于受到熱應(yīng)力的影響，人體會出現(xiàn)核心溫度升高、心率加快、出汗量增加等一系列生理反應(yīng)。熱應(yīng)力強(qiáng)度不同，人體生理反應(yīng)的程度也不同。因此，觀察人體核心溫度、心率、出汗量等生理指標(biāo)的變化有利于了解人體所遭受的熱應(yīng)力大小，通過對比分析人體在穿著熱防護(hù)服前后生理指標(biāo)的變化，客觀評價熱防護(hù)服的降溫效果。ISO9886標(biāo)準(zhǔn)指出評價人體遭受熱應(yīng)力程度的生理指標(biāo)主要包括核心溫度、平均皮膚溫度、心率和出汗量。

(1)核心溫度。核心溫度是指人體內(nèi)部(食道、口腔、直腸等)的溫度。在高溫高濕環(huán)境下，核心溫度最能直觀地反映出人體體溫的變化，從而判斷機(jī)體的熱平衡是否受到破壞。如果人體長期處于高溫環(huán)境，熱量無法散失，會導(dǎo)致人體核心溫度升高，引起工人熱疲勞、熱痙攣，嚴(yán)重時會引起中暑致死。1969年世界衛(wèi)生組織WHO和NIOSH建議熱環(huán)境中持續(xù)勞動的人體核心溫度不宜超過38 ℃。人體在熱環(huán)境下的核心溫度生理上限如表1所示。

表1　熱環(huán)境下勞動者核心溫度的生理上限[20]

(2)平均皮膚溫度。皮膚溫度是指皮膚表面的溫度。人體不同部位的皮膚溫度是由兩個傳熱過程綜合作用而決定的，即：①核心溫度到皮膚表面的熱傳導(dǎo)過程；②皮膚與環(huán)境之間的傳熱過程。在高溫高濕環(huán)境下，人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的緊張度不僅反映在核心溫度的變化上，而且更大程度地反映在皮膚溫度的變化上。相較于核心溫度，皮膚溫度不穩(wěn)定，對環(huán)境溫度十分敏感，能反映環(huán)境條件、人體自身活動與服裝對人體的影響。皮膚溫度的正常變化范圍為15 ℃～42 ℃，當(dāng)皮膚溫度為34 ℃時，人體處于最舒適的熱中性狀態(tài)。由于人體不同部位的皮膚溫度不同，故用平均皮膚溫度來表征皮膚溫度的變化情況，平均皮膚溫度通常利用RAMANATHAN[21]提出的四點(diǎn)模型得到，即選擇4個有代表性的點(diǎn)計(jì)算其加權(quán)平均皮膚溫度：

Tsk=0.3(Tchest+Tforearm)+0.2(Tthigh+Tcalf)

(4)

式中：Tsk為平均皮膚溫度；Tchest為胸部皮膚溫度；Tforearm為上臂皮膚溫度；Tthigh為大腿皮膚溫度；Tcalf為小腿皮膚溫度。

(3)心率。心率是評價環(huán)境條件和作業(yè)勞動強(qiáng)度對機(jī)體所造成的熱負(fù)荷大小以及心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要指標(biāo)。在高溫環(huán)境下，體內(nèi)的熱很難通過有限的傳導(dǎo)散熱方式排出體外，大量的熱需通過血液循環(huán)以對流的方式傳至體表，再散失到環(huán)境中，以維持身體的熱平衡。因此，高溫環(huán)境下人體的新陳代謝加快、心率加快、脈搏量增加，以加快血液循環(huán)將身體多余的熱量散失出去。心率的正常變化范圍為40～180次/min。當(dāng)勞動者的心率超過正常值時，應(yīng)立刻終止作業(yè)，防止勞動者身體機(jī)能出現(xiàn)障礙，造成安全事故。

(4)出汗量。在高溫環(huán)境下，出汗量是衡量人體散熱能力的重要指標(biāo)。特別是當(dāng)環(huán)境溫度高于人體溫度時，為維持熱平衡，蒸發(fā)散熱成為機(jī)體最主要的散熱方式。汗液從皮膚蒸發(fā)，可有效降低皮膚溫度，且有利于深部體熱向體表的傳遞，防止熱量在體內(nèi)積聚使人體產(chǎn)生熱應(yīng)激。研究表明，環(huán)境溫度越高，人的活動量越大，出汗量就越大，當(dāng)出汗量為體重的1.5%時，被認(rèn)為是脫水，人體體溫上升，心率加快。當(dāng)出汗量超過體重的5%時，會導(dǎo)致熱相關(guān)疾病的發(fā)生。

1.2　熱防護(hù)服降溫效果主觀評價指標(biāo)

在熱防護(hù)服降溫效果評價中，常常將人體的生理指標(biāo)與主觀感覺評分相結(jié)合來評價人體在穿著熱防護(hù)服后的生理及心理響應(yīng)。主觀評價即人體在穿著熱防護(hù)服后的主觀感覺，通過問卷調(diào)查的方式要求受試者按某種等級來描述其熱感，再用合適的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析處理，以此評估熱防護(hù)服的熱濕舒適性能。在主觀評價指標(biāo)方面，人體心理學(xué)在熱防護(hù)服降溫效果方面調(diào)查的指標(biāo)主要包括人體的熱感覺和舒適感。

(1)熱感覺。熱感覺是人體對所感受到的周圍環(huán)境冷熱狀態(tài)的主觀描述[22]。這種主觀描述綜合了人體生理和心理兩方面的冷熱刺激感覺。當(dāng)人體僅依靠較小的能量代謝就可以維持機(jī)體熱平衡時，人體就處于令人舒適的“中性狀態(tài)”[23]。當(dāng)周圍環(huán)境溫度變化時，相較于核心溫度和平均皮膚溫度，人體的熱感覺更加敏銳。由于感覺不能用任何直接的方法測量，故只能采用問卷調(diào)查的方式來了解。貝氏標(biāo)度和ASHRAE 熱感覺標(biāo)度是最常用的熱感覺標(biāo)度，如表2所示。

(2)舒適感。熱舒適是人體對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)，由生理因素和心理感受綜合作用得到，并且更偏重于心理上的感受。影響熱舒適感覺的因素除了皮膚溫度和核心溫度等人體參數(shù)

表2　貝氏和ASHRAE熱感覺標(biāo)度[24]

外，還包括空氣濕度、垂直溫差及吹風(fēng)感等環(huán)境因素[25]。在早期的熱環(huán)境研究中，學(xué)者們認(rèn)為熱感覺與熱舒適是相同的，在此基礎(chǔ)上提出了將熱感覺與熱舒適合二為一的貝氏標(biāo)度，直至1966年ASHRAE 7級熱感覺標(biāo)度的提出，該標(biāo)度中只包括了人體冷熱感覺的描述，沒有提到是否舒服的概念，將熱感覺和熱舒適分開。目前常用的熱舒適標(biāo)度是熱舒適投票TCV-5級分度指標(biāo)，如表3所示。

表3　熱舒適投票TCV[26]

2　熱防護(hù)服的降溫效果評價指標(biāo)體系

根據(jù)上述分析可知，熱防護(hù)服降溫效果評價是從客觀評價和主觀評價兩個方面出發(fā)來完成的。①客觀評價包括服裝材料的物理性能評價和人體著裝后的生理指標(biāo)評價，物理性能指標(biāo)主要包括反映熱防護(hù)服傳熱透濕能力的熱阻和濕阻以及反映服裝實(shí)用性能的有效降溫時長和初期降溫速率；人體生理指標(biāo)評價主要包括反應(yīng)人體體溫變化的核心溫度和平均皮膚溫度、反映人體基本機(jī)能的心率以及人體蒸發(fā)散熱能力的出汗量，這4項(xiàng)生理指標(biāo)能直接反映人體在穿熱防護(hù)服后的熱應(yīng)激程度，從而直觀地表征熱防護(hù)服的降溫效果。②主觀評價主要根據(jù)人體心理學(xué)調(diào)查的指標(biāo)，從熱感覺和舒適感兩大指標(biāo)來評價熱防護(hù)服的熱舒適感。

因此，筆者根據(jù)高溫高濕環(huán)境下熱防護(hù)服的降溫效果評價方法以及與評價降溫效果相關(guān)的主要因素建立了高溫高濕環(huán)境下熱防護(hù)服的降溫效果評價指標(biāo)體系，如表4所示。

3　結(jié)論

(1)國內(nèi)外熱防護(hù)服降溫效果評價主要分為4個階段：材料的生物物理性能測試、服裝的生物物理性能測試、氣候艙人體著裝實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試穿實(shí)驗(yàn)。筆者綜合這4個階段，提出將熱防護(hù)服降溫效果評價概括為客觀評價和主觀評價兩個方面。

表4　熱環(huán)境下熱防護(hù)服的降溫效果評價指標(biāo)體系

(2)熱阻和濕阻是評價熱防護(hù)服物理性能的主要指標(biāo)，由于目前熱防護(hù)在實(shí)際使用中存在的冷卻時間短等問題，提出了將冷卻時間和降溫速率也作為評價熱防護(hù)服降溫效果的關(guān)鍵參數(shù)。

大多數(shù)高校醫(yī)院缺乏預(yù)算調(diào)整，使預(yù)算未能隨著醫(yī)療市場和學(xué)校內(nèi)外部環(huán)境的變化及時調(diào)整而失去其應(yīng)有的指導(dǎo)作用。高校醫(yī)院領(lǐng)導(dǎo)也沒有將預(yù)算考核指標(biāo)納入各科室的年終績效考評，使醫(yī)院各科室缺乏控制意識，容易造成預(yù)算超標(biāo)。

(3)將熱防護(hù)服降溫效果評價指標(biāo)歸納為服裝物理性能指標(biāo)、人體生理指標(biāo)和人體心理指標(biāo)3類，并基于此構(gòu)建了高溫高濕環(huán)境下熱防護(hù)服降溫效果評價指標(biāo)體系,為防護(hù)服降溫效果綜合評價提供了依據(jù)。

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