空氣除濕服微環(huán)境除濕與人體熱應(yīng)力研究

王澤華 鄒鉞 邱茶連

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

在夏季炎熱的高溫高濕的環(huán)境下，存在著許多必須在戶外進(jìn)行的作業(yè)，如排爆隊(duì)員、焊工等，傳統(tǒng)的空調(diào)無(wú)法對(duì)這些作業(yè)對(duì)象進(jìn)行降溫除濕工作，而空氣除濕服能夠有效地解決在室外無(wú)法進(jìn)行降溫除濕的問題。它主要利用處理的低濕的空氣在人體和外衣之間建立一個(gè)衣下微環(huán)境空間，從而給人體營(yíng)造一個(gè)相對(duì)密閉的衣下微環(huán)境。經(jīng)過處理的干燥空氣輸送到人體的除濕服的微環(huán)境中，通過熱質(zhì)交換，降低皮膚周圍空氣的含濕量，從而降低人體的皮膚濕潤(rùn)度。

1 空氣除濕服

1.1 空氣除濕服的對(duì)比

目前市面的空調(diào)服主要是利用液冷，氣體和相變材料降低衣下微環(huán)境的溫度來緩解人體熱應(yīng)力[1-3]，這種只解決衣下微環(huán)境的溫度問題而忽視了在人體中高度勞動(dòng)強(qiáng)度下，降低人體的皮膚濕潤(rùn)度極其關(guān)鍵，因此如何通過送風(fēng)有效地降低微環(huán)境中的相對(duì)濕度，從而緩解人體的熱應(yīng)激是空氣除濕服的關(guān)鍵所在。

1.2 空氣除濕服的設(shè)計(jì)

空氣除濕服主要適用于防爆和焊工等在必須在高溫密閉環(huán)境中工作的特殊人群，降溫的設(shè)計(jì)選用防化服設(shè)計(jì)。由于人體上半身的熱敏感點(diǎn)是在人體背部和胸部[4]，因此送風(fēng)口選用在人體的背部和胸部，以達(dá)到用盡量小的風(fēng)量來達(dá)到降溫作用。由于袖口通常是封閉狀態(tài)，未通風(fēng)時(shí)經(jīng)常會(huì)使微環(huán)境的空氣結(jié)露而使水滴流出，因此采用在手臂兩側(cè)和肩胛處開口的方式使通風(fēng)的氣流組織能夠更加有效地消除人體的潛熱。

2 衣下微環(huán)境模型

在通入干燥的低溫低濕空氣后，空氣將除濕服與人體的皮膚隔絕開來，因此在此之間形成了特有的空氣微環(huán)境層[5]。由此可見，通空氣的前后，對(duì)人體的傳熱模型的處理是不一樣的。在通空氣之前，除濕服與皮膚之間的間隔可忽略不計(jì)，而在通入空氣微環(huán)境生成后，傳熱模型發(fā)生改變，要另作分析，整個(gè)能量的交換過程中可分為皮膚層、內(nèi)衣層、微環(huán)境空氣層、外衣、外環(huán)境這五個(gè)部分。

2.1 微環(huán)境傳熱模型

根據(jù)能量的轉(zhuǎn)換與守恒定律，人體的熱模型主要可描述為[6]：

式中：M為人體代謝量，W/m2；W為人體對(duì)外所做的機(jī)械功，W/m2；qsk為皮膚散熱熱損失，W/m2；qres為呼吸散熱熱損失，W/m2；R+C為人體皮膚向外界的顯熱損失量，W/m2；Esk為人體皮膚擴(kuò)散蒸發(fā)熱損失，W/m2；Ere為呼吸蒸發(fā)熱損失，W/m2；Cres為呼吸對(duì)流熱損失，W/m2；Eres為人體呼吸的潛熱蒸發(fā)熱損失，W/m2；S為人體蓄熱率，W/m2。

2.2 傳熱模型條件假設(shè)

假設(shè)如下：1）由于人體皮膚與內(nèi)衣層間隙極小，可視為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。2）空氣通入微環(huán)境處的氣流視作均勻氣流，溫度分布均勻。3）忽略微環(huán)境處服裝外衣層與內(nèi)衣層的熱輻射。4）由于在送風(fēng)過程中，衣內(nèi)存在正壓，微環(huán)境空氣層留有一定的厚度，即微環(huán)境的空氣層與兩側(cè)的服裝層進(jìn)行對(duì)流換熱，如圖1所示。

圖1 除濕處理后微環(huán)境層熱交換圖

2.3 模型得計(jì)算分析

本文選取的標(biāo)準(zhǔn)男性人體模型，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的勞動(dòng)強(qiáng)度為中等勞動(dòng)強(qiáng)度[7]，在人體體溫機(jī)制調(diào)節(jié)下，人體產(chǎn)熱和散熱處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡過程中，因此設(shè)定S=0 W/m2。而由于整個(gè)人體都已經(jīng)被除濕服覆蓋，外服裝表面的輻射換熱，對(duì)流換熱量與人體新陳代謝量均由除濕服承擔(dān)，即：

式中：Q為微環(huán)境空氣層所要消耗的冷量，W/m2；Q1為外衣層與微環(huán)境空氣層之間的對(duì)流換熱量，W/m2。

3 熱應(yīng)力以及熱應(yīng)力的計(jì)算

3.1 熱應(yīng)力

美國(guó)職業(yè)安全與健康研究所定義的熱應(yīng)力為由環(huán)境和人體自身因素產(chǎn)生的作用于人體的熱負(fù)荷的總和，是人體在承受極端熱環(huán)境的熱負(fù)荷過程中的一種程度上的描述[8]。熱應(yīng)力的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要用于在極端熱環(huán)境下衡量發(fā)生高風(fēng)險(xiǎn)性熱病和熱事故的熱應(yīng)力水平，通過按熱應(yīng)力的評(píng)價(jià)等級(jí)的不同將其作為防范標(biāo)準(zhǔn)，為工作環(huán)境中的溫濕度的控制提供科學(xué)依據(jù)。目前常見的熱應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括直接指標(biāo)（干球溫度、濕球溫度）、理論指標(biāo)（操作溫度、熱應(yīng)力指數(shù)、皮膚濕潤(rùn)度）、經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)（有效溫度、濕球黑球溫度）、生理學(xué)指標(biāo)（體溫、皮膚溫度、失水量）。

3.2 實(shí)驗(yàn)用熱應(yīng)力指標(biāo)

由于干球溫度主要用于舒適性區(qū)域內(nèi)的從事輕度勞動(dòng)強(qiáng)度、身著常規(guī)室內(nèi)服裝的勞動(dòng)個(gè)體的熱應(yīng)力，濕球溫度適用于評(píng)價(jià)與干球溫度大致相等環(huán)境為高濕度情況下的熱應(yīng)力，所能夠評(píng)價(jià)的指標(biāo)過于單一，并不能為在實(shí)驗(yàn)中得到具體有效的評(píng)價(jià)防范標(biāo)準(zhǔn)。因此本次實(shí)驗(yàn)的所用到的熱應(yīng)力指標(biāo)主要采用理論指標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)和生理學(xué)指標(biāo)相結(jié)合的方式。

3.2.1 熱應(yīng)力指數(shù)（HSI）

熱應(yīng)力指數(shù)[9]最早在1955年被提出，它主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室以及熱應(yīng)力研究領(lǐng)域。它是根據(jù)給定的熱環(huán)境作用于人體的外部熱應(yīng)力，不同勞動(dòng)強(qiáng)度的條件下的環(huán)境及人體的新陳代謝的因素所計(jì)算導(dǎo)出。它是指在保持身體熱平衡的狀況下的人體所需的蒸發(fā)散熱與人體能達(dá)到的最大蒸發(fā)散熱量之比。在人體受到熱應(yīng)力的狀況下，人體的最大蒸發(fā)散熱量限定在700 W/m2，此時(shí)所達(dá)到的最大出汗率為280 mg/(s·m2)。在假定人體的平均皮膚溫度tsk=35℃的情況下，身穿傳統(tǒng)長(zhǎng)袖襯衫和褲子的條件下，已有了熱應(yīng)力圖示解決方案。該方案把按熱應(yīng)力指數(shù)的不同，將熱應(yīng)力狀況分為四個(gè)部分：警告區(qū)，嚴(yán)重警告區(qū)，危險(xiǎn)區(qū)和極度危險(xiǎn)區(qū)，如圖2[10]所示。除了在警告區(qū)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)熱疲勞狀況，在其他的三個(gè)區(qū)域均會(huì)出現(xiàn)中暑抽筋熱疲勞的狀況。

圖2 HSI指標(biāo)值及熱應(yīng)力圖示解決方案

由于熱應(yīng)力指數(shù)只是一個(gè)比值，并不能反映出新陳代謝和環(huán)境熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力。而且熱應(yīng)力指數(shù)并不適用于熱應(yīng)力很高的條件下，無(wú)法分辨出環(huán)境的熱濕狀況。

3.2.2 有效溫度

有效溫度是依據(jù)半裸與穿夏季薄衫的人在一定條件的環(huán)境中所反應(yīng)的瞬時(shí)熱感覺作為決定各項(xiàng)因素綜合作用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。它是將干球溫度、濕球溫度、風(fēng)速三個(gè)參數(shù)作為依據(jù)，以人的熱感覺為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量熱環(huán)境的指標(biāo)。常用的有效溫度的計(jì)算公式如下所示[11]：

式中：TD為干球溫度，℃；Tw為濕球溫度，℃。

在新型的有效溫度（ET*）的計(jì)算中，研究人員用黑球溫度代替干球溫度，考慮了熱輻射的影響因素，將傳統(tǒng)的定義室內(nèi)有效溫度的100%的相對(duì)濕度修正為50%，使該溫度在計(jì)算室內(nèi)環(huán)境所需的通風(fēng)量和空調(diào)熱負(fù)荷中更為實(shí)用。在實(shí)際計(jì)算操作中，根據(jù)不同的勞動(dòng)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的有效溫度是不同的，而在相同的工作環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度中，熱適應(yīng)人體的極限要比不適應(yīng)人體的極限要高大約2℃左右。

由于礦井的高溫高濕的環(huán)境，熱應(yīng)力的評(píng)價(jià)指標(biāo)得到了廣泛的應(yīng)用。煤炭科學(xué)研究總院撫順研究院提出綜合溫度指標(biāo)Tz[12]，℃，與有效溫度不同的是它是通過環(huán)境的微氣候因素對(duì)人體的主觀心理感受來確定，能夠比較全面的反映環(huán)境的氣候質(zhì)量以及對(duì)環(huán)境對(duì)其中人員的健康，安全和生產(chǎn)的總和影響。

式中：HR是相對(duì)濕度；v是風(fēng)速，m/s。

4 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在室外進(jìn)行，測(cè)得環(huán)境溫度為35℃，相對(duì)濕度為70%。參加實(shí)驗(yàn)的受試者為東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院10名男生，身穿薄質(zhì)短袖和短褲，年齡在20歲到24歲之間，身體健康。受試者來自全國(guó)各地具有一定代表性。

受試者先在戶外休息20 min，以適應(yīng)當(dāng)前熱環(huán)境。受試者分為2組，實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)械活動(dòng)以達(dá)到中等勞動(dòng)強(qiáng)度，用Swema溫濕度探頭測(cè)量衣下微環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度，利用溫度探頭測(cè)量人體各點(diǎn)的皮膚溫度[13]。第一組穿上除濕服5 min后通入34℃，含濕量為6.2 g/kg，風(fēng)量為23 m3/kg的空氣，第二組穿上除濕服5 min后通入經(jīng)過加濕處理的32℃，含濕量為7.2 g/kg，風(fēng)量為18 m3/kg的空氣（表1）。受試者需每分鐘報(bào)告自身熱感覺并分別記錄每組受試者衣下微環(huán)境的溫度，相對(duì)濕度和皮膚溫度以及受試者的主觀感受，測(cè)量結(jié)果如圖3～4及表2～3所示。

表1 微環(huán)境的空氣狀態(tài)表

圖3 直接通空氣后的衣下微環(huán)境溫濕度變化圖

圖4 加濕通風(fēng)后衣下微環(huán)境溫濕度變化圖

表2 人體各處皮膚溫度測(cè)量表

表3 微環(huán)境熱應(yīng)力表

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 微環(huán)境的參數(shù)變化

在通風(fēng)前的5 min內(nèi)，相對(duì)濕度急劇升高，微環(huán)境處于高溫高濕狀態(tài)，此時(shí)人體所受的熱應(yīng)力最大，受試者伴有頭暈和輕微的嘔吐現(xiàn)象。主要是由于在陽(yáng)光暴曬中，防護(hù)服外層溫度達(dá)到45℃反而高于人體皮膚溫度，衣服內(nèi)部熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱方向是從防護(hù)服到人體皮膚側(cè)，而人體的皮膚濕潤(rùn)度w增大到閾值后，熱量無(wú)法排出，遂導(dǎo)致出現(xiàn)中暑的癥狀。

在兩組實(shí)驗(yàn)通風(fēng)后，溫度下降了2～3℃，含濕量下降了近20 g/kg，此時(shí)的微環(huán)境處于高溫低濕狀態(tài)，熱應(yīng)力指數(shù)和有效溫度均有明顯下降，受試者的中暑現(xiàn)象逐漸消失?？梢钥闯觯诟邷貭顟B(tài)下，通過降低人體周圍含濕量的做法能夠緩解人體的熱應(yīng)力，這是由于通風(fēng)后人體微環(huán)境處于正壓狀態(tài)，皮膚濕潤(rùn)度逐漸降低，新陳代謝產(chǎn)生的熱量通過皮膚和呼吸的潛熱損失傳遞到微環(huán)境中。而在微環(huán)境中加濕處理的含濕量反而要低于加濕處理的，主要是由于經(jīng)過加濕處理后通風(fēng)風(fēng)量下降5 m3/h左右，通入人體微環(huán)境后，含濕量更小。

4.2.2 人體的皮膚溫度和主觀感受

如表2所示，在通風(fēng)后，人體脖頸處和手臂處溫度下降明顯，加濕處理比不加濕溫度下降1℃。而在肩胛處和小腿處的降溫效果不明顯，本次通風(fēng)主要是對(duì)上半身通風(fēng)處理，氣流組織難以到達(dá)小腿處。除濕服與肩胛處較為貼合，氣流組織在肩胛處的局部損失較大，而不加濕處理要好于加濕處理，是通風(fēng)量的下降造成的。受試者主觀感受是不加濕處理的的送風(fēng)感更強(qiáng)，熱應(yīng)力緩解能力更強(qiáng)，從綜合溫度從側(cè)面看出，加濕的綜合溫度反而要高于不加濕處理的，如表3所示。

5 結(jié)論

1）在相對(duì)移動(dòng)型高溫高濕的封閉工作環(huán)境中，即使不處理空氣溫度，只通入較低含濕量的空氣來降低人體皮膚的濕潤(rùn)度，用消除潛熱來緩解人體的熱應(yīng)力反應(yīng)是可行的。

2）在除濕服的設(shè)計(jì)過程中，送風(fēng)狀態(tài)的風(fēng)溫，風(fēng)濕和風(fēng)量是三個(gè)最重要的參數(shù)，而僅僅改變其中的某一個(gè)參數(shù)而導(dǎo)致另兩個(gè)參數(shù)形成相應(yīng)的副作用效果，對(duì)人體的緩解熱應(yīng)力反應(yīng)也是不利的。

3）除濕服在肩胛處的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到氣流組織有效作用，可以在該處做架空處理使微環(huán)境層間距更大，或者增大送風(fēng)量提高微環(huán)境的正壓，既能相對(duì)除濕降溫又能保證風(fēng)量。

4）實(shí)驗(yàn)的后續(xù)目標(biāo)是改變送風(fēng)位置，如只從頭部送入低濕的空氣或?qū)θ梭w的呼吸空氣進(jìn)行除濕處理比較人體熱應(yīng)力的緩解程度。