熱輻射暴露下消防員的生理反應(yīng)及皮膚燒傷預(yù)測(cè)

蘇 云，楊 杰，李 睿，宋國(guó)文，李 俊, 張向輝

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心，上海 200051；3.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051；4.愛(ài)荷華州立大學(xué)，美國(guó) 愛(ài)荷華 50011)

在工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活的火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性事故中，消防員通常遭遇多種熱災(zāi)害威脅，主要包括火焰、熱輻射、高溫液體和蒸汽等，這些熱災(zāi)害環(huán)境可能導(dǎo)致消防員產(chǎn)生熱應(yīng)激、皮膚燒傷，甚至死亡[1-3]。消防服作為消防作業(yè)人員進(jìn)行緊急救援必備的一類(lèi)個(gè)體防護(hù)裝備，其防護(hù)性能的好壞直接關(guān)系到消防員的生命安全。

熱災(zāi)害環(huán)境下消防員熱應(yīng)激與皮膚燒傷的研究一直以來(lái)就是2個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。熱應(yīng)激的影響因素包括環(huán)境、服裝性能、人體活動(dòng)水平與負(fù)重[4]，但目前消防員熱應(yīng)激的研究主要集中在高溫環(huán)境[5]，這種條件不會(huì)導(dǎo)致皮膚的燒傷，無(wú)法真實(shí)反映消防員所暴露的火災(zāi)環(huán)境，因此，進(jìn)行火災(zāi)環(huán)境下消防員熱應(yīng)激的研究具有重要意義。另外，目前消防服熱防護(hù)性能的研究主要是利用皮膚燒傷時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究表明，消防服的熱防護(hù)性能取決于織物基本參數(shù)、空氣層厚度、服裝款式以及水分含量[6-8]。然而，消防員皮膚燒傷的有效防護(hù)并不一定減少熱應(yīng)激的發(fā)生，過(guò)去研究也未調(diào)查消防員熱應(yīng)激與皮膚燒傷之間的關(guān)系，熱應(yīng)激在火場(chǎng)環(huán)境下可能更易產(chǎn)生，從而影響消防員的工作效率與生命健康，因此，僅僅利用皮膚燒傷時(shí)間評(píng)價(jià)消防服的熱防護(hù)性能具有較大的局限性，穿著消防服的工作人員仍然面臨著潛在的生命威脅。

由于火災(zāi)環(huán)境的危險(xiǎn)性，熱應(yīng)激與皮膚燒傷的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)往往不能使用真人進(jìn)行，因此數(shù)值模擬方法成為消防服熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)的有效手段。人體熱應(yīng)激的預(yù)測(cè)通常是基于人體熱調(diào)節(jié)模型，如Stowijk提出的25節(jié)點(diǎn)模型[9]、Gagge提出的2節(jié)點(diǎn)模型[10]、Tanabe提出的65節(jié)點(diǎn)模型[11]、15區(qū)段Fiala模型以及可調(diào)節(jié)區(qū)段的UCB模型[12-13]，預(yù)測(cè)人體皮膚溫度與核心溫度用于評(píng)價(jià)消防員的熱應(yīng)激。皮膚燒傷的預(yù)測(cè)通?；赑ennes生物熱傳遞模型與Henriques燒傷積分模型，計(jì)算皮膚燒傷時(shí)間。然而，目前很少有模型能夠同時(shí)預(yù)測(cè)人體的熱應(yīng)力與皮膚燒傷，因此，本文提出新的數(shù)值模型用于預(yù)測(cè)消防員在熱輻射暴露下的生理反應(yīng)與皮膚燒傷，從而更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)消防服的熱防護(hù)性能。

1 數(shù)值模型

1.1 服裝熱傳遞模型

在消防作業(yè)過(guò)程中，外界環(huán)境熱量向人體的傳遞主要通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射3種方式進(jìn)行，彼此之間相互耦合。為簡(jiǎn)化火災(zāi)環(huán)境下消防服內(nèi)部的熱傳遞過(guò)程，根據(jù)實(shí)際情況可作如下假設(shè)：

1)整個(gè)織物系統(tǒng)的熱傳遞是沿厚度方向的一維熱傳遞，忽略質(zhì)傳遞的影響；

2)織物內(nèi)部存在輻射傳熱與導(dǎo)熱的耦合現(xiàn)象，假設(shè)對(duì)流傳熱僅僅發(fā)生在織物表面；

3)由于織物暴露于低輻射條件下，忽略織物的熱收縮與熱化學(xué)反應(yīng)；

4)考慮織物熱物性能隨溫度的變化，但假定織物的光學(xué)參數(shù)恒定。

基于能量守恒定律，多層織物的熱傳遞方程如下：

(1)

式中：ρ為織物的密度，g/cm3；cpfab為織物的比熱容，J/(kg·K)；kfab為織物的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為不同時(shí)刻、不同位置的溫度值，℃；qrad為輻射傳遞熱流密度，W/m2?？椢锏膶?dǎo)熱系數(shù)隨溫度的改變而變化，取決于纖維與織物孔隙內(nèi)空氣的比例[14]：

kfab(T)=Vair%kair(T)+(1-Vair%)kfiber(T)

(2)

式中：Vair% 為織物孔隙內(nèi)的空氣百分比，無(wú)量綱；kfiber和kair分別為纖維與空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)?？椢飪?nèi)部輻射傳熱的衰減是由織物對(duì)輻射的吸收作用以及向后散射作用決定，基于Beer定律，其輻射熱傳遞方程為

qrad=qrad|x=0(1-e(-γfabx))

(3)

式中：qrad|x=0為織物外表面的入射輻射熱流密度，W/m2；γfab為織物的消光系數(shù)，可通過(guò)以下關(guān)系式獲得[15]：

γfab=-In(τ)/Lfab

(4)

式中：τ為織物的透射率(0.01)[14]。對(duì)于低輻射熱暴露條件下的織物入射輻射熱流密度為：

(5)

式中：Ahs和Afab分別為輻射熱源的表面積與織物熱暴露表面積，m2；a為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；r1為輻射反射率；εhs、εShell、εg分別為輻射熱源、外層織物及火焰的發(fā)射率；Ths、Tshell、Tamb分別為輻射熱源、外層織物及外界環(huán)境的溫度，℃；Fhs-shell、Fshell-amb分別為熱源與外層織物之間、外層織物與外界環(huán)境之間的輻射角系數(shù)。

1.2 空氣層熱傳遞模型

由于服裝無(wú)法緊貼人體，服裝與人體之間會(huì)形成空氣層，空氣具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)，因此對(duì)服裝整體的熱防護(hù)性能有較大的影響?？諝鈱觾?nèi)部的熱傳遞包括對(duì)流、傳導(dǎo)以及輻射，其熱量傳遞方程為：

(6)

式中：ρa(bǔ)ir為空氣的密度，g/cm3；cairp為空氣的比熱容，J/(kg·K)；qrad-air為空氣層內(nèi)部的輻射傳遞熱流密度，W/m2，可表示為，

qrad-air=qtherm-skine(-κairx)

(7)

式中，κair為空氣的輻射吸收系數(shù)，5 m-1[15]。

1.3 人體熱調(diào)節(jié)模型

根據(jù)生理結(jié)構(gòu)劃分，將人體按 “Newton”假人分為 20 個(gè)部位，包括頭、手、腳、上臂、前臂、大腿、小腿、前胸等。每個(gè)部位由4層組成，依次為核心層、肌肉層、脂肪層、皮膚層，根據(jù)人體生理特征，每個(gè)部位、每一層的熱傳遞方程可表達(dá)為

(Ri,j+Ci,j+Ei,j)

(8)

式中：c為人體不同節(jié)點(diǎn)熱容，J/(kg·K)；T為人體不同節(jié)點(diǎn)溫度，℃；t為暴露時(shí)間，s；Q為人體產(chǎn)熱量，W；B為人體血液換熱量，W；D為人體同一部位不同層之間傳導(dǎo)熱交換，W；r為呼吸散熱量，W；E為皮膚蒸發(fā)散熱量，W；C、R分別為對(duì)流及輻射散熱量，W；i、j分別表示人體各部位不同層與人體不同區(qū)段。20個(gè)部位、4層組織組成80個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)血液流動(dòng)與中央血液層進(jìn)行熱交換，其熱傳遞方程可表達(dá)為

(9)

式中：c81為血液層的熱容，J/(kg·K)；T81為血液層的溫度，℃。皮膚表面與環(huán)境顯熱傳遞包括對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)熱交換：

R=hr(T-Tmrt)A

(10)

C=hc(T-Ta)A

(11)

E=he(Ps-Pa)A

(12)

式中：Tmrt、Ta分別為平均輻射溫度與環(huán)境溫度，℃；hr為輻射換熱系數(shù)，W/(m2K)；hc為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2K)；he為蒸發(fā)換熱系數(shù)，W/(m2·Pa)；A為人體體表面積，m2；Ps、Pa分別為皮膚表面與外界環(huán)境的水蒸氣壓，Pa。

1.4 皮膚燒傷預(yù)測(cè)模型

基于Pennes經(jīng)典生物熱傳遞模型，假設(shè)[15]：1)皮膚傳熱是沿厚度方向的一維熱傳遞；2)每一層皮膚組織的熱物性恒定，但每層各不相同；3)血液的溫度恒定，等于人體的體核溫度；4)局部血液流動(dòng)速率保持恒定；5)對(duì)于短時(shí)間、強(qiáng)熱暴露忽略人體新陳代謝產(chǎn)熱，相反對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間、低熱暴露則需要考慮。

wb(ρcp)b(Tb-T)+Gm

(13)

式中：ρskin為各層皮膚組織的密度，g/cm3；cpskin為各層皮膚組織比熱容，J/(kg·K)；wb為真皮層與皮下組織的血液灌注率，s-1；Tb為血液的溫度，℃；Gm為人體的平均代謝產(chǎn)熱量，W。

根據(jù)ASTM、ISO、NFPA等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，利用Henriques皮膚燒傷模型方程評(píng)價(jià)皮膚燒傷情況，其方程可表達(dá)為

(14)

式中：ΔE為皮膚活化性能，無(wú)量綱；P為頻率破壞因子，無(wú)量綱；Ω為皮膚燒傷程度的量化值，無(wú)量綱；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；t為皮膚暴露于熱源下其溫度大于 44 ℃的時(shí)間，s。

1.5 模型求解

消防服系統(tǒng)的熱傳遞過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱，其傳熱方程屬于非線性拋物線型偏微分方程。為減小模型計(jì)算的誤差，本章采用Crank-Nicholson隱型有限差分法進(jìn)行模型的離散化分析，構(gòu)造三對(duì)角矩陣，利用Thomas迭代的方法求解非線性方程組，計(jì)算流程如圖1所示。利用求解的結(jié)果作為新的初始條件下，按照以上求解過(guò)程，計(jì)算下一時(shí)刻的熱傳遞變化。本模型的網(wǎng)格劃分精度為1.5×10-5m，為增加計(jì)算的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，模型迭代的時(shí)間間隔為5×10-2s。

圖1 熱傳遞模型的計(jì)算流程Fig.1 Calculation process of heat transfer model

2 實(shí)驗(yàn)方案

模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中所選用的消防服是采用多層織物系統(tǒng)，包括外層、防水透汽層、隔熱層，均是消防服所廣泛使用的面料，3種面料的基本性能如表1所示。面料的厚度參照ASTM D 1777—2002《測(cè)量紡織材料的厚度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》在施加1 kPa壓力的情況下獲取，面料的熱物性在環(huán)境溫度為300 K時(shí)采用差分掃描量熱儀進(jìn)行測(cè)量。

表1 不同層織物的基本性能參數(shù)Tab.1 Basic properties of different-layer fabrics

本文利用熱防護(hù)性能測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證熱輻射條件下數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，如圖2所示。該裝置包括石英燈管輻射模擬器、水冷隔熱板、樣品架、熱流傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。根據(jù)ASTM D 2731—2012《彈性紗線彈力特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(CRE型拉伸試驗(yàn)機(jī))》，多層織物系統(tǒng)暴露在8.5 kW/m2的輻射熱源下，利用皮膚模擬傳感器監(jiān)測(cè)織物背面皮膚的熱流變化。另外，可通過(guò)調(diào)節(jié)織物系統(tǒng)與熱流傳感器之間的間隙大小模擬著裝人體衣下空氣層的變化，更加精確地評(píng)價(jià)熱輻射條件下不同織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能。傳感器傳送裝置可在非熱暴露位置與熱源之間移動(dòng)，一旦熱暴露開(kāi)始，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將會(huì)收集皮膚表面的熱流變化。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)置織物熱暴露時(shí)間為300 s，熱暴露結(jié)束之后皮膚模擬傳感器繼續(xù)采集數(shù)據(jù)直到500 s結(jié)束。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性與減小實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)樣品按照以上要求重復(fù)測(cè)量3次。

圖2 熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)裝置Fig.2 Thermal protective performance tester

3 結(jié)果與分析

3.1 平均皮膚溫度

消防員進(jìn)行滅火作業(yè)的代謝率大約為290 W/m2，基于研發(fā)的模型，預(yù)測(cè)在典型火場(chǎng)環(huán)境下消防員的平均皮膚溫度。圖3示出了模型預(yù)測(cè)平均皮膚溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值之間的對(duì)比圖。在整個(gè)熱暴露過(guò)程中，皮膚溫度隨著時(shí)間的增加而上升，熱暴露結(jié)束之后，由于多層織物系統(tǒng)蓄熱釋放對(duì)皮膚的傳熱，皮膚溫度仍保持較高值，隨后由于消防員處于冷卻環(huán)境中，皮膚溫度開(kāi)始急劇下降。

圖3 平均皮膚溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比Fig.3 Comparison of mean skin temperature between experiment and simulant results.(a) Without an air gap; (b) With an air gap

可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的總體趨勢(shì)具有較好的一致性，意味著該模型能夠有效反映人體在熱輻射環(huán)境下的皮膚溫度變化。在熱暴露階段(300 s)，模型預(yù)測(cè)的皮膚溫度上升速率稍微大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，有空氣層與無(wú)空氣層2種情況下的平均皮膚溫度最大差異分別為2.05和2.19 ℃，這主要因?yàn)樵撃Ｐ秃雎粤朔b內(nèi)部的多維熱傳遞與濕傳遞過(guò)程。據(jù)文獻(xiàn)[16]報(bào)道，在熱暴露過(guò)程中織物系統(tǒng)中心部位的溫度高于其織物邊緣，以至于織物中心部位的熱量會(huì)由于溫差的存在向其邊緣傳遞熱量，本文模型僅僅考慮了一維熱傳遞過(guò)程，所以其織物中心部位的預(yù)測(cè)溫度明顯偏高。同時(shí)，織物內(nèi)部的水分對(duì)不同熱暴露條件下的熱傳遞有不同的影響[17]，在低輻射熱暴露條件下水分能夠減緩皮膚溫度的上升[18]。在300 s的熱暴露之后，模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的誤差逐漸減小，這是因?yàn)槿梭w在冷卻階段的降溫主要取決于人體與環(huán)境之間的溫度差。另外，在熱暴露階段與冷卻階段的模型預(yù)測(cè)溫度變化趨勢(shì)與Ghazy和Bergstrom[19]的數(shù)值模擬結(jié)果相一致，該模型模擬了閃火條件下單層織物的一維熱傳遞過(guò)程。

3.2 人體核心溫度

圖4示出了消防服有無(wú)空氣層條件下核心溫度的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

圖4 核心溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比Fig.4 Comparison of core temperature between experiment and simulated results.(a) Without an air gap; (b) With an air gap

可以發(fā)現(xiàn)，模型預(yù)測(cè)的核心溫度增長(zhǎng)速率大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量大小，核心溫度在300 s熱暴露結(jié)束之后仍然保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是因?yàn)榉b與人體中的熱傳遞存在滯后作用，但模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值誤差逐漸減小。在有無(wú)空氣層情況下，核心溫度的預(yù)測(cè)誤差大小分別為0.25 和0.30 ℃。人體核心溫度是反映人體熱應(yīng)力的重要指標(biāo)，核心溫度通常維持在(37.0 ± 1.0 )℃[20]，人體核心溫度的安全上限為38.5 ℃[21-22]，因此，本文利用38.5 ℃的核心溫度所對(duì)應(yīng)的暴露時(shí)間作為人體熱應(yīng)力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。如圖4所示，在有無(wú)空氣層的情況下消防員發(fā)生熱應(yīng)激的時(shí)間分別為347.0、287.0 s，意味著消防員在287.0 s的熱暴露過(guò)程中并未發(fā)生熱應(yīng)激，熱應(yīng)激主要發(fā)生在冷卻階段。熱應(yīng)激時(shí)間的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的誤差大小分別為7.1%和9.3%。

3.3 皮膚燒傷時(shí)間

熱輻射暴露下消防員發(fā)生皮膚燒傷的時(shí)間如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，無(wú)空氣層情況下皮膚發(fā)生二級(jí)與三級(jí)燒傷的時(shí)間分別為103.4、159.8 s，模型預(yù)測(cè)結(jié)果略微小于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，預(yù)測(cè)相對(duì)誤差大小分別為16.83%、14.00%。在有空氣層情況下皮膚發(fā)生二級(jí)與三級(jí)燒傷的時(shí)間分別為163.8、287.5 s，模型預(yù)測(cè)的二級(jí)與三級(jí)燒傷時(shí)間均偏小，預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差大小分別為9.95%、10.43%。在有空氣層情況下的模型預(yù)測(cè)誤差小于無(wú)空氣層情況下的模型預(yù)測(cè)誤差，這是因?yàn)榭諝鈱訜醾鬟f過(guò)程中忽略了自然對(duì)流的作用，雖然大多數(shù)模型忽略了小于6 mm空氣層的對(duì)流傳熱，但實(shí)際中空氣層的對(duì)流傳熱仍具有重要影響。

圖5 皮膚燒傷時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比Fig.5 Comparison of time to skin burn between experimental test and model prediction

對(duì)比人體發(fā)生熱應(yīng)激與皮膚燒傷的時(shí)間可發(fā)現(xiàn)，有無(wú)空氣層情況下的二級(jí)與三級(jí)燒傷時(shí)間均小于人體發(fā)生熱應(yīng)激的時(shí)間，意味著在熱輻射暴露下，消防員發(fā)生皮膚燒傷更快。進(jìn)一步分析可知，皮膚燒傷時(shí)間均小于熱暴露時(shí)間，而人體發(fā)生熱應(yīng)激的平均時(shí)間大于熱暴露時(shí)間，接近于冷卻階段，這說(shuō)明消防員未發(fā)生皮膚燒傷仍然可能產(chǎn)生熱應(yīng)激。這是因?yàn)槿梭w皮膚溫度的增加主要集中在熱暴露階段，當(dāng)熱暴露結(jié)束之后，人體皮膚溫度主要呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。人體核心溫度雖然在熱暴露初始階段的增長(zhǎng)幅度較小，但是增長(zhǎng)過(guò)程分布在整個(gè)熱暴露與冷卻階段。另外，人體皮膚燒傷發(fā)生的皮膚溫度在44 ℃以上，熱應(yīng)激發(fā)生的核心溫度在38.5 ℃以上，因此，人體皮膚燒傷發(fā)生在熱暴露階段的可能性更大，人體熱應(yīng)激發(fā)生在熱暴露階段與冷卻階段的可能性均存在。綜述所述，消防服熱防護(hù)性能的評(píng)價(jià)既需要以人體皮膚燒傷時(shí)間作為評(píng)價(jià)依據(jù)，也需要參考人體熱應(yīng)激水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

本文基于服裝系統(tǒng)熱傳遞規(guī)律與人體生理熱調(diào)節(jié)機(jī)制，建立了熱輻射暴露下消防員生理反應(yīng)與皮膚燒傷預(yù)測(cè)模型。通過(guò)熱防護(hù)性能測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明：在有無(wú)空氣層2種情況下，平均皮膚溫度的最大偏差分別為2.05和2.19 ℃，核心溫度的最大預(yù)測(cè)偏差分別為0.25和0.30 ℃；模型預(yù)測(cè)的平均皮膚溫度、人體核心溫度的整體變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果均具有較高的一致性。另外，對(duì)比皮膚燒傷與人體熱應(yīng)激時(shí)間可發(fā)現(xiàn)：2種情況下的二級(jí)與三級(jí)燒傷時(shí)間均小于人體發(fā)生熱應(yīng)激的時(shí)間；皮膚燒傷大多發(fā)生在熱暴露階段，而人體熱應(yīng)激更可能發(fā)生在冷卻階段，這意味著在火場(chǎng)環(huán)境下消防員可能未發(fā)生皮膚燒傷，但仍然面臨熱應(yīng)力的威脅。因此，消防服熱防護(hù)性能的評(píng)價(jià)不能僅僅用皮膚燒傷時(shí)間作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，也需要利用人體熱生理反應(yīng)水平作為參考標(biāo)準(zhǔn)，以更加準(zhǔn)確地標(biāo)定消防服的熱防護(hù)性能。未來(lái)研究需要進(jìn)一步調(diào)查人體熱應(yīng)激的影響因素，以結(jié)合皮膚燒傷的影響因素，綜合提出消防服熱防護(hù)性能的優(yōu)化方案。

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