評估兒童在高溫密閉車廂中的熱應(yīng)力

魏婧 鄒鉞 周健

1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2 上汽技術(shù)中心

0 引言

近來，因兒童被動(dòng)或主動(dòng)停留在車內(nèi)而導(dǎo)致車輛高溫死亡的事件被頻頻報(bào)道。對于15 歲以下孩子，除去車禍外，車輛高溫已經(jīng)排在車輛相關(guān)死亡原因中的第二位。這說明公眾對于兒童在高溫車廂中的危險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)還不夠到位。

汽車內(nèi)部營造了一種獨(dú)特的可能會(huì)產(chǎn)生極端危險(xiǎn)的熱環(huán)境。當(dāng)汽車處于陽光直射且沒有通風(fēng)的狀況下，內(nèi)部的溫室效應(yīng)引起車廂溫度升高。另外，密閉的車廂缺少通風(fēng)，從而減少了通過對流帶走的熱量，因此進(jìn)一步導(dǎo)致了車廂加熱[1]。

相比于成人，兒童較高的代謝率和較大的體表面積與質(zhì)量比會(huì)使他們吸收更多的熱量，而較低的血量和較少的排汗量使他們散失更少的熱量。當(dāng)處于炎熱的封閉車輛中，被綁在汽車座椅上的兒童很可能無法調(diào)整自身的行為來應(yīng)對高溫，導(dǎo)致他們調(diào)節(jié)體溫的能力降低[2]。當(dāng)身體不堪重負(fù)，不能維持正常體溫，就會(huì)發(fā)生體溫過高，并最終導(dǎo)致中暑甚至死亡[3]。

本研究對加熱的密閉車廂熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了實(shí)測，利用調(diào)整后的熱應(yīng)力預(yù)測模型PHS，模擬1 歲男孩在高溫車廂中的熱應(yīng)力變化，探究了兒童在這種熱環(huán)境中發(fā)生危險(xiǎn)的時(shí)間。

1 研究方法

1.1 密閉車廂熱環(huán)境參數(shù)測量

密閉車廂熱環(huán)境參數(shù)測量的實(shí)驗(yàn)環(huán)境有兩種，一種是普通的室外環(huán)境，一種是風(fēng)洞環(huán)境。測試地點(diǎn)在中國上海市。室外環(huán)境的測試在2018 年7 月16 日，19日和21 日三天進(jìn)行，這三天室外環(huán)境溫度均為33 ℃，是上海七月份比較典型的室外溫度。

風(fēng)洞環(huán)境實(shí)驗(yàn)于在2018 年9 月至12 月在上汽熱能風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。相比于室外環(huán)境，風(fēng)洞環(huán)境可控并且更加穩(wěn)定。風(fēng)洞環(huán)境設(shè)置空氣溫度38 ℃，相對濕度40%，光照布置在車輛頂部的正上方，光照強(qiáng)度1000 W/m2。

室外環(huán)境實(shí)驗(yàn)所用的車輛為深藍(lán)色寶馬218i。實(shí)驗(yàn)開始前，將汽車停放在陽光照射的空地上。車廂內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)采集使用了SWEMA 多點(diǎn)測試系統(tǒng)，可采集車內(nèi)的空氣溫度，輻射溫度，相對濕度以及風(fēng)速，溫濕度探頭位于車廂后排座位頭部位置。安裝設(shè)備后，打開制冷空調(diào)，使車廂溫度低于環(huán)境溫度。之后，關(guān)閉空調(diào)，車窗以及車門，使車輛處于密閉狀態(tài)，開始數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集頻率為一分鐘一次。風(fēng)洞環(huán)境實(shí)驗(yàn)所用車輛為上汽某款SUV，實(shí)驗(yàn)操作與上述相同。

1.2 兒童熱應(yīng)力預(yù)測模型

本文使用了ISO 7933（2004）提出的熱應(yīng)力預(yù)測模型PHS 來評估兒童在極端熱環(huán)境中的生理反應(yīng)。該模型直接考慮了人體直腸溫度，核心溫度，皮膚溫度以及出汗量的變化。它使用以下方程來描述人體的熱量產(chǎn)生：

式中：S 為蓄熱密度，W/m2；M 為代謝率，W/m2，W 為有效機(jī)械功，W/m2；Cres為呼吸對流熱流密度，W/m2，Eres為呼吸蒸發(fā)熱流密度，W/m2；C 為對流熱流密度，W/m2；R 為輻射熱流密度，W/m2；E 為蒸發(fā)熱流密度，W/m2。

為了模擬車廂內(nèi)的兒童，本研究在應(yīng)用該模型時(shí)做了修改。首先，該模型中人體表面積的計(jì)算使用了Du Bois[4]公式，雖然它能滿足對成人表面積的估算，但Haycock 等人[5]已證明，Du Bois 公式應(yīng)用在嬰兒和幼兒身上不準(zhǔn)確，其計(jì)算結(jié)果低估超過了8%。基于易用性和準(zhǔn)確性，本研究采用Costeff[6]公式進(jìn)行兒童表面積的計(jì)算。其計(jì)算公式為：

式中：A 為表面積，m2；m 為體重，kg。

其次，PHS 模型的計(jì)算需要很多環(huán)境、人體、服裝等參數(shù)作為輸入變量。本研究的模擬對象為1 歲男孩，參考2018 最新《兒童身高體重標(biāo)準(zhǔn)表》，1 歲男孩標(biāo)準(zhǔn)身高0.765 m，標(biāo)準(zhǔn)體重10.05 kg，并認(rèn)為兒童為不適應(yīng)性人體，坐在汽車后排，無法自由飲水。

根據(jù)ASHREA Handbook 55（2013），成人靜息代謝率為58.15 W/m2。隨著年齡的增長單位體表面積的基礎(chǔ)代謝率在下降。根據(jù)Bar-Or 等人[7]、Fabbri 等人[8]、Haddad 等人[9]的研究，考慮1 歲兒童的自我意識(shí)較弱，偶爾會(huì)有身體活動(dòng)，不會(huì)完全處于靜坐狀態(tài)，本研究取兒童代謝值為成人的1.2 倍，即58.15×1.2≈70 W/m2，這個(gè)取值與Grundstein 等人[10]、Vanos 等人[11]的取值相近。

在大多數(shù)情況下，人體和環(huán)境的熱交換通過服裝進(jìn)行。服裝性能決定了傳熱速率?；贜am 等人[12]對韓國首爾學(xué)齡前兒童服裝熱阻的調(diào)研，服裝熱阻大小取兒童夏季平均值0.29clo。服裝的蒸發(fā)滲透系數(shù)保持原模型中0.38 不變。

生理參數(shù)的初始值為原模型中的初始值，初始總失水率為0 W/m2，初始直腸溫度為36.8 ℃，初始核心溫度為36.8 ℃，初始皮膚溫度為34.1 ℃，初始平衡核心溫度為36.8 ℃。

兒童最終生理判定指標(biāo)包括人體失水量和直腸溫度。沒有使用皮膚溫度是因?yàn)槟壳癙HS 模型預(yù)測的皮膚溫度值還不太可靠[13]。失水量包括皮膚表面蒸發(fā)的汗液和呼吸蒸發(fā)的水分。當(dāng)人不自由飲水時(shí)，身體的總失水量應(yīng)限制在體重的3%，直腸溫度不應(yīng)超過38 ℃。臨床醫(yī)學(xué)上將中暑的特征界定為核心體溫超過40 ℃（104℉）并伴有神經(jīng)系統(tǒng)異常。由于PHS 模型不考慮神經(jīng)條件，本研究將直腸溫度超過40 ℃(＞104)界定為“中暑”。先前的研究表明，人體的臨界溫度最高是41.6-42 ℃（106.8-107.6℉），超過最高溫度，就不太可能繼續(xù)生存[3]。因此，本文將人類臨界溫度42 ℃（107.6℉）作為兒童死亡的判定指標(biāo)。兒童生理的判定指標(biāo)見表1：

表1 兒童生理反應(yīng)判定指標(biāo)

2 研究結(jié)果

2.1 室外環(huán)境密閉車廂熱環(huán)境參數(shù)測量結(jié)果

圖1 記錄了2018 年7 月16 日，19 日和21 日三天同一時(shí)間段在室外環(huán)境下浸泡的車輛車廂熱環(huán)境參數(shù)的平均變化結(jié)果，以車廂溫度等于室外溫度為起點(diǎn)。數(shù)據(jù)記錄的起始時(shí)間為13:02，終止時(shí)間為14:12，共計(jì)時(shí)長70 min。

圖1 室外環(huán)境車廂后座熱環(huán)境參數(shù)變化

由于沒有空調(diào)開啟及窗戶通風(fēng)，車內(nèi)氣流擾動(dòng)小，風(fēng)速很低，不超過0.1 m/s，平均風(fēng)速在0.03 m/s 左右，可以近似看作為零。

輻射溫度與空氣溫度整體有一致的變化趨勢，并且數(shù)值接近?？梢哉J(rèn)為車廂內(nèi)的輻射溫度與環(huán)境溫度相等。

車廂內(nèi)空氣溫度不斷升高，并且溫度上升的速率有逐漸減小的趨勢。起始空氣溫度為33.01 ℃，整個(gè)過程采集到的車廂最高空氣溫度為55.47 ℃，最先發(fā)生在下午14:07，即65 min 時(shí)，比33 ℃的環(huán)境溫度高出22.47 ℃。過程中采集數(shù)據(jù)的波動(dòng)原因可能是由于環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，如偶爾云層遮擋。65 min 后車廂溫度略有降低，可能是因?yàn)榄h(huán)境溫度降低造成的。

表2 顯示了室外環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，車廂空氣溫度上升至最高溫度前，不同時(shí)間間隔車廂內(nèi)的空氣溫度，以及空氣溫度上升量占最大溫度上升量的比值。從表中可以看出，第5 min 時(shí)，車廂空氣溫度的上升量占到了最大溫度上升量的30%，第15 min 時(shí)達(dá)到了一半，第40 min 時(shí)達(dá)到了最大溫度上升量的90%以上，而最后的25 min 總共只上升了10%左右。由此可以得出，車廂空氣溫度上升主要發(fā)生在前40 min。車輛浸泡1 h時(shí)，車廂溫度達(dá)到55.08 ℃，比環(huán)境溫度高出22.08 ℃，且占到最大溫度上升量的98%，因此可以近似認(rèn)為車輛夏季陽光照射的室外浸泡1 h 便可達(dá)到最大空氣溫度升高量。

表2 不同時(shí)間間隔車廂空氣溫度及空氣溫度上升量占最大上升量的比值

2.2 風(fēng)洞環(huán)境密閉車廂熱環(huán)境參數(shù)測量結(jié)果

圖2 記錄了在環(huán)境條件更穩(wěn)定的風(fēng)洞中，以車廂空氣溫度約等于環(huán)境溫度為初始狀態(tài)，汽車浸泡104 min，車廂的熱環(huán)境參數(shù)變化。車廂的風(fēng)速非常小，可忽略不計(jì)。輻射溫度與空氣溫度基本相同。車廂溫度呈增長率逐漸減小的上升趨勢。所采集到的數(shù)據(jù)中，還沒有出現(xiàn)穩(wěn)定的空氣溫度最大值。初始時(shí)，空氣溫度為38.1 ℃，汽車浸泡5 min 后達(dá)到42.24 ℃，15 min后達(dá)到48.44 ℃，40 min 后達(dá)到57.78 ℃。1 h 后，車廂后座溫度上升至61.67 ℃，比38 ℃的環(huán)境溫度高出23.67 ℃。因此，當(dāng)以車廂溫度等于環(huán)境溫度為起點(diǎn)，汽車浸泡1 h，室外環(huán)境實(shí)驗(yàn)與風(fēng)洞環(huán)境實(shí)驗(yàn)車廂的空氣溫度上升量接近。

圖2 風(fēng)洞環(huán)境車廂后座熱環(huán)境參數(shù)變化

2.3 室外環(huán)境兒童熱應(yīng)力模擬結(jié)果

將圖1 的熱環(huán)境參數(shù)曲線帶入熱應(yīng)力預(yù)測模型，假設(shè)70 min 后空氣溫度維持在55 ℃，輻射溫度與空氣溫度相等，風(fēng)速為零，若一個(gè)1 歲男孩逗留其中，其熱應(yīng)力預(yù)測結(jié)果將如圖3 所示。

圖3 室外環(huán)境車廂內(nèi)兒童熱應(yīng)力變化

從圖3 中可以看出，熱應(yīng)力預(yù)測結(jié)果中的核心溫度比直腸溫度稍高一點(diǎn)，但兩者幾乎相等。核心溫度在37 min 時(shí)達(dá)到38.03 ℃，62 min 時(shí)達(dá)到40.06 ℃，89 min 時(shí)達(dá)到42.03 ℃。直腸溫度在39 min 時(shí)達(dá)到了38 ℃，64 min 時(shí) 達(dá) 到40.03 ℃，90 min 時(shí) 達(dá) 到42.01 ℃。這說明，當(dāng)兒童被遺留在室外33 ℃環(huán)境中浸泡的車輛內(nèi)時(shí)，39 min 兒童身體就達(dá)到無法承受外界環(huán)境熱量的狀態(tài)，64 min 就會(huì)造成中暑并可能產(chǎn)生神經(jīng)損傷，90 min 就會(huì)有致命的危險(xiǎn)。39 min 時(shí)1 歲男孩累計(jì)失水量為66.85g，64 min 時(shí)累計(jì)失水量為139.27 g，90 min 時(shí)累計(jì)失水量為215.86 g。當(dāng)直腸溫度超過42 ℃，1 歲兒童的累計(jì)失水量沒有超過身體重量的3%。

圖4 描繪了直腸溫度超過42 ℃前，車廂內(nèi)的兒童代謝產(chǎn)熱及與環(huán)境各種換熱的熱流密度變化，正向?yàn)榈脽?，?fù)向?yàn)樯?。從圖中可以看出，代謝在蓄熱過程中發(fā)揮了較大作用。輻射換熱密度大小與對流換熱密度大小接近，平均輻射換熱密度為47.88 W/m2，平均對流換熱密度為44.25 W/m2。呼吸對流和呼吸蒸發(fā)在換熱過程中的作用非常微小。當(dāng)處于高溫環(huán)境中，兒童僅通過蒸發(fā)進(jìn)行散熱。盡管單位面積蒸發(fā)散熱量較大，但也沒能及時(shí)將通過身體代謝、輻射、對流三者作用產(chǎn)生的熱量帶走，導(dǎo)致身體不斷蓄熱，直腸溫度不斷升高。

圖4 室外環(huán)境兒童代謝產(chǎn)熱及與環(huán)境換熱的熱流密度

2.4 風(fēng)洞環(huán)境兒童熱應(yīng)力模擬結(jié)果

將圖2 的熱環(huán)境參數(shù)曲線帶入熱應(yīng)力預(yù)測模型，若一個(gè)1 歲男孩逗留其中，其熱應(yīng)力預(yù)測結(jié)果將如圖5 所示。

圖5 風(fēng)洞環(huán)境車廂內(nèi)兒童熱應(yīng)力變化

從圖5 中可以看出，當(dāng)1 歲男孩處在起始溫度更高的車輛內(nèi)，30 min 時(shí)，男孩的核心溫度達(dá)到38.07 ℃，47 min 時(shí)上升至40.04 ℃，61 min 時(shí)則達(dá)到了42.03 ℃。就直腸溫度而言，1 歲男孩在32 min 時(shí)直腸溫度達(dá)到38.03 ℃，身體體溫調(diào)節(jié)開始處于不堪重負(fù)的狀態(tài)，50 min 時(shí)直腸溫度達(dá)到40.08 ℃，兒童出現(xiàn)中暑的癥狀，64 min 時(shí)直腸溫度就到達(dá)42.1 ℃，兒童面臨死亡的危險(xiǎn)，這比在33 ℃環(huán)境中的致命時(shí)間提前了26 min。64 min 時(shí)車廂內(nèi)空氣溫度為62.3 ℃，輻射溫度為60.97 ℃，水蒸氣分壓力為6.65 kPa。32 min 內(nèi)兒童的累計(jì)失水量為56.71 g，50 min 時(shí)的累計(jì)失水量為108.16 g，64 min 時(shí)的累計(jì)失水量為149.02 g。當(dāng)直腸溫度超過42 ℃，1 歲兒童的累計(jì)失水量沒有超過身體重量的3%。

圖6 描繪了兒童在風(fēng)洞環(huán)境浸泡的車輛中，64 min 內(nèi)身體代謝及與環(huán)境換熱的熱流密度變化。由于皮膚濕潤度在16 min 達(dá)到不耐受人體的最大濕潤度0.85，兒童皮膚表面的蒸發(fā)散熱開始減小，但皮膚通過對流和輻射的得熱不斷增加，導(dǎo)致兒童身體蓄熱量不斷上升，直腸溫度不斷升高。

圖6 風(fēng)洞環(huán)境兒童代謝產(chǎn)熱及與環(huán)境換熱的熱流密度

3 結(jié)論

1）當(dāng)密閉車輛在高溫中浸泡時(shí)，車廂內(nèi)風(fēng)速很小，可忽略不計(jì)。車內(nèi)輻射溫度約等于空氣溫度。

2）高溫浸泡時(shí)密閉車廂空氣溫度上升主要發(fā)生在前40 min，浸泡1 h 后，車廂空氣溫度能比環(huán)境溫度高出22～24 ℃。

3）當(dāng)汽車在33 ℃的室外環(huán)境中浸泡，一個(gè)1 歲男孩若置于其中，36 min 就會(huì)達(dá)到身體無法承受的狀態(tài)，64 min 出現(xiàn)中暑，90 min 就會(huì)有生命危險(xiǎn)。

4）當(dāng)汽車在溫度更高且環(huán)境條件更穩(wěn)定的38 ℃風(fēng)洞環(huán)境中浸泡，1 歲男孩若滯留其中，32 min 就無法承受外界得熱，50 min 出現(xiàn)中暑，64 min 就有致命的危險(xiǎn)。