戶外高溫環(huán)境建筑工人熱應激預測分析評價

李春藝，李川，閆肖岳，郭曉峰，鄭富然

[中國礦業(yè)大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083]

0 引言

我國是一個建筑業(yè)大國，建筑行業(yè)是我國重大基礎(chǔ)項目建設的核心力量，從事建筑行業(yè)工作人口眾多。隨著城鎮(zhèn)化建設的加快進行，我國對建筑人員的需求逐漸增加，建筑行業(yè)中很多工作不可避免地暴露于高溫熱輻射環(huán)境中。高溫環(huán)境下建筑工人作業(yè)的熱安全問題逐漸引發(fā)社會關(guān)注，因此，一些學者針對建筑工人高溫熱評價和熱防護開展了相關(guān)研究。

在高溫熱評價的研究中，不少學者提出了關(guān)于作業(yè)人員高溫環(huán)境下熱應激預測評價的分析方法。Kakamu等利用心率對高溫環(huán)境下作業(yè)人員的熱應激水平進行評價研究。Brake 對高溫環(huán)境下77 種不同工況人體生理指標的變化情況進行了研究，并引出了熱環(huán)境評價指標（Thermal Working limit），通過該指標衡量人體生理熱極限。Lai 等開發(fā)了一個12 段人體二維傳熱模型計算瞬態(tài)和非均勻熱環(huán)境中人體傳熱過程，進而預測人體皮膚和核心溫度。Fojtlin 等為預測駕駛?cè)藛T的人體熱生理反應和局部熱感覺，開發(fā)出了一種無空調(diào)、加熱和通風座椅的熱模型。還有謝燕鑫的室外環(huán)境評估的多節(jié)點熱調(diào)節(jié)和舒適模型，以及蔣毅等對濕熱地區(qū)室外非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下人體熱反應的測定。上述多種模型和測量方法大多側(cè)重于環(huán)境因素對人體熱應激的影響，較少考慮作業(yè)人員年齡、身高、服裝等因素的影響，對實際工作中作業(yè)人員的熱應激情況難以準確地預測分析評價。預測熱應激模型（PHS）很好地考慮了環(huán)境因素與人體生理及服裝參數(shù)的綜合影響。目前關(guān)于PHS 模型的運用主要在煤礦和電網(wǎng)行業(yè)，在建筑行業(yè)方面的運用相對較少。

為保障高溫下建筑工人的身體健康，本文將利用預測熱應激模型（PHS）對建筑工人的熱應激進行預測分析評價。綜合考慮環(huán)境因素和人員生理、服裝、作業(yè)強度等參數(shù)的影響，預測分析戶外高溫環(huán)境下建筑工人的核心溫度、出汗量等生理參數(shù)。其中作業(yè)強度通過引入心率—代謝率換算公式，帶入建筑工人作業(yè)過程中所測量的心率來進行計算。最后結(jié)合人體核心溫度和出汗量耐受閾值確定該環(huán)境下建筑工人最大工作時長。分析結(jié)果可用于建筑工地合理設置工人作業(yè)時間，對合理組織高溫環(huán)境下戶外建筑作業(yè)和保障人員熱安全具有重要參考意義。

1 預測熱應激模型

預測熱應激模型是以人體熱平衡方程為基礎(chǔ)，結(jié)合環(huán)境工況參數(shù)和人員參數(shù)，對作業(yè)人員一定作業(yè)時間內(nèi)的生理參數(shù)進行計算。其中環(huán)境工況參數(shù)主要包括環(huán)境溫度、空氣濕度、風速和輻射溫度，人員參數(shù)是指作業(yè)人員的身高、體重、代謝率（作業(yè)強度）、服裝濕阻和熱阻以及作業(yè)時長。計算結(jié)果為該時間內(nèi)人員的核心溫度、出汗量，以及通過核心溫度和出汗量綜合分析得出的最大允許作業(yè)時長。預測熱應激模型的主要理論計算公式如下：

1）人體熱平衡方程

（1）（2）（3）式中：

為代謝率，單位W/m；

為機械功，單位W/m；

C、E為呼吸對流散熱和蒸發(fā)散熱量，單位W/m；

、、為皮膚熱傳導、熱對流和熱輻射與外界環(huán)境的熱交換量，單位W/m；

為皮膚蒸發(fā)散熱量，單位W/m；

為人體熱積蓄，單位W/m；

T為環(huán)境溫度，單位℃；

為水蒸氣分壓，單位kPa。

2)工作人員作業(yè)服裝熱阻和濕阻計算

根據(jù)ISO 9920—2007 Ergonomics of the thermal environment-Estimation of thermal insulation and water vapour resistance of a clothing ensemble（《熱環(huán)境的人類工效學·服飾整體隔熱和抗水蒸氣性的估計》，以下簡稱“ISO 9920—2007”）中所規(guī)定的，作業(yè)人員服裝參數(shù)通常采用熱阻和濕阻進行確定。服裝熱阻是指服裝層與層之間因溫度差而產(chǎn)生的熱流阻力；服裝濕阻是指服裝內(nèi)外由于水蒸氣的壓力差而形成的透濕阻力。

（4）（5）式中：

I為服裝熱阻，單位m·K/W；

R為服裝濕阻，單位Pa·K/W；

I為靜態(tài)服裝熱阻，單位m·K/W；

R為靜態(tài)服裝濕阻，單位Pa·K/W；

v為人體相對于風流的移動速度，單位m/s；

為作業(yè)人員的移動速度，單位m/s。

3）核心溫度與出汗量的計算。

（6）（7）（8）式中：

t、t為人體核心溫度與人體直腸溫度，單位℃；

為皮膚溫度系數(shù)，0.3；

c為人體熱容，單位j/（kg· K）；

S為累計出汗量，單位g；

S為出汗率，單位W/m；

A為人體總表面積，單位m；

，-為時間步長。

4）引用心率計算作業(yè)人員代謝率

目前大部分關(guān)于作業(yè)人員代謝率的研究中，通常采用篩分法和觀察法對作業(yè)人員代謝率進行估計，這兩種方法大多根據(jù)作業(yè)人員職業(yè)和生產(chǎn)活動進行分類，對照圖表查詢代謝率，得到的代謝率精度較低，偏差相對較大。本文采用更為精確的一種方法來計算作業(yè)人員代謝率，即通過心率計算代謝率。據(jù)以往研究成果表明，心率是衡量代謝強度的良好指標。何佳澤等曾對中等熱環(huán)境下建筑工人的心率與代謝率之間的關(guān)系進行了具體研究，精確度達90%以上，計算公式如（9）～（11）所示。采用心率計算代謝率，可操作性較強，應用面較廣。

（9）（10）（11）式中：

為代謝率，單位W/m；

M為休息時的代謝率，單位W/m；

單位代謝率心率的增值，單位BPM；

HR為休息時的心率，單位BPM；

HR為工作時的最大心率，單位BPM；

為最大工作負荷（本文中研究對象主要為男性，故取男性表達式），單位W/m；

為年齡，單位歲；

為體重，單位kg。

2 建筑工人熱應激預測評價

2.1 環(huán)境工況參數(shù)與人員服裝參數(shù)設定

近年來，我國各地高溫天氣頻發(fā)。特別是南方等地多次出現(xiàn)高溫預警，夏季平均氣溫達30 ℃以上。據(jù)統(tǒng)計，在2021 年7 月份，重慶市有14 天平均氣溫達35 ℃以上，其中有2 天氣溫升高至40 ℃左右。高溫天氣頻發(fā)對人們的生活和健康造成了極大影響，加上南方地區(qū)地勢以山谷、盆地居多，水與汽集聚、空氣濕度增大，形成了高溫高濕的氣候環(huán)境，高溫高濕環(huán)境加重了戶外作業(yè)人員的熱應激水平。我國是一個建筑業(yè)大國，建筑作業(yè)為典型的戶外作業(yè)，對戶外高溫建筑工人的熱應激進行準確預測具有較強的現(xiàn)實意義。本文選用重慶市沙坪壩區(qū)所測的建筑工人案例進行預測分析，主要側(cè)重于探究不同風速、濕度以及勞動強度下建筑工人熱應激水平變化情況。

通過對案例中建筑工人作業(yè)環(huán)境信息進行提取分析，設定如下環(huán)境工況參數(shù)：環(huán)境溫度為37 ℃；輻射溫度與環(huán)境溫度相等；空氣相對濕度取值范圍為30%～90%；風速取值范圍為0.1 ～4 m/s（風速0.1 m/s 表示無風狀態(tài)）。

對樣本中作業(yè)人員的生理參數(shù)進行了細致的測量分析，現(xiàn)取其測試樣本的平均參數(shù)設定為本文的人員參數(shù)：年齡51 歲，身高164 cm，體重62.4 kg，作業(yè)人員平均心率為100 BPM，最高心率為136 BPM，最低心率為71 BPM，通過基于心率的代謝率計算公式（9）～（11）進行計算，可得到代謝率為243 W/m；夏季我國建筑工人多身著短袖、長褲，參考ISO 9920—2007，設定服裝熱阻約為0.6 clo，濕阻約為25 pa·K/W。

2.2 預測結(jié)果分析

在環(huán)境溫度為37 ℃、風速為1.2 m/s、人員代謝率為243 W/m時，戶外高溫建筑工人核心溫度隨空氣濕度的變化情況如圖1 所示。由圖1 可知，隨著空氣濕度的增大，人體的核心溫度也逐漸升高。在空氣濕度處于30%～50%之間時，人體核心溫度隨濕度變化不大，當空氣濕度大于50%時，人體核心溫度隨濕度的增加大幅升高。這是因為空氣濕度主要與大氣壓相關(guān)，通過查詢公式可知，空氣濕度越大所對應的大氣壓越大。在本模型的計算中，大氣壓主要參與人體出汗散熱的過程，且散熱量與氣壓成反相關(guān)?？諝鉂穸壬咚鶎拇髿鈮狠^大，人體因出汗而散發(fā)的熱量減少，人體熱蓄積，核心溫度升高。之后隨著人體與環(huán)境熱交換趨于平衡，人體核心溫度也逐漸趨于穩(wěn)定。參考ISO 7933 Ergonomics of the thermal environment-Analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain（《熱環(huán)境的人類工效學·通過計算預測的熱應變對熱應力的分析測定和說明》）以及中國軍事醫(yī)科百科全書中所提出的關(guān)于人體核心溫度和出汗量的標準，設定39.4 ℃為核心溫度閾值，體重的7.5%為累計出汗量的閾值。由圖1 可知，當空氣濕度大于50%時，核心溫度在1 h 內(nèi)達到耐受閾值。當濕度小于50%時，核心溫度穩(wěn)定在37.7 ℃。所以在高溫高濕環(huán)境下應盡量降低建筑工人的勞動強度，防止工人出現(xiàn)熱損傷。

圖1 環(huán)境溫度37 ℃、風速1.2 m/s、代謝強度243 W/m2核心溫度

不同風速情況下，建筑工人核心溫度變化情況如圖2所示，當風速位于[0.1,3]區(qū)間時，核心溫度隨著風速增加而降低，在[3,4]區(qū)間，核心溫度隨風速增大而升高。這是因為當風速較小時，風速增加，加大了人體與環(huán)境的對流換熱量，起到了降低溫度的作用。當風速較大時，風速增加，會使服裝的濕阻和熱阻增大，從而抑制皮膚—服裝—環(huán)境之間的散熱作用，導致熱量積聚，核心溫度升高。同時，由圖2 可知，在該環(huán)境工況下，作業(yè)前期溫度隨時間的增幅都較大，在75 min 內(nèi)，不同風速下的核心溫度均已超過耐受閾值。所以在高溫環(huán)境中，人員作業(yè)前期熱應激水平受風速影響不大。在該環(huán)境條件下，應讓工作人員間歇作業(yè)，合理設置休息時間，避免出現(xiàn)熱損傷。

圖2 環(huán)境溫度37 ℃、相對濕度70%、代謝強度243 W/m2核心溫度

由上文可知，設定核心溫度閾值為39.4 ℃，出汗量閾值為人員體重7.5%，本文選取的案例人員體重為62.4 kg，所對應的人體出汗量閾值為4 680 g。查閱相關(guān)規(guī)范和聯(lián)系生活實際可知，建筑工人普遍連續(xù)作業(yè)時長一般為4 ～5 h（即持續(xù)工作一上午或一下午），在本文中設定建筑工人最大連續(xù)工作時長為4 h（240 min）。根據(jù)該閾值對上述不同空氣濕度和風速下建筑工人最大作業(yè)時長進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 環(huán)境溫度37 ℃，代謝率243 W/m2各工況下最大作業(yè)時長

由圖3 可知，在高溫環(huán)境下空氣濕度值對作業(yè)人員核心溫度達到閾值的時間影響較大。所以在高溫環(huán)境下空氣濕度含量較高時，應適當降低建筑工人勞動強度，施工單位應增加作業(yè)人員休息次數(shù)或適當減少作業(yè)時長，盡量避免長時間高強度的連續(xù)作業(yè)。風速對建筑工人核心溫度的影響較弱，由圖3 可知，在風速位于[0.1,3]區(qū)間時，風速增大會導致建筑工人核心溫度升高到閾值的時間增長；而當風速在[3,4]區(qū)間時，風速增大，核心溫度達到閾值時間減短。所以在高溫環(huán)境下，增設通風設備，適當提高環(huán)境風速可延長人員核心溫度達到規(guī)定閾值的時間。在高溫天氣下，施工單位應合理設置作業(yè)人員勞動強度，對于重勞動作業(yè)，應安排在當日溫度較低時段進行，或?qū)嵭休喠髯鳂I(yè)，防止建筑工人出現(xiàn)熱損傷。經(jīng)過對該環(huán)境溫度和工作強度中不同風速、濕度下作業(yè)人員的累計出汗量進行計算，并參照人體出汗量生理耐受閾值（4 680 g），分析得知在設定的最大連續(xù)工作時長內(nèi)，作業(yè)人員累計出汗量均未達到閾值，故由出汗量確定的作業(yè)人員最大作業(yè)時長為240 min。結(jié)合圖3 可知，建筑工人核心溫度達到閾值的時間均小于或等于出汗量達到閾值的時間，相比之下，采用核心溫度來確定高溫環(huán)境下建筑工人最大工作時長更為準確。同時說明出汗量達到閾值對人體的危害更大，因為當人體出汗量達到閾值時，核心溫度早已達到人體生理耐受閾值，人員已經(jīng)受到熱損傷或已持續(xù)一段時間處于熱衰竭狀態(tài)。

3 結(jié)論與建議

1）在高溫環(huán)境下，建筑工人熱應激狀態(tài)受空氣濕度影響較大，當空氣濕度大于50%時，核心溫度隨濕度變化增幅較為顯著。在本文引用的案例中，空氣濕度為70%和90%時，核心溫度在60 min 左右就達到了規(guī)定閾值。因此在高溫高濕環(huán)境下建筑工人應至少每隔1 h 休息一次。

2）高溫環(huán)境條件下，風速位于[0,3]區(qū)間，建筑工人的核心溫度隨著風速增加而降低；在[3,4]區(qū)間，隨著風速增加而升高；在當?shù)仫L速較小時，建議施工單位可添加風扇、風機等通風設備，適當增大風速，使作業(yè)場所風速穩(wěn)定在3 m/s 左右，改善人員熱應激狀態(tài)。但風速對人員的熱應激水平影響相對較弱，在環(huán)境溫度較高時，還應以增加作業(yè)人員休息次數(shù)為主要措施。

3）綜合比較采用核心溫度與出汗量確定的建筑工人最大作業(yè)時長，分析得知采用核心溫度作為建筑工人熱應激衡量標準更為準確。因為除非作業(yè)人員在高溫環(huán)境下從事高勞動強度作業(yè)或持續(xù)長時間工作，否則出汗量很難達到規(guī)定閾值，相比于核心溫度確定人員熱應激狀態(tài)具有延后性。