空氣除濕服微環境除濕與人體熱應力研究

王澤華 鄒鉞 邱茶連

東華大學環境科學與工程學院

在夏季炎熱的高溫高濕的環境下，存在著許多必須在戶外進行的作業，如排爆隊員、焊工等，傳統的空調無法對這些作業對象進行降溫除濕工作，而空氣除濕服能夠有效地解決在室外無法進行降溫除濕的問題。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衣下微環境空間，從而給人體營造一個相對密閉的衣下微環境。經過處理的干燥空氣輸送到人體的除濕服的微環境中，通過熱質交換，降低皮膚周圍空氣的含濕量，從而降低人體的皮膚濕潤度。

1 空氣除濕服

1.1 空氣除濕服的對比

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

1.2 空氣除濕服的設計

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境中工作的特殊人群，降溫的設計選用防化服設計。由于人體上半身的熱敏感點是在人體背部和胸部[4]，因此送風口選用在人體的背部和胸部，以達到用盡量小的風量來達到降溫作用。由于袖口通常是封閉狀態，未通風時經常會使微環境的空氣結露而使水滴流出，因此采用在手臂兩側和肩胛處開口的方式使通風的氣流組織能夠更加有效地消除人體的潛熱。

2 衣下微環境模型

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境層[5]。由此可見，通空氣的前后，對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，而在通入空氣微環境生成后，傳熱模型發生改變，要另作分析，整個能量的交換過程中可分為皮膚層、內衣層、微環境空氣層、外衣、外環境這五個部分。

2.1 微環境傳熱模型

根據能量的轉換與守恒定律，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為人體對外所做的機械功，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為人體皮膚擴散蒸發熱損失，W/m2；Ere為呼吸蒸發熱損失，W/m2；Cres為呼吸對流熱損失，W/m2；Eres為人體呼吸的潛熱蒸發熱損失，W/m2；S為人體蓄熱率，W/m2。

2.2 傳熱模型條件假設

假設如下：1）由于人體皮膚與內衣層間隙極小，可視為一維穩態導熱。2）空氣通入微環境處的氣流視作均勻氣流，溫度分布均勻。3）忽略微環境處服裝外衣層與內衣層的熱輻射。4）由于在送風過程中，衣內存在正壓，微環境空氣層留有一定的厚度，即微環境的空氣層與兩側的服裝層進行對流換熱，如圖1所示。

圖1 除濕處理后微環境層熱交換圖

2.3 模型得計算分析

本文選取的標準男性人體模型，實驗對象的勞動強度為中等勞動強度[7]，在人體體溫機制調節下，人體產熱和散熱處于一個動態的平衡過程中，因此設定S=0 W/m2。而由于整個人體都已經被除濕服覆蓋，外服裝表面的輻射換熱，對流換熱量與人體新陳代謝量均由除濕服承擔，即：

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

3 熱應力以及熱應力的計算

3.1 熱應力

美國職業安全與健康研究所定義的熱應力為由環境和人體自身因素產生的作用于人體的熱負荷的總和，是人體在承受極端熱環境的熱負荷過程中的一種程度上的描述[8]。熱應力的評價指標主要用于在極端熱環境下衡量發生高風險性熱病和熱事故的熱應力水平，通過按熱應力的評價等級的不同將其作為防范標準，為工作環境中的溫濕度的控制提供科學依據。目前常見的熱應力評價指標主要包括直接指標（干球溫度、濕球溫度）、理論指標（操作溫度、熱應力指數、皮膚濕潤度）、經驗指標（有效溫度、濕球黑球溫度）、生理學指標（體溫、皮膚溫度、失水量）。

3.2 實驗用熱應力指標

由于干球溫度主要用于舒適性區域內的從事輕度勞動強度、身著常規室內服裝的勞動個體的熱應力，濕球溫度適用于評價與干球溫度大致相等環境為高濕度情況下的熱應力，所能夠評價的指標過于單一，并不能為在實驗中得到具體有效的評價防范標準。因此本次實驗的所用到的熱應力指標主要采用理論指標，經驗指標和生理學指標相結合的方式。

3.2.1 熱應力指數（HSI）

熱應力指數[9]最早在1955年被提出，它主要應用于實驗室以及熱應力研究領域。它是根據給定的熱環境作用于人體的外部熱應力，不同勞動強度的條件下的環境及人體的新陳代謝的因素所計算導出。它是指在保持身體熱平衡的狀況下的人體所需的蒸發散熱與人體能達到的最大蒸發散熱量之比。在人體受到熱應力的狀況下，人體的最大蒸發散熱量限定在700 W/m2，此時所達到的最大出汗率為280 mg/(s·m2)。在假定人體的平均皮膚溫度tsk=35℃的情況下，身穿傳統長袖襯衫和褲子的條件下，已有了熱應力圖示解決方案。該方案把按熱應力指數的不同，將熱應力狀況分為四個部分：警告區，嚴重警告區，危險區和極度危險區，如圖2[10]所示。除了在警告區時可能會出現熱疲勞狀況，在其他的三個區域均會出現中暑抽筋熱疲勞的狀況。

圖2 HSI指標值及熱應力圖示解決方案

由于熱應力指數只是一個比值，并不能反映出新陳代謝和環境熱產生的熱應力。而且熱應力指數并不適用于熱應力很高的條件下，無法分辨出環境的熱濕狀況。

3.2.2 有效溫度

有效溫度是依據半裸與穿夏季薄衫的人在一定條件的環境中所反應的瞬時熱感覺作為決定各項因素綜合作用的評價標準。它是將干球溫度、濕球溫度、風速三個參數作為依據，以人的熱感覺為標準的測量熱環境的指標。常用的有效溫度的計算公式如下所示[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，將傳統的定義室內有效溫度的100%的相對濕度修正為50%，使該溫度在計算室內環境所需的通風量和空調熱負荷中更為實用。在實際計算操作中，根據不同的勞動強度所對應的有效溫度是不同的，而在相同的工作環境和勞動強度中，熱適應人體的極限要比不適應人體的極限要高大約2℃左右。

由于礦井的高溫高濕的環境，熱應力的評價指標得到了廣泛的應用。煤炭科學研究總院撫順研究院提出綜合溫度指標Tz[12]，℃，與有效溫度不同的是它是通過環境的微氣候因素對人體的主觀心理感受來確定，能夠比較全面的反映環境的氣候質量以及對環境對其中人員的健康，安全和生產的總和影響。

式中：HR是相對濕度；v是風速，m/s。

4 實驗進行與分析

4.1 實驗方法

實驗在室外進行，測得環境溫度為35℃，相對濕度為70%。參加實驗的受試者為東華大學環境學院10名男生，身穿薄質短袖和短褲，年齡在20歲到24歲之間，身體健康。受試者來自全國各地具有一定代表性。

受試者先在戶外休息20 min，以適應當前熱環境。受試者分為2組，實驗期間進行簡單的機械活動以達到中等勞動強度，用Swema溫濕度探頭測量衣下微環境的溫度和相對濕度，利用溫度探頭測量人體各點的皮膚溫度[13]。第一組穿上除濕服5 min后通入34℃，含濕量為6.2 g/kg，風量為23 m3/kg的空氣，第二組穿上除濕服5 min后通入經過加濕處理的32℃，含濕量為7.2 g/kg，風量為18 m3/kg的空氣（表1）。受試者需每分鐘報告自身熱感覺并分別記錄每組受試者衣下微環境的溫度，相對濕度和皮膚溫度以及受試者的主觀感受，測量結果如圖3～4及表2～3所示。

表1 微環境的空氣狀態表

圖3 直接通空氣后的衣下微環境溫濕度變化圖

圖4 加濕通風后衣下微環境溫濕度變化圖

表2 人體各處皮膚溫度測量表

表3 微環境熱應力表

4.2 實驗結果分析

4.2.1 微環境的參數變化

在通風前的5 min內，相對濕度急劇升高，微環境處于高溫高濕狀態，此時人體所受的熱應力最大，受試者伴有頭暈和輕微的嘔吐現象。主要是由于在陽光暴曬中，防護服外層溫度達到45℃反而高于人體皮膚溫度，衣服內部熱傳導的導熱方向是從防護服到人體皮膚側，而人體的皮膚濕潤度w增大到閾值后，熱量無法排出，遂導致出現中暑的癥狀。

在兩組實驗通風后，溫度下降了2～3℃，含濕量下降了近20 g/kg，此時的微環境處于高溫低濕狀態，熱應力指數和有效溫度均有明顯下降，受試者的中暑現象逐漸消失?？梢钥闯觯诟邷貭顟B下，通過降低人體周圍含濕量的做法能夠緩解人體的熱應力，這是由于通風后人體微環境處于正壓狀態，皮膚濕潤度逐漸降低，新陳代謝產生的熱量通過皮膚和呼吸的潛熱損失傳遞到微環境中。而在微環境中加濕處理的含濕量反而要低于加濕處理的，主要是由于經過加濕處理后通風風量下降5 m3/h左右，通入人體微環境后，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，本次通風主要是對上半身通風處理，氣流組織難以到達小腿處。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，是通風量的下降造成的。受試者主觀感受是不加濕處理的的送風感更強，熱應力緩解能力更強，從綜合溫度從側面看出，加濕的綜合溫度反而要高于不加濕處理的，如表3所示。

5 結論

1）在相對移動型高溫高濕的封閉工作環境中，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度，用消除潛熱來緩解人體的熱應力反應是可行的。

2）在除濕服的設計過程中，送風狀態的風溫，風濕和風量是三個最重要的參數，而僅僅改變其中的某一個參數而導致另兩個參數形成相應的副作用效果，對人體的緩解熱應力反應也是不利的。

3）除濕服在肩胛處的設計應考慮到氣流組織有效作用，可以在該處做架空處理使微環境層間距更大，或者增大送風量提高微環境的正壓，既能相對除濕降溫又能保證風量。

4）實驗的后續目標是改變送風位置，如只從頭部送入低濕的空氣或對人體的呼吸空氣進行除濕處理比較人體熱應力的緩解程度。