熱輻射暴露下消防員的生理反應及皮膚燒傷預測

蘇 云，楊 杰，李 睿，宋國文，李 俊, 張向輝

(1.東華大學 服裝與藝術(shù)設(shè)計學院，上海 200051；2.東華大學 功能防護服裝研究中心，上海 200051；3.東華大學 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051；4.愛荷華州立大學，美國 愛荷華 50011)

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

熱災害環(huán)境下消防員熱應激與皮膚燒傷的研究一直以來就是2個熱點問題。熱應激的影響因素包括環(huán)境、服裝性能、人體活動水平與負重[4]，但目前消防員熱應激的研究主要集中在高溫環(huán)境[5]，這種條件不會導致皮膚的燒傷，無法真實反映消防員所暴露的火災環(huán)境，因此，進行火災環(huán)境下消防員熱應激的研究具有重要意義。另外，目前消防服熱防護性能的研究主要是利用皮膚燒傷時間作為評價指標，研究表明，消防服的熱防護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并不一定減少熱應激的發(fā)生，過去研究也未調(diào)查消防員熱應激與皮膚燒傷之間的關(guān)系，熱應激在火場環(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間評價消防服的熱防護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。

由于火災環(huán)境的危險性，熱應激與皮膚燒傷的實驗評價往往不能使用真人進行，因此數(shù)值模擬方法成為消防服熱防護性能評價的有效手段。人體熱應激的預測通常是基于人體熱調(diào)節(jié)模型，如Stowijk提出的25節(jié)點模型[9]、Gagge提出的2節(jié)點模型[10]、Tanabe提出的65節(jié)點模型[11]、15區(qū)段Fiala模型以及可調(diào)節(jié)區(qū)段的UCB模型[12-13]，預測人體皮膚溫度與核心溫度用于評價消防員的熱應激。皮膚燒傷的預測通?；赑ennes生物熱傳遞模型與Henriques燒傷積分模型，計算皮膚燒傷時間。然而，目前很少有模型能夠同時預測人體的熱應力與皮膚燒傷，因此，本文提出新的數(shù)值模型用于預測消防員在熱輻射暴露下的生理反應與皮膚燒傷，從而更加準確地評價消防服的熱防護性能。

1 數(shù)值模型

1.1 服裝熱傳遞模型

在消防作業(yè)過程中，外界環(huán)境熱量向人體的傳遞主要通過對流、傳導、輻射3種方式進行，彼此之間相互耦合。為簡化火災環(huán)境下消防服內(nèi)部的熱傳遞過程，根據(jù)實際情況可作如下假設(shè)：

1)整個織物系統(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熱的耦合現(xiàn)象，假設(shè)對流傳熱僅僅發(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反應；

4)考慮織物熱物性能隨溫度的變化，但假定織物的光學參數(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為織物的導熱系數(shù)，W/(m·K)；T為不同時刻、不同位置的溫度值，℃；qrad為輻射傳遞熱流密度，W/m2?？椢锏膶嵯禂?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，無量綱；kfiber和kair分別為纖維與空氣導熱系數(shù)，W/(m·K)。織物內(nèi)部輻射傳熱的衰減是由織物對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

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

(6)

式中：ρair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 個部位，包括頭、手、腳、上臂、前臂、大腿、小腿、前胸等。每個部位由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，每個部位、每一層的熱傳遞方程可表達為

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

(8)

式中：c為人體不同節(jié)點熱容，J/(kg·K)；T為人體不同節(jié)點溫度，℃；t為暴露時間，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個部位、4層組織組成80個節(jié)點，每個節(jié)點通過血液流動與中央血液層進行熱交換，其熱傳遞方程可表達為

(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)境顯熱傳遞包括對流、輻射和傳導熱交換：

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 皮膚燒傷預測模型

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)局部血液流動速率保持恒定；5)對于短時間、強熱暴露忽略人體新陳代謝產(chǎn)熱，相反對于長時間、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等國際標準，利用Henriques皮膚燒傷模型方程評價皮膚燒傷情況，其方程可表達為

(14)

式中：ΔE為皮膚活化性能，無量綱；P為頻率破壞因子，無量綱；Ω為皮膚燒傷程度的量化值，無量綱；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 ℃的時間，s。

1.5 模型求解

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

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

2 實驗方案

模型驗證實驗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《測量紡織材料的厚度的標準試驗方法》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時采用差分掃描量熱儀進行測量。

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

本文利用熱防護性能測試平臺驗證熱輻射條件下數(shù)值模型的準確性，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準試驗方法(CRE型拉伸試驗機)》，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)測織物背面皮膚的熱流變化。另外，可通過調(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，更加精確地評價熱輻射條件下不同織物系統(tǒng)的熱防護性能。傳感器傳送裝置可在非熱暴露位置與熱源之間移動，一旦熱暴露開始，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將會收集皮膚表面的熱流變化。本文實驗設(shè)置織物熱暴露時間為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。為保證實驗數(shù)據(jù)的有效性與減小實驗誤差，實驗樣品按照以上要求重復測量3次。

圖2 熱防護性能測評裝置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，預測在典型火場環(huán)境下消防員的平均皮膚溫度。圖3示出了模型預測平均皮膚溫度與實驗測量值之間的對比圖。在整個熱暴露過程中，皮膚溫度隨著時間的增加而上升，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，皮膚溫度開始急劇下降。

圖3 平均皮膚溫度實驗測量值與模型預測值的對比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)，預測結(jié)果與實驗測量值的總體趨勢具有較好的一致性，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)，模型預測的皮膚溫度上升速率稍微大于實驗測量值，有空氣層與無空氣層2種情況下的平均皮膚溫度最大差異分別為2.05和2.19 ℃，這主要因為該模型忽略了服裝內(nèi)部的多維熱傳遞與濕傳遞過程。據(jù)文獻[16]報道，在熱暴露過程中織物系統(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程，所以其織物中心部位的預測溫度明顯偏高。同時，織物內(nèi)部的水分對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，模型預測與實驗測量的誤差逐漸減小，這是因為人體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測溫度變化趨勢與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程。

3.2 人體核心溫度

圖4示出了消防服有無空氣層條件下核心溫度的模型預測值與實驗測量值。

圖4 核心溫度實驗測量值與模型預測值的對比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)，模型預測的核心溫度增長速率大于實驗測量大小，核心溫度在300 s熱暴露結(jié)束之后仍然保持增長趨勢，這是因為服裝與人體中的熱傳遞存在滯后作用，但模型預測值與實驗測量值誤差逐漸減小。在有無空氣層情況下，核心溫度的預測誤差大小分別為0.25 和0.30 ℃。人體核心溫度是反映人體熱應力的重要指標，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 ℃的核心溫度所對應的暴露時間作為人體熱應力的評價指標。如圖4所示，在有無空氣層的情況下消防員發(fā)生熱應激的時間分別為347.0、287.0 s，意味著消防員在287.0 s的熱暴露過程中并未發(fā)生熱應激，熱應激主要發(fā)生在冷卻階段。熱應激時間的模型預測值與實驗測量值的誤差大小分別為7.1%和9.3%。

3.3 皮膚燒傷時間

熱輻射暴露下消防員發(fā)生皮膚燒傷的時間如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，無空氣層情況下皮膚發(fā)生二級與三級燒傷的時間分別為103.4、159.8 s，模型預測結(jié)果略微小于實驗測量值，預測相對誤差大小分別為16.83%、14.00%。在有空氣層情況下皮膚發(fā)生二級與三級燒傷的時間分別為163.8、287.5 s，模型預測的二級與三級燒傷時間均偏小，預測的相對誤差大小分別為9.95%、10.43%。在有空氣層情況下的模型預測誤差小于無空氣層情況下的模型預測誤差，這是因為空氣層熱傳遞過程中忽略了自然對流的作用，雖然大多數(shù)模型忽略了小于6 mm空氣層的對流傳熱，但實際中空氣層的對流傳熱仍具有重要影響。

圖5 皮膚燒傷時間實驗測量值與模型預測值的對比Fig.5 Comparison of time to skin burn between experimental test and model prediction

對比人體發(fā)生熱應激與皮膚燒傷的時間可發(fā)現(xiàn)，有無空氣層情況下的二級與三級燒傷時間均小于人體發(fā)生熱應激的時間，意味著在熱輻射暴露下，消防員發(fā)生皮膚燒傷更快。進一步分析可知，皮膚燒傷時間均小于熱暴露時間，而人體發(fā)生熱應激的平均時間大于熱暴露時間，接近于冷卻階段，這說明消防員未發(fā)生皮膚燒傷仍然可能產(chǎn)生熱應激。這是因為人體皮膚溫度的增加主要集中在熱暴露階段，當熱暴露結(jié)束之后，人體皮膚溫度主要呈現(xiàn)下降的趨勢。人體核心溫度雖然在熱暴露初始階段的增長幅度較小，但是增長過程分布在整個熱暴露與冷卻階段。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，消防服熱防護性能的評價既需要以人體皮膚燒傷時間作為評價依據(jù)，也需要參考人體熱應激水平進行綜合評價。

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)機制，建立了熱輻射暴露下消防員生理反應與皮膚燒傷預測模型。通過熱防護性能測試平臺驗證了預測模型的準確性，結(jié)果表明：在有無空氣層2種情況下，平均皮膚溫度的最大偏差分別為2.05和2.19 ℃，核心溫度的最大預測偏差分別為0.25和0.30 ℃；模型預測的平均皮膚溫度、人體核心溫度的整體變化趨勢與實驗測量結(jié)果均具有較高的一致性。另外，對比皮膚燒傷與人體熱應激時間可發(fā)現(xiàn)：2種情況下的二級與三級燒傷時間均小于人體發(fā)生熱應激的時間；皮膚燒傷大多發(fā)生在熱暴露階段，而人體熱應激更可能發(fā)生在冷卻階段，這意味著在火場環(huán)境下消防員可能未發(fā)生皮膚燒傷，但仍然面臨熱應力的威脅。因此，消防服熱防護性能的評價不能僅僅用皮膚燒傷時間作為評價準則，也需要利用人體熱生理反應水平作為參考標準，以更加準確地標定消防服的熱防護性能。未來研究需要進一步調(diào)查人體熱應激的影響因素，以結(jié)合皮膚燒傷的影響因素，綜合提出消防服熱防護性能的優(yōu)化方案。

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