基于IREQ模型的低溫環境應急救援人員冷應激分析*

顧 寅，汲欣愉，朱 超，宮世吉，胡祝強

(中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100083)

0 引言

近年來，由于人類活動加劇，全球環境劇烈變化，我國時常發生低溫災害，針對低溫災害的應急救援活動也應引起重視。在過去的數十年中，學者們制定了大量的指標來評估極端環境所帶來的影響，如：PMV熱舒適指標、風冷指數(WCI)、風冷溫度(WCT)、全球熱氣候指數(UTCI)等[1-5]，但這些指標難以用于低溫環境作業人員人體熱平衡的預測評估。為了能準確評估在低溫環境下工作期間的冷應激，HOLMéR等[6]提出了IREQ模型，經過不斷改進逐漸形成目前國際上廣泛使用的ISO 11079—2007 IREQ冷應激計算評價模型[7-10]，該模型基于人體熱平衡方程得出，綜合考慮溫度、平均輻射溫度、相對濕度、風速等客觀環境條件和人體新陳代謝率、服裝透氣系數等人體主觀因素。然而，研究指出IREQ模型存在適用人群差異、得出評價指標略高等問題[11-12]，因此尚不能準確用于我國低溫環境下應急救援人員冷應激的分析評價工作。

為了能夠較準確地對我國低溫環境下應急救援人員的冷應激進行評價，基于目前在國際上廣泛適用的IREQ冷應激計算評價模型，利用國家推薦性標準GB/T 24254—2009選定應急救援人員的工作服裝熱阻，計算在我國典型地區進行低溫環境下應急救援活動所需服裝熱阻(IREQ)，同時依據風穿透效應和活動水平修正，考慮服裝外層的透氣性，對計算結果進行修正，得到該冷環境下的所需服裝熱阻，即修正服裝熱阻。以此為基礎，結合調查研究，對IREQ模型中的一些參數進行改進，使其更適合我國作業人員生理狀況，進而利用改進的IREQ模型計算分析，不同環境溫度下修正服裝熱阻極值與風速的變化規律以及在不同的恢復狀態下體溫恢復時間與溫度的變化規律?？紤]到應急救援工作的多樣性，進一步分析了有限持續暴露時間在不同環境下的變化規律，并對比了不同氣候條件下改進后的IREQ模型與國際標準(ISO 11079—2007)中模型所計算出的有限持續暴露時間值。

本文改進的IREQ模型考慮了適用于我國作業人員的工作環境及勞動強度，可以通過對一定環境條件下修正服裝熱阻、有限持續暴露時間、體溫恢復時間的計算，對相應低溫環境下人體產生冷應激的風險進行評估，該模型對確定低溫環境下應急救援人員所需服裝熱阻、制定合理組織工作計劃以及避免低溫傷害具有一定參考和借鑒意義。

1 IREQ人體冷應激計算模型及改進

IREQ人體冷應激計算評價模型是基于人體熱平衡方程，綜合考慮冷應力對空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速、相對濕度和指定新陳代謝率等影響因素的計算方法，并以迭代計算的方式得到在冷環境下維持身體熱中性的所需服裝熱阻，進而得到有限持續暴露時間和在一定環境下相應的體溫恢復時間，其一直以來被廣泛地應用于低溫環境下人體冷應激計算評價。其計算結果可作為人體冷應激指標，避免人體受到低溫傷害，或作為有針對性改善工作環境的依據。

在IREQ模型中，人體儲熱率根據人員具體生理參數取值，一般相同工種作業人員取同一經驗值[13]。中國人體質在抗寒方面相比于歐洲人差，儲熱率有所變化，而目前國際上常用的IREQ模型計算時人體儲熱率是依據歐洲人體質得出的[10]。本文在此基礎上對IREQ模型進行改進，結合GB/T 24254—2009選擇適合中國人體質的生理參數，使其更加符合我國作業人員的生理狀況。改進后的IREQ模型主要計算公式如下[13]：

1)人體熱平衡方程

M-W=Eres+Cres+E+K+R+C+S

(1)

式中：M為新陳代謝率，W/m2；W為人體所做機械功，W/m2；Cres為因呼吸造成的對流散熱量，W/m2；Eres為蒸發散熱量，W/m2；E為人體通過皮膚向外界環境空間的蒸發散熱量，W/m2；K為通過熱傳導引起的皮膚與外界環境間的熱交換量，W/m2；R為通過熱輻射引起的皮膚與外界環境間的熱交換量，W/m2；C為通過熱對流引起的皮膚與外界環境間的熱交換量，W/m2；S為使人體體溫上升的熱儲量，W/m2。

其中，R+C由式(2)計算：

(2)

由于呼吸熱損失與人體代謝率相關，對流和呼吸蒸發熱損失一般根據經驗公式計算，如式(3)～(4)所示：

Eres=0.017 3×M×(Pex-Pa)

(3)

Cres=0.0014×M×(29-0.8×ta)

(4)

式中：Pa為水蒸氣分壓，Pa；ta為空氣溫度，℃；Pex為呼出空氣溫度時飽和水蒸氣壓力，Pa，一般由式(5)計算：

現場錄井過程中可綜合運用氣測解釋方法，經實踐證實3H輕質烷烴比值法［4］（包括烴特征值（CH）、烴平衡值（BH）和烴濕度值（WH））可有效識別是否進入油氣層及是否鉆出油氣層或鉆遇低滲層。將WH、BH和CH 值對數曲線和隨鉆錄井剖面放置于同一張圖表中，根據3條曲線的對應關系和趨勢可判斷是否鉆入或鉆出油氣層。

(5)

2)維持人體熱平衡所需的服裝熱阻，即需求熱阻IREQ的計算如式(6)所示：

(6)

式中：R和C通過式(7)～(8)計算得到：

(7)

C=fcl×hc×(tcl-ta)

(8)

(9)

式中：Ia,r為綜合界面層熱阻，m2·K/W；fcl為服裝面積因子，通過式(10)計算[13]：

fcl=1.0+1.97×Icl

(10)

在實際應用時，為了更加精確地得到防護服熱阻值，本文對所需服裝熱阻(IREQ)依據風穿透效應和活動強度進行修正，還考慮服裝外層透氣系數，得到修正服裝熱阻(Icl)：

(11)

式中：va為風速，m/s；vw為步行速度，m/s；ap為服裝透氣系數，L/(m2·s)。

3)有限持續暴露時間(Dlim)與體溫恢復時間(Drec)的計算如式(12)～(14)[13]：

(12)

(13)

S=M-W-Eres-Cres-E-R-C

(14)

式中：Dlim指有限持續暴露時間，h；Drec指體溫恢復時間，h；Q指身體捕獲或損失的能量，kJ/m2，而Qlim指Q的極值。一般計算中，Qlim均取經驗值144 kJ/m2，即40 W/m2。分別使用暴露環境條件與恢復環境條件，即可計算出在特定環境下，身著服裝使應急救援人員免受低溫傷害的有限持續暴露時間與體溫恢復時間。

本文考慮標準工作日8 h工作時間，且考慮到目前國際上常用的IREQ模型計算時人體儲熱率是依據歐洲人體質得出的，而中國人體質在抗寒方面相比于歐洲人較差，儲熱率有所變化，將人體儲熱率閾值設定為-5 W/m2，而非國際常用IREQ模型中設定的-8 W/m2，使其預測范圍更大且更加符合我國作業人員的生理條件。

2 應急救援人員冷應激計算與評價

我國東北、西北大部分地區屬于溫帶大陸性氣候，月平均氣溫低至-15 ℃，風速一般為0～10 m/s，且處于低溫時，相對濕度一般為20%～70%。同時，由于應急救援工作高強度、多種類的特點，人體代謝水平一般在中等及以上。因此本文重點分析不同勞動強度下環境對有限持續暴露時間的影響以及環境變化對修正服裝熱阻的影響。

暴露低溫環境工況選取為：環境溫度變化區間為-30～0 ℃；環境輻射溫度與環境溫度比較相近，取相同值；相對濕度取50%。在分析不同環境溫度下修正服裝熱阻極值與風速的變化規律時，考慮到風穿透效應對服裝熱阻計算的重要影響，選擇0，2，5，7，10 m/s的風速；在分析有限持續暴露時間的變化時，選取0，2，5 m/s 3種風速分別對應的環境狀態進行計算分析。根據實際情況，選擇相對適宜的環境作為恢復環境，取恢復體溫的環境工況為：環境溫度變化區間為15～30 ℃；輻射溫度與環境溫度取相同值；風速為0 m/s；相對濕度為50%。應急救援人員身著服裝熱阻按照國家推薦性標準(GB/T 24254—2009)規定值并結合暖體假人實驗測得的常見軍用防寒裝備服裝熱阻修正后進行計算，即包含內褲、汗衫、保暖褲、保暖夾克、沖鋒褲、沖鋒衣、襪子、鞋、帽子、手套的服裝組合的基本熱阻[15-16]，取為2 clo。服裝透氣系數也依據上述服裝組合確定，為8 L/(m2·s)。有用機械功對大多數工業作業而言，所占比例很低，通常忽略不計。除以上參數外，暴露環境選取身體代謝率為140，175，230 W/m2，而由于恢復環境下救援人員一般處于靜坐或慢走狀態，故取身體代謝率為70，80，90，100，115 W/m2。

本文改進IREQ模型的計算過程通過Matlab程序進行解算，通過迭代計算獲得有限持續暴露時間、修正服裝熱阻極值、體溫恢復時間。

2.1 人體可接受的有限持續暴露時間

選定溫度為-30～0 ℃、風速為0，2，5 m/s的低溫工作環境，在進行不同勞動強度(中等及以上)的作業情況下，采用改進的IREQ模型計算獲得低溫環境下應急救援人員的有限持續暴露時間，變化情況如圖1～3所示。

圖1 人體新陳代謝率為140 W/m2的條件下應急救援人員有限持續暴露時間變化情況Fig.1 Change in limited continuous exposure duration of emergency rescuers with human body metabolic rate of 140 W/m2

圖2 人體新陳代謝率為175 W/m2的條件下應急救援人員有限持續暴露時間變化情況Fig.2 Change in limited continuous exposure duration of emergency rescuers with human body metabolic rate of 175 W/m2

圖3 人體新陳代謝率為230 W/m2的條件下應急救援人員有限持續暴露時間變化情況Fig.3 Change in limited continuous exposure duration of emergency rescuers with human body metabolic rate of 230 W/m2

從圖1～3可以看出，在低溫作業環境下，隨著溫度的升高，應急救援人員可接受的有限持續暴露時間隨著環境風速的降低而快速增大。在作業現場，從事不同勞動強度工作的人員，人體新陳代謝率是不同的：在較高人體代謝率下，人體產熱量處于較高水平，抗寒能力較強，可接受的持續暴露時間顯著提高。

由圖1可知，在中等勞動強度情況下，有限持續暴露時間在-30～-10 ℃溫度區間內處于較低水平，受風速的影響較小；在-10～0 ℃時，有限持續暴露時間快速增大，且受風速的影響較大。結合圖2～3可知，隨著勞動強度的提高，有限持續暴露時間提前進入快速增長階段，說明在較高勞動強度下，即使在溫度較低的環境中，作業人員也可以接受較長時間暴露在低溫環境中的工作。

由上述不同環境和作業人員不同的勞動強度情況下的人體可接受有限持續暴露時間計算結果對比分析可知，在進行低溫環境中的工作計劃安排時，可全面考慮環境因素(特別是溫度、風速)和作業人員自身因素(人體新陳代謝率)的影響，合理安排工作和休息時間，確保作業人員處于安全的工作條件下，避免造成因低溫環境引起的皮膚泛紅、肢體麻痹等冷應激現象，甚至皮下組織及骨骼凍傷、壞死等冷損傷情況[17]。

2.2 修正服裝熱阻極值

選定恒定溫度為-30，-25，-20，-15 ℃，風速為0，2，5，7，10 m/s的作業環境，采用改進后的IREQ模型計算得到修正服裝熱阻極值，計算結果如圖4所示，部分結果如表1所示。

從圖4可以看出，環境溫度從-15 ℃降低到-30 ℃時，修正服裝熱阻極值明顯增大。當環境溫度降低時，人體與環境之間的溫差增大，而人體與環境之間的對流和輻射換熱量與該溫差成正比。因此，人體與環境之間的溫差增大，對流和輻射換熱量隨之增大，此時人體流失的熱量增多。如果此時服裝沒有滿足最低修正服裝熱阻值的要求，人體儲熱量將降低，核心溫度也將降低。通過上述結果分析可知，環境溫度對應急救援人員維持熱平衡所需服裝熱阻影響較大。此外，隨著風速的增加，人體與環境之間對流換熱將增大，若要維持身體熱中性，也需要更高的服裝熱阻。從圖4可以看出，在相同溫度條件下，風速增大，修正服裝熱阻極值也隨之增加。

2.3 本文改進IREQ模型與ISO 11079—2007計算數值的比較

本文在國際常用的IREQ模型基礎上，對人體儲熱率閾值進行了重新選定，并利用改進的IREQ模型根據ISO 11079—2007標準附件F中計算實例的工況條件(見表2)[13]，計算得到所需服裝熱阻中值、基本服裝熱阻及有限持續暴露時間預測值，并與ISO 11079—2007中所給預測值進行比較，結果如表3所示。

表2 ISO 11079—2007標準附件F中計算實例的環境組合Table 2 Environment combination of calculation cases in Annex F of ISO 11079—2007 standard

表3 不同環境組合下的改進數值與ISO 11079—2007的對比Table 3 Comparison of improved values with ISO 11079—2007 under different environment combination

由表3可知，本文所用改進IREQ模型的所需服裝熱阻中值、基本服裝熱阻及有限持續暴露時間預測值與ISO 11079-2007標準中所給預測值較為接近，具有良好的預測性，而且所需服裝熱阻中值、基本服裝熱阻預測值比標準中預測值更高，有限持續暴露時間更低，對于低溫環境下的應急救援作業安全性更高，更有利于應急救援服裝的安全性設計，便于合理安排作業時間和休息時間。

2.4 體溫恢復時間

選定溫度為15～30 ℃，風速為0 m/s，人體新陳代謝率為70，80，90，100，115 W/m2的體溫恢復環境，采用改進的IREQ模型計算得到體溫恢復時間，結果如圖5所示。由圖5可以看到，在高溫恢復環境里，隨著環境溫度的升高，作業人員體溫恢復時間逐漸減少，特別是在溫度為15～20 ℃的區間內，恢復時間減少速度較快；在同一溫度下，隨著人體新陳代謝率的提高，所需體溫恢復時間也會減少。

由此可知，若要低溫環境下的作業人員盡快恢復正常體溫，不至于造成冷損傷，可以提供溫度較高的恢復環境，同時可以進行一些中等以下強度的工作來加快恢復速度，提高工作效率。

圖5 不同勞動強度下作業人員體溫恢復時間的變化情況Fig.5 Change in recovery time of worker' body temperature under different labor intensities

3 結論

1)低溫環境下，通過適當增加勞動強度，可增加人體產熱量，進而有效延長應急救援人員有限持續暴露時間。當人體新陳代謝率為230 W/m2時，有限持續暴露時間在-30～-20 ℃區間即進入快速增長階段。

2)環境溫度和風速對人體熱平衡的影響十分顯著，隨風速增加、溫度降低，修正服裝熱阻值顯著增大。相同環境溫度下，空氣風速從0 m/s增大到10 m/s時，修正服裝熱阻值增大近一倍；相同空氣風速下，環境溫度從-15 ℃降低到-30 ℃時，修正服裝熱阻值增大近50%。

3)基于改進的IREQ模型計算評價我國低溫冰凍災害應急救援作業人員冷應激反應所得結果，相較ISO 11079—2007中給出的國際常用IREQ模型所得的基本需求熱阻更高，有限持續暴露時間更低，對于低溫環境下的應急救援作業安全性更高。

4)恢復環境溫度對于體溫恢復時間有顯著影響，此外，適當增加勞動強度也可以使體溫恢復時間明顯減小。但數據表明，環境溫度高于25 ℃，勞動強度超過80 W/m2時，繼續提高環境溫度或勞動強度對體溫恢復時間影響不大。