高溫高濕環(huán)境評價指標研究

王秋月

沈陽建筑大學(xué)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟水平的迅猛發(fā)展，人們對生產(chǎn)生活環(huán)境的舒適性、安全性要求越來越高，我國對建筑內(nèi)環(huán)境已經(jīng)有一定程度的研究，建筑的內(nèi)環(huán)境處于人體可接受的舒適范圍，但一部分特殊環(huán)境，例如鋼鐵、玻璃、陶器、橡膠、鑄造、采礦等高溫高濕的作業(yè)環(huán)境只有一部分人對其進行研究，我們通常認為高溫環(huán)境是工作環(huán)境溫度在32℃以上和生活環(huán)境溫度在35℃以上，把相對濕度在60%以上的環(huán)境稱為高濕環(huán)境。高溫高濕的工業(yè)環(huán)境區(qū)別于建筑內(nèi)環(huán)境的主要方面在于其溫度與濕度，溫度和濕度是影響人體熱舒適的主要環(huán)境因素。勞動者在這種工業(yè)環(huán)境下進行長時間工作，不僅要忍受身體上的不良反應(yīng)，心理上也會承受不同程度的不舒適。人體長時間處于這種環(huán)境，不僅會影響工作效率，還會對人體造成熱傷害甚至造成嚴重的生產(chǎn)事故。研究適合高溫高濕環(huán)境的評價指標對減輕人體傷害有極其重要的意義。

2 高溫高濕環(huán)境對人體的影響

針對高溫高濕環(huán)境下的作業(yè)安全，我國已經(jīng)出臺了一系列法律法規(guī)，如針對高溫環(huán)境的評價標準出臺了《高溫作業(yè)分級》（GB/T4200—2008），針對高溫條件下的人體耐熱能力頒布了《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》（GBZ2—2002），根據(jù)人體WBGT指數(shù)頒布了《根據(jù)WBGT指數(shù)(濕球黑球溫度)對作業(yè)人員熱負荷的評價》（GB/T17244—1998），并且對高溫高濕環(huán)境下的勞動者進行高溫補貼。高溫高濕環(huán)境下影響，人體身心健康和生產(chǎn)效率的主要因素有空氣溫度、空氣濕度、空氣流速和平均輻射溫度。

2.1 空氣溫度

在高溫高濕環(huán)境中，空氣溫度高于普通環(huán)境溫度，是人體與環(huán)境對流和輻射換熱人的主要影響因素，當環(huán)境溫度升高時，人體皮膚溫度隨之升高，與外界溫差減小。人體向周圍環(huán)境的散熱降低，對流和輻射散熱量減少。體內(nèi)的余熱蓄積，無法向周圍環(huán)境散出，人體會感覺比平時溫度高。

2.2 空氣濕度

人體的熱交換包括潛熱交換和顯熱交換，顯熱交換主要通過皮膚蒸發(fā)和呼吸散熱，皮膚蒸發(fā)主要通過汗液蒸發(fā)，在高溫高濕環(huán)境中濕度高達60%~80%，相對濕度較高時，空氣中水蒸氣分壓力加大，人體長期在這種環(huán)境下進行作業(yè)勞動，汗液蒸發(fā)受到抑制，在高溫的作用下，人體的熱感增加。

2.3 空氣流速

高溫高濕環(huán)境中空氣流動速度大小是影響對流質(zhì)交換系數(shù)的主要因素，空氣流動速度加大，對流傳熱系數(shù)加大，周圍環(huán)境與人體之間的換熱量增大，當人體表面有汗液存在時，空對流傳質(zhì)增大，皮膚表面汗液蒸發(fā)加快，蒸發(fā)散熱量增大，反而會增加冷感。

2.4 平均輻射溫度

平均輻射溫度的大小對人體與環(huán)境之間的輻射熱交換有一定的影響，與人體表面之間的溫差越大，輻射熱交換越多，平均輻射溫度高于人體表面溫度時，人體從周圍物體和環(huán)境中吸收熱量，成為人體的附加熱負荷，當人體溫度過高時，人體向周圍環(huán)境散發(fā)熱量。平均輻射溫度是周圍環(huán)境以及物體向人體輻射的平均溫度，因此高溫高濕環(huán)境中存在的物體對人體也存在一定影響。

3 熱環(huán)境評價

熱環(huán)境評價指標主要分為熱舒適評價指標和熱應(yīng)力評價指標，熱舒適評價指標主要研究人體所處環(huán)境是否滿足人體的熱舒適要求，熱應(yīng)力評價指標主要研究特殊環(huán)境或者可能出現(xiàn)熱失調(diào)環(huán)境對人體影響，環(huán)境是否會對人體造成傷害的指標。

3.1 熱舒適指標

環(huán)境因素和個體因素共同影響人體熱舒適，目前為止，大量研究人員對影響人體熱舒適的因素進行綜合，并通過綜合后的指標評價和預(yù)測人體熱舒適的程度，在對室內(nèi)環(huán)境進行研究評價時，研究者基于大量試驗研究和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)多種熱舒適評價指標：有效溫度ET、新有效溫度ET*、標準有效溫度SET、預(yù)測平均評價PMV、主觀溫度等。

3.1.1 有效溫度ET、新有效溫度ET*、標準有效溫度

所謂有效溫度ET指標是指室內(nèi)空氣溫度、空氣平均流速、空氣濕度綜合成一個單一空氣溫度來表示的熱感覺指標。有效溫度ET等于在相同熱感覺條件下靜止狀態(tài)下飽和空氣的溫度。它的主要目的是研究熱感覺受溫度的影響程度。在應(yīng)用過程中有效溫度存在一定的缺陷，在低溫狀況下，濕度對人體熱感覺的影響被有效溫度過高估計，在高溫情況下，濕度對人體熱感覺的影響被有效溫度過低估計。也就是說，無論環(huán)境處于高溫還是低溫狀態(tài)，有效溫度對人體熱感覺的影響都會偏離真實值。為了更好地反映人體熱感覺，引進了新有效溫度這個指標，這個指標引進了皮膚濕度的概念，適用于坐著工作并且穿著標準服裝。新有效溫度還規(guī)定了不同類型的服裝熱阻，因此形成了最通用的評價人體熱感覺的指標——標準有效溫度SET。

3.1.2PMV-PPD指標

PMV-PPD模型是目前應(yīng)用最廣的熱舒適評價指標，它可以預(yù)測不滿意百分數(shù)和平均投票數(shù)。PMV模型是由丹麥學(xué)家Fanger提出的，他通過對200多名學(xué)生進行調(diào)查，經(jīng)過大量實驗得到的。PMV指標被分為七個等級，熱感覺分別為冷、涼、微涼、適中、微暖、暖和熱。在問卷調(diào)查時，通常采用數(shù)字代表PMV值，冷對應(yīng)-3，涼對應(yīng)-2，微涼對應(yīng)-1，適中對應(yīng)0，微暖對應(yīng)1，暖對應(yīng)2，熱對應(yīng)3。由于PMV模型是通過對國外的人員進行研究，因此PMV模型對于其他地區(qū)不能完全適用，其他地區(qū)在應(yīng)用PMV模型時需要乘以一個修正系數(shù)，根據(jù)地區(qū)的不同，修正系數(shù)在0.5~1.0之間進行選擇。

PMV模型的具體公式為：

式中：

M——人體代謝率；

TL——人體熱負荷。

式中：

W——人體對外做功；

Edif——皮膚濕擴散；

Ersw——出汗?jié)駸嵘崃浚?/p>

Eres——呼吸潛熱散熱量；

Cres——呼吸顯熱散熱量；

R——人體輻射換熱量；

C——人體對流換熱量。

經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，PMV模型具有一定的局限性，F(xiàn)anger再一次經(jīng)過大量實驗得到了目前應(yīng)用最廣泛的PMV-PPD模型。

PPD模型的具體公式為：

盡管大量人員和機構(gòu)對PMV模型進行了修正，它的適用性仍然受到許多限制，如果條件不能滿足，PMV指數(shù)就會出現(xiàn)偏差。首先人體需要處于一種長時間的穩(wěn)定狀態(tài)，PMV指標不適用于瞬態(tài)或者短時間的穩(wěn)態(tài)，其次皮膚表面溫度應(yīng)接近舒適狀態(tài)下的人體平均皮膚溫度。最后人體的排汗率應(yīng)該采用人體處于熱舒適情況下的排汗率。

3.2 熱應(yīng)力指標

3.2.1 熱應(yīng)力指數(shù)HSI

熱應(yīng)力指數(shù)（HSI）是根據(jù)在給定的熱環(huán)境中作用于人體的外部熱應(yīng)力、不同活動量下的新陳代謝產(chǎn)熱率及環(huán)境蒸發(fā)率等的理論計算而提出的。熱應(yīng)力指數(shù)在試驗以及研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本質(zhì)上是基于熱平衡方程（M+R+C-E+S=0）提出的，是排汗散熱量Ereq與皮膚表面最大潛熱換熱量Emax的比值：

該指標是在人體溫度穩(wěn)定在35℃并且服裝熱阻在0.6clo時提出的。熱應(yīng)力指數(shù)（HSI）與人體的肌體反應(yīng)關(guān)系如表1所示。

10~30 40~60 70~90 100微熱。對腦力勞動者有一定影響，對一般體力勞動者沒有影響高熱。對腦力勞動者有影響，對體力勞動者有一些影響。身體不好的人不能忍受，沒有習(xí)慣于這種氣象條件的人需要有工間休息很高熱。能影響工人身體健康，并可使勞動效率降低，只有少數(shù)人能適應(yīng)這種熱環(huán)境條件最大可能耐受8小時的熱應(yīng)力

3.2.2Sreq指數(shù)

Sreq指數(shù)評價環(huán)境的方法主要通過分析人體必需的出汗率，是基于熱平衡方程并結(jié)合熱應(yīng)力指數(shù)和熱應(yīng)變指數(shù)發(fā)展而來，區(qū)別于其他指數(shù)的主要優(yōu)勢是Sreq指數(shù)應(yīng)用了人體熱能量方程，并且綜合了服裝熱阻、人體姿勢、新陳代謝率等指標對人體與環(huán)境熱交換的影響。這種綜合評價的方法在其他指標中從未出現(xiàn)。Sreq指數(shù)的重要參數(shù)是人體所必需的出汗率，其公式如下：

式中：

M——新陳代謝能量；

W——人體所做機械功；

Cres——對流呼吸熱損失；

Eres——對流蒸發(fā)熱損失；

C——通過人體皮膚的對流換熱量；

R——通過人體皮膚的輻射換熱量；

Ereq——保持人體熱平衡所需的蒸發(fā)量；

rREQ——人體達到必須出汗率時的蒸發(fā)效率。

Sreq指數(shù)也受到一定條件的限制，當人體在極端環(huán)境中暴露時間小于30分鐘，服裝熱阻超出規(guī)定范圍，則該指數(shù)不在適用。

3.2.3 風(fēng)冷卻指數(shù)WCI

風(fēng)冷指數(shù)WCI描述了處于33℃，在對流和輻射環(huán)境下，人體皮膚表面汗液蒸發(fā)的熱損失，綜合了空氣溫度ta、空氣流速va進而形成的經(jīng)驗指標。是Siple和Passsel通過測量充滿水的圓柱形燒瓶的數(shù)據(jù)。風(fēng)冷指數(shù)WCI公式如下：

風(fēng)冷卻指數(shù)與人體感覺如表2所示。

表2 風(fēng)冷卻指數(shù)與人體感覺

4 高溫高濕環(huán)境評價指標選擇

針對高溫高濕環(huán)境的特點，首先需要保證環(huán)境中勞動者的生命安全，再考慮環(huán)境的舒適性，對于高溫高濕環(huán)境首先應(yīng)用熱應(yīng)力值，評價該環(huán)境是否符合人體安全要求，當熱應(yīng)力值小于100，確定人體能夠維持基本生命體征時，再通過其他指標對環(huán)境進行舒適性評價。

通過對之前所闡述的環(huán)境評價指標的對比分析，不同評價指標的適用條件不同，人體的舒適性不僅只受環(huán)境因素的影響，還與人體的活動水平以及服裝熱阻有關(guān)，通常在高溫高濕環(huán)境中，人體著裝基本一定，進行的勞動基本相同。因此，評價高溫高濕環(huán)境對人體的影響以及舒適性時，應(yīng)著重考慮環(huán)境特點，其次考慮人體的活動水平以及服裝熱阻。通過對上文的評價指標對比發(fā)現(xiàn)，考慮了所有環(huán)境因素對人體影響的評價指標包括標準有效溫度和預(yù)測平均評價PMV，其中標準有效溫度可以通過根據(jù)人體體溫和人體皮膚溫度動態(tài)的了解評價人體受環(huán)境因素的影響，對高溫高濕環(huán)境對人體的影響評價較為準確，但是由于其評價過程是隨時間變化的，因此計算過程相對復(fù)雜。PMV評價指標適用于固定的皮膚溫度與顯性出汗狀態(tài)蒸發(fā)換熱量，在環(huán)境與熱舒適狀態(tài)偏差較大，人體的勞動強度偏高時測量值與真實值存在一定偏差。綜合考慮，當需要對高溫高濕環(huán)境進行準確的評價時，需要采用標準有效溫度，當只需要對高溫高濕環(huán)境的熱舒適性做基本而粗略性了解時，選用PMV評價指標。

5 結(jié)論與展望

（1）通過對空氣溫度、空氣流速、空氣濕度、平均輻射溫度的分析研究，了解這些環(huán)境參數(shù)對人體的影響，是評價高溫高濕環(huán)境的理論依據(jù)。（2）對環(huán)境評價指標進行介紹與對比，分析各環(huán)境評價指標實使用范圍和使用條件，并對現(xiàn)有的熱舒適評價指標進行總結(jié)。（3）根據(jù)高溫高濕環(huán)境的特點，首先選擇熱應(yīng)力HSI評價指標評價高溫高濕環(huán)境對于勞動者是否安全，當環(huán)境滿足人體安全條件時，需要準確了解環(huán)境選擇標準有效溫度SET指標，對環(huán)境大概了解時選擇預(yù)測平均評價PMV。（4）目前對于高溫高濕環(huán)境下人體的熱舒適評價只從環(huán)境本身進行評價，對于高溫高濕環(huán)境下人體的生理指標沒有相關(guān)規(guī)定，可以將環(huán)境評價指標結(jié)合人體生理指標，建立評價人體健康的綜合性指標，從而制定符合作業(yè)安全和健康的標準，保證勞動者的身體健康和勞動效率，在保障人體安全的前提下，保證工作安全有序地進行。