評(píng)估3種熱舒適指數(shù)在高溫礦井的適用性

吳國(guó)珊,劉何清,吳世先,柳光磊

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 能源與建筑環(huán)境學(xué)院,廣西 桂林 541004)

隨著礦井開(kāi)采越來(lái)越深,采掘工作面的溫度越來(lái)越高,濕度往往接近飽和狀態(tài)[1].據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2015年,我國(guó)千米深的煤礦已超過(guò)80座,千米深金屬礦井約32座[2].在張雙樓煤礦,工作面水平在-1 200 m,溫度在34～36 ℃,濕度達(dá)95%～100%[3].在深部和超深開(kāi)采條件下,盡管礦井通風(fēng)降溫技術(shù)得到了應(yīng)用和改進(jìn),作業(yè)人員也常常處于熱應(yīng)激狀態(tài)中.人體的皮膚溫度、核心溫度升高,出汗量非常大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致人體出現(xiàn)熱頭暈、中暑等熱疾病[4].這一狀況對(duì)工作效率、生產(chǎn)力和人體健康的影響很大,甚至可能導(dǎo)致礦山事故的發(fā)生.人們盡管采取了通風(fēng)空調(diào)[3]、穿冷卻服[5-6]等措施對(duì)人體進(jìn)行降溫,礦井熱害改善的效果還是很有限,對(duì)工作條件的不滿程度也越來(lái)越大[7-8].掌握高溫礦井作業(yè)人體的熱應(yīng)激和熱舒適狀況,對(duì)制定合理的生產(chǎn)管理制度和保護(hù)工人的身心健康非常有意義.

研究人員主要采用熱舒適指數(shù)或熱模型研究礦井熱環(huán)境下的熱應(yīng)激和熱舒適狀況.近期有一些研究采用了改進(jìn)的Gagge二節(jié)點(diǎn)模型或多節(jié)點(diǎn)模型對(duì)高溫礦井作業(yè)人體的生理參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和研究[9-11],但這些模型是否適用于實(shí)際高溫礦井中高強(qiáng)度勞動(dòng)人體,還需要更進(jìn)一步的實(shí)踐驗(yàn)證.目前在礦井熱環(huán)境研究中最常用的指標(biāo)是濕球黑球溫度(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT)、預(yù)測(cè)熱應(yīng)激模型(Predicted Heat Strain,PHS)[7].盡管WBGT指標(biāo)沒(méi)有考慮服裝影響、活動(dòng)類型和行為因素,但它仍然被廣泛用來(lái)研究礦井的熱應(yīng)力[7]. PHS模型考慮了高溫工作場(chǎng)所的環(huán)境和行為因素,能夠預(yù)測(cè)核心溫度、失水量(SWtotg),并預(yù)測(cè)最大允許暴露時(shí)間.許多礦業(yè)企業(yè)用它進(jìn)行熱應(yīng)力評(píng)估及管理[8,12-14].在石化行業(yè)的熱濕作業(yè)環(huán)境中, PHS模型預(yù)測(cè)的SWtotg與人體核心溫度存在很強(qiáng)的線性相關(guān)[15].不舒適指數(shù)(Discomfort Index,DI)被認(rèn)為可以用于普遍的熱環(huán)境中[16],也可以被用于高溫礦井中的熱舒適研究[17-18].以往研究主要關(guān)注礦井作業(yè)人體的熱反應(yīng)和熱應(yīng)激,沒(méi)有關(guān)注礦井作業(yè)人體的主觀熱感覺(jué).作業(yè)人體在熱應(yīng)激狀況下的主觀心理應(yīng)該引起我們的重視.本文在環(huán)境艙中營(yíng)造高溫礦井的熱濕環(huán)境,通過(guò)人體跑步實(shí)驗(yàn)?zāi)M礦井重度勞動(dòng),研究礦井中常用的熱舒適指數(shù)WBGT,SWtotg/PHS和DI與人體生理參數(shù)、主觀熱感覺(jué)投票(Thermal Sensation Vote,TSV)的相關(guān)性,進(jìn)而評(píng)估這3個(gè)指數(shù)是否適用于高溫礦井熱舒適研究.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 志愿者與服裝

自愿參加這項(xiàng)測(cè)試的志愿者有14名男大學(xué)生,年齡21.5±0.7歲,體重64.4±9.1 kg,身高168.5±5.1 cm.他們身體健康,都沒(méi)有呼吸或心血管系統(tǒng)疾病等病史.測(cè)試之前志愿者被告知參與測(cè)試的要求、目標(biāo)及潛在風(fēng)險(xiǎn)等情況,在測(cè)試過(guò)程中志愿者可隨時(shí)選擇退出.項(xiàng)目研究得到了當(dāng)?shù)蒯t(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn).

受試者在測(cè)試前24 h內(nèi)禁止飲酒,在每次測(cè)試前至少2 h內(nèi)不喝茶或咖啡、不吸煙、不開(kāi)展大運(yùn)動(dòng)量的體育鍛煉.

為了使測(cè)試效果與礦井實(shí)際情況更接近,在測(cè)試過(guò)程中受試者穿著礦井作業(yè)人員平常穿的工作服.工作服包括長(zhǎng)袖上衣和長(zhǎng)褲,都是純棉面料,熱阻是0.160 m2·k/W,濕阻是36.10 m2·Pa/W.

1.2 測(cè)試條件和測(cè)量?jī)x器

采用人工環(huán)境艙模擬礦井環(huán)境,尺寸為3.0 m×2.5 m×2.2 m(長(zhǎng)×寬×高).該環(huán)境艙由制冷單元、加熱設(shè)備、蒸汽加濕裝置、風(fēng)機(jī)、數(shù)據(jù)采集單元和計(jì)算機(jī)等組成環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng),可對(duì)艙內(nèi)空氣溫度、濕度、風(fēng)速和壁面溫度進(jìn)行控制.艙內(nèi)干球溫度可控制在-15 ～50 ℃(±0.5 ℃),相對(duì)濕度可控制在30%～95%(±2%).實(shí)驗(yàn)前使用一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)(最低度為0.05 ℃)校準(zhǔn)艙內(nèi)溫度,使用JT-IAQ室內(nèi)熱環(huán)境舒適測(cè)試儀(精度為±1.5%)校準(zhǔn)艙內(nèi)濕度.高溫礦井中采掘工作面空氣溫度可能高達(dá)36 ℃,相對(duì)濕度接近飽和.因此,實(shí)驗(yàn)中環(huán)境艙內(nèi)空氣溫度分別控制在26,30,34,36 ℃,濕度均為90%,風(fēng)速為1.5 m/s,壁面輻射溫度與空氣溫度相等.

皮膚溫度采用DS1922L紐扣式溫度記錄儀(MAXIM,分辨率為0.062 5 ℃)測(cè)量,用膠帶將紐扣式溫度記錄儀分別固定在胸、后背、上臂、大腿這4個(gè)部位的局部皮膚上.口腔溫度用歐姆龍的口腔溫度計(jì)(MC-341,分辨率為0.1 ℃)測(cè)量.

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

準(zhǔn)備過(guò)程是在室溫為26 ℃的房間進(jìn)行的.溫度記錄儀和心電圖記錄儀安裝在受試者身上指定的部位.當(dāng)環(huán)境艙的溫度和濕度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求時(shí),受試者進(jìn)入艙內(nèi)靜坐25 min.然后從環(huán)境艙出來(lái)休息5 min,期間可以飲水.隨后再進(jìn)入環(huán)境艙開(kāi)始第1次跑步,速度為5.5 km/h.根據(jù)ISO 7933：2004(熱環(huán)境的人類工效學(xué)·通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)熱應(yīng)變對(duì)熱應(yīng)力分析測(cè)定和說(shuō)明)[19],這個(gè)運(yùn)動(dòng)量相當(dāng)于重度勞動(dòng).在每次跑步的第15 min和第25 min,受試者要填寫(xiě)主觀熱感覺(jué)問(wèn)卷投票.完成25 min的跑步后,受試者休息5 min.按照上述步驟重復(fù)2次,就完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,溫度記錄儀每2 min自動(dòng)記錄4個(gè)點(diǎn)(胸部、上臂、大腿、小腿)的溫度.每個(gè)階段測(cè)量口腔溫度2次.每個(gè)受試者都參加了4個(gè)不同溫度下的實(shí)驗(yàn).

1.4 主觀熱感覺(jué)問(wèn)卷調(diào)查

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查受試者的熱感覺(jué).要求受試者在每個(gè)階段的第15 min和第25 min填寫(xiě)熱感覺(jué)問(wèn)卷.考慮到本實(shí)驗(yàn)中人體新陳代謝率比較大,在美國(guó)采暖制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)推薦的7級(jí)熱感覺(jué)標(biāo)尺[20]的基礎(chǔ)上,建立9級(jí)熱感覺(jué)標(biāo)尺,具體為極冷(-4)、很冷(-3)、冷(-2)、微冷(-1)、中性(0)、暖(1)、熱(2)、很熱(3)、極熱(4).

1.5 計(jì)算及數(shù)據(jù)分析

某時(shí)刻的人體皮膚平均溫度根據(jù)4個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度值進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算式如式(1)[21]所示.體溫依據(jù)核心溫度(用口腔溫度代替)和皮膚平均溫度按式(2)[21]進(jìn)行計(jì)算.

Tsk=0.3Tchest+0.3Tarm+0.2Tthigh+0.2Tcalf；

(1)

Tb=0.8Tc+0.2Tsk.

(2)

式中:Tsk為皮膚平均溫度,℃;Tchest為胸部皮膚溫度,℃;Tarm為上臂皮膚溫度,℃;Tthigh為大腿皮膚溫度,℃;Tcalf為小腿皮膚溫度,℃;Tb為人體體溫,℃;Tc為人體核心溫度,℃,在計(jì)算中用口腔溫度Tou代替.

對(duì)于每個(gè)志愿者,取每個(gè)跑步階段的第15 min和第25 min測(cè)量的皮膚溫度、口腔溫度以及計(jì)算得到的體溫進(jìn)行研究.采用皮爾遜檢驗(yàn)評(píng)估不同溫度環(huán)境下的DI,WBGT,SWtotg/PHS這個(gè)3個(gè)熱舒適指數(shù)與皮膚溫度、口腔溫度、體溫、熱感覺(jué)之間的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)表示為(r,P),顯著性水平P取0.05.采用斯皮爾曼檢驗(yàn)評(píng)估在恒定溫度環(huán)境下SWtotg與皮膚溫度、口腔溫度、體溫、熱感覺(jué)隨勞動(dòng)時(shí)間變化的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)表示為(ρ,P),顯著性水平P取0.05.

WBGT和DI的計(jì)算,分別如式(3)和式(4)[17]所示.

IWBGT=0.7Tw+0.3Tg；

(3)

IDI=0.5Tw+0.5Ta.

(4)

式中:IWBGT為指數(shù)WBGT的數(shù)值,℃;IDI為指數(shù)DI的數(shù)值,℃;Tw為空氣濕球溫度,℃;Tg為黑球溫度,在式(3)中認(rèn)為等于空氣干球溫度,℃;Ta為空氣干球溫度,℃.

PHS熱應(yīng)激模型是Malchaire等人研究提出的,基于人體熱平衡原理計(jì)算了熱環(huán)境下人體必需的蒸發(fā)散熱量,通過(guò)皮膚濕潤(rùn)度和出汗率模型可以預(yù)測(cè)人體的蒸發(fā)散熱量,從而預(yù)測(cè)總失水量SWtotg和核心溫度.該模型已被入選國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7933:2004[19].本文采用PHS模型計(jì)算人體的總失水量SWtotg,詳細(xì)的計(jì)算方法見(jiàn)ISO 7933:2004.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同溫度環(huán)境下口腔溫度、皮膚溫度和體溫的變化情況

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到受試者在不同溫度下各生理參數(shù).口腔溫度隨時(shí)間的變化如圖1所示.從圖1中可以看出,在不同溫度下,隨著跑步進(jìn)程,受試者的口腔溫度逐漸升高.特別是在溫濕度為36 ℃/90%的環(huán)境下,口腔溫度平均值最高達(dá)到37.73 ℃.不同溫度環(huán)境下的口腔溫度之間具有顯著性差異.受試者的皮膚平均溫度隨時(shí)間的變化情況如圖2所示.它隨模擬勞動(dòng)時(shí)間的變化情況與口腔溫度類似,勞動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)皮膚溫度越高,但升高的幅度比口腔溫度要大.不同溫度環(huán)境下的皮膚溫度之間具有顯著性差異.受試者體溫的變化情況與口腔溫度的變化比較接近,如圖3所示.這是由于體溫的計(jì)算公式中口腔溫度的權(quán)重系數(shù)比較大.

2.2 不同溫度環(huán)境下主觀熱感覺(jué)的變化情況

受試者主觀熱感覺(jué)投票在不同溫度環(huán)境下的變化情況如圖4所示.在靜坐階段受試者熱感覺(jué)基本不變.在模擬勞動(dòng)階段受試者熱感覺(jué)投票隨時(shí)間逐漸升高,投票值升高了0.38～0.63,上升幅度為12%～42%.例如,在溫濕度為30 ℃/90%時(shí),跑步結(jié)束時(shí)的熱感覺(jué)投票比跑步開(kāi)始時(shí)升高了0.63.這說(shuō)明,在礦井環(huán)境下,隨著勞動(dòng)時(shí)間的增加,人體感覺(jué)到越來(lái)越熱.在26,30,34,36 ℃環(huán)境下,在模擬勞動(dòng)的最后時(shí)刻受試者分別感覺(jué)到微暖、熱、很熱和極熱.

圖1 不同溫度環(huán)境下受試者口腔溫度的變化情況

圖2 不同溫度環(huán)境下受試者皮膚溫度的變化情況

圖3 不同溫度環(huán)境下受試者體溫的變化情況

圖4 不同溫度環(huán)境下受試者熱感覺(jué)投票的變化情況

2.3 不同溫度環(huán)境下DI,WBGT和SWtotg的變化情況

在不同溫度環(huán)境下,DI,WBGT和SWtotg的變化情況如圖5所示.環(huán)境溫度越高,DI,WBGT越大.在小于34 ℃時(shí),SWtotg也隨著環(huán)境溫度的升高而增大,但在溫濕度為34 ℃/90%和36 ℃/90%的環(huán)境下幾乎沒(méi)有差異,而且它在36 ℃/90%時(shí)比34 ℃/90%略小一點(diǎn).這是不符合實(shí)際情況的,導(dǎo)致它與受試者的口腔溫度、體溫的相關(guān)性不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(皮爾遜檢驗(yàn),P>0.05).

在溫度和濕度恒定的環(huán)境下, DI,WBGT為固定的數(shù)值,與受試者模擬勞動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短無(wú)關(guān).它們不能反映礦井環(huán)境下模擬勞動(dòng)人體熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況.而SWtotg是隨著勞動(dòng)時(shí)間的增加而逐漸增大,具體變化情況如圖6所示.環(huán)境溫度越高,SWtotg隨著模擬勞動(dòng)時(shí)間增加越快.盡管在36 ℃/90%和34 ℃/90%的溫濕度環(huán)境下SWtotg無(wú)顯著差異,但仍然能夠反應(yīng)總失水量隨著勞動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)而增加的趨勢(shì).

圖5 不同溫度環(huán)境下3個(gè)指數(shù)與TSV的變化情況

圖6 SWtotg隨勞動(dòng)時(shí)間的變化情況

2.4 DI,WBGT和SWtotg與生理參數(shù)、主觀熱感覺(jué)投票(TSV)的相關(guān)性

在圖5所示的4個(gè)不同溫度環(huán)境下,3個(gè)指數(shù)與人體生理參數(shù)、TSV的相關(guān)系數(shù)如表1所示.3個(gè)指數(shù)與受試者皮膚溫度和熱感覺(jué)都具很強(qiáng)的相關(guān)性(皮爾遜檢驗(yàn),r>0.7,P<0.05);DI,WBGT與體溫也存在強(qiáng)的相關(guān)性(皮爾遜檢驗(yàn),r>0.7,P<0.05).由于SWtotg在溫濕度為34 ℃/90%和36 ℃/90%的環(huán)境下幾乎沒(méi)有差異,這導(dǎo)致它與受試者的口腔溫度、體溫不相關(guān)(皮爾遜檢驗(yàn),P>0.05).

表1 溫度分別為26,30,34,36 ℃,濕度為90%時(shí),各指數(shù)與人體生理參數(shù)、 TSV的相關(guān)系數(shù)

在溫度一定的環(huán)境下,SWtotg與人體模擬勞動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)生理參數(shù)、熱感覺(jué)投票(TSV)的相關(guān)性如表2所示.當(dāng)溫度超過(guò)30 ℃時(shí),SWtotg與瞬時(shí)口腔溫度具有很強(qiáng)的相關(guān)性(斯皮爾曼檢驗(yàn),ρ>0.8,P<0.05).在實(shí)驗(yàn)中的4個(gè)恒定溫度的環(huán)境下,SWtotg與受試者的瞬時(shí)熱感覺(jué)均具有很強(qiáng)的相關(guān)性(斯皮爾曼檢驗(yàn),ρ>0.8,P<0.05).因此,SWtotg能夠反映礦井環(huán)境下勞動(dòng)人體熱舒適隨時(shí)間的變化情況.

表2 模擬勞動(dòng)中SWtotg與人體瞬時(shí)生理參數(shù)、熱感覺(jué)投票(TSV)的相關(guān)系數(shù)

3 討論

WBGT,DI被廣泛應(yīng)用于熱環(huán)境研究,在礦井中人們主要采用WBGT和SWtotg/PHS.SWtotg/PHS與核心溫度存在很強(qiáng)的線性關(guān)系,WBGT和DI指標(biāo)與心率的相關(guān)性也非常高[13].本文主要研究WBGT,DI和SWtotg/PHS這3個(gè)熱舒適指數(shù)是否適用于高溫礦井環(huán)境以及人體的熱舒適研究.

受試者的熱感覺(jué)投票表明,在礦井熱濕環(huán)境下,人體靜坐時(shí)由于新陳代謝率比較低,熱感覺(jué)基本不變.在模擬勞動(dòng)階段,新陳代謝率增大了很多,人體大量出汗以提高蒸發(fā)散熱.由于環(huán)境濕度接近飽和,作為勞動(dòng)人體主要散熱方式的蒸發(fā)散熱也受到了很大限制,導(dǎo)致人體口腔溫度和皮膚溫度越來(lái)越高.隨著模擬勞動(dòng)時(shí)間的增加,人體熱應(yīng)激更加強(qiáng)烈,使得人體感到越來(lái)越熱,這從熱感覺(jué)投票數(shù)值可以反映出來(lái).在過(guò)去的研究中對(duì)這個(gè)狀況的關(guān)注是不夠的.對(duì)于礦井熱濕環(huán)境下的勞動(dòng)人體,我們不僅要關(guān)注熱環(huán)境對(duì)人體的熱應(yīng)力情況,也要關(guān)注人體勞動(dòng)時(shí)熱感覺(jué)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化.

DI由環(huán)境的濕球溫度、干球溫度計(jì)算得到,WBGT由環(huán)境的濕球溫度、黑球溫度計(jì)算得到.當(dāng)環(huán)境溫度、濕度和輻射溫度一定時(shí),它們是恒定不變的.因此,在礦井熱環(huán)境中,DI和WBGT只能反應(yīng)熱環(huán)境的差異,或者反應(yīng)新陳代謝率比較低的人體熱舒適狀況,它們無(wú)法反映人體熱感覺(jué)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程.SWtotg是人體的出汗量,在溫度恒定的環(huán)境下,隨著勞動(dòng)時(shí)間增加而逐漸增大.實(shí)驗(yàn)表明,在溫度恒定的環(huán)境下,SWtotg與人體的動(dòng)態(tài)熱感覺(jué)具有很強(qiáng)的相關(guān)性,能夠反映重度勞動(dòng)人體熱感覺(jué)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)狀況.但是,在高溫高濕環(huán)境下,如溫濕度為34 ℃/90%和36 ℃/90%的環(huán)境下,它不能反映溫度升高對(duì)人體熱感覺(jué)帶來(lái)的差異,與受試者的口腔溫度、平均體溫不存在相關(guān)性(P>0.05).由于PHS模型是基于747 個(gè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)和366個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的通用型模型,而本研究針對(duì)的是礦井熱環(huán)境,濕度接近飽和狀態(tài),人體穿著純棉工作服,與常見(jiàn)的熱環(huán)境條件存在較大差別,這可能是PHS模型在溫濕度為34 ℃/90 %和36 ℃/90%的礦井環(huán)境條件下計(jì)算人體總失水量出現(xiàn)異常的原因.

由于勞動(dòng)人體的主觀熱感覺(jué)在不同溫度下存在差異,而在一定溫度時(shí)隨著勞動(dòng)時(shí)間又存在動(dòng)態(tài)變化,因此在研究礦井勞動(dòng)人體的熱舒適時(shí),選擇的熱舒適指數(shù)既要能反映熱環(huán)境的差異,也要能夠反映人體主觀熱感覺(jué)隨時(shí)間的變化.基于核心溫度、心率[22]等生理參數(shù)的熱舒適指數(shù)可能更適合用于礦井熱環(huán)境中的勞動(dòng)人體的熱舒適研究.

4 結(jié)論

1)在不同溫度環(huán)境下,隨著模擬勞動(dòng)時(shí)間的增加,口腔溫度、皮膚溫度和體溫逐漸升高,人體主觀熱感覺(jué)隨時(shí)間增加而逐漸升高,上升幅度為12%～42%.

2)在不同溫度環(huán)境下,WBGT和DI與模擬勞動(dòng)時(shí)人體熱感覺(jué)存在很強(qiáng)的相關(guān)性,能夠反映環(huán)境對(duì)人體的熱應(yīng)力;在溫度恒定時(shí),它們不能反映熱感覺(jué)隨勞動(dòng)時(shí)間的變化.

3)在溫度恒定的環(huán)境下,SWtotg隨勞動(dòng)時(shí)間的增加而增加,它與人體的主觀熱感覺(jué)存在很強(qiáng)的相關(guān)性,能夠反映人體熱舒適隨時(shí)間的變化.但SWtotg不能反映勞動(dòng)人體在34 ℃/90%和36 ℃/90%這2個(gè)溫濕度環(huán)境下的差異.

4)在研究礦井勞動(dòng)人體的熱應(yīng)激或熱舒適時(shí),選擇的熱應(yīng)激指數(shù)既要能反映熱環(huán)境的差異,也要能夠反映人體主觀熱感覺(jué)隨時(shí)間的變化.WBGT,SWtotg/PHS和DI這3個(gè)指數(shù)只能用于評(píng)價(jià)高溫礦井的熱環(huán)境.對(duì)于礦井環(huán)境中人體熱舒適的評(píng)價(jià),還需要進(jìn)一步的工作以研究新的指數(shù).