評估3種熱舒適指數在高溫礦井的適用性

吳國珊,劉何清,吳世先,柳光磊

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

隨著礦井開采越來越深,采掘工作面的溫度越來越高,濕度往往接近飽和狀態[1].據統計,截至2015年,我國千米深的煤礦已超過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95%～100%[3].在深部和超深開采條件下,盡管礦井通風降溫技術得到了應用和改進,作業人員也常常處于熱應激狀態中.人體的皮膚溫度、核心溫度升高,出汗量非常大,嚴重時會導致人體出現熱頭暈、中暑等熱疾病[4].這一狀況對工作效率、生產力和人體健康的影響很大,甚至可能導致礦山事故的發生.人們盡管采取了通風空調[3]、穿冷卻服[5-6]等措施對人體進行降溫,礦井熱害改善的效果還是很有限,對工作條件的不滿程度也越來越大[7-8].掌握高溫礦井作業人體的熱應激和熱舒適狀況,對制定合理的生產管理制度和保護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或熱模型研究礦井熱環境下的熱應激和熱舒適狀況.近期有一些研究采用了改進的Gagge二節點模型或多節點模型對高溫礦井作業人體的生理參數進行預測和研究[9-11],但這些模型是否適用于實際高溫礦井中高強度勞動人體,還需要更進一步的實踐驗證.目前在礦井熱環境研究中最常用的指標是濕球黑球溫度(Wet Bulb Globe Temperature,WBGT)、預測熱應激模型(Predicted Heat Strain,PHS)[7].盡管WBGT指標沒有考慮服裝影響、活動類型和行為因素,但它仍然被廣泛用來研究礦井的熱應力[7]. PHS模型考慮了高溫工作場所的環境和行為因素,能夠預測核心溫度、失水量(SWtotg),并預測最大允許暴露時間.許多礦業企業用它進行熱應力評估及管理[8,12-14].在石化行業的熱濕作業環境中, PHS模型預測的SWtotg與人體核心溫度存在很強的線性相關[15].不舒適指數(Discomfort Index,DI)被認為可以用于普遍的熱環境中[16],也可以被用于高溫礦井中的熱舒適研究[17-18].以往研究主要關注礦井作業人體的熱反應和熱應激,沒有關注礦井作業人體的主觀熱感覺.作業人體在熱應激狀況下的主觀心理應該引起我們的重視.本文在環境艙中營造高溫礦井的熱濕環境,通過人體跑步實驗模擬礦井重度勞動,研究礦井中常用的熱舒適指數WBGT,SWtotg/PHS和DI與人體生理參數、主觀熱感覺投票(Thermal Sensation Vote,TSV)的相關性,進而評估這3個指數是否適用于高溫礦井熱舒適研究.

1 實驗方法

1.1 志愿者與服裝

自愿參加這項測試的志愿者有14名男大學生,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,都沒有呼吸或心血管系統疾病等病史.測試之前志愿者被告知參與測試的要求、目標及潛在風險等情況,在測試過程中志愿者可隨時選擇退出.項目研究得到了當地醫學倫理委員會批準.

受試者在測試前24 h內禁止飲酒,在每次測試前至少2 h內不喝茶或咖啡、不吸煙、不開展大運動量的體育鍛煉.

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

1.2 測試條件和測量儀器

采用人工環境艙模擬礦井環境,尺寸為3.0 m×2.5 m×2.2 m(長×寬×高).該環境艙由制冷單元、加熱設備、蒸汽加濕裝置、風機、數據采集單元和計算機等組成環境參數控制系統,可對艙內空氣溫度、濕度、風速和壁面溫度進行控制.艙內干球溫度可控制在-15 ～50 ℃(±0.5 ℃),相對濕度可控制在30%～95%(±2%).實驗前使用一級標準溫度計(最低度為0.05 ℃)校準艙內溫度,使用JT-IAQ室內熱環境舒適測試儀(精度為±1.5%)校準艙內濕度.高溫礦井中采掘工作面空氣溫度可能高達36 ℃,相對濕度接近飽和.因此,實驗中環境艙內空氣溫度分別控制在26,30,34,36 ℃,濕度均為90%,風速為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個部位的局部皮膚上.口腔溫度用歐姆龍的口腔溫度計(MC-341,分辨率為0.1 ℃)測量.

1.3 實驗步驟

準備過程是在室溫為26 ℃的房間進行的.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.當環境艙的溫度和濕度達到實驗要求時,受試者進入艙內靜坐25 min.然后從環境艙出來休息5 min,期間可以飲水.隨后再進入環境艙開始第1次跑步,速度為5.5 km/h.根據ISO 7933：2004(熱環境的人類工效學·通過計算預測熱應變對熱應力分析測定和說明)[19],這個運動量相當于重度勞動.在每次跑步的第15 min和第25 min,受試者要填寫主觀熱感覺問卷投票.完成25 min的跑步后,受試者休息5 min.按照上述步驟重復2次,就完成了整個實驗過程.在實驗過程中,溫度記錄儀每2 min自動記錄4個點(胸部、上臂、大腿、小腿)的溫度.每個階段測量口腔溫度2次.每個受試者都參加了4個不同溫度下的實驗.

1.4 主觀熱感覺問卷調查

通過問卷調查受試者的熱感覺.要求受試者在每個階段的第15 min和第25 min填寫熱感覺問卷.考慮到本實驗中人體新陳代謝率比較大,在美國采暖制冷空調工程師協會推薦的7級熱感覺標尺[20]的基礎上,建立9級熱感覺標尺,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 計算及數據分析

某時刻的人體皮膚平均溫度根據4個測量點的溫度值進行計算,具體計算式如式(1)[21]所示.體溫依據核心溫度(用口腔溫度代替)和皮膚平均溫度按式(2)[21]進行計算.

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,℃,在計算中用口腔溫度Tou代替.

對于每個志愿者,取每個跑步階段的第15 min和第25 min測量的皮膚溫度、口腔溫度以及計算得到的體溫進行研究.采用皮爾遜檢驗評估不同溫度環境下的DI,WBGT,SWtotg/PHS這個3個熱舒適指數與皮膚溫度、口腔溫度、體溫、熱感覺之間的相關性,相關系數表示為(r,P),顯著性水平P取0.05.采用斯皮爾曼檢驗評估在恒定溫度環境下SWtotg與皮膚溫度、口腔溫度、體溫、熱感覺隨勞動時間變化的相關性,相關系數表示為(ρ,P),顯著性水平P取0.05.

WBGT和DI的計算,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WBGT的數值,℃;IDI為指數DI的數值,℃;Tw為空氣濕球溫度,℃;Tg為黑球溫度,在式(3)中認為等于空氣干球溫度,℃;Ta為空氣干球溫度,℃.

PHS熱應激模型是Malchaire等人研究提出的,基于人體熱平衡原理計算了熱環境下人體必需的蒸發散熱量,通過皮膚濕潤度和出汗率模型可以預測人體的蒸發散熱量,從而預測總失水量SWtotg和核心溫度.該模型已被入選國際標準ISO 7933:2004[19].本文采用PHS模型計算人體的總失水量SWtotg,詳細的計算方法見ISO 7933:2004.

2 實驗結果及分析

2.1 不同溫度環境下口腔溫度、皮膚溫度和體溫的變化情況

實驗中測量得到受試者在不同溫度下各生理參數.口腔溫度隨時間的變化如圖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%的環境下,口腔溫度平均值最高達到37.73 ℃.不同溫度環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間的變化情況如圖2所示.它隨模擬勞動時間的變化情況與口腔溫度類似,勞動時間越長皮膚溫度越高,但升高的幅度比口腔溫度要大.不同溫度環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.這是由于體溫的計算公式中口腔溫度的權重系數比較大.

2.2 不同溫度環境下主觀熱感覺的變化情況

受試者主觀熱感覺投票在不同溫度環境下的變化情況如圖4所示.在靜坐階段受試者熱感覺基本不變.在模擬勞動階段受試者熱感覺投票隨時間逐漸升高,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,跑步結束時的熱感覺投票比跑步開始時升高了0.63.這說明,在礦井環境下,隨著勞動時間的增加,人體感覺到越來越熱.在26,30,34,36 ℃環境下,在模擬勞動的最后時刻受試者分別感覺到微暖、熱、很熱和極熱.

圖1 不同溫度環境下受試者口腔溫度的變化情況

圖2 不同溫度環境下受試者皮膚溫度的變化情況

圖3 不同溫度環境下受試者體溫的變化情況

圖4 不同溫度環境下受試者熱感覺投票的變化情況

2.3 不同溫度環境下DI,WBGT和SWtotg的變化情況

在不同溫度環境下,DI,WBGT和SWtotg的變化情況如圖5所示.環境溫度越高,DI,WBGT越大.在小于34 ℃時,SWtotg也隨著環境溫度的升高而增大,但在溫濕度為34 ℃/90%和36 ℃/90%的環境下幾乎沒有差異,而且它在36 ℃/90%時比34 ℃/90%略小一點.這是不符合實際情況的,導致它與受試者的口腔溫度、體溫的相關性不存在統計學意義(皮爾遜檢驗,P>0.05).

在溫度和濕度恒定的環境下, DI,WBGT為固定的數值,與受試者模擬勞動時間的長短無關.它們不能反映礦井環境下模擬勞動人體熱應力隨時間的變化情況.而SWtotg是隨著勞動時間的增加而逐漸增大,具體變化情況如圖6所示.環境溫度越高,SWtotg隨著模擬勞動時間增加越快.盡管在36 ℃/90%和34 ℃/90%的溫濕度環境下SWtotg無顯著差異,但仍然能夠反應總失水量隨著勞動時間增長而增加的趨勢.

圖5 不同溫度環境下3個指數與TSV的變化情況

圖6 SWtotg隨勞動時間的變化情況

2.4 DI,WBGT和SWtotg與生理參數、主觀熱感覺投票(TSV)的相關性

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

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

在溫度一定的環境下,SWtotg與人體模擬勞動時的瞬時生理參數、熱感覺投票(TSV)的相關性如表2所示.當溫度超過30 ℃時,SWtotg與瞬時口腔溫度具有很強的相關性(斯皮爾曼檢驗,ρ>0.8,P<0.05).在實驗中的4個恒定溫度的環境下,SWtotg與受試者的瞬時熱感覺均具有很強的相關性(斯皮爾曼檢驗,ρ>0.8,P<0.05).因此,SWtotg能夠反映礦井環境下勞動人體熱舒適隨時間的變化情況.

表2 模擬勞動中SWtotg與人體瞬時生理參數、熱感覺投票(TSV)的相關系數

3 討論

WBGT,DI被廣泛應用于熱環境研究,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的線性關系,WBGT和DI指標與心率的相關性也非常高[13].本文主要研究WBGT,DI和SWtotg/PHS這3個熱舒適指數是否適用于高溫礦井環境以及人體的熱舒適研究.

受試者的熱感覺投票表明,在礦井熱濕環境下,人體靜坐時由于新陳代謝率比較低,熱感覺基本不變.在模擬勞動階段,新陳代謝率增大了很多,人體大量出汗以提高蒸發散熱.由于環境濕度接近飽和,作為勞動人體主要散熱方式的蒸發散熱也受到了很大限制,導致人體口腔溫度和皮膚溫度越來越高.隨著模擬勞動時間的增加,人體熱應激更加強烈,使得人體感到越來越熱,這從熱感覺投票數值可以反映出來.在過去的研究中對這個狀況的關注是不夠的.對于礦井熱濕環境下的勞動人體,我們不僅要關注熱環境對人體的熱應力情況,也要關注人體勞動時熱感覺隨時間的動態變化.

DI由環境的濕球溫度、干球溫度計算得到,WBGT由環境的濕球溫度、黑球溫度計算得到.當環境溫度、濕度和輻射溫度一定時,它們是恒定不變的.因此,在礦井熱環境中,DI和WBGT只能反應熱環境的差異,或者反應新陳代謝率比較低的人體熱舒適狀況,它們無法反映人體熱感覺隨時間變化的動態過程.SWtotg是人體的出汗量,在溫度恒定的環境下,隨著勞動時間增加而逐漸增大.實驗表明,在溫度恒定的環境下,SWtotg與人體的動態熱感覺具有很強的相關性,能夠反映重度勞動人體熱感覺隨時間變化的動態狀況.但是,在高溫高濕環境下,如溫濕度為34 ℃/90%和36 ℃/90%的環境下,它不能反映溫度升高對人體熱感覺帶來的差異,與受試者的口腔溫度、平均體溫不存在相關性(P>0.05).由于PHS模型是基于747 個實驗室的實驗和366個現場測試得到的通用型模型,而本研究針對的是礦井熱環境,濕度接近飽和狀態,人體穿著純棉工作服,與常見的熱環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%的礦井環境條件下計算人體總失水量出現異常的原因.

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

4 結論

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

2)在不同溫度環境下,WBGT和DI與模擬勞動時人體熱感覺存在很強的相關性,能夠反映環境對人體的熱應力;在溫度恒定時,它們不能反映熱感覺隨勞動時間的變化.

3)在溫度恒定的環境下,SWtotg隨勞動時間的增加而增加,它與人體的主觀熱感覺存在很強的相關性,能夠反映人體熱舒適隨時間的變化.但SWtotg不能反映勞動人體在34 ℃/90%和36 ℃/90%這2個溫濕度環境下的差異.

4)在研究礦井勞動人體的熱應激或熱舒適時,選擇的熱應激指數既要能反映熱環境的差異,也要能夠反映人體主觀熱感覺隨時間的變化.WBGT,SWtotg/PHS和DI這3個指數只能用于評價高溫礦井的熱環境.對于礦井環境中人體熱舒適的評價,還需要進一步的工作以研究新的指數.