干燥氣源與人體熱應激研究實驗

邱茶連 鄒鉞 王澤華

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

我國有很多職業的工作人員需要在高溫高濕環境中工作，比如：交警、環衛工人、工地現場作業人員、電焊工人等。高溫高濕環境下工作會降低工作者的效率，嚴重的則影響身體健康。而多種類冷源適應各個行業的不同需求，主要分為液體、氣體、相變材料等。目前冷源通過降低人體皮膚溫度降低人體熱應力和熱不舒適[1-3]。以降低溫度為向導的個體冷卻服中由于沒有考慮空氣高濕度導致汗液不能蒸發因此易造成不舒適感[4]。文章研究干燥的氣源，供高溫高濕環境中個體空調服使用。目的在于降低皮膚表面空氣濕度促使皮膚表面汗液充分蒸發吸熱，從而有效降低人體在高溫高濕環境的熱應激。

1 熱應激評價指標

1.1 熱應力指數（HSI）

熱應力指數HSI[4]最早在1955年被提出，用于衡量人體在一定環境中熱疲勞程度以及熱承受能力。熱應力指數HSI根據具體環境參數，該條件下人體與環境的熱濕交換以及人體生理調節計算所得參數。

如圖1中[5]，熱應力指數HSI越大表示人體在該環境中承受能力越差。表現為熱不舒適強、出汗量大、人體核心溫度升高、堅持時間短等。嚴重會出現中暑、嘔吐等癥狀。

圖1 HSI指標值及熱應力圖示解決方案

1.2 WBGT指數

國際通常用濕球溫度黑球溫度WBGT表示人體在人環境中熱應激的指數，計算公式如式（1）。WBGT指數結合濕球溫度tnwb、黑球溫度tg和干球溫度ta，分別代表環境濕度，環境輻射因素以及環境溫度綜合表示環境參數[6]。因而，WBGT在國際上被使用廣泛地于極端工作環境，用于表示高溫環境工作的時間限制。

2 高溫干燥環境與高溫高濕環境對比

1992年，美國海軍研究含相變材料單兵制冷服在艦艇機艙中的應用效果[7]。該實驗環境為氣候室中的5種環境，請8名海軍先后進行穿制冷背心和不穿背心的對照組實驗。測量并且記錄8名實驗者在試驗過程的心率，核心溫度，出汗量，平均皮膚溫度以及堅持的時間。用這五種數據在相同環境中作對照實驗，以驗證海軍制冷背心的效果。

根據環境溫度與人體熱平衡之間的關系，通常把35℃以上的生活環境和32℃以上的生產環境視為高溫環境，相對濕度在60%以上的環境稱為高濕環境[8]。表1中五種均為高溫環境，其中有相對濕度25%，35%以及39%的三種為干燥環境。相對濕度80%，60%兩種為高濕環境。

表1 五種不同環境參數

為研究高溫環境中環境空氣含濕量對人體熱應激的影響，文章參考美國海軍實驗中8名實驗者未穿制冷背心，在氣候室的5種不同條件下的心率、出汗等數據，重新進行整理和分析。主要進行人體出汗量、心率等人體熱應力典型的特征參數與環境含濕量之間關系的分析。

2.1 WBGT指數在高溫環境的誤差

為了區別高溫環境中高濕度和干燥兩種環境，表1中分別用具有相同WBGT溫度的干燥和高濕兩種空氣進行對比實驗。H和D分別代表相同WBGT溫度中的高濕環境和干燥環境。其中，有36H，36D以及38H，38D兩組對比如圖2、3：

圖2 相同WBGT時濕度對心率的影響

圖3 相同WBGT時濕度對堅持時間的影響

根據實驗者的心率和忍耐時間分析，WBGT36，WBGT38不同WBGT指數中，空氣含濕量的高低有明顯的差距。含濕量低的WBGT36D，WBGT38D工況中，實驗者的心率分別比對應的高濕WBGT36H，WBGT38H環境中低23～11次/分鐘。在相同WBGT指數的環境中，干燥環境中實驗者的忍耐時間比潮濕環境中長45～129分鐘。可見WBGT指數高溫環境中并不能單獨地、準確地體現出人體熱應力的高低。原因主要為WBGT綜合計算公式，在高溫條件下空氣含濕量比重偏低。

2.2 濕度在高溫環境評價熱應激的作用

表1第2，第4和第5環境干球溫度均為49℃，唯一變量為空氣含濕量。參考圖4，實驗者在溫度相同，含濕量不同的環境中，出汗量隨著環境含濕量呈線性增加。實驗者在49℃含濕量不等的高溫環境中，忍耐時間隨環境含濕量的上升快速減小。可得出結論，在高溫環境中，環境空氣含濕量對人體熱應激影響直接，達到線性地相關關系。

圖4 實驗者出汗量，堅持時間與環境含濕量的關系

重慶大學徐昆侖，劉紅等人的試驗表示[9]，在夏季熱中性環境（26℃、29℃），相對濕度對人體熱感覺影響很小。當環境為偏冷或者偏熱時，相對濕度的變化對熱感覺影響較為明顯。在32℃，15%和50%的相對濕度工況下熱感覺存在顯著差異。可見，干燥型氣源降低高溫惡劣環境中空氣濕度，減小人體熱應激具有豐富理論基礎和可行性。

3 干燥空氣實驗與分析

在高溫環境中濕度對人體熱應激有直接影響，以降濕型空調服為技術路線，為人體提供干燥的衣下微環境。因此干燥型冷源研究、發展至成熟實用設備有很大的意義。根據暖通空調設計[10]中，中等勞動強度的成年男子散熱量為235 W，出汗量為283 g/h。

文章研究以壓縮空氣作為個體空調服的干燥氣源系統組建和性能分析。實驗4名青年男性身穿防化服，在室外環境作熱應力測試實驗。

3.1 實驗設備與方法

3.1.1 壓縮空氣測試實驗

圖5為壓縮空氣實驗示意圖，主要設備為：空氣壓縮機（4～8 bar工作壓力，800 L/min標準氣體，功率3600 W），油水分離器（2～8 bar工作壓力），高壓氣管（承受壓力1.2 mPa）及渦流管（在2 bar以上的壓力下產生0～18℃冷流）。實驗環境為35℃，60%的室外自然環境。空壓機壓縮產生高壓干燥空氣，并會析出液體水分。高壓空氣用高壓氣管連接至油水分離器吸收液態水。經過高壓氣管送至末端使用，在末端測得送氣狀態。

圖5 壓縮空氣實驗示意圖

圖6為壓縮空氣+渦流管實驗示意圖，空壓機-油水分離器-風管運輸等設備和實施同上，末端加渦流管，渦流管兩端出氣中將冷端空氣連接至個體空調服用戶，熱端氣流排出，在末端測得送氣狀態。

圖6 壓縮空氣+渦流管實驗示意圖

測試時間均為10 min，圖7為末端供的壓縮空氣狀態，圖8為渦流管降溫后的供氣狀態。

圖7 純壓縮空氣供氣狀態

圖8 渦流管+壓縮空氣供氣狀態

在35℃，相對濕度60%的環境中實驗，空壓機系統與空壓機+渦流管系統產生的空氣含濕量基本相同。由于渦流管的分流和能量交換作用渦流管供氣溫度降低至19℃，15 m3/h（表2）。如圖7壓縮空氣初始狀態為溫度30℃，相對濕度30%。后續溫度穩定不變，由于空壓機中壓縮空氣凝結水分一部分隨空氣運輸至末端，影響相對濕度測量值和準確度，相對濕度持續上升至50%～60%。

表2 壓縮空氣平均參數

3.1.2 熱應力測試實驗

35℃，60%的室外環境中熱應力的測試實驗設備為：壓縮空氣系統，壓縮空氣+渦流管系統，管道以及防化服。

實驗實施：4個青年男性穿著防化服在室外作中強度勞動（快走，站立舉啞鈴等）做三組室外自然狀態、通入壓縮空氣、通入渦流管處理后壓縮空氣三組實驗。三組實驗分別進行并記錄4名實驗者堅持時間和熱感覺投票。熱感覺投票值為1-5分別表示熱中性到極度熱。實驗者穿防化服在35℃，60%的室外環境進行實驗。環境空氣含濕量高達21.4 g/kg。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 WBGT

實驗室外環境、壓縮空氣供氣、壓縮空氣+渦流管供氣（表3），這三種空氣可作為干個體空調的氣源。其中室外環境參數可作為干燥型氣源的對照實驗。

表3 壓縮空氣系統WBGT

分析圖9，三種空氣的含濕量有明顯的差距，三種空氣的WGBT溫度也有明顯差距。WGBT溫度差距與含濕量的差值有明顯關系。WGBT指數隨兩種干燥型氣體中含濕量的減小大幅度表現減小。表明在不同環境中，含濕量的降低可以明顯降低環境使人體產生的熱應激。

圖9 干燥氣源降低WGBT

3.2.2 熱應力HSI

如表4中三種空氣參數具體熱應力指數分別不同，并且產生不同的熱疲勞現象。如圖10，熱應力指數HSI隨著空氣含濕量的減小而減小，呈現出明顯的線性關系。當室外環境為熱疲勞的危險狀態，干燥空氣有效地降低了人體熱應力，將人體熱疲勞降低至輕微甚至完全消除。從4名實驗者堅持時間分析，證明干燥空氣對降低人體熱應激的實際作用。對比壓縮空氣和渦流管供氣實驗中實驗者堅持時間，表明個體空調服送氣量對緩解熱應力有一定影響。（渦流管減少送氣流量）

表4 壓縮空氣系統熱應力

圖10 干燥氣源降低熱應力

4 結論

1）相同WBGT指數中，低濕度的環境人體熱應激比在高濕度環境明顯較低。WBGT指數在高溫環境體現空氣濕度對人熱應力影響比實際低，有待修正。

2）大量已有實驗研究表明：環境空氣含濕量在高溫環境中，對人體熱應激有直接的影響。本實驗熱投票，實驗者堅持時間等結果可驗證這一理論。

3）壓縮空氣作為干燥型個體空調服的氣源，有效減小人體在高溫高濕環境的熱應力。消除人體危險狀態，達到輕微甚至無熱疲勞的狀態。

4）純壓縮空氣系統、渦流管壓縮空氣系統兩種系統供氣溫度分別為30℃，19℃。分別適用低于35℃環境和極高溫度環境。

5）干燥型冷源系統的弊端有待改善。空壓機系統水分過濾系統效率低導致送風濕度逐漸升高。因渦流

管的冷流率作用，渦流管系統送風量降低至15 m3/h。