評估兒童在高溫密閉車廂中的熱應力

魏婧 鄒鉞 周健

1 東華大學環境科學與工程學院

2 上汽技術中心

0 引言

近來，因兒童被動或主動停留在車內而導致車輛高溫死亡的事件被頻頻報道。對于15 歲以下孩子，除去車禍外，車輛高溫已經排在車輛相關死亡原因中的第二位。這說明公眾對于兒童在高溫車廂中的危險的認識還不夠到位。

汽車內部營造了一種獨特的可能會產生極端危險的熱環境。當汽車處于陽光直射且沒有通風的狀況下，內部的溫室效應引起車廂溫度升高。另外，密閉的車廂缺少通風，從而減少了通過對流帶走的熱量，因此進一步導致了車廂加熱[1]。

相比于成人，兒童較高的代謝率和較大的體表面積與質量比會使他們吸收更多的熱量，而較低的血量和較少的排汗量使他們散失更少的熱量。當處于炎熱的封閉車輛中，被綁在汽車座椅上的兒童很可能無法調整自身的行為來應對高溫，導致他們調節體溫的能力降低[2]。當身體不堪重負，不能維持正常體溫，就會發生體溫過高，并最終導致中暑甚至死亡[3]。

本研究對加熱的密閉車廂熱環境參數進行了實測，利用調整后的熱應力預測模型PHS，模擬1 歲男孩在高溫車廂中的熱應力變化，探究了兒童在這種熱環境中發生危險的時間。

1 研究方法

1.1 密閉車廂熱環境參數測量

密閉車廂熱環境參數測量的實驗環境有兩種，一種是普通的室外環境，一種是風洞環境。測試地點在中國上海市。室外環境的測試在2018 年7 月16 日，19日和21 日三天進行，這三天室外環境溫度均為33 ℃，是上海七月份比較典型的室外溫度。

風洞環境實驗于在2018 年9 月至12 月在上汽熱能風洞實驗室中進行。相比于室外環境，風洞環境可控并且更加穩定。風洞環境設置空氣溫度38 ℃，相對濕度40%，光照布置在車輛頂部的正上方，光照強度1000 W/m2。

室外環境實驗所用的車輛為深藍色寶馬218i。實驗開始前，將汽車停放在陽光照射的空地上。車廂內熱環境參數采集使用了SWEMA 多點測試系統，可采集車內的空氣溫度，輻射溫度，相對濕度以及風速，溫濕度探頭位于車廂后排座位頭部位置。安裝設備后，打開制冷空調，使車廂溫度低于環境溫度。之后，關閉空調，車窗以及車門，使車輛處于密閉狀態，開始數據采集。數據采集頻率為一分鐘一次。風洞環境實驗所用車輛為上汽某款SUV，實驗操作與上述相同。

1.2 兒童熱應力預測模型

本文使用了ISO 7933（2004）提出的熱應力預測模型PHS 來評估兒童在極端熱環境中的生理反應。該模型直接考慮了人體直腸溫度，核心溫度，皮膚溫度以及出汗量的變化。它使用以下方程來描述人體的熱量產生：

式中：S 為蓄熱密度，W/m2；M 為代謝率，W/m2，W 為有效機械功，W/m2；Cres為呼吸對流熱流密度，W/m2，Eres為呼吸蒸發熱流密度，W/m2；C 為對流熱流密度，W/m2；R 為輻射熱流密度，W/m2；E 為蒸發熱流密度，W/m2。

為了模擬車廂內的兒童，本研究在應用該模型時做了修改。首先，該模型中人體表面積的計算使用了Du Bois[4]公式，雖然它能滿足對成人表面積的估算，但Haycock 等人[5]已證明，Du Bois 公式應用在嬰兒和幼兒身上不準確，其計算結果低估超過了8%。基于易用性和準確性，本研究采用Costeff[6]公式進行兒童表面積的計算。其計算公式為：

式中：A 為表面積，m2；m 為體重，kg。

其次，PHS 模型的計算需要很多環境、人體、服裝等參數作為輸入變量。本研究的模擬對象為1 歲男孩，參考2018 最新《兒童身高體重標準表》，1 歲男孩標準身高0.765 m，標準體重10.05 kg，并認為兒童為不適應性人體，坐在汽車后排，無法自由飲水。

根據ASHREA Handbook 55（2013），成人靜息代謝率為58.15 W/m2。隨著年齡的增長單位體表面積的基礎代謝率在下降。根據Bar-Or 等人[7]、Fabbri 等人[8]、Haddad 等人[9]的研究，考慮1 歲兒童的自我意識較弱，偶爾會有身體活動，不會完全處于靜坐狀態，本研究取兒童代謝值為成人的1.2 倍，即58.15×1.2≈70 W/m2，這個取值與Grundstein 等人[10]、Vanos 等人[11]的取值相近。

在大多數情況下，人體和環境的熱交換通過服裝進行。服裝性能決定了傳熱速率。基于Nam 等人[12]對韓國首爾學齡前兒童服裝熱阻的調研，服裝熱阻大小取兒童夏季平均值0.29clo。服裝的蒸發滲透系數保持原模型中0.38 不變。

生理參數的初始值為原模型中的初始值，初始總失水率為0 W/m2，初始直腸溫度為36.8 ℃，初始核心溫度為36.8 ℃，初始皮膚溫度為34.1 ℃，初始平衡核心溫度為36.8 ℃。

兒童最終生理判定指標包括人體失水量和直腸溫度。沒有使用皮膚溫度是因為目前PHS 模型預測的皮膚溫度值還不太可靠[13]。失水量包括皮膚表面蒸發的汗液和呼吸蒸發的水分。當人不自由飲水時，身體的總失水量應限制在體重的3%，直腸溫度不應超過38 ℃。臨床醫學上將中暑的特征界定為核心體溫超過40 ℃（104℉）并伴有神經系統異常。由于PHS 模型不考慮神經條件，本研究將直腸溫度超過40 ℃(＞104)界定為“中暑”。先前的研究表明，人體的臨界溫度最高是41.6-42 ℃（106.8-107.6℉），超過最高溫度，就不太可能繼續生存[3]。因此，本文將人類臨界溫度42 ℃（107.6℉）作為兒童死亡的判定指標。兒童生理的判定指標見表1：

表1 兒童生理反應判定指標

2 研究結果

2.1 室外環境密閉車廂熱環境參數測量結果

圖1 記錄了2018 年7 月16 日，19 日和21 日三天同一時間段在室外環境下浸泡的車輛車廂熱環境參數的平均變化結果，以車廂溫度等于室外溫度為起點。數據記錄的起始時間為13:02，終止時間為14:12，共計時長70 min。

圖1 室外環境車廂后座熱環境參數變化

由于沒有空調開啟及窗戶通風，車內氣流擾動小，風速很低，不超過0.1 m/s，平均風速在0.03 m/s 左右，可以近似看作為零。

輻射溫度與空氣溫度整體有一致的變化趨勢，并且數值接近。可以認為車廂內的輻射溫度與環境溫度相等。

車廂內空氣溫度不斷升高，并且溫度上升的速率有逐漸減小的趨勢。起始空氣溫度為33.01 ℃，整個過程采集到的車廂最高空氣溫度為55.47 ℃，最先發生在下午14:07，即65 min 時，比33 ℃的環境溫度高出22.47 ℃。過程中采集數據的波動原因可能是由于環境的動態變化，如偶爾云層遮擋。65 min 后車廂溫度略有降低，可能是因為環境溫度降低造成的。

表2 顯示了室外環境實驗中，車廂空氣溫度上升至最高溫度前，不同時間間隔車廂內的空氣溫度，以及空氣溫度上升量占最大溫度上升量的比值。從表中可以看出，第5 min 時，車廂空氣溫度的上升量占到了最大溫度上升量的30%，第15 min 時達到了一半，第40 min 時達到了最大溫度上升量的90%以上，而最后的25 min 總共只上升了10%左右。由此可以得出，車廂空氣溫度上升主要發生在前40 min。車輛浸泡1 h時，車廂溫度達到55.08 ℃，比環境溫度高出22.08 ℃，且占到最大溫度上升量的98%，因此可以近似認為車輛夏季陽光照射的室外浸泡1 h 便可達到最大空氣溫度升高量。

表2 不同時間間隔車廂空氣溫度及空氣溫度上升量占最大上升量的比值

2.2 風洞環境密閉車廂熱環境參數測量結果

圖2 記錄了在環境條件更穩定的風洞中，以車廂空氣溫度約等于環境溫度為初始狀態，汽車浸泡104 min，車廂的熱環境參數變化。車廂的風速非常小，可忽略不計。輻射溫度與空氣溫度基本相同。車廂溫度呈增長率逐漸減小的上升趨勢。所采集到的數據中，還沒有出現穩定的空氣溫度最大值。初始時，空氣溫度為38.1 ℃，汽車浸泡5 min 后達到42.24 ℃，15 min后達到48.44 ℃，40 min 后達到57.78 ℃。1 h 后，車廂后座溫度上升至61.67 ℃，比38 ℃的環境溫度高出23.67 ℃。因此，當以車廂溫度等于環境溫度為起點，汽車浸泡1 h，室外環境實驗與風洞環境實驗車廂的空氣溫度上升量接近。

圖2 風洞環境車廂后座熱環境參數變化

2.3 室外環境兒童熱應力模擬結果

將圖1 的熱環境參數曲線帶入熱應力預測模型，假設70 min 后空氣溫度維持在55 ℃，輻射溫度與空氣溫度相等，風速為零，若一個1 歲男孩逗留其中，其熱應力預測結果將如圖3 所示。

圖3 室外環境車廂內兒童熱應力變化

從圖3 中可以看出，熱應力預測結果中的核心溫度比直腸溫度稍高一點，但兩者幾乎相等。核心溫度在37 min 時達到38.03 ℃，62 min 時達到40.06 ℃，89 min 時達到42.03 ℃。直腸溫度在39 min 時達到了38 ℃，64 min 時 達 到40.03 ℃，90 min 時 達 到42.01 ℃。這說明，當兒童被遺留在室外33 ℃環境中浸泡的車輛內時，39 min 兒童身體就達到無法承受外界環境熱量的狀態，64 min 就會造成中暑并可能產生神經損傷，90 min 就會有致命的危險。39 min 時1 歲男孩累計失水量為66.85g，64 min 時累計失水量為139.27 g，90 min 時累計失水量為215.86 g。當直腸溫度超過42 ℃，1 歲兒童的累計失水量沒有超過身體重量的3%。

圖4 描繪了直腸溫度超過42 ℃前，車廂內的兒童代謝產熱及與環境各種換熱的熱流密度變化，正向為得熱，負向為散熱。從圖中可以看出，代謝在蓄熱過程中發揮了較大作用。輻射換熱密度大小與對流換熱密度大小接近，平均輻射換熱密度為47.88 W/m2，平均對流換熱密度為44.25 W/m2。呼吸對流和呼吸蒸發在換熱過程中的作用非常微小。當處于高溫環境中，兒童僅通過蒸發進行散熱。盡管單位面積蒸發散熱量較大，但也沒能及時將通過身體代謝、輻射、對流三者作用產生的熱量帶走，導致身體不斷蓄熱，直腸溫度不斷升高。

圖4 室外環境兒童代謝產熱及與環境換熱的熱流密度

2.4 風洞環境兒童熱應力模擬結果

將圖2 的熱環境參數曲線帶入熱應力預測模型，若一個1 歲男孩逗留其中，其熱應力預測結果將如圖5 所示。

圖5 風洞環境車廂內兒童熱應力變化

從圖5 中可以看出，當1 歲男孩處在起始溫度更高的車輛內，30 min 時，男孩的核心溫度達到38.07 ℃，47 min 時上升至40.04 ℃，61 min 時則達到了42.03 ℃。就直腸溫度而言，1 歲男孩在32 min 時直腸溫度達到38.03 ℃，身體體溫調節開始處于不堪重負的狀態，50 min 時直腸溫度達到40.08 ℃，兒童出現中暑的癥狀，64 min 時直腸溫度就到達42.1 ℃，兒童面臨死亡的危險，這比在33 ℃環境中的致命時間提前了26 min。64 min 時車廂內空氣溫度為62.3 ℃，輻射溫度為60.97 ℃，水蒸氣分壓力為6.65 kPa。32 min 內兒童的累計失水量為56.71 g，50 min 時的累計失水量為108.16 g，64 min 時的累計失水量為149.02 g。當直腸溫度超過42 ℃，1 歲兒童的累計失水量沒有超過身體重量的3%。

圖6 描繪了兒童在風洞環境浸泡的車輛中，64 min 內身體代謝及與環境換熱的熱流密度變化。由于皮膚濕潤度在16 min 達到不耐受人體的最大濕潤度0.85，兒童皮膚表面的蒸發散熱開始減小，但皮膚通過對流和輻射的得熱不斷增加，導致兒童身體蓄熱量不斷上升，直腸溫度不斷升高。

圖6 風洞環境兒童代謝產熱及與環境換熱的熱流密度

3 結論

1）當密閉車輛在高溫中浸泡時，車廂內風速很小，可忽略不計。車內輻射溫度約等于空氣溫度。

2）高溫浸泡時密閉車廂空氣溫度上升主要發生在前40 min，浸泡1 h 后，車廂空氣溫度能比環境溫度高出22～24 ℃。

3）當汽車在33 ℃的室外環境中浸泡，一個1 歲男孩若置于其中，36 min 就會達到身體無法承受的狀態，64 min 出現中暑，90 min 就會有生命危險。

4）當汽車在溫度更高且環境條件更穩定的38 ℃風洞環境中浸泡，1 歲男孩若滯留其中，32 min 就無法承受外界得熱，50 min 出現中暑，64 min 就有致命的危險。