高溫高濕環境評價指標研究

王秋月

沈陽建筑大學

1 引言

隨著我國經濟水平的迅猛發展，人們對生產生活環境的舒適性、安全性要求越來越高，我國對建筑內環境已經有一定程度的研究，建筑的內環境處于人體可接受的舒適范圍，但一部分特殊環境，例如鋼鐵、玻璃、陶器、橡膠、鑄造、采礦等高溫高濕的作業環境只有一部分人對其進行研究，我們通常認為高溫環境是工作環境溫度在32℃以上和生活環境溫度在35℃以上，把相對濕度在60%以上的環境稱為高濕環境。高溫高濕的工業環境區別于建筑內環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境因素。勞動者在這種工業環境下進行長時間工作，不僅要忍受身體上的不良反應，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事故。研究適合高溫高濕環境的評價指標對減輕人體傷害有極其重要的意義。

2 高溫高濕環境對人體的影響

針對高溫高濕環境下的作業安全，我國已經出臺了一系列法律法規，如針對高溫環境的評價標準出臺了《高溫作業分級》（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接觸限值》（GBZ2—2002），根據人體WBGT指數頒布了《根據WBGT指數(濕球黑球溫度)對作業人員熱負荷的評價》（GB/T17244—1998），并且對高溫高濕環境下的勞動者進行高溫補貼。高溫高濕環境下影響，人體身心健康和生產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

在高溫高濕環境中，空氣溫度高于普通環境溫度，是人體與環境對流和輻射換熱人的主要影響因素，當環境溫度升高時，人體皮膚溫度隨之升高，與外界溫差減小。人體向周圍環境的散熱降低，對流和輻射散熱量減少。體內的余熱蓄積，無法向周圍環境散出，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和呼吸散熱，皮膚蒸發主要通過汗液蒸發，在高溫高濕環境中濕度高達60%~80%，相對濕度較高時，空氣中水蒸氣分壓力加大，人體長期在這種環境下進行作業勞動，汗液蒸發受到抑制，在高溫的作用下，人體的熱感增加。

2.3 空氣流速

高溫高濕環境中空氣流動速度大小是影響對流質交換系數的主要因素，空氣流動速度加大，對流傳熱系數加大，周圍環境與人體之間的換熱量增大，當人體表面有汗液存在時，空對流傳質增大，皮膚表面汗液蒸發加快，蒸發散熱量增大，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，人體向周圍環境散發熱量。平均輻射溫度是周圍環境以及物體向人體輻射的平均溫度，因此高溫高濕環境中存在的物體對人體也存在一定影響。

3 熱環境評價

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

3.1 熱舒適指標

環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測人體熱舒適的程度，在對室內環境進行研究評價時，研究者基于大量試驗研究和現場調查發現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，無論環境處于高溫還是低溫狀態，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模型是目前應用最廣的熱舒適評價指標，它可以預測不滿意百分數和平均投票數。PMV模型是由丹麥學家Fanger提出的，他通過對200多名學生進行調查，經過大量實驗得到的。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。在問卷調查時，通常采用數字代表PMV值，冷對應-3，涼對應-2，微涼對應-1，適中對應0，微暖對應1，暖對應2，熱對應3。由于PMV模型是通過對國外的人員進行研究，因此PMV模型對于其他地區不能完全適用，其他地區在應用PMV模型時需要乘以一個修正系數，根據地區的不同，修正系數在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——出汗濕熱散熱量；

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。

經實驗研究發現，PMV模型具有一定的局限性，Fanger再一次經過大量實驗得到了目前應用最廣泛的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指數就會出現偏差。首先人體需要處于一種長時間的穩定狀態，PMV指標不適用于瞬態或者短時間的穩態，其次皮膚表面溫度應接近舒適狀態下的人體平均皮膚溫度。最后人體的排汗率應該采用人體處于熱舒適情況下的排汗率。

3.2 熱應力指標

3.2.1 熱應力指數HSI

熱應力指數（HSI）是根據在給定的熱環境中作用于人體的外部熱應力、不同活動量下的新陳代謝產熱率及環境蒸發率等的理論計算而提出的。熱應力指數在試驗以及研究領域應用廣泛，本質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定在35℃并且服裝熱阻在0.6clo時提出的。熱應力指數（HSI）與人體的肌體反應關系如表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，只有少數人能適應這種熱環境條件最大可能耐受8小時的熱應力

3.2.2Sreq指數

Sreq指數評價環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合熱應力指數和熱應變指數發展而來，區別于其他指數的主要優勢是Sreq指數應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。Sreq指數的重要參數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量；

rREQ——人體達到必須出汗率時的蒸發效率。

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

3.2.3 風冷卻指數WCI

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

風冷卻指數與人體感覺如表2所示。

表2 風冷卻指數與人體感覺

4 高溫高濕環境評價指標選擇

針對高溫高濕環境的特點，首先需要保證環境中勞動者的生命安全，再考慮環境的舒適性，對于高溫高濕環境首先應用熱應力值，評價該環境是否符合人體安全要求，當熱應力值小于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境進行舒適性評價。

通過對之前所闡述的環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境因素的影響，還與人體的活動水平以及服裝熱阻有關，通常在高溫高濕環境中，人體著裝基本一定，進行的勞動基本相同。因此，評價高溫高濕環境對人體的影響以及舒適性時，應著重考慮環境特點，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現，考慮了所有環境因素對人體影響的評價指標包括標準有效溫度和預測平均評價PMV，其中標準有效溫度可以通過根據人體體溫和人體皮膚溫度動態的了解評價人體受環境因素的影響，對高溫高濕環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雜。PMV評價指標適用于固定的皮膚溫度與顯性出汗狀態蒸發換熱量，在環境與熱舒適狀態偏差較大，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，了解這些環境參數對人體的影響，是評價高溫高濕環境的理論依據。（2）對環境評價指標進行介紹與對比，分析各環境評價指標實使用范圍和使用條件，并對現有的熱舒適評價指標進行總結。（3）根據高溫高濕環境的特點，首先選擇熱應力HSI評價指標評價高溫高濕環境對于勞動者是否安全，當環境滿足人體安全條件時，需要準確了解環境選擇標準有效溫度SET指標，對環境大概了解時選擇預測平均評價PMV。（4）目前對于高溫高濕環境下人體的熱舒適評價只從環境本身進行評價，對于高溫高濕環境下人體的生理指標沒有相關規定，可以將環境評價指標結合人體生理指標，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。