基于暖體假人的熱環(huán)境下人體安全評價
本文針對高溫環(huán)境下的人體安全問題,建立了將理論計算與實驗?zāi)M相結(jié)合的人體安全評價方法。將暖體假人置于封閉的高溫環(huán)境實驗艙內(nèi),實時測量人體周圍的環(huán)境參量,應(yīng)用熱反應(yīng)模型計算得到該環(huán)境參量下的人體熱生理反應(yīng),通過暖體假人的體熱、出汗等功能實現(xiàn)該時間的生理反應(yīng),進而實現(xiàn)人體與環(huán)境的熱反應(yīng)交互過程。此外,通過觀測實驗過程中人體熱生理參數(shù)的變化,依據(jù)醫(yī)學(xué)生理學(xué)的研究結(jié)果,判斷人體的安全狀態(tài)。
1 實驗設(shè)計
1.1 實驗平臺的構(gòu)建
實驗平臺包括人-機-環(huán)境模擬子系統(tǒng)、參數(shù)測量子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集/傳輸/處理子系統(tǒng)3部分。人-機-環(huán)境模擬子系統(tǒng)通過高溫艙和熱輻射板制造特定熱應(yīng)力環(huán)境,應(yīng)用NEWTON暖體假人模擬人體的熱生理響應(yīng)行為,并為假人穿著熱,進而形成人-機-環(huán)境的熱反應(yīng)系統(tǒng)。由參數(shù)測量子系統(tǒng)測量環(huán)境的溫、濕度等基本參量和假人的熱生理參數(shù)。數(shù)據(jù)采集/傳輸/處理子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀、假人控制軟件ThermDAC和人體熱反應(yīng)計算模型組成,接收參數(shù)測量系統(tǒng)的實時測量結(jié)果,計算假人的熱生理響應(yīng)行為,并將相應(yīng)指令傳輸至NEWTON暖體假人,作為暖體假人對人體熱生理響應(yīng)模擬的依據(jù)。實驗平臺的整體結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系如圖1所示。
暖體假人是人體生理行為的模擬設(shè)備,多應(yīng)用于服裝舒適性研究。本實驗基于美國西北公司生產(chǎn)的NEWTON暖體假人,以熱生理模擬計算的熱響應(yīng)結(jié)果為指令,模擬人體在熱環(huán)境中的體熱、出汗等生理反應(yīng)。NEWTON暖體假人包括假人及皮膚層、外部系統(tǒng)、環(huán)境傳感器和控制軟件等部分。其中,假人及皮膚層是模擬人體的外部結(jié)構(gòu),并在皮膚層下內(nèi)置體內(nèi)控制器及毛細管,作為模擬人體體熱、出汗的微觀作用單元; 外部系統(tǒng)由與體熱、出汗等生理對應(yīng)的外置控制箱組成,發(fā)揮與人體生理功能對應(yīng)的臟器的作用。NEWTON暖體假人的整體結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系如圖2所示。
1.2 實驗方案
熱環(huán)境下人體安全研究實驗的主要思路為: 將暖體假人和熱輻射板置于封閉的熱環(huán)境實驗艙內(nèi),通過熱輻射板制造特定的熱環(huán)境,由暖體假人參數(shù)測量系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)獲取相關(guān)參數(shù),經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算得到該熱應(yīng)力下假人的熱生理反應(yīng),傳輸至暖體假人使其產(chǎn)生相應(yīng)的體熱、出汗等響應(yīng)。通過實時測得的假人生理參數(shù),以體溫、出汗率兩項指標為判據(jù),判斷人體的安全狀態(tài)。為方便對安全評價方法的研究,實驗中未對假人著熱裝,而僅穿著發(fā)汗皮膚,以發(fā)汗皮膚的熱阻、濕阻參數(shù)代替熱裝的熱、濕性能參數(shù)。
實驗的主要流程為: 1) 開啟熱輻射板,艙內(nèi)溫度升高; 2) 人體隨環(huán)境溫度升高而累積熱量,體溫升高; 3) 熱量累積到一定程度,開啟出汗功能,通過汗液蒸發(fā)散熱; 4) 通過體溫和出汗相關(guān)參數(shù),判斷人體安全狀態(tài),相關(guān)參數(shù)大于安全閾值則進入危險狀態(tài),大于極限閾值則進入極限狀態(tài),否則處于安全狀態(tài)。實驗主要流程如圖3所示。
1.3 生理指標的計算
在數(shù)據(jù)采集/傳輸/處理系統(tǒng)中,嵌入人體熱生理反應(yīng)計算模型,以實時測得的環(huán)境和人體熱濕參量作為輸入,迭代計算得出人體的熱生理反應(yīng)。計算模型采用ISO 7933中推薦的模型,主要計算公式為[11]:
1) 計算皮膚表面蒸發(fā)熱流量 Emax(W/m2)所需蒸發(fā)熱流量 Ereq(W/m2):
Emax=psk-paRcl,(1)Ereq=M-deq-W-Cres-Rres-C-R.(2)
其中: psk與 pa分別為皮膚表面溫度和環(huán)境溫度對應(yīng)的飽和蒸氣壓, kPa; Rcl為皮膚層及服裝的濕阻, m2kPa/W; M為指定勞動強度下的新陳代謝率, W/m2; deq為與新陳代謝率相關(guān)的使體溫上升的存儲率, W/m2; W為人體的對外做功率, W/m2; Cres和 Rres分別為呼吸產(chǎn)生的熱對流率和熱蒸發(fā)率, W/m2; C和 R分別為皮膚表面的熱對流率和熱蒸發(fā)率, W /m2。以上參量中: psk、 pa、 Rcl根據(jù)實測值得出; M、 W根據(jù)實際情況設(shè)置; 其他參數(shù)為:
deq=cspTcr,eq,i-Tcr,eq,i-1·1-αi-1,(3)Cres=0.01516MTex-Ta,(4)Eres=0.00127M59.34+0.53Ta-11.63pa,(5)C+R=Tsk-TaIcl.(6)
其中: i為第 i個時間步長,每個時間步長為1 min; csp為人體熱容, W/(m2·K); Tcr, eq, i為與新陳代謝率相對應(yīng)的平衡時的人體核心溫度, ℃; αi為皮膚 -核心質(zhì)量參數(shù); Tex、 Ta、 Tsk分別為呼出氣體溫度、環(huán)境溫度和皮膚溫度, ℃。
2) 計算預(yù)期出汗率 si(W/m2),
si=si-1·e-110+sreq1-e-110.(7)
其中, sreq為所需出汗率, W/m2, 其值由 Ereq和 Emax的決定。
3) 計算直腸溫度 Tre,i,℃,
Tre,i=Tre,i-1+2Tcr,i-1.962Tre,i-1-1.319.(8)
其中, Tcr,i為人體核心溫度, ℃,
Tcr,i=11-αi2dicsp+Tcr,i-1-Tcr,i-1-Tsk,i-12αi-1-Tsk,iαi2.(9)
在醫(yī)學(xué)生理學(xué)中,常用人體的直腸溫度代替核心溫度[12]。由此,可通過設(shè)置人體參量,測量環(huán)境參量,計算出人體在該熱環(huán)境下所需出汗率和直腸溫度。
2 實驗結(jié)果與分析
人體熱舒適時的皮膚溫度 Tsk =34 ℃[12], 將這一數(shù)值設(shè)置為人體皮膚溫度初始值。分別將熱輻射板的溫度 Trad設(shè)置為30 ℃、 32 ℃、 34 ℃、 36 ℃、 38 ℃、 40 ℃, 考察實驗4 h內(nèi)的人體熱生理變化,通過體溫、出汗兩項生理指標判斷人體的安全狀態(tài)。
2.1 直腸溫度變化
直腸溫度 Tre在實驗過程中的變化如圖4所示。
1) 熱輻射溫度 Trad越高, Tre的升高越快。
2) 當 Trad為30 ℃和32 ℃時, Tre先升高后降低,最后達到一較穩(wěn)定值,說明人體能夠適應(yīng)此熱輻射的環(huán)境; 當 Trad =34 ℃時, Tre最后仍有波動,說明此熱輻射溫度為人體對熱環(huán)境適應(yīng)的臨界情況,這與 Tsk穩(wěn)定值為34 ℃相符; 當 Trad為36 ℃、 38 ℃、 40 ℃時, Tre先較快增長,直至趨近于 ISO 7933模型的有效計算臨界值 Tre =40 ℃(對應(yīng)時間 t1=98 min), 此時人體的熱響應(yīng)規(guī)律已無法用ISO 7933模型進行計算。
3) 當 Tre達到危險值時,人體進入相應(yīng)的危險狀態(tài)。直腸溫度的危險限值為生理上限38 .5 ℃, 安全上限38 .9 ℃, 耐受上限39 .4 ℃[13]。由此判斷的危險時間如表1所示。
由表1可見,當熱環(huán)境強度超過人體的調(diào)節(jié)能力時,熱輻射溫度越高,人體處于熱危險狀態(tài)的時間越早。
2.2 出汗率變化
分析出汗率 s在實驗過程中的變化規(guī)律,判斷人體安全狀態(tài),如圖5所示。
1) Trad越高, s的增長越快;
2) 當 Trad為30 ℃和32 ℃時, s先增大后減小,最后達到一較穩(wěn)定值,說明人體能夠適應(yīng)此熱輻射環(huán)境; 當 Trad =34 ℃時, s最后仍有波動,說明此熱輻射溫度為人體對熱環(huán)境適應(yīng)的臨界情況; 當 Trad為36 ℃、 38 ℃、 40 ℃時, s先較快增長,后穩(wěn)定到一極限值。對照 Tre曲線可以發(fā)現(xiàn), Tre =40 ℃, 即實驗時間 tl =108 min時,人體的熱響應(yīng)規(guī)律已無法用ISO 7933模型進行計算,此時 sl =375 mL/(m2·h), 也為計算得到的出汗率的極限值。
3) 當 s大于體重的0 .01%時(246 .33 mL/(m2·h)), 人體處于由出汗率判斷的危險狀態(tài)[13]。由此判斷的各熱輻射溫度對應(yīng)的危險時間如表2所示。
當人體能夠適應(yīng)熱輻射環(huán)境時,危險時間隨熱輻射溫度的升高逐漸縮短; 當人體不能適應(yīng)熱輻射環(huán)境時,危險時間基本相同。這說明當熱環(huán)境的強度超過人體的調(diào)節(jié)能力時,人體的出汗率具有對應(yīng)的極限值,出汗率圍繞該極限值進行變化。
4) 人體總失水量存在極限值。當總失水量Σ s超過該極限值時,人體處于失水的危險狀態(tài)。當Σ s達到體重的2%(1.4 kg)時,進入危險狀態(tài); 當Σ s達到體重的5%(3.5 kg)時,進入熱危害狀態(tài)[14]。不同熱輻射溫度下危險狀態(tài)的時間刻如表3所示。
3 討論與結(jié)論
針對單一理論計算或?qū)嶒災(zāi)M在研究高溫環(huán)境下人體安全問題時的局限性,本文應(yīng)用出汗暖體假人為核心設(shè)備,建立了將理論計算與實驗?zāi)M相結(jié)合的人體熱安全評價模型。該模型能夠?qū)岘h(huán)境作出實時反應(yīng),通過體溫和出汗率的變化判斷人體的熱安全狀態(tài),從而實現(xiàn)對高溫環(huán)境下的人體安全防護的輔助決策功能。
該安全評價方法還存在一定不足,主要有:
1) 體表溫度值由20個軀段的體表溫度按對應(yīng)的體表面積加權(quán)得出,出汗量根據(jù)加權(quán)后的體表溫度進行調(diào)整。更精確地,應(yīng)將各軀段區(qū)別對待,即根據(jù)各軀段的表面溫度分別計算并調(diào)整出汗率。
2) 實驗在封閉的熱環(huán)境實驗艙進行,實驗過程中艙內(nèi)的溫度、濕度一直變化,由于這種變化與暖體假人實時的發(fā)熱率、出汗率直接相關(guān),使得實驗結(jié)果很難與無法考慮假人主動熱響應(yīng)調(diào)節(jié)的理論模型計算結(jié)果進行對
比。下一步應(yīng)在恒溫恒濕環(huán)境箱中進行該實驗,并將實驗結(jié)果與理論模型計算結(jié)果進行對比,進而對安全評價方法作出改進。
3) 本實驗中,為簡化方法研究,對暖體假人未著熱,僅用附著于假人外層的發(fā)汗皮膚的熱阻、濕阻值代替裝的熱濕性能。顯然,發(fā)汗皮膚的熱濕阻值遠小于熱裝的相應(yīng)參數(shù)。下一步應(yīng)進行穿著裝后的高溫環(huán)境下人體熱安全實驗。
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