邱茶連 鄒鉞 王澤華

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

我國有很多職業(yè)的工作人員需要在高溫高濕環(huán)境中工作，比如：交警、環(huán)衛(wèi)工人、工地現(xiàn)場作業(yè)人員、電焊工人等。高溫高濕環(huán)境下工作會降低工作者的效率，嚴(yán)重的則影響身體健康。而多種類冷源適應(yīng)各個行業(yè)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(yīng)力和熱不舒適[1-3]。以降低溫度為向?qū)У膫€體冷卻服中由于沒有考慮空氣高濕度導(dǎo)致汗液不能蒸發(fā)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(huán)境中個體空調(diào)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(fā)吸熱，從而有效降低人體在高溫高濕環(huán)境的熱應(yīng)激。

1 熱應(yīng)激評價指標(biāo)

1.1 熱應(yīng)力指數(shù)（HSI）

熱應(yīng)力指數(shù)HSI[4]最早在1955年被提出，用于衡量人體在一定環(huán)境中熱疲勞程度以及熱承受能力。熱應(yīng)力指數(shù)HSI根據(jù)具體環(huán)境參數(shù)，該條件下人體與環(huán)境的熱濕交換以及人體生理調(diào)節(jié)計(jì)算所得參數(shù)。

如圖1中[5]，熱應(yīng)力指數(shù)HSI越大表示人體在該環(huán)境中承受能力越差。表現(xiàn)為熱不舒適強(qiáng)、出汗量大、人體核心溫度升高、堅(jiān)持時間短等。嚴(yán)重會出現(xiàn)中暑、嘔吐等癥狀。

圖1 HSI指標(biāo)值及熱應(yīng)力圖示解決方案

1.2 WBGT指數(shù)

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

2 高溫干燥環(huán)境與高溫高濕環(huán)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(jī)艙中的應(yīng)用效果[7]。該實(shí)驗(yàn)環(huán)境為氣候室中的5種環(huán)境，請8名海軍先后進(jìn)行穿制冷背心和不穿背心的對照組實(shí)驗(yàn)。測量并且記錄8名實(shí)驗(yàn)者在試驗(yàn)過程的心率，核心溫度，出汗量，平均皮膚溫度以及堅(jiān)持的時間。用這五種數(shù)據(jù)在相同環(huán)境中作對照實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證海軍制冷背心的效果。

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

表1 五種不同環(huán)境參數(shù)

為研究高溫環(huán)境中環(huán)境空氣含濕量對人體熱應(yīng)激的影響，文章參考美國海軍實(shí)驗(yàn)中8名實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)，重新進(jìn)行整理和分析。主要進(jìn)行人體出汗量、心率等人體熱應(yīng)力典型的特征參數(shù)與環(huán)境含濕量之間關(guān)系的分析。

2.1 WBGT指數(shù)在高溫環(huán)境的誤差

為了區(qū)別高溫環(huán)境中高濕度和干燥兩種環(huán)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(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。H和D分別代表相同WBGT溫度中的高濕環(huán)境和干燥環(huán)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(jiān)持時間的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的心率和忍耐時間分析，WBGT36，WBGT38不同WBGT指數(shù)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(shí)驗(yàn)者的心率分別比對應(yīng)的高濕WBGT36H，WBGT38H環(huán)境中低23～11次/分鐘。在相同WBGT指數(shù)的環(huán)境中，干燥環(huán)境中實(shí)驗(yàn)者的忍耐時間比潮濕環(huán)境中長45～129分鐘。可見WBGT指數(shù)高溫環(huán)境中并不能單獨(dú)地、準(zhǔn)確地體現(xiàn)出人體熱應(yīng)力的高低。原因主要為WBGT綜合計(jì)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(huán)境評價熱應(yīng)激的作用

表1第2，第4和第5環(huán)境干球溫度均為49℃，唯一變量為空氣含濕量。參考圖4，實(shí)驗(yàn)者在溫度相同，含濕量不同的環(huán)境中，出汗量隨著環(huán)境含濕量呈線性增加。實(shí)驗(yàn)者在49℃含濕量不等的高溫環(huán)境中，忍耐時間隨環(huán)境含濕量的上升快速減小。可得出結(jié)論，在高溫環(huán)境中，環(huán)境空氣含濕量對人體熱應(yīng)激影響直接，達(dá)到線性地相關(guān)關(guān)系。

圖4 實(shí)驗(yàn)者出汗量，堅(jiān)持時間與環(huán)境含濕量的關(guān)系

重慶大學(xué)徐昆侖，劉紅等人的試驗(yàn)表示[9]，在夏季熱中性環(huán)境（26℃、29℃），相對濕度對人體熱感覺影響很小。當(dāng)環(huán)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?？梢?，干燥型氣源降低高溫惡劣環(huán)境中空氣濕度，減小人體熱應(yīng)激具有豐富理論基礎(chǔ)和可行性。

3 干燥空氣實(shí)驗(yàn)與分析

在高溫環(huán)境中濕度對人體熱應(yīng)激有直接影響，以降濕型空調(diào)服為技術(shù)路線，為人體提供干燥的衣下微環(huán)境。因此干燥型冷源研究、發(fā)展至成熟實(shí)用設(shè)備有很大的意義。根據(jù)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)[10]中，中等勞動強(qiáng)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(diào)服的干燥氣源系統(tǒng)組建和性能分析。實(shí)驗(yàn)4名青年男性身穿防化服，在室外環(huán)境作熱應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

3.1.1 壓縮空氣測試實(shí)驗(yàn)

圖5為壓縮空氣實(shí)驗(yàn)示意圖，主要設(shè)備為：空氣壓縮機(jī)（4～8 bar工作壓力，800 L/min標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生0～18℃冷流）。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為35℃，60%的室外自然環(huán)境。空壓機(jī)壓縮產(chǎn)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(tài)水。經(jīng)過高壓氣管送至末端使用，在末端測得送氣狀態(tài)。

圖5 壓縮空氣實(shí)驗(yàn)示意圖

圖6為壓縮空氣+渦流管實(shí)驗(yàn)示意圖，空壓機(jī)-油水分離器-風(fēng)管運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備和實(shí)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(diào)服用戶，熱端氣流排出，在末端測得送氣狀態(tài)。

圖6 壓縮空氣+渦流管實(shí)驗(yàn)示意圖

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

圖7 純壓縮空氣供氣狀態(tài)

圖8 渦流管+壓縮空氣供氣狀態(tài)

在35℃，相對濕度60%的環(huán)境中實(shí)驗(yàn)，空壓機(jī)系統(tǒng)與空壓機(jī)+渦流管系統(tǒng)產(chǎn)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(tài)為溫度30℃，相對濕度30%。后續(xù)溫度穩(wěn)定不變，由于空壓機(jī)中壓縮空氣凝結(jié)水分一部分隨空氣運(yùn)輸至末端，影響相對濕度測量值和準(zhǔn)確度，相對濕度持續(xù)上升至50%～60%。

表2 壓縮空氣平均參數(shù)

3.1.2 熱應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)

35℃，60%的室外環(huán)境中熱應(yīng)力的測試實(shí)驗(yàn)設(shè)備為：壓縮空氣系統(tǒng)，壓縮空氣+渦流管系統(tǒng)，管道以及防化服。

實(shí)驗(yàn)實(shí)施：4個青年男性穿著防化服在室外作中強(qiáng)度勞動（快走，站立舉啞鈴等）做三組室外自然狀態(tài)、通入壓縮空氣、通入渦流管處理后壓縮空氣三組實(shí)驗(yàn)。三組實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行并記錄4名實(shí)驗(yàn)者堅(jiān)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(shí)驗(yàn)者穿防化服在35℃，60%的室外環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。環(huán)境空氣含濕量高達(dá)21.4 g/kg。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 WBGT

實(shí)驗(yàn)室外環(huán)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(diào)的氣源。其中室外環(huán)境參數(shù)可作為干燥型氣源的對照實(shí)驗(yàn)。

表3 壓縮空氣系統(tǒng)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(guān)系。WGBT指數(shù)隨兩種干燥型氣體中含濕量的減小大幅度表現(xiàn)減小。表明在不同環(huán)境中，含濕量的降低可以明顯降低環(huán)境使人體產(chǎn)生的熱應(yīng)激。

圖9 干燥氣源降低WGBT

3.2.2 熱應(yīng)力HSI

如表4中三種空氣參數(shù)具體熱應(yīng)力指數(shù)分別不同，并且產(chǎn)生不同的熱疲勞現(xiàn)象。如圖10，熱應(yīng)力指數(shù)HSI隨著空氣含濕量的減小而減小，呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。當(dāng)室外環(huán)境為熱疲勞的危險狀態(tài)，干燥空氣有效地降低了人體熱應(yīng)力，將人體熱疲勞降低至輕微甚至完全消除。從4名實(shí)驗(yàn)者堅(jiān)持時間分析，證明干燥空氣對降低人體熱應(yīng)激的實(shí)際作用。對比壓縮空氣和渦流管供氣實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者堅(jiān)持時間，表明個體空調(diào)服送氣量對緩解熱應(yīng)力有一定影響。（渦流管減少送氣流量）

表4 壓縮空氣系統(tǒng)熱應(yīng)力

圖10 干燥氣源降低熱應(yīng)力

4 結(jié)論

1）相同WBGT指數(shù)中，低濕度的環(huán)境人體熱應(yīng)激比在高濕度環(huán)境明顯較低。WBGT指數(shù)在高溫環(huán)境體現(xiàn)空氣濕度對人熱應(yīng)力影響比實(shí)際低，有待修正。

2）大量已有實(shí)驗(yàn)研究表明：環(huán)境空氣含濕量在高溫環(huán)境中，對人體熱應(yīng)激有直接的影響。本實(shí)驗(yàn)熱投票，實(shí)驗(yàn)者堅(jiān)持時間等結(jié)果可驗(yàn)證這一理論。

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

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

5）干燥型冷源系統(tǒng)的弊端有待改善。空壓機(jī)系統(tǒng)水分過濾系統(tǒng)效率低導(dǎo)致送風(fēng)濕度逐漸升高。因渦流

管的冷流率作用，渦流管系統(tǒng)送風(fēng)量降低至15 m3/h。