李紫含，王世杰，徐伯樂(lè)，謝　恬 ，張　英

(1.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

高溫高濕環(huán)境廣泛存在于各個(gè)行業(yè)，例如冶金、煤礦、船舶、玻璃生產(chǎn)和陶瓷制造等。長(zhǎng)期暴露在高溫環(huán)境下的作業(yè)人員由于受到高溫?zé)釕?yīng)力的影響，會(huì)導(dǎo)致體溫升高、心率增加、出汗量增加，造成熱積蓄，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成機(jī)體的過(guò)度蓄熱，破壞機(jī)體的熱平衡狀態(tài)，引發(fā)熱不適、熱昏厥，甚至中暑死亡[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)，80%的建筑工地事故發(fā)生在6—8月份，與夏季高溫有著必然聯(lián)系[3]。在國(guó)外，如日本1991—2001年期間每年平均有13.8%的工人死于熱相關(guān)疾病；美國(guó)1992—2006年間就有423名工人因長(zhǎng)期暴露在高溫環(huán)境下而死亡[4]。

熱防護(hù)服作為一種能有效保護(hù)人體免遭高溫傷害的個(gè)體防護(hù)裝備，對(duì)其降溫效果的評(píng)價(jià)一直是熱防護(hù)服研究中相當(dāng)重要的內(nèi)容。對(duì)于熱防護(hù)服降溫效果的評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外普遍采用真人與假人實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、客觀與主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法[5-9]。1941年GAGGE等提出用服裝的隔熱保暖指標(biāo)(clo值)來(lái)評(píng)價(jià)服裝面料的熱濕傳遞性能，但由于受到拉鏈、縫合及后處理加工的影響，面料的性能不能代表服裝整體的性能；此后WOODCOCK提出了反映服裝整體熱濕傳遞性能的透濕指數(shù)、蒸發(fā)散熱效率指數(shù)[10]。20世紀(jì)90年代初，日本的原田隆司博士提出了衣內(nèi)微氣候理論[11]，把衣內(nèi)微小空間的溫度、濕度、氣流、壓力等作為評(píng)價(jià)防護(hù)服熱濕舒適性能的重要指標(biāo)。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了假人測(cè)試技術(shù)，利用暖體假人或“出汗”暖體假人來(lái)評(píng)價(jià)防護(hù)服的整體性能，這種測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)合理且精準(zhǔn)，缺點(diǎn)是不能模擬真人活動(dòng)且沒(méi)有考慮個(gè)體差異性。隨后，學(xué)者圍繞熱防護(hù)服的熱防護(hù)性能及其對(duì)人體熱濕舒適性的影響展開(kāi)了大量的研究，提出了一系列評(píng)價(jià)熱環(huán)境下人體熱應(yīng)激程度的生理指標(biāo)、心理評(píng)價(jià)標(biāo)尺，包括生理效應(yīng)指標(biāo)(the index of physiological effect，Ep)、累積熱應(yīng)激指標(biāo)(cumulative heat strain index，CHSI)和生理應(yīng)激指標(biāo)(physiological strain index，PSI)等，這些評(píng)價(jià)指標(biāo)能反映人體在熱環(huán)境下所遭受的熱應(yīng)激程度，但由于其推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜，難以在現(xiàn)場(chǎng)使用，更不能實(shí)現(xiàn)不同熱防護(hù)服降溫效果的綜合比較。

從人和服裝兩個(gè)不同方面出發(fā)對(duì)熱防護(hù)服的降溫效果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)是開(kāi)展熱防護(hù)服研究的基礎(chǔ)，同時(shí)也直接影響到實(shí)際環(huán)境中熱防護(hù)服的評(píng)判和應(yīng)用。評(píng)價(jià)熱防護(hù)服降溫效果的方法眾多，可從服裝和人體多個(gè)層面分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，但缺乏統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)和體系來(lái)實(shí)現(xiàn)不同防護(hù)服降溫效果的比較。筆者針對(duì)國(guó)內(nèi)外高溫高濕環(huán)境下熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)的4個(gè)階段，對(duì)熱防護(hù)服降溫效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析研究，提出了熱環(huán)境下熱防護(hù)服的降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1　熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

高溫高濕環(huán)境下熱防護(hù)服的降溫效果評(píng)價(jià)主要分為4個(gè)階段進(jìn)行，如圖1所示。第1階段是利用平板儀或者出汗平板儀對(duì)服裝面料在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種情況下，通過(guò)測(cè)試其熱阻、濕阻等物理參數(shù)來(lái)反映服裝面料的熱濕傳遞性能。面料的單一性能并不能代表服裝的整體性能，服裝在設(shè)計(jì)過(guò)程中，受到服裝衣下間隙、服裝開(kāi)口、面料層次、縫合形式和拉鏈等的影響，其整體性能會(huì)發(fā)生變化。基于此，第2階段采用暖體假人或出汗暖體假人，在模擬實(shí)際著裝環(huán)境條件下，通過(guò)測(cè)量服裝整體的熱濕性能參數(shù)，對(duì)服裝的熱濕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。第3階段是在受控的氣候艙內(nèi)進(jìn)行人體著裝實(shí)驗(yàn)，即在特定的環(huán)境條件及人體活動(dòng)水平下，記錄人體著裝時(shí)的生理指標(biāo)(如核心溫度、皮膚體溫、出汗量、心率、血壓及微觀氣候環(huán)境等)和主觀感覺(jué)，并用數(shù)學(xué)方法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析處理，利用客觀和主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法對(duì)服裝的降溫效果進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。第4階段是在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中，通過(guò)一定數(shù)量或者大規(guī)模著裝人員的試穿實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱防護(hù)服降溫效果的綜合評(píng)價(jià)，為最終研發(fā)產(chǎn)品的確定提供依據(jù)。

圖1　熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)的四個(gè)階段

綜合以上4個(gè)階段，可將熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)概括為客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)兩個(gè)方面。客觀評(píng)價(jià)包括服裝的物理性能評(píng)價(jià)和人體在穿著服裝時(shí)的生理指標(biāo)評(píng)價(jià)，發(fā)生在熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)的各個(gè)階段。主觀評(píng)價(jià)則主要通過(guò)人體的心理學(xué)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)生在第3階段和第4階段。

1.1　熱防護(hù)服降溫效果客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1.1服裝的物理性能指標(biāo)

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研[12-17]發(fā)現(xiàn)：高溫高濕環(huán)境下評(píng)價(jià)熱防護(hù)服降溫效果的物理性能指標(biāo)主要包括兩大類：①反映服裝整體傳熱透濕能力的指標(biāo)；②反映服裝實(shí)際使用過(guò)程中的實(shí)用性指標(biāo)。張昭華[18]指出服裝的熱濕特性主要由兩個(gè)因素決定：一個(gè)是熱阻，另一個(gè)是濕阻。這些服裝的熱濕特性主要由暖體假人實(shí)驗(yàn)測(cè)得。另外，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的熱防護(hù)服均存在冷卻時(shí)間短、降溫初期容易造成過(guò)冷卻等問(wèn)題，因此冷卻時(shí)間和降溫速率也是評(píng)價(jià)熱防護(hù)服降溫效果的關(guān)鍵參數(shù)。故可以用來(lái)評(píng)價(jià)熱防護(hù)服降溫效果的物理指標(biāo)主要包括：

(1)有效降溫時(shí)長(zhǎng)。有效降溫時(shí)長(zhǎng)可通過(guò)假人實(shí)驗(yàn)測(cè)得，是指熱防護(hù)服具有致冷作用開(kāi)始至結(jié)束的一段時(shí)間。顯然，其是評(píng)價(jià)熱防護(hù)服降溫效果的關(guān)鍵因素，且有效工作時(shí)間越長(zhǎng)越好。

(2)初期降溫速率。熱防護(hù)服在穿著前期，常常會(huì)由于降溫速率過(guò)快造成初期皮膚溫度下降得過(guò)快，導(dǎo)致人體產(chǎn)生不適感。故降溫速率也應(yīng)作為熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一。

(3)服裝熱阻。服裝熱阻是指服裝兩面的溫差與垂直通過(guò)服裝的單位面積熱流量之比，其表示紡織品處于穩(wěn)定的溫度梯度條件下，通過(guò)規(guī)定面積的干熱流量。通過(guò)假人實(shí)驗(yàn)測(cè)服裝的熱阻時(shí)，熱阻可根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算：

He=λ·Q

(1)

(2)

(4)服裝濕阻。服裝濕阻是指服裝兩面的水蒸氣壓力差與垂直通過(guò)服裝的單位面積蒸發(fā)熱流量之比，其表示紡織品處于穩(wěn)定的水蒸氣壓力梯度條件下，通過(guò)一定面積的蒸發(fā)熱流量。通過(guò)假人實(shí)驗(yàn)測(cè)服裝的濕阻時(shí)，濕阻可以根據(jù)式(3)計(jì)算得到[19]：

(3)

1.1.2人體的生理指標(biāo)

在高溫高濕環(huán)境下，由于受到熱應(yīng)力的影響，人體會(huì)出現(xiàn)核心溫度升高、心率加快、出汗量增加等一系列生理反應(yīng)。熱應(yīng)力強(qiáng)度不同，人體生理反應(yīng)的程度也不同。因此，觀察人體核心溫度、心率、出汗量等生理指標(biāo)的變化有利于了解人體所遭受的熱應(yīng)力大小，通過(guò)對(duì)比分析人體在穿著熱防護(hù)服前后生理指標(biāo)的變化，客觀評(píng)價(jià)熱防護(hù)服的降溫效果。ISO9886標(biāo)準(zhǔn)指出評(píng)價(jià)人體遭受熱應(yīng)力程度的生理指標(biāo)主要包括核心溫度、平均皮膚溫度、心率和出汗量。

(1)核心溫度。核心溫度是指人體內(nèi)部(食道、口腔、直腸等)的溫度。在高溫高濕環(huán)境下，核心溫度最能直觀地反映出人體體溫的變化，從而判斷機(jī)體的熱平衡是否受到破壞。如果人體長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，熱量無(wú)法散失，會(huì)導(dǎo)致人體核心溫度升高，引起工人熱疲勞、熱痙攣，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起中暑致死。1969年世界衛(wèi)生組織WHO和NIOSH建議熱環(huán)境中持續(xù)勞動(dòng)的人體核心溫度不宜超過(guò)38 ℃。人體在熱環(huán)境下的核心溫度生理上限如表1所示。

表1　熱環(huán)境下勞動(dòng)者核心溫度的生理上限[20]

(2)平均皮膚溫度。皮膚溫度是指皮膚表面的溫度。人體不同部位的皮膚溫度是由兩個(gè)傳熱過(guò)程綜合作用而決定的，即：①核心溫度到皮膚表面的熱傳導(dǎo)過(guò)程；②皮膚與環(huán)境之間的傳熱過(guò)程。在高溫高濕環(huán)境下，人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的緊張度不僅反映在核心溫度的變化上，而且更大程度地反映在皮膚溫度的變化上。相較于核心溫度，皮膚溫度不穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境溫度十分敏感，能反映環(huán)境條件、人體自身活動(dòng)與服裝對(duì)人體的影響。皮膚溫度的正常變化范圍為15 ℃～42 ℃，當(dāng)皮膚溫度為34 ℃時(shí)，人體處于最舒適的熱中性狀態(tài)。由于人體不同部位的皮膚溫度不同，故用平均皮膚溫度來(lái)表征皮膚溫度的變化情況，平均皮膚溫度通常利用RAMANATHAN[21]提出的四點(diǎn)模型得到，即選擇4個(gè)有代表性的點(diǎn)計(jì)算其加權(quán)平均皮膚溫度：

Tsk=0.3(Tchest+Tforearm)+0.2(Tthigh+Tcalf)

(4)

式中：Tsk為平均皮膚溫度；Tchest為胸部皮膚溫度；Tforearm為上臂皮膚溫度；Tthigh為大腿皮膚溫度；Tcalf為小腿皮膚溫度。

(3)心率。心率是評(píng)價(jià)環(huán)境條件和作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)機(jī)體所造成的熱負(fù)荷大小以及心血管系統(tǒng)狀態(tài)的重要指標(biāo)。在高溫環(huán)境下，體內(nèi)的熱很難通過(guò)有限的傳導(dǎo)散熱方式排出體外，大量的熱需通過(guò)血液循環(huán)以對(duì)流的方式傳至體表，再散失到環(huán)境中，以維持身體的熱平衡。因此，高溫環(huán)境下人體的新陳代謝加快、心率加快、脈搏量增加，以加快血液循環(huán)將身體多余的熱量散失出去。心率的正常變化范圍為40～180次/min。當(dāng)勞動(dòng)者的心率超過(guò)正常值時(shí)，應(yīng)立刻終止作業(yè)，防止勞動(dòng)者身體機(jī)能出現(xiàn)障礙，造成安全事故。

(4)出汗量。在高溫環(huán)境下，出汗量是衡量人體散熱能力的重要指標(biāo)。特別是當(dāng)環(huán)境溫度高于人體溫度時(shí)，為維持熱平衡，蒸發(fā)散熱成為機(jī)體最主要的散熱方式。汗液從皮膚蒸發(fā)，可有效降低皮膚溫度，且有利于深部體熱向體表的傳遞，防止熱量在體內(nèi)積聚使人體產(chǎn)生熱應(yīng)激。研究表明，環(huán)境溫度越高，人的活動(dòng)量越大，出汗量就越大，當(dāng)出汗量為體重的1.5%時(shí)，被認(rèn)為是脫水，人體體溫上升，心率加快。當(dāng)出汗量超過(guò)體重的5%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱相關(guān)疾病的發(fā)生。

1.2　熱防護(hù)服降溫效果主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

在熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)中，常常將人體的生理指標(biāo)與主觀感覺(jué)評(píng)分相結(jié)合來(lái)評(píng)價(jià)人體在穿著熱防護(hù)服后的生理及心理響應(yīng)。主觀評(píng)價(jià)即人體在穿著熱防護(hù)服后的主觀感覺(jué)，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式要求受試者按某種等級(jí)來(lái)描述其熱感，再用合適的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析處理，以此評(píng)估熱防護(hù)服的熱濕舒適性能。在主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，人體心理學(xué)在熱防護(hù)服降溫效果方面調(diào)查的指標(biāo)主要包括人體的熱感覺(jué)和舒適感。

(1)熱感覺(jué)。熱感覺(jué)是人體對(duì)所感受到的周圍環(huán)境冷熱狀態(tài)的主觀描述[22]。這種主觀描述綜合了人體生理和心理兩方面的冷熱刺激感覺(jué)。當(dāng)人體僅依靠較小的能量代謝就可以維持機(jī)體熱平衡時(shí)，人體就處于令人舒適的“中性狀態(tài)”[23]。當(dāng)周圍環(huán)境溫度變化時(shí)，相較于核心溫度和平均皮膚溫度，人體的熱感覺(jué)更加敏銳。由于感覺(jué)不能用任何直接的方法測(cè)量，故只能采用問(wèn)卷調(diào)查的方式來(lái)了解。貝氏標(biāo)度和ASHRAE 熱感覺(jué)標(biāo)度是最常用的熱感覺(jué)標(biāo)度，如表2所示。

(2)舒適感。熱舒適是人體對(duì)熱環(huán)境表示滿意的意識(shí)狀態(tài)，由生理因素和心理感受綜合作用得到，并且更偏重于心理上的感受。影響熱舒適感覺(jué)的因素除了皮膚溫度和核心溫度等人體參數(shù)

表2　貝氏和ASHRAE熱感覺(jué)標(biāo)度[24]

外，還包括空氣濕度、垂直溫差及吹風(fēng)感等環(huán)境因素[25]。在早期的熱環(huán)境研究中，學(xué)者們認(rèn)為熱感覺(jué)與熱舒適是相同的，在此基礎(chǔ)上提出了將熱感覺(jué)與熱舒適合二為一的貝氏標(biāo)度，直至1966年ASHRAE 7級(jí)熱感覺(jué)標(biāo)度的提出，該標(biāo)度中只包括了人體冷熱感覺(jué)的描述，沒(méi)有提到是否舒服的概念，將熱感覺(jué)和熱舒適分開(kāi)。目前常用的熱舒適標(biāo)度是熱舒適投票TCV-5級(jí)分度指標(biāo)，如表3所示。

表3　熱舒適投票TCV[26]

2　熱防護(hù)服的降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)上述分析可知，熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)是從客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)兩個(gè)方面出發(fā)來(lái)完成的。①客觀評(píng)價(jià)包括服裝材料的物理性能評(píng)價(jià)和人體著裝后的生理指標(biāo)評(píng)價(jià)，物理性能指標(biāo)主要包括反映熱防護(hù)服傳熱透濕能力的熱阻和濕阻以及反映服裝實(shí)用性能的有效降溫時(shí)長(zhǎng)和初期降溫速率；人體生理指標(biāo)評(píng)價(jià)主要包括反應(yīng)人體體溫變化的核心溫度和平均皮膚溫度、反映人體基本機(jī)能的心率以及人體蒸發(fā)散熱能力的出汗量，這4項(xiàng)生理指標(biāo)能直接反映人體在穿熱防護(hù)服后的熱應(yīng)激程度，從而直觀地表征熱防護(hù)服的降溫效果。②主觀評(píng)價(jià)主要根據(jù)人體心理學(xué)調(diào)查的指標(biāo)，從熱感覺(jué)和舒適感兩大指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)熱防護(hù)服的熱舒適感。

因此，筆者根據(jù)高溫高濕環(huán)境下熱防護(hù)服的降溫效果評(píng)價(jià)方法以及與評(píng)價(jià)降溫效果相關(guān)的主要因素建立了高溫高濕環(huán)境下熱防護(hù)服的降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表4所示。

3　結(jié)論

(1)國(guó)內(nèi)外熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)主要分為4個(gè)階段：材料的生物物理性能測(cè)試、服裝的生物物理性能測(cè)試、氣候艙人體著裝實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試穿實(shí)驗(yàn)。筆者綜合這4個(gè)階段，提出將熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)概括為客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)兩個(gè)方面。

表4　熱環(huán)境下熱防護(hù)服的降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(2)熱阻和濕阻是評(píng)價(jià)熱防護(hù)服物理性能的主要指標(biāo)，由于目前熱防護(hù)在實(shí)際使用中存在的冷卻時(shí)間短等問(wèn)題，提出了將冷卻時(shí)間和降溫速率也作為評(píng)價(jià)熱防護(hù)服降溫效果的關(guān)鍵參數(shù)。

大多數(shù)高校醫(yī)院缺乏預(yù)算調(diào)整，使預(yù)算未能隨著醫(yī)療市場(chǎng)和學(xué)校內(nèi)外部環(huán)境的變化及時(shí)調(diào)整而失去其應(yīng)有的指導(dǎo)作用。高校醫(yī)院領(lǐng)導(dǎo)也沒(méi)有將預(yù)算考核指標(biāo)納入各科室的年終績(jī)效考評(píng)，使醫(yī)院各科室缺乏控制意識(shí)，容易造成預(yù)算超標(biāo)。

(3)將熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)歸納為服裝物理性能指標(biāo)、人體生理指標(biāo)和人體心理指標(biāo)3類，并基于此構(gòu)建了高溫高濕環(huán)境下熱防護(hù)服降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,為防護(hù)服降溫效果綜合評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

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