顧 寅，汲欣愉，朱 超，宮世吉，胡祝強(qiáng)

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

近年來，由于人類活動(dòng)加劇，全球環(huán)境劇烈變化，我國時(shí)常發(fā)生低溫災(zāi)害，針對(duì)低溫災(zāi)害的應(yīng)急救援活動(dòng)也應(yīng)引起重視。在過去的數(shù)十年中，學(xué)者們制定了大量的指標(biāo)來評(píng)估極端環(huán)境所帶來的影響，如：PMV熱舒適指標(biāo)、風(fēng)冷指數(shù)(WCI)、風(fēng)冷溫度(WCT)、全球熱氣候指數(shù)(UTCI)等[1-5]，但這些指標(biāo)難以用于低溫環(huán)境作業(yè)人員人體熱平衡的預(yù)測(cè)評(píng)估。為了能準(zhǔn)確評(píng)估在低溫環(huán)境下工作期間的冷應(yīng)激，HOLMéR等[6]提出了IREQ模型，經(jīng)過不斷改進(jìn)逐漸形成目前國際上廣泛使用的ISO 11079—2007 IREQ冷應(yīng)激計(jì)算評(píng)價(jià)模型[7-10]，該模型基于人體熱平衡方程得出，綜合考慮溫度、平均輻射溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等客觀環(huán)境條件和人體新陳代謝率、服裝透氣系數(shù)等人體主觀因素。然而，研究指出IREQ模型存在適用人群差異、得出評(píng)價(jià)指標(biāo)略高等問題[11-12]，因此尚不能準(zhǔn)確用于我國低溫環(huán)境下應(yīng)急救援人員冷應(yīng)激的分析評(píng)價(jià)工作。

為了能夠較準(zhǔn)確地對(duì)我國低溫環(huán)境下應(yīng)急救援人員的冷應(yīng)激進(jìn)行評(píng)價(jià)，基于目前在國際上廣泛適用的IREQ冷應(yīng)激計(jì)算評(píng)價(jià)模型，利用國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24254—2009選定應(yīng)急救援人員的工作服裝熱阻，計(jì)算在我國典型地區(qū)進(jìn)行低溫環(huán)境下應(yīng)急救援活動(dòng)所需服裝熱阻(IREQ)，同時(shí)依據(jù)風(fēng)穿透效應(yīng)和活動(dòng)水平修正，考慮服裝外層的透氣性，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，得到該冷環(huán)境下的所需服裝熱阻，即修正服裝熱阻。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合調(diào)查研究，對(duì)IREQ模型中的一些參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使其更適合我國作業(yè)人員生理狀況，進(jìn)而利用改進(jìn)的IREQ模型計(jì)算分析，不同環(huán)境溫度下修正服裝熱阻極值與風(fēng)速的變化規(guī)律以及在不同的恢復(fù)狀態(tài)下體溫恢復(fù)時(shí)間與溫度的變化規(guī)律?？紤]到應(yīng)急救援工作的多樣性，進(jìn)一步分析了有限持續(xù)暴露時(shí)間在不同環(huán)境下的變化規(guī)律，并對(duì)比了不同氣候條件下改進(jìn)后的IREQ模型與國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11079—2007)中模型所計(jì)算出的有限持續(xù)暴露時(shí)間值。

本文改進(jìn)的IREQ模型考慮了適用于我國作業(yè)人員的工作環(huán)境及勞動(dòng)強(qiáng)度，可以通過對(duì)一定環(huán)境條件下修正服裝熱阻、有限持續(xù)暴露時(shí)間、體溫恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算，對(duì)相應(yīng)低溫環(huán)境下人體產(chǎn)生冷應(yīng)激的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，該模型對(duì)確定低溫環(huán)境下應(yīng)急救援人員所需服裝熱阻、制定合理組織工作計(jì)劃以及避免低溫傷害具有一定參考和借鑒意義。

1 IREQ人體冷應(yīng)激計(jì)算模型及改進(jìn)

IREQ人體冷應(yīng)激計(jì)算評(píng)價(jià)模型是基于人體熱平衡方程，綜合考慮冷應(yīng)力對(duì)空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速、相對(duì)濕度和指定新陳代謝率等影響因素的計(jì)算方法，并以迭代計(jì)算的方式得到在冷環(huán)境下維持身體熱中性的所需服裝熱阻，進(jìn)而得到有限持續(xù)暴露時(shí)間和在一定環(huán)境下相應(yīng)的體溫恢復(fù)時(shí)間，其一直以來被廣泛地應(yīng)用于低溫環(huán)境下人體冷應(yīng)激計(jì)算評(píng)價(jià)。其計(jì)算結(jié)果可作為人體冷應(yīng)激指標(biāo)，避免人體受到低溫傷害，或作為有針對(duì)性改善工作環(huán)境的依據(jù)。

在IREQ模型中，人體儲(chǔ)熱率根據(jù)人員具體生理參數(shù)取值，一般相同工種作業(yè)人員取同一經(jīng)驗(yàn)值[13]。中國人體質(zhì)在抗寒方面相比于歐洲人差，儲(chǔ)熱率有所變化，而目前國際上常用的IREQ模型計(jì)算時(shí)人體儲(chǔ)熱率是依據(jù)歐洲人體質(zhì)得出的[10]。本文在此基礎(chǔ)上對(duì)IREQ模型進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合GB/T 24254—2009選擇適合中國人體質(zhì)的生理參數(shù)，使其更加符合我國作業(yè)人員的生理狀況。改進(jìn)后的IREQ模型主要計(jì)算公式如下[13]：

1)人體熱平衡方程

M-W=Eres+Cres+E+K+R+C+S

(1)

式中：M為新陳代謝率，W/m2；W為人體所做機(jī)械功，W/m2；Cres為因呼吸造成的對(duì)流散熱量，W/m2；Eres為蒸發(fā)散熱量，W/m2；E為人體通過皮膚向外界環(huán)境空間的蒸發(fā)散熱量，W/m2；K為通過熱傳導(dǎo)引起的皮膚與外界環(huán)境間的熱交換量，W/m2；R為通過熱輻射引起的皮膚與外界環(huán)境間的熱交換量，W/m2；C為通過熱對(duì)流引起的皮膚與外界環(huán)境間的熱交換量，W/m2；S為使人體體溫上升的熱儲(chǔ)量，W/m2。

其中，R+C由式(2)計(jì)算：

(2)

由于呼吸熱損失與人體代謝率相關(guān)，對(duì)流和呼吸蒸發(fā)熱損失一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，如式(3)～(4)所示：

Eres=0.017 3×M×(Pex-Pa)

(3)

Cres=0.0014×M×(29-0.8×ta)

(4)

式中：Pa為水蒸氣分壓，Pa；ta為空氣溫度，℃；Pex為呼出空氣溫度時(shí)飽和水蒸氣壓力，Pa，一般由式(5)計(jì)算：

現(xiàn)場(chǎng)錄井過程中可綜合運(yùn)用氣測(cè)解釋方法，經(jīng)實(shí)踐證實(shí)3H輕質(zhì)烷烴比值法［4］（包括烴特征值（CH）、烴平衡值（BH）和烴濕度值（WH））可有效識(shí)別是否進(jìn)入油氣層及是否鉆出油氣層或鉆遇低滲層。將WH、BH和CH 值對(duì)數(shù)曲線和隨鉆錄井剖面放置于同一張圖表中，根據(jù)3條曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系和趨勢(shì)可判斷是否鉆入或鉆出油氣層。

(5)

2)維持人體熱平衡所需的服裝熱阻，即需求熱阻IREQ的計(jì)算如式(6)所示：

(6)

式中：R和C通過式(7)～(8)計(jì)算得到：

(7)

C=fcl×hc×(tcl-ta)

(8)

(9)

式中：Ia,r為綜合界面層熱阻，m2·K/W；fcl為服裝面積因子，通過式(10)計(jì)算[13]：

fcl=1.0+1.97×Icl

(10)

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了更加精確地得到防護(hù)服熱阻值，本文對(duì)所需服裝熱阻(IREQ)依據(jù)風(fēng)穿透效應(yīng)和活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行修正，還考慮服裝外層透氣系數(shù)，得到修正服裝熱阻(Icl)：

(11)

式中：va為風(fēng)速，m/s；vw為步行速度，m/s；ap為服裝透氣系數(shù)，L/(m2·s)。

3)有限持續(xù)暴露時(shí)間(Dlim)與體溫恢復(fù)時(shí)間(Drec)的計(jì)算如式(12)～(14)[13]：

(12)

(13)

S=M-W-Eres-Cres-E-R-C

(14)

式中：Dlim指有限持續(xù)暴露時(shí)間，h；Drec指體溫恢復(fù)時(shí)間，h；Q指身體捕獲或損失的能量，kJ/m2，而Qlim指Q的極值。一般計(jì)算中，Qlim均取經(jīng)驗(yàn)值144 kJ/m2，即40 W/m2。分別使用暴露環(huán)境條件與恢復(fù)環(huán)境條件，即可計(jì)算出在特定環(huán)境下，身著服裝使應(yīng)急救援人員免受低溫傷害的有限持續(xù)暴露時(shí)間與體溫恢復(fù)時(shí)間。

本文考慮標(biāo)準(zhǔn)工作日8 h工作時(shí)間，且考慮到目前國際上常用的IREQ模型計(jì)算時(shí)人體儲(chǔ)熱率是依據(jù)歐洲人體質(zhì)得出的，而中國人體質(zhì)在抗寒方面相比于歐洲人較差，儲(chǔ)熱率有所變化，將人體儲(chǔ)熱率閾值設(shè)定為-5 W/m2，而非國際常用IREQ模型中設(shè)定的-8 W/m2，使其預(yù)測(cè)范圍更大且更加符合我國作業(yè)人員的生理?xiàng)l件。

2 應(yīng)急救援人員冷應(yīng)激計(jì)算與評(píng)價(jià)

我國東北、西北大部分地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，月平均氣溫低至-15 ℃，風(fēng)速一般為0～10 m/s，且處于低溫時(shí)，相對(duì)濕度一般為20%～70%。同時(shí)，由于應(yīng)急救援工作高強(qiáng)度、多種類的特點(diǎn)，人體代謝水平一般在中等及以上。因此本文重點(diǎn)分析不同勞動(dòng)強(qiáng)度下環(huán)境對(duì)有限持續(xù)暴露時(shí)間的影響以及環(huán)境變化對(duì)修正服裝熱阻的影響。

暴露低溫環(huán)境工況選取為：環(huán)境溫度變化區(qū)間為-30～0 ℃；環(huán)境輻射溫度與環(huán)境溫度比較相近，取相同值；相對(duì)濕度取50%。在分析不同環(huán)境溫度下修正服裝熱阻極值與風(fēng)速的變化規(guī)律時(shí)，考慮到風(fēng)穿透效應(yīng)對(duì)服裝熱阻計(jì)算的重要影響，選擇0，2，5，7，10 m/s的風(fēng)速；在分析有限持續(xù)暴露時(shí)間的變化時(shí)，選取0，2，5 m/s 3種風(fēng)速分別對(duì)應(yīng)的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)實(shí)際情況，選擇相對(duì)適宜的環(huán)境作為恢復(fù)環(huán)境，取恢復(fù)體溫的環(huán)境工況為：環(huán)境溫度變化區(qū)間為15～30 ℃；輻射溫度與環(huán)境溫度取相同值；風(fēng)速為0 m/s；相對(duì)濕度為50%。應(yīng)急救援人員身著服裝熱阻按照國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 24254—2009)規(guī)定值并結(jié)合暖體假人實(shí)驗(yàn)測(cè)得的常見軍用防寒裝備服裝熱阻修正后進(jìn)行計(jì)算，即包含內(nèi)褲、汗衫、保暖褲、保暖夾克、沖鋒褲、沖鋒衣、襪子、鞋、帽子、手套的服裝組合的基本熱阻[15-16]，取為2 clo。服裝透氣系數(shù)也依據(jù)上述服裝組合確定，為8 L/(m2·s)。有用機(jī)械功對(duì)大多數(shù)工業(yè)作業(yè)而言，所占比例很低，通常忽略不計(jì)。除以上參數(shù)外，暴露環(huán)境選取身體代謝率為140，175，230 W/m2，而由于恢復(fù)環(huán)境下救援人員一般處于靜坐或慢走狀態(tài)，故取身體代謝率為70，80，90，100，115 W/m2。

本文改進(jìn)IREQ模型的計(jì)算過程通過Matlab程序進(jìn)行解算，通過迭代計(jì)算獲得有限持續(xù)暴露時(shí)間、修正服裝熱阻極值、體溫恢復(fù)時(shí)間。

2.1 人體可接受的有限持續(xù)暴露時(shí)間

選定溫度為-30～0 ℃、風(fēng)速為0，2，5 m/s的低溫工作環(huán)境，在進(jìn)行不同勞動(dòng)強(qiáng)度(中等及以上)的作業(yè)情況下，采用改進(jìn)的IREQ模型計(jì)算獲得低溫環(huán)境下應(yīng)急救援人員的有限持續(xù)暴露時(shí)間，變化情況如圖1～3所示。

圖1 人體新陳代謝率為140 W/m2的條件下應(yīng)急救援人員有限持續(xù)暴露時(shí)間變化情況Fig.1 Change in limited continuous exposure duration of emergency rescuers with human body metabolic rate of 140 W/m2

圖2 人體新陳代謝率為175 W/m2的條件下應(yīng)急救援人員有限持續(xù)暴露時(shí)間變化情況Fig.2 Change in limited continuous exposure duration of emergency rescuers with human body metabolic rate of 175 W/m2

圖3 人體新陳代謝率為230 W/m2的條件下應(yīng)急救援人員有限持續(xù)暴露時(shí)間變化情況Fig.3 Change in limited continuous exposure duration of emergency rescuers with human body metabolic rate of 230 W/m2

從圖1～3可以看出，在低溫作業(yè)環(huán)境下，隨著溫度的升高，應(yīng)急救援人員可接受的有限持續(xù)暴露時(shí)間隨著環(huán)境風(fēng)速的降低而快速增大。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，從事不同勞動(dòng)強(qiáng)度工作的人員，人體新陳代謝率是不同的：在較高人體代謝率下，人體產(chǎn)熱量處于較高水平，抗寒能力較強(qiáng)，可接受的持續(xù)暴露時(shí)間顯著提高。

由圖1可知，在中等勞動(dòng)強(qiáng)度情況下，有限持續(xù)暴露時(shí)間在-30～-10 ℃溫度區(qū)間內(nèi)處于較低水平，受風(fēng)速的影響較小；在-10～0 ℃時(shí)，有限持續(xù)暴露時(shí)間快速增大，且受風(fēng)速的影響較大。結(jié)合圖2～3可知，隨著勞動(dòng)強(qiáng)度的提高，有限持續(xù)暴露時(shí)間提前進(jìn)入快速增長階段，說明在較高勞動(dòng)強(qiáng)度下，即使在溫度較低的環(huán)境中，作業(yè)人員也可以接受較長時(shí)間暴露在低溫環(huán)境中的工作。

由上述不同環(huán)境和作業(yè)人員不同的勞動(dòng)強(qiáng)度情況下的人體可接受有限持續(xù)暴露時(shí)間計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可知，在進(jìn)行低溫環(huán)境中的工作計(jì)劃安排時(shí)，可全面考慮環(huán)境因素(特別是溫度、風(fēng)速)和作業(yè)人員自身因素(人體新陳代謝率)的影響，合理安排工作和休息時(shí)間，確保作業(yè)人員處于安全的工作條件下，避免造成因低溫環(huán)境引起的皮膚泛紅、肢體麻痹等冷應(yīng)激現(xiàn)象，甚至皮下組織及骨骼凍傷、壞死等冷損傷情況[17]。

2.2 修正服裝熱阻極值

選定恒定溫度為-30，-25，-20，-15 ℃，風(fēng)速為0，2，5，7，10 m/s的作業(yè)環(huán)境，采用改進(jìn)后的IREQ模型計(jì)算得到修正服裝熱阻極值，計(jì)算結(jié)果如圖4所示，部分結(jié)果如表1所示。

從圖4可以看出，環(huán)境溫度從-15 ℃降低到-30 ℃時(shí)，修正服裝熱阻極值明顯增大。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，人體與環(huán)境之間的溫差增大，而人體與環(huán)境之間的對(duì)流和輻射換熱量與該溫差成正比。因此，人體與環(huán)境之間的溫差增大，對(duì)流和輻射換熱量隨之增大，此時(shí)人體流失的熱量增多。如果此時(shí)服裝沒有滿足最低修正服裝熱阻值的要求，人體儲(chǔ)熱量將降低，核心溫度也將降低。通過上述結(jié)果分析可知，環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)急救援人員維持熱平衡所需服裝熱阻影響較大。此外，隨著風(fēng)速的增加，人體與環(huán)境之間對(duì)流換熱將增大，若要維持身體熱中性，也需要更高的服裝熱阻。從圖4可以看出，在相同溫度條件下，風(fēng)速增大，修正服裝熱阻極值也隨之增加。

2.3 本文改進(jìn)IREQ模型與ISO 11079—2007計(jì)算數(shù)值的比較

本文在國際常用的IREQ模型基礎(chǔ)上，對(duì)人體儲(chǔ)熱率閾值進(jìn)行了重新選定，并利用改進(jìn)的IREQ模型根據(jù)ISO 11079—2007標(biāo)準(zhǔn)附件F中計(jì)算實(shí)例的工況條件(見表2)[13]，計(jì)算得到所需服裝熱阻中值、基本服裝熱阻及有限持續(xù)暴露時(shí)間預(yù)測(cè)值，并與ISO 11079—2007中所給預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

表2 ISO 11079—2007標(biāo)準(zhǔn)附件F中計(jì)算實(shí)例的環(huán)境組合Table 2 Environment combination of calculation cases in Annex F of ISO 11079—2007 standard

表3 不同環(huán)境組合下的改進(jìn)數(shù)值與ISO 11079—2007的對(duì)比Table 3 Comparison of improved values with ISO 11079—2007 under different environment combination

由表3可知，本文所用改進(jìn)IREQ模型的所需服裝熱阻中值、基本服裝熱阻及有限持續(xù)暴露時(shí)間預(yù)測(cè)值與ISO 11079-2007標(biāo)準(zhǔn)中所給預(yù)測(cè)值較為接近，具有良好的預(yù)測(cè)性，而且所需服裝熱阻中值、基本服裝熱阻預(yù)測(cè)值比標(biāo)準(zhǔn)中預(yù)測(cè)值更高，有限持續(xù)暴露時(shí)間更低，對(duì)于低溫環(huán)境下的應(yīng)急救援作業(yè)安全性更高，更有利于應(yīng)急救援服裝的安全性設(shè)計(jì)，便于合理安排作業(yè)時(shí)間和休息時(shí)間。

2.4 體溫恢復(fù)時(shí)間

選定溫度為15～30 ℃，風(fēng)速為0 m/s，人體新陳代謝率為70，80，90，100，115 W/m2的體溫恢復(fù)環(huán)境，采用改進(jìn)的IREQ模型計(jì)算得到體溫恢復(fù)時(shí)間，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看到，在高溫恢復(fù)環(huán)境里，隨著環(huán)境溫度的升高，作業(yè)人員體溫恢復(fù)時(shí)間逐漸減少，特別是在溫度為15～20 ℃的區(qū)間內(nèi)，恢復(fù)時(shí)間減少速度較快；在同一溫度下，隨著人體新陳代謝率的提高，所需體溫恢復(fù)時(shí)間也會(huì)減少。

由此可知，若要低溫環(huán)境下的作業(yè)人員盡快恢復(fù)正常體溫，不至于造成冷損傷，可以提供溫度較高的恢復(fù)環(huán)境，同時(shí)可以進(jìn)行一些中等以下強(qiáng)度的工作來加快恢復(fù)速度，提高工作效率。

圖5 不同勞動(dòng)強(qiáng)度下作業(yè)人員體溫恢復(fù)時(shí)間的變化情況Fig.5 Change in recovery time of worker' body temperature under different labor intensities

3 結(jié)論

1)低溫環(huán)境下，通過適當(dāng)增加勞動(dòng)強(qiáng)度，可增加人體產(chǎn)熱量，進(jìn)而有效延長應(yīng)急救援人員有限持續(xù)暴露時(shí)間。當(dāng)人體新陳代謝率為230 W/m2時(shí)，有限持續(xù)暴露時(shí)間在-30～-20 ℃區(qū)間即進(jìn)入快速增長階段。

2)環(huán)境溫度和風(fēng)速對(duì)人體熱平衡的影響十分顯著，隨風(fēng)速增加、溫度降低，修正服裝熱阻值顯著增大。相同環(huán)境溫度下，空氣風(fēng)速從0 m/s增大到10 m/s時(shí)，修正服裝熱阻值增大近一倍；相同空氣風(fēng)速下，環(huán)境溫度從-15 ℃降低到-30 ℃時(shí)，修正服裝熱阻值增大近50%。

3)基于改進(jìn)的IREQ模型計(jì)算評(píng)價(jià)我國低溫冰凍災(zāi)害應(yīng)急救援作業(yè)人員冷應(yīng)激反應(yīng)所得結(jié)果，相較ISO 11079—2007中給出的國際常用IREQ模型所得的基本需求熱阻更高，有限持續(xù)暴露時(shí)間更低，對(duì)于低溫環(huán)境下的應(yīng)急救援作業(yè)安全性更高。

4)恢復(fù)環(huán)境溫度對(duì)于體溫恢復(fù)時(shí)間有顯著影響，此外，適當(dāng)增加勞動(dòng)強(qiáng)度也可以使體溫恢復(fù)時(shí)間明顯減小。但數(shù)據(jù)表明，環(huán)境溫度高于25 ℃，勞動(dòng)強(qiáng)度超過80 W/m2時(shí)，繼續(xù)提高環(huán)境溫度或勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)體溫恢復(fù)時(shí)間影響不大。