干燥气源与人体热应激研究实验

邱茶连 邹钺 王泽华

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

我国有很多职业的工作人员需要在高温高湿环境中工作，比如：交警、环卫工人、工地现场作业人员、电焊工人等。高温高湿环境下工作会降低工作者的效率，严重的则影响身体健康。而多种类冷源适应各个行业的不同需求，主要分为液体、气体、相变材料等。目前冷源通过降低人体皮肤温度降低人体热应力和热不舒适[1-3]。以降低温度为向导的个体冷却服中由于没有考虑空气高湿度导致汗液不能蒸发因此易造成不舒适感[4]。文章研究干燥的气源，供高温高湿环境中个体空调服使用。目的在于降低皮肤表面空气湿度促使皮肤表面汗液充分蒸发吸热，从而有效降低人体在高温高湿环境的热应激。

1 热应激评价指标

1.1 热应力指数（HSI）

热应力指数HSI[4]最早在1955年被提出，用于衡量人体在一定环境中热疲劳程度以及热承受能力。热应力指数HSI根据具体环境参数，该条件下人体与环境的热湿交换以及人体生理调节计算所得参数。

如图1中[5]，热应力指数HSI越大表示人体在该环境中承受能力越差。表现为热不舒适强、出汗量大、人体核心温度升高、坚持时间短等。严重会出现中暑、呕吐等症状。

图1 HSI指标值及热应力图示解决方案

1.2 WBGT指数

国际通常用湿球温度黑球温度WBGT表示人体在人环境中热应激的指数，计算公式如式（1）。WBGT指数结合湿球温度tnwb、黑球温度tg和干球温度ta，分别代表环境湿度，环境辐射因素以及环境温度综合表示环境参数[6]。因而，WBGT在国际上被使用广泛地于极端工作环境，用于表示高温环境工作的时间限制。

2 高温干燥环境与高温高湿环境对比

1992年，美国海军研究含相变材料单兵制冷服在舰艇机舱中的应用效果[7]。该实验环境为气候室中的5种环境，请8名海军先后进行穿制冷背心和不穿背心的对照组实验。测量并且记录8名实验者在试验过程的心率，核心温度，出汗量，平均皮肤温度以及坚持的时间。用这五种数据在相同环境中作对照实验，以验证海军制冷背心的效果。

根据环境温度与人体热平衡之间的关系，通常把35℃以上的生活环境和32℃以上的生产环境视为高温环境，相对湿度在60%以上的环境称为高湿环境[8]。表1中五种均为高温环境，其中有相对湿度25%，35%以及39%的三种为干燥环境。相对湿度80%，60%两种为高湿环境。

表1 五种不同环境参数

为研究高温环境中环境空气含湿量对人体热应激的影响，文章参考美国海军实验中8名实验者未穿制冷背心，在气候室的5种不同条件下的心率、出汗等数据，重新进行整理和分析。主要进行人体出汗量、心率等人体热应力典型的特征参数与环境含湿量之间关系的分析。

2.1 WBGT指数在高温环境的误差

为了区别高温环境中高湿度和干燥两种环境，表1中分别用具有相同WBGT温度的干燥和高湿两种空气进行对比实验。H和D分别代表相同WBGT温度中的高湿环境和干燥环境。其中，有36H，36D以及38H，38D两组对比如图2、3：

图2 相同WBGT时湿度对心率的影响

图3 相同WBGT时湿度对坚持时间的影响

根据实验者的心率和忍耐时间分析，WBGT36，WBGT38不同WBGT指数中，空气含湿量的高低有明显的差距。含湿量低的WBGT36D，WBGT38D工况中，实验者的心率分别比对应的高湿WBGT36H，WBGT38H环境中低23～11次/分钟。在相同WBGT指数的环境中，干燥环境中实验者的忍耐时间比潮湿环境中长45～129分钟。可见WBGT指数高温环境中并不能单独地、准确地体现出人体热应力的高低。原因主要为WBGT综合计算公式，在高温条件下空气含湿量比重偏低。

2.2 湿度在高温环境评价热应激的作用

表1第2，第4和第5环境干球温度均为49℃，唯一变量为空气含湿量。参考图4，实验者在温度相同，含湿量不同的环境中，出汗量随着环境含湿量呈线性增加。实验者在49℃含湿量不等的高温环境中，忍耐时间随环境含湿量的上升快速减小。可得出结论，在高温环境中，环境空气含湿量对人体热应激影响直接，达到线性地相关关系。

图4 实验者出汗量，坚持时间与环境含湿量的关系

重庆大学徐昆仑，刘红等人的试验表示[9]，在夏季热中性环境（26℃、29℃），相对湿度对人体热感觉影响很小。当环境为偏冷或者偏热时，相对湿度的变化对热感觉影响较为明显。在32℃，15%和50%的相对湿度工况下热感觉存在显著差异。可见，干燥型气源降低高温恶劣环境中空气湿度，减小人体热应激具有丰富理论基础和可行性。

3 干燥空气实验与分析

在高温环境中湿度对人体热应激有直接影响，以降湿型空调服为技术路线，为人体提供干燥的衣下微环境。因此干燥型冷源研究、发展至成熟实用设备有很大的意义。根据暖通空调设计[10]中，中等劳动强度的成年男子散热量为235 W，出汗量为283 g/h。

文章研究以压缩空气作为个体空调服的干燥气源系统组建和性能分析。实验4名青年男性身穿防化服，在室外环境作热应力测试实验。

3.1 实验设备与方法

3.1.1 压缩空气测试实验

图5为压缩空气实验示意图，主要设备为：空气压缩机（4～8 bar工作压力，800 L/min标准气体，功率3600 W），油水分离器（2～8 bar工作压力），高压气管（承受压力1.2 mPa）及涡流管（在2 bar以上的压力下产生0～18℃冷流）。实验环境为35℃，60%的室外自然环境。空压机压缩产生高压干燥空气，并会析出液体水分。高压空气用高压气管连接至油水分离器吸收液态水。经过高压气管送至末端使用，在末端测得送气状态。

图5 压缩空气实验示意图

图6为压缩空气+涡流管实验示意图，空压机-油水分离器-风管运输等设备和实施同上，末端加涡流管，涡流管两端出气中将冷端空气连接至个体空调服用户，热端气流排出，在末端测得送气状态。

图6 压缩空气+涡流管实验示意图

测试时间均为10 min，图7为末端供的压缩空气状态，图8为涡流管降温后的供气状态。

图7 纯压缩空气供气状态

图8 涡流管+压缩空气供气状态

在35℃，相对湿度60%的环境中实验，空压机系统与空压机+涡流管系统产生的空气含湿量基本相同。由于涡流管的分流和能量交换作用涡流管供气温度降低至19℃，15 m3/h（表2）。如图7压缩空气初始状态为温度30℃，相对湿度30%。后续温度稳定不变，由于空压机中压缩空气凝结水分一部分随空气运输至末端，影响相对湿度测量值和准确度，相对湿度持续上升至50%～60%。

表2 压缩空气平均参数

3.1.2 热应力测试实验

35℃，60%的室外环境中热应力的测试实验设备为：压缩空气系统，压缩空气+涡流管系统，管道以及防化服。

实验实施：4个青年男性穿着防化服在室外作中强度劳动（快走，站立举哑铃等）做三组室外自然状态、通入压缩空气、通入涡流管处理后压缩空气三组实验。三组实验分别进行并记录4名实验者坚持时间和热感觉投票。热感觉投票值为1-5分别表示热中性到极度热。实验者穿防化服在35℃，60%的室外环境进行实验。环境空气含湿量高达21.4 g/kg。

3.2 实验结果分析

3.2.1 WBGT

实验室外环境、压缩空气供气、压缩空气+涡流管供气（表3），这三种空气可作为干个体空调的气源。其中室外环境参数可作为干燥型气源的对照实验。

表3 压缩空气系统WBGT

分析图9，三种空气的含湿量有明显的差距，三种空气的WGBT温度也有明显差距。WGBT温度差距与含湿量的差值有明显关系。WGBT指数随两种干燥型气体中含湿量的减小大幅度表现减小。表明在不同环境中，含湿量的降低可以明显降低环境使人体产生的热应激。

图9 干燥气源降低WGBT

3.2.2 热应力HSI

如表4中三种空气参数具体热应力指数分别不同，并且产生不同的热疲劳现象。如图10，热应力指数HSI随着空气含湿量的减小而减小，呈现出明显的线性关系。当室外环境为热疲劳的危险状态，干燥空气有效地降低了人体热应力，将人体热疲劳降低至轻微甚至完全消除。从4名实验者坚持时间分析，证明干燥空气对降低人体热应激的实际作用。对比压缩空气和涡流管供气实验中实验者坚持时间，表明个体空调服送气量对缓解热应力有一定影响。（涡流管减少送气流量）

表4 压缩空气系统热应力

图10 干燥气源降低热应力

4 结论

1）相同WBGT指数中，低湿度的环境人体热应激比在高湿度环境明显较低。WBGT指数在高温环境体现空气湿度对人热应力影响比实际低，有待修正。

2）大量已有实验研究表明：环境空气含湿量在高温环境中，对人体热应激有直接的影响。本实验热投票，实验者坚持时间等结果可验证这一理论。

3）压缩空气作为干燥型个体空调服的气源，有效减小人体在高温高湿环境的热应力。消除人体危险状态，达到轻微甚至无热疲劳的状态。

4）纯压缩空气系统、涡流管压缩空气系统两种系统供气温度分别为30℃，19℃。分别适用低于35℃环境和极高温度环境。

5）干燥型冷源系统的弊端有待改善。空压机系统水分过滤系统效率低导致送风湿度逐渐升高。因涡流

管的冷流率作用，涡流管系统送风量降低至15 m3/h。