评估儿童在高温密闭车厢中的热应力

2020-08-03魏婧邹钺周健

建筑热能通风空调 2020年6期

关键词：环境参数热应力风洞

魏婧邹钺周健

1 东华大学环境科学与工程学院

2 上汽技术中心

0 引言

近来，因儿童被动或主动停留在车内而导致车辆高温死亡的事件被频频报道。对于15 岁以下孩子，除去车祸外，车辆高温已经排在车辆相关死亡原因中的第二位。这说明公众对于儿童在高温车厢中的危险的认识还不够到位。

汽车内部营造了一种独特的可能会产生极端危险的热环境。当汽车处于阳光直射且没有通风的状况下，内部的温室效应引起车厢温度升高。另外，密闭的车厢缺少通风，从而减少了通过对流带走的热量，因此进一步导致了车厢加热[1]。

相比于成人，儿童较高的代谢率和较大的体表面积与质量比会使他们吸收更多的热量，而较低的血量和较少的排汗量使他们散失更少的热量。当处于炎热的封闭车辆中，被绑在汽车座椅上的儿童很可能无法调整自身的行为来应对高温，导致他们调节体温的能力降低[2]。当身体不堪重负，不能维持正常体温，就会发生体温过高，并最终导致中暑甚至死亡[3]。

本研究对加热的密闭车厢热环境参数进行了实测，利用调整后的热应力预测模型PHS，模拟1 岁男孩在高温车厢中的热应力变化，探究了儿童在这种热环境中发生危险的时间。

1 研究方法

1.1 密闭车厢热环境参数测量

密闭车厢热环境参数测量的实验环境有两种，一种是普通的室外环境，一种是风洞环境。测试地点在中国上海市。室外环境的测试在2018 年7 月16 日，19日和21 日三天进行，这三天室外环境温度均为33 ℃，是上海七月份比较典型的室外温度。

风洞环境实验于在2018 年9 月至12 月在上汽热能风洞实验室中进行。相比于室外环境，风洞环境可控并且更加稳定。风洞环境设置空气温度38 ℃，相对湿度40%，光照布置在车辆顶部的正上方，光照强度1000 W/m2。

室外环境实验所用的车辆为深蓝色宝马218i。实验开始前，将汽车停放在阳光照射的空地上。车厢内热环境参数采集使用了SWEMA 多点测试系统，可采集车内的空气温度，辐射温度，相对湿度以及风速，温湿度探头位于车厢后排座位头部位置。安装设备后，打开制冷空调，使车厢温度低于环境温度。之后，关闭空调，车窗以及车门，使车辆处于密闭状态，开始数据采集。数据采集频率为一分钟一次。风洞环境实验所用车辆为上汽某款SUV，实验操作与上述相同。

1.2 儿童热应力预测模型

本文使用了ISO 7933（2004）提出的热应力预测模型PHS 来评估儿童在极端热环境中的生理反应。该模型直接考虑了人体直肠温度，核心温度，皮肤温度以及出汗量的变化。它使用以下方程来描述人体的热量产生：

式中：S 为蓄热密度，W/m2；M 为代谢率，W/m2，W 为有效机械功，W/m2；Cres为呼吸对流热流密度，W/m2，Eres为呼吸蒸发热流密度，W/m2；C 为对流热流密度，W/m2；R 为辐射热流密度，W/m2；E 为蒸发热流密度，W/m2。

为了模拟车厢内的儿童，本研究在应用该模型时做了修改。首先，该模型中人体表面积的计算使用了Du Bois[4]公式，虽然它能满足对成人表面积的估算，但Haycock 等人[5]已证明，Du Bois 公式应用在婴儿和幼儿身上不准确，其计算结果低估超过了8%。基于易用性和准确性，本研究采用Costeff[6]公式进行儿童表面积的计算。其计算公式为：

式中：A 为表面积，m2；m 为体重，kg。

其次，PHS 模型的计算需要很多环境、人体、服装等参数作为输入变量。本研究的模拟对象为1 岁男孩，参考2018 最新《儿童身高体重标准表》，1 岁男孩标准身高0.765 m，标准体重10.05 kg，并认为儿童为不适应性人体，坐在汽车后排，无法自由饮水。

根据ASHREA Handbook 55（2013），成人静息代谢率为58.15 W/m2。随着年龄的增长单位体表面积的基础代谢率在下降。根据Bar-Or 等人[7]、Fabbri 等人[8]、Haddad 等人[9]的研究，考虑1 岁儿童的自我意识较弱，偶尔会有身体活动，不会完全处于静坐状态，本研究取儿童代谢值为成人的1.2 倍，即58.15×1.2≈70 W/m2，这个取值与Grundstein 等人[10]、Vanos 等人[11]的取值相近。

在大多数情况下，人体和环境的热交换通过服装进行。服装性能决定了传热速率。基于Nam 等人[12]对韩国首尔学龄前儿童服装热阻的调研，服装热阻大小取儿童夏季平均值0.29clo。服装的蒸发渗透系数保持原模型中0.38 不变。

生理参数的初始值为原模型中的初始值，初始总失水率为0 W/m2，初始直肠温度为36.8 ℃，初始核心温度为36.8 ℃，初始皮肤温度为34.1 ℃，初始平衡核心温度为36.8 ℃。

儿童最终生理判定指标包括人体失水量和直肠温度。没有使用皮肤温度是因为目前PHS 模型预测的皮肤温度值还不太可靠[13]。失水量包括皮肤表面蒸发的汗液和呼吸蒸发的水分。当人不自由饮水时，身体的总失水量应限制在体重的3%，直肠温度不应超过38 ℃。临床医学上将中暑的特征界定为核心体温超过40 ℃（104℉）并伴有神经系统异常。由于PHS 模型不考虑神经条件，本研究将直肠温度超过40 ℃(＞104)界定为“中暑”。先前的研究表明，人体的临界温度最高是41.6-42 ℃（106.8-107.6℉），超过最高温度，就不太可能继续生存[3]。因此，本文将人类临界温度42 ℃（107.6℉）作为儿童死亡的判定指标。儿童生理的判定指标见表1：

表1 儿童生理反应判定指标

2 研究结果

2.1 室外环境密闭车厢热环境参数测量结果

图1 记录了2018 年7 月16 日，19 日和21 日三天同一时间段在室外环境下浸泡的车辆车厢热环境参数的平均变化结果，以车厢温度等于室外温度为起点。数据记录的起始时间为13:02，终止时间为14:12，共计时长70 min。

图1 室外环境车厢后座热环境参数变化

由于没有空调开启及窗户通风，车内气流扰动小，风速很低，不超过0.1 m/s，平均风速在0.03 m/s 左右，可以近似看作为零。

辐射温度与空气温度整体有一致的变化趋势，并且数值接近。可以认为车厢内的辐射温度与环境温度相等。

车厢内空气温度不断升高，并且温度上升的速率有逐渐减小的趋势。起始空气温度为33.01 ℃，整个过程采集到的车厢最高空气温度为55.47 ℃，最先发生在下午14:07，即65 min 时，比33 ℃的环境温度高出22.47 ℃。过程中采集数据的波动原因可能是由于环境的动态变化，如偶尔云层遮挡。65 min 后车厢温度略有降低，可能是因为环境温度降低造成的。

表2 显示了室外环境实验中，车厢空气温度上升至最高温度前，不同时间间隔车厢内的空气温度，以及空气温度上升量占最大温度上升量的比值。从表中可以看出，第5 min 时，车厢空气温度的上升量占到了最大温度上升量的30%，第15 min 时达到了一半，第40 min 时达到了最大温度上升量的90%以上，而最后的25 min 总共只上升了10%左右。由此可以得出，车厢空气温度上升主要发生在前40 min。车辆浸泡1 h时，车厢温度达到55.08 ℃，比环境温度高出22.08 ℃，且占到最大温度上升量的98%，因此可以近似认为车辆夏季阳光照射的室外浸泡1 h 便可达到最大空气温度升高量。

表2 不同时间间隔车厢空气温度及空气温度上升量占最大上升量的比值

2.2 风洞环境密闭车厢热环境参数测量结果

图2 记录了在环境条件更稳定的风洞中，以车厢空气温度约等于环境温度为初始状态，汽车浸泡104 min，车厢的热环境参数变化。车厢的风速非常小，可忽略不计。辐射温度与空气温度基本相同。车厢温度呈增长率逐渐减小的上升趋势。所采集到的数据中，还没有出现稳定的空气温度最大值。初始时，空气温度为38.1 ℃，汽车浸泡5 min 后达到42.24 ℃，15 min后达到48.44 ℃，40 min 后达到57.78 ℃。1 h 后，车厢后座温度上升至61.67 ℃，比38 ℃的环境温度高出23.67 ℃。因此，当以车厢温度等于环境温度为起点，汽车浸泡1 h，室外环境实验与风洞环境实验车厢的空气温度上升量接近。

图2 风洞环境车厢后座热环境参数变化

2.3 室外环境儿童热应力模拟结果

将图1 的热环境参数曲线带入热应力预测模型，假设70 min 后空气温度维持在55 ℃，辐射温度与空气温度相等，风速为零，若一个1 岁男孩逗留其中，其热应力预测结果将如图3 所示。

图3 室外环境车厢内儿童热应力变化

从图3 中可以看出，热应力预测结果中的核心温度比直肠温度稍高一点，但两者几乎相等。核心温度在37 min 时达到38.03 ℃，62 min 时达到40.06 ℃，89 min 时达到42.03 ℃。直肠温度在39 min 时达到了38 ℃，64 min 时达到40.03 ℃，90 min 时达到42.01 ℃。这说明，当儿童被遗留在室外33 ℃环境中浸泡的车辆内时，39 min 儿童身体就达到无法承受外界环境热量的状态，64 min 就会造成中暑并可能产生神经损伤，90 min 就会有致命的危险。39 min 时1 岁男孩累计失水量为66.85g，64 min 时累计失水量为139.27 g，90 min 时累计失水量为215.86 g。当直肠温度超过42 ℃，1 岁儿童的累计失水量没有超过身体重量的3%。

图4 描绘了直肠温度超过42 ℃前，车厢内的儿童代谢产热及与环境各种换热的热流密度变化，正向为得热，负向为散热。从图中可以看出，代谢在蓄热过程中发挥了较大作用。辐射换热密度大小与对流换热密度大小接近，平均辐射换热密度为47.88 W/m2，平均对流换热密度为44.25 W/m2。呼吸对流和呼吸蒸发在换热过程中的作用非常微小。当处于高温环境中，儿童仅通过蒸发进行散热。尽管单位面积蒸发散热量较大，但也没能及时将通过身体代谢、辐射、对流三者作用产生的热量带走，导致身体不断蓄热，直肠温度不断升高。

图4 室外环境儿童代谢产热及与环境换热的热流密度

2.4 风洞环境儿童热应力模拟结果

将图2 的热环境参数曲线带入热应力预测模型，若一个1 岁男孩逗留其中，其热应力预测结果将如图5 所示。

图5 风洞环境车厢内儿童热应力变化

从图5 中可以看出，当1 岁男孩处在起始温度更高的车辆内，30 min 时，男孩的核心温度达到38.07 ℃，47 min 时上升至40.04 ℃，61 min 时则达到了42.03 ℃。就直肠温度而言，1 岁男孩在32 min 时直肠温度达到38.03 ℃，身体体温调节开始处于不堪重负的状态，50 min 时直肠温度达到40.08 ℃，儿童出现中暑的症状，64 min 时直肠温度就到达42.1 ℃，儿童面临死亡的危险，这比在33 ℃环境中的致命时间提前了26 min。64 min 时车厢内空气温度为62.3 ℃，辐射温度为60.97 ℃，水蒸气分压力为6.65 kPa。32 min 内儿童的累计失水量为56.71 g，50 min 时的累计失水量为108.16 g，64 min 时的累计失水量为149.02 g。当直肠温度超过42 ℃，1 岁儿童的累计失水量没有超过身体重量的3%。

图6 描绘了儿童在风洞环境浸泡的车辆中，64 min 内身体代谢及与环境换热的热流密度变化。由于皮肤湿润度在16 min 达到不耐受人体的最大湿润度0.85，儿童皮肤表面的蒸发散热开始减小，但皮肤通过对流和辐射的得热不断增加，导致儿童身体蓄热量不断上升，直肠温度不断升高。