户外高温环境建筑工人热应激预测分析评价

李春艺，李川，闫肖岳，郭晓峰，郑富然

[中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083]

0 引言

我国是一个建筑业大国，建筑行业是我国重大基础项目建设的核心力量，从事建筑行业工作人口众多。随着城镇化建设的加快进行，我国对建筑人员的需求逐渐增加，建筑行业中很多工作不可避免地暴露于高温热辐射环境中。高温环境下建筑工人作业的热安全问题逐渐引发社会关注，因此，一些学者针对建筑工人高温热评价和热防护开展了相关研究。

在高温热评价的研究中，不少学者提出了关于作业人员高温环境下热应激预测评价的分析方法。Kakamu等利用心率对高温环境下作业人员的热应激水平进行评价研究。Brake 对高温环境下77 种不同工况人体生理指标的变化情况进行了研究，并引出了热环境评价指标（Thermal Working limit），通过该指标衡量人体生理热极限。Lai 等开发了一个12 段人体二维传热模型计算瞬态和非均匀热环境中人体传热过程，进而预测人体皮肤和核心温度。Fojtlin 等为预测驾驶人员的人体热生理反应和局部热感觉，开发出了一种无空调、加热和通风座椅的热模型。还有谢燕鑫的室外环境评估的多节点热调节和舒适模型，以及蒋毅等对湿热地区室外非稳态环境下人体热反应的测定。上述多种模型和测量方法大多侧重于环境因素对人体热应激的影响，较少考虑作业人员年龄、身高、服装等因素的影响，对实际工作中作业人员的热应激情况难以准确地预测分析评价。预测热应激模型（PHS）很好地考虑了环境因素与人体生理及服装参数的综合影响。目前关于PHS 模型的运用主要在煤矿和电网行业，在建筑行业方面的运用相对较少。

为保障高温下建筑工人的身体健康，本文将利用预测热应激模型（PHS）对建筑工人的热应激进行预测分析评价。综合考虑环境因素和人员生理、服装、作业强度等参数的影响，预测分析户外高温环境下建筑工人的核心温度、出汗量等生理参数。其中作业强度通过引入心率—代谢率换算公式，带入建筑工人作业过程中所测量的心率来进行计算。最后结合人体核心温度和出汗量耐受阈值确定该环境下建筑工人最大工作时长。分析结果可用于建筑工地合理设置工人作业时间，对合理组织高温环境下户外建筑作业和保障人员热安全具有重要参考意义。

1 预测热应激模型

预测热应激模型是以人体热平衡方程为基础，结合环境工况参数和人员参数，对作业人员一定作业时间内的生理参数进行计算。其中环境工况参数主要包括环境温度、空气湿度、风速和辐射温度，人员参数是指作业人员的身高、体重、代谢率（作业强度）、服装湿阻和热阻以及作业时长。计算结果为该时间内人员的核心温度、出汗量，以及通过核心温度和出汗量综合分析得出的最大允许作业时长。预测热应激模型的主要理论计算公式如下：

1）人体热平衡方程

（1）（2）（3）式中：

为代谢率，单位W/m；

为机械功，单位W/m；

C、E为呼吸对流散热和蒸发散热量，单位W/m；

、、为皮肤热传导、热对流和热辐射与外界环境的热交换量，单位W/m；

为皮肤蒸发散热量，单位W/m；

为人体热积蓄，单位W/m；

T为环境温度，单位℃；

为水蒸气分压，单位kPa。

2)工作人员作业服装热阻和湿阻计算

根据ISO 9920—2007 Ergonomics of the thermal environment-Estimation of thermal insulation and water vapour resistance of a clothing ensemble（《热环境的人类工效学·服饰整体隔热和抗水蒸气性的估计》，以下简称“ISO 9920—2007”）中所规定的，作业人员服装参数通常采用热阻和湿阻进行确定。服装热阻是指服装层与层之间因温度差而产生的热流阻力；服装湿阻是指服装内外由于水蒸气的压力差而形成的透湿阻力。

（4）（5）式中：

I为服装热阻，单位m·K/W；

R为服装湿阻，单位Pa·K/W；

I为静态服装热阻，单位m·K/W；

R为静态服装湿阻，单位Pa·K/W；

v为人体相对于风流的移动速度，单位m/s；

为作业人员的移动速度，单位m/s。

3）核心温度与出汗量的计算。

（6）（7）（8）式中：

t、t为人体核心温度与人体直肠温度，单位℃；

为皮肤温度系数，0.3；

c为人体热容，单位j/（kg· K）；

S为累计出汗量，单位g；

S为出汗率，单位W/m；

A为人体总表面积，单位m；

，-为时间步长。

4）引用心率计算作业人员代谢率

目前大部分关于作业人员代谢率的研究中，通常采用筛分法和观察法对作业人员代谢率进行估计，这两种方法大多根据作业人员职业和生产活动进行分类，对照图表查询代谢率，得到的代谢率精度较低，偏差相对较大。本文采用更为精确的一种方法来计算作业人员代谢率，即通过心率计算代谢率。据以往研究成果表明，心率是衡量代谢强度的良好指标。何佳泽等曾对中等热环境下建筑工人的心率与代谢率之间的关系进行了具体研究，精确度达90%以上，计算公式如（9）～（11）所示。采用心率计算代谢率，可操作性较强，应用面较广。

（9）（10）（11）式中：

为代谢率，单位W/m；

M为休息时的代谢率，单位W/m；

单位代谢率心率的增值，单位BPM；

HR为休息时的心率，单位BPM；

HR为工作时的最大心率，单位BPM；

为最大工作负荷（本文中研究对象主要为男性，故取男性表达式），单位W/m；

为年龄，单位岁；

为体重，单位kg。

2 建筑工人热应激预测评价

2.1 环境工况参数与人员服装参数设定

近年来，我国各地高温天气频发。特别是南方等地多次出现高温预警，夏季平均气温达30 ℃以上。据统计，在2021 年7 月份，重庆市有14 天平均气温达35 ℃以上，其中有2 天气温升高至40 ℃左右。高温天气频发对人们的生活和健康造成了极大影响，加上南方地区地势以山谷、盆地居多，水与汽集聚、空气湿度增大，形成了高温高湿的气候环境，高温高湿环境加重了户外作业人员的热应激水平。我国是一个建筑业大国，建筑作业为典型的户外作业，对户外高温建筑工人的热应激进行准确预测具有较强的现实意义。本文选用重庆市沙坪坝区所测的建筑工人案例进行预测分析，主要侧重于探究不同风速、湿度以及劳动强度下建筑工人热应激水平变化情况。

通过对案例中建筑工人作业环境信息进行提取分析，设定如下环境工况参数：环境温度为37 ℃；辐射温度与环境温度相等；空气相对湿度取值范围为30%～90%；风速取值范围为0.1 ～4 m/s（风速0.1 m/s 表示无风状态）。

对样本中作业人员的生理参数进行了细致的测量分析，现取其测试样本的平均参数设定为本文的人员参数：年龄51 岁，身高164 cm，体重62.4 kg，作业人员平均心率为100 BPM，最高心率为136 BPM，最低心率为71 BPM，通过基于心率的代谢率计算公式（9）～（11）进行计算，可得到代谢率为243 W/m；夏季我国建筑工人多身着短袖、长裤，参考ISO 9920—2007，设定服装热阻约为0.6 clo，湿阻约为25 pa·K/W。

2.2 预测结果分析

在环境温度为37 ℃、风速为1.2 m/s、人员代谢率为243 W/m时，户外高温建筑工人核心温度随空气湿度的变化情况如图1 所示。由图1 可知，随着空气湿度的增大，人体的核心温度也逐渐升高。在空气湿度处于30%～50%之间时，人体核心温度随湿度变化不大，当空气湿度大于50%时，人体核心温度随湿度的增加大幅升高。这是因为空气湿度主要与大气压相关，通过查询公式可知，空气湿度越大所对应的大气压越大。在本模型的计算中，大气压主要参与人体出汗散热的过程，且散热量与气压成反相关。空气湿度升高所对应的大气压较大，人体因出汗而散发的热量减少，人体热蓄积，核心温度升高。之后随着人体与环境热交换趋于平衡，人体核心温度也逐渐趋于稳定。参考ISO 7933 Ergonomics of the thermal environment-Analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain（《热环境的人类工效学·通过计算预测的热应变对热应力的分析测定和说明》）以及中国军事医科百科全书中所提出的关于人体核心温度和出汗量的标准，设定39.4 ℃为核心温度阈值，体重的7.5%为累计出汗量的阈值。由图1 可知，当空气湿度大于50%时，核心温度在1 h 内达到耐受阈值。当湿度小于50%时，核心温度稳定在37.7 ℃。所以在高温高湿环境下应尽量降低建筑工人的劳动强度，防止工人出现热损伤。

图1 环境温度37 ℃、风速1.2 m/s、代谢强度243 W/m2核心温度

不同风速情况下，建筑工人核心温度变化情况如图2所示，当风速位于[0.1,3]区间时，核心温度随着风速增加而降低，在[3,4]区间，核心温度随风速增大而升高。这是因为当风速较小时，风速增加，加大了人体与环境的对流换热量，起到了降低温度的作用。当风速较大时，风速增加，会使服装的湿阻和热阻增大，从而抑制皮肤—服装—环境之间的散热作用，导致热量积聚，核心温度升高。同时，由图2 可知，在该环境工况下，作业前期温度随时间的增幅都较大，在75 min 内，不同风速下的核心温度均已超过耐受阈值。所以在高温环境中，人员作业前期热应激水平受风速影响不大。在该环境条件下，应让工作人员间歇作业，合理设置休息时间，避免出现热损伤。

图2 环境温度37 ℃、相对湿度70%、代谢强度243 W/m2核心温度

由上文可知，设定核心温度阈值为39.4 ℃，出汗量阈值为人员体重7.5%，本文选取的案例人员体重为62.4 kg，所对应的人体出汗量阈值为4 680 g。查阅相关规范和联系生活实际可知，建筑工人普遍连续作业时长一般为4 ～5 h（即持续工作一上午或一下午），在本文中设定建筑工人最大连续工作时长为4 h（240 min）。根据该阈值对上述不同空气湿度和风速下建筑工人最大作业时长进行统计分析，结果如图3 所示。

图3 环境温度37 ℃，代谢率243 W/m2各工况下最大作业时长

由图3 可知，在高温环境下空气湿度值对作业人员核心温度达到阈值的时间影响较大。所以在高温环境下空气湿度含量较高时，应适当降低建筑工人劳动强度，施工单位应增加作业人员休息次数或适当减少作业时长，尽量避免长时间高强度的连续作业。风速对建筑工人核心温度的影响较弱，由图3 可知，在风速位于[0.1,3]区间时，风速增大会导致建筑工人核心温度升高到阈值的时间增长；而当风速在[3,4]区间时，风速增大，核心温度达到阈值时间减短。所以在高温环境下，增设通风设备，适当提高环境风速可延长人员核心温度达到规定阈值的时间。在高温天气下，施工单位应合理设置作业人员劳动强度，对于重劳动作业，应安排在当日温度较低时段进行，或实行轮流作业，防止建筑工人出现热损伤。经过对该环境温度和工作强度中不同风速、湿度下作业人员的累计出汗量进行计算，并参照人体出汗量生理耐受阈值（4 680 g），分析得知在设定的最大连续工作时长内，作业人员累计出汗量均未达到阈值，故由出汗量确定的作业人员最大作业时长为240 min。结合图3 可知，建筑工人核心温度达到阈值的时间均小于或等于出汗量达到阈值的时间，相比之下，采用核心温度来确定高温环境下建筑工人最大工作时长更为准确。同时说明出汗量达到阈值对人体的危害更大，因为当人体出汗量达到阈值时，核心温度早已达到人体生理耐受阈值，人员已经受到热损伤或已持续一段时间处于热衰竭状态。

3 结论与建议

1）在高温环境下，建筑工人热应激状态受空气湿度影响较大，当空气湿度大于50%时，核心温度随湿度变化增幅较为显著。在本文引用的案例中，空气湿度为70%和90%时，核心温度在60 min 左右就达到了规定阈值。因此在高温高湿环境下建筑工人应至少每隔1 h 休息一次。

2）高温环境条件下，风速位于[0,3]区间，建筑工人的核心温度随着风速增加而降低；在[3,4]区间，随着风速增加而升高；在当地风速较小时，建议施工单位可添加风扇、风机等通风设备，适当增大风速，使作业场所风速稳定在3 m/s 左右，改善人员热应激状态。但风速对人员的热应激水平影响相对较弱，在环境温度较高时，还应以增加作业人员休息次数为主要措施。

3）综合比较采用核心温度与出汗量确定的建筑工人最大作业时长，分析得知采用核心温度作为建筑工人热应激衡量标准更为准确。因为除非作业人员在高温环境下从事高劳动强度作业或持续长时间工作，否则出汗量很难达到规定阈值，相比于核心温度确定人员热应激状态具有延后性。