基于暖體假人的熱環境下人體安全評價
本文針對高溫環境下的人體安全問題,建立了將理論計算與實驗模擬相結合的人體安全評價方法。將暖體假人置于封閉的高溫環境實驗艙內,實時測量人體周圍的環境參量,應用熱反應模型計算得到該環境參量下的人體熱生理反應,通過暖體假人的體熱、出汗等功能實現該時間的生理反應,進而實現人體與環境的熱反應交互過程。此外,通過觀測實驗過程中人體熱生理參數的變化,依據醫學生理學的研究結果,判斷人體的安全狀態。
1 實驗設計
1.1 實驗平臺的構建
實驗平臺包括人-機-環境模擬子系統、參數測量子系統和數據采集/傳輸/處理子系統3部分。人-機-環境模擬子系統通過高溫艙和熱輻射板制造特定熱應力環境,應用NEWTON暖體假人模擬人體的熱生理響應行為,并為假人穿著熱,進而形成人-機-環境的熱反應系統。由參數測量子系統測量環境的溫、濕度等基本參量和假人的熱生理參數。數據采集/傳輸/處理子系統由數據采集儀、假人控制軟件ThermDAC和人體熱反應計算模型組成,接收參數測量系統的實時測量結果,計算假人的熱生理響應行為,并將相應指令傳輸至NEWTON暖體假人,作為暖體假人對人體熱生理響應模擬的依據。實驗平臺的整體結構和邏輯關系如圖1所示。
暖體假人是人體生理行為的模擬設備,多應用于服裝舒適性研究。本實驗基于美國西北公司生產的NEWTON暖體假人,以熱生理模擬計算的熱響應結果為指令,模擬人體在熱環境中的體熱、出汗等生理反應。NEWTON暖體假人包括假人及皮膚層、外部系統、環境傳感器和控制軟件等部分。其中,假人及皮膚層是模擬人體的外部結構,并在皮膚層下內置體內控制器及毛細管,作為模擬人體體熱、出汗的微觀作用單元; 外部系統由與體熱、出汗等生理對應的外置控制箱組成,發揮與人體生理功能對應的臟器的作用。NEWTON暖體假人的整體結構和功能關系如圖2所示。
1.2 實驗方案
熱環境下人體安全研究實驗的主要思路為: 將暖體假人和熱輻射板置于封閉的熱環境實驗艙內,通過熱輻射板制造特定的熱環境,由暖體假人參數測量系統和環境參數測量系統獲取相關參數,經數據處理系統計算得到該熱應力下假人的熱生理反應,傳輸至暖體假人使其產生相應的體熱、出汗等響應。通過實時測得的假人生理參數,以體溫、出汗率兩項指標為判據,判斷人體的安全狀態。為方便對安全評價方法的研究,實驗中未對假人著熱裝,而僅穿著發汗皮膚,以發汗皮膚的熱阻、濕阻參數代替熱裝的熱、濕性能參數。
實驗的主要流程為: 1) 開啟熱輻射板,艙內溫度升高; 2) 人體隨環境溫度升高而累積熱量,體溫升高; 3) 熱量累積到一定程度,開啟出汗功能,通過汗液蒸發散熱; 4) 通過體溫和出汗相關參數,判斷人體安全狀態,相關參數大于安全閾值則進入危險狀態,大于極限閾值則進入極限狀態,否則處于安全狀態。實驗主要流程如圖3所示。
1.3 生理指標的計算
在數據采集/傳輸/處理系統中,嵌入人體熱生理反應計算模型,以實時測得的環境和人體熱濕參量作為輸入,迭代計算得出人體的熱生理反應。計算模型采用ISO 7933中推薦的模型,主要計算公式為[11]:
1) 計算皮膚表面蒸發熱流量 Emax(W/m2)所需蒸發熱流量 Ereq(W/m2):
Emax=psk-paRcl,(1)Ereq=M-deq-W-Cres-Rres-C-R.(2)
其中: psk與 pa分別為皮膚表面溫度和環境溫度對應的飽和蒸氣壓, kPa; Rcl為皮膚層及服裝的濕阻, m2kPa/W; M為指定勞動強度下的新陳代謝率, W/m2; deq為與新陳代謝率相關的使體溫上升的存儲率, W/m2; W為人體的對外做功率, W/m2; Cres和 Rres分別為呼吸產生的熱對流率和熱蒸發率, W/m2; C和 R分別為皮膚表面的熱對流率和熱蒸發率, W /m2。以上參量中: psk、 pa、 Rcl根據實測值得出; M、 W根據實際情況設置; 其他參數為:
deq=cspTcr,eq,i-Tcr,eq,i-1·1-αi-1,(3)Cres=0.01516MTex-Ta,(4)Eres=0.00127M59.34+0.53Ta-11.63pa,(5)C+R=Tsk-TaIcl.(6)
其中: i為第 i個時間步長,每個時間步長為1 min; csp為人體熱容, W/(m2·K); Tcr, eq, i為與新陳代謝率相對應的平衡時的人體核心溫度, ℃; αi為皮膚 -核心質量參數; Tex、 Ta、 Tsk分別為呼出氣體溫度、環境溫度和皮膚溫度, ℃。
2) 計算預期出汗率 si(W/m2),
si=si-1·e-110+sreq1-e-110.(7)
其中, sreq為所需出汗率, W/m2, 其值由 Ereq和 Emax的決定。
3) 計算直腸溫度 Tre,i,℃,
Tre,i=Tre,i-1+2Tcr,i-1.962Tre,i-1-1.319.(8)
其中, Tcr,i為人體核心溫度, ℃,
Tcr,i=11-αi2dicsp+Tcr,i-1-Tcr,i-1-Tsk,i-12αi-1-Tsk,iαi2.(9)
在醫學生理學中,常用人體的直腸溫度代替核心溫度[12]。由此,可通過設置人體參量,測量環境參量,計算出人體在該熱環境下所需出汗率和直腸溫度。
2 實驗結果與分析
人體熱舒適時的皮膚溫度 Tsk =34 ℃[12], 將這一數值設置為人體皮膚溫度初始值。分別將熱輻射板的溫度 Trad設置為30 ℃、 32 ℃、 34 ℃、 36 ℃、 38 ℃、 40 ℃, 考察實驗4 h內的人體熱生理變化,通過體溫、出汗兩項生理指標判斷人體的安全狀態。
2.1 直腸溫度變化
直腸溫度 Tre在實驗過程中的變化如圖4所示。
1) 熱輻射溫度 Trad越高, Tre的升高越快。
2) 當 Trad為30 ℃和32 ℃時, Tre先升高后降低,最后達到一較穩定值,說明人體能夠適應此熱輻射的環境; 當 Trad =34 ℃時, Tre最后仍有波動,說明此熱輻射溫度為人體對熱環境適應的臨界情況,這與 Tsk穩定值為34 ℃相符; 當 Trad為36 ℃、 38 ℃、 40 ℃時, Tre先較快增長,直至趨近于 ISO 7933模型的有效計算臨界值 Tre =40 ℃(對應時間 t1=98 min), 此時人體的熱響應規律已無法用ISO 7933模型進行計算。
3) 當 Tre達到危險值時,人體進入相應的危險狀態。直腸溫度的危險限值為生理上限38 .5 ℃, 安全上限38 .9 ℃, 耐受上限39 .4 ℃[13]。由此判斷的危險時間如表1所示。
由表1可見,當熱環境強度超過人體的調節能力時,熱輻射溫度越高,人體處于熱危險狀態的時間越早。
2.2 出汗率變化
分析出汗率 s在實驗過程中的變化規律,判斷人體安全狀態,如圖5所示。
1) Trad越高, s的增長越快;
2) 當 Trad為30 ℃和32 ℃時, s先增大后減小,最后達到一較穩定值,說明人體能夠適應此熱輻射環境; 當 Trad =34 ℃時, s最后仍有波動,說明此熱輻射溫度為人體對熱環境適應的臨界情況; 當 Trad為36 ℃、 38 ℃、 40 ℃時, s先較快增長,后穩定到一極限值。對照 Tre曲線可以發現, Tre =40 ℃, 即實驗時間 tl =108 min時,人體的熱響應規律已無法用ISO 7933模型進行計算,此時 sl =375 mL/(m2·h), 也為計算得到的出汗率的極限值。
3) 當 s大于體重的0 .01%時(246 .33 mL/(m2·h)), 人體處于由出汗率判斷的危險狀態[13]。由此判斷的各熱輻射溫度對應的危險時間如表2所示。
當人體能夠適應熱輻射環境時,危險時間隨熱輻射溫度的升高逐漸縮短; 當人體不能適應熱輻射環境時,危險時間基本相同。這說明當熱環境的強度超過人體的調節能力時,人體的出汗率具有對應的極限值,出汗率圍繞該極限值進行變化。
4) 人體總失水量存在極限值。當總失水量Σ s超過該極限值時,人體處于失水的危險狀態。當Σ s達到體重的2%(1.4 kg)時,進入危險狀態; 當Σ s達到體重的5%(3.5 kg)時,進入熱危害狀態[14]。不同熱輻射溫度下危險狀態的時間刻如表3所示。
3 討論與結論
針對單一理論計算或實驗模擬在研究高溫環境下人體安全問題時的局限性,本文應用出汗暖體假人為核心設備,建立了將理論計算與實驗模擬相結合的人體熱安全評價模型。該模型能夠對熱環境作出實時反應,通過體溫和出汗率的變化判斷人體的熱安全狀態,從而實現對高溫環境下的人體安全防護的輔助決策功能。
該安全評價方法還存在一定不足,主要有:
1) 體表溫度值由20個軀段的體表溫度按對應的體表面積加權得出,出汗量根據加權后的體表溫度進行調整。更精確地,應將各軀段區別對待,即根據各軀段的表面溫度分別計算并調整出汗率。
2) 實驗在封閉的熱環境實驗艙進行,實驗過程中艙內的溫度、濕度一直變化,由于這種變化與暖體假人實時的發熱率、出汗率直接相關,使得實驗結果很難與無法考慮假人主動熱響應調節的理論模型計算結果進行對
比。下一步應在恒溫恒濕環境箱中進行該實驗,并將實驗結果與理論模型計算結果進行對比,進而對安全評價方法作出改進。
3) 本實驗中,為簡化方法研究,對暖體假人未著熱,僅用附著于假人外層的發汗皮膚的熱阻、濕阻值代替裝的熱濕性能。顯然,發汗皮膚的熱濕阻值遠小于熱裝的相應參數。下一步應進行穿著裝后的高溫環境下人體熱安全實驗。
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