以暖體假人實(shí)驗(yàn)研究熱環(huán)境下人體安全極限,人體生理學(xué)論文

以暖體假人實(shí)驗(yàn)研究熱環(huán)境下人體安全極限,人體生理學(xué)論文高溫環(huán)境常見于工業(yè)生產(chǎn)中的熱處理作業(yè)和應(yīng)急救援中的消防滅火等場景中。高溫環(huán)境中的人體安全防護(hù)是公共安全研究的重要內(nèi)容,需要將人體-服裝-環(huán)境作為一個熱系統(tǒng)來考慮。這一系統(tǒng)牽涉環(huán)境與服裝間的熱輻射、服裝內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、服裝與人體間的熱對流和熱輻射等多個物理經(jīng)過。高溫環(huán)境下的人體安全研究方式方法,主要包括熱反響建模計算和真人或人體模擬實(shí)驗(yàn)研究兩種:1)熱反響建模計算方式方法根據(jù)熱物理原理,建立人體-服裝-環(huán)境三者的熱反響計算模型,通過數(shù)值迭代計算得到人體的熱生理參數(shù)。1971年提出的Stolwijk模型應(yīng)用負(fù)反應(yīng)的控制理論建立了6區(qū)段25單元的人體熱反響模型,被以為是人體熱反響模型的一次突破。Huizenga等建立了常溫復(fù)雜熱環(huán)境下人體生理和舒適性評價的Berkeley模型,對Stolwijk熱反響模型作出了7個方面的改良,提高了模擬計算的準(zhǔn)確性。Tanabe等基于多點(diǎn)熱調(diào)節(jié)和輻射模型以及計算流體力學(xué),建立服裝熱舒適性評價方式方法,并考慮溫度非一致性的環(huán)境。韓雪峰等建立了一個基于20分區(qū)發(fā)汗暖體假人設(shè)備的多分區(qū)多層傳熱數(shù)值模型,通過實(shí)驗(yàn)等方式確定各分區(qū)的各項(xiàng)熱物理參數(shù),建立熱平衡方程組,實(shí)現(xiàn)對假人在給定熱應(yīng)力下的溫度變化,以及與服裝的熱交換作用的模擬。熱反響建模計算方式方法能夠模擬人體在熱環(huán)境中的體溫、出汗、呼吸、心率等的變化,同時具有耗時短、成本低的優(yōu)點(diǎn)。此類方式方法雖獲得較大進(jìn)展,但仍有所局限:考慮人體-環(huán)境互相影響的精細(xì)復(fù)雜細(xì)節(jié)缺乏,如空氣湍流、局部空氣擾動、溫度和濕度、周圍外表的不均勻溫度輻射、多層服裝系統(tǒng)的熱和物質(zhì)交換、人體的各種生理調(diào)節(jié)行為導(dǎo)致的蒸發(fā)、液化、濕氣遷移,以及人體運(yùn)動對熱反響的影響等。2)真人或人體模擬實(shí)驗(yàn)研究方式方法。真人研究難以在較極端的條件下進(jìn)行,并且需要大量的真人研究才能總結(jié)出人體的熱反響規(guī)律,提高了真人實(shí)驗(yàn)研究的成本;人體模擬實(shí)驗(yàn)研究將具有體熱、出汗等功能的假人作為核心設(shè)備,模擬人體的熱生理反響。Psikuta等在常溫范圍內(nèi)對具有體熱、出汗等生理調(diào)節(jié)的假人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與建模研究,但僅研究了單段人體模型,并非全身。Coca等以暖體假人為研究工具,考察了消防員的運(yùn)動行為對防護(hù)服性能的影響。諶玉紅等以中等熱濕環(huán)境下人體實(shí)驗(yàn)和人體3維尺寸數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),研制出了出汗假人測試系統(tǒng)并對服裝的熱濕性能進(jìn)行了測試與評價。受技術(shù)所限,大部分的人體模擬設(shè)備不能根據(jù)環(huán)境的熱應(yīng)力對體溫、出汗等作出主動、實(shí)時調(diào)節(jié),或者僅為部分而非全身人體模型。但由于人體模擬實(shí)驗(yàn)研究具有設(shè)備穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可重復(fù)性高、依實(shí)驗(yàn)評定服裝性能準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),己成為高溫環(huán)境下的人體安全評價研究的熱門方式方法。本文針對高溫環(huán)境下的人體安全問題,建立了將理論計算與實(shí)驗(yàn)?zāi)M相結(jié)合的人體安全評價方式方法。將暖體假人置于封閉的高溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙內(nèi),實(shí)時測量人體周圍的環(huán)境參量,應(yīng)用熱反響模型計算得到該環(huán)境參量下的人體熱生理反響,通過暖體假人的體熱、出汗等功能實(shí)現(xiàn)該時間的生理反響,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人體與環(huán)境的熱反響交互經(jīng)過。除此之外,通過觀測實(shí)驗(yàn)經(jīng)過中人體熱生理參數(shù)的變化,根據(jù)醫(yī)學(xué)生理學(xué)的研究結(jié)果,判定人體的安全狀態(tài)。1實(shí)驗(yàn)設(shè)計1.1實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺包括人-機(jī)-環(huán)境模擬子系統(tǒng)、參數(shù)測量子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集/傳輸/處理子系統(tǒng)3部分。人-機(jī)-環(huán)境模擬子系統(tǒng)通過高溫艙和熱輻射板制造特定熱應(yīng)力環(huán)境,應(yīng)用NEWTON暖體假人模擬人體的熱生理響應(yīng)行為,并為假人穿著熱防護(hù)服,進(jìn)而構(gòu)成人-機(jī)-環(huán)境的熱反響系統(tǒng)。由參數(shù)測量子系統(tǒng)測量環(huán)境的溫、濕度等基本參量和假人的熱生理參數(shù)。數(shù)據(jù)采集/傳輸/處理子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀、假人控制軟件ThermDAC和人體熱反響計算模型組成,接收參數(shù)測量系統(tǒng)的實(shí)時測量結(jié)果,計算假人的熱生理響應(yīng)行為,并將相應(yīng)指令傳輸至NEWTON暖體假人,作為暖體假人對人體熱生理響應(yīng)模擬的根據(jù)。實(shí)驗(yàn)平臺的整體結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系如圖1所示?！緢D1】暖體假人是人體生理行為的模擬設(shè)備,多應(yīng)用于服裝舒適性研究。本實(shí)驗(yàn)基于美國西北公司生產(chǎn)的NEWTON暖體假人,以熱生理模擬計算的熱響應(yīng)結(jié)果為指令,模擬人體在熱環(huán)境中的體熱、出汗等生理反響。NEWTON暖體假人包括假人及皮膚層、外部系統(tǒng)、環(huán)境傳感器和控制軟件等部分。華而不實(shí),假人及皮膚層是模擬人體的外部構(gòu)造,并在皮膚層下內(nèi)置體內(nèi)控制器及毛細(xì)管,作為模擬人體體熱、出汗的微觀作用單元;外部系統(tǒng)由與體熱、出汗等生理對應(yīng)的外置控制箱組成,發(fā)揮與人體生理功能對應(yīng)的臟器的作用。NEWTON暖體假人的整體構(gòu)造和功能關(guān)系如此圖2所示?！緢D2】1.2實(shí)驗(yàn)方案熱環(huán)境下人體安全研究實(shí)驗(yàn)的主要思路為:將暖體假人和熱輻射板置于封閉的熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙內(nèi),通過熱輻射板制造特定的熱環(huán)境,由暖體假人參數(shù)測量系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)獲取相關(guān)參數(shù),經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算得到該熱應(yīng)力下假人的熱生理反響,傳輸至暖體假人使其產(chǎn)生相應(yīng)的體熱、出汗等響應(yīng)。通過實(shí)時測得的假人生理參數(shù),以體溫、出汗率兩項(xiàng)指標(biāo)為判據(jù),判定人體的安全狀態(tài)。為方便對安全評價方式方法的研究,實(shí)驗(yàn)中未對假人著熱防護(hù)服裝,而僅穿著發(fā)汗皮膚,以發(fā)汗皮膚的熱阻、濕阻參數(shù)代替熱防護(hù)服裝的熱、濕性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)的主要流程為:1)開啟熱輻射板,艙內(nèi)溫度升高;2)人體隨環(huán)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(fā)散熱;4)通過體溫和出汗相關(guān)參數(shù),判定人體安全狀態(tài),相關(guān)參數(shù)大于安全閾值則進(jìn)入危險狀態(tài),大于極限閾值則進(jìn)入極限狀態(tài),否則處于安全狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)主要流程如此圖3所示?！緢D3】1.3生理指標(biāo)的計算在數(shù)據(jù)采集/傳輸/處理系統(tǒng)中,嵌入人體熱生理反響計算模型,以實(shí)時測得的環(huán)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響。計算模型采用ISO7933中推薦的模型,主要計算公式為:1)計算皮膚外表最大蒸發(fā)熱流量Emax(W/m2)?！竟?】華而不實(shí):psk與pa分別為皮膚外表溫度和環(huán)境溫度對應(yīng)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(qiáng)度下的新陳代謝率,W/m2;deq為與新陳代謝率相關(guān)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(chǎn)生的熱對流率和熱蒸發(fā)率,W/m2;C和R分別為皮膚外表的熱對流率和熱蒸發(fā)率,W/m2。以上參量中:psk、pa、Rcl根據(jù)實(shí)測值得出;M、W根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置;其他參數(shù)為:【公式2】在醫(yī)學(xué)生理學(xué)中,常用人體的直腸溫度代替核心溫度。由此,可通過設(shè)置人體參量,測量環(huán)境參量,計算出人體在該熱環(huán)境下所需出汗率和直腸溫度。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析人體熱舒適時的皮膚溫度Tsk=34℃,將這一數(shù)值設(shè)置為人體皮膚溫度初始值。分別將熱輻射板的溫度Trad設(shè)置為30℃、32℃、34℃、36℃、38℃、40℃,考察實(shí)驗(yàn)4h內(nèi)的人體熱生理變化,通過體溫、出汗兩項(xiàng)生理指標(biāo)判定人體的安全狀態(tài)。2.1直腸溫度變化直腸溫度Tre在實(shí)驗(yàn)經(jīng)過中的變化如此圖4所示。【圖4】1)熱輻射溫度Trad越高,Tre的升高越快。2)當(dāng)Trad為30℃和32℃時,Tre先升高后降低,最后到達(dá)一較穩(wěn)定值,講明人體能夠適應(yīng)此熱輻射的環(huán)境;當(dāng)Trad=34℃時,Tre最后仍有波動,講明此熱輻射溫度為人體對熱環(huán)境適應(yīng)的臨界情況,這與Tsk穩(wěn)定值為34℃相符;當(dāng)Trad為36℃、38℃、40℃時,Tre先較快增長,直至趨近于ISO7933模型的有效計算臨界值Tre=40℃(對應(yīng)時間t1=98min),此時人體的熱響應(yīng)規(guī)律已無法用ISO7933模型進(jìn)行計算。3)當(dāng)Tre到達(dá)危險值時,人體進(jìn)入相應(yīng)的危險狀態(tài)。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℃。由此判定的危險時間如表1所示?！颈?】由表1可見,當(dāng)熱環(huán)境強(qiáng)度超過人體的調(diào)節(jié)能力時,熱輻射溫度越高,人體處于熱危險狀態(tài)的時間越早。2.2出汗率變化分析出汗率s在實(shí)驗(yàn)經(jīng)過中的變化規(guī)律,判定人體安全狀態(tài),如此圖5所示?！緢D5】1)Trad越高,s的增長越快;2)當(dāng)Trad為30℃和32℃時,s先增大后減小,最后到達(dá)一較穩(wěn)定值,講明人體能夠適應(yīng)此熱輻射環(huán)境;當(dāng)Trad=34℃時,s最后仍有波動,講明此熱輻射溫度為人體對熱環(huán)境適應(yīng)的臨界情況;當(dāng)Trad為36℃、38℃、40℃時,s先較快增長,后穩(wěn)定到一極限值。對照Tre曲線可以發(fā)現(xiàn),Tre=40℃,即實(shí)驗(yàn)時間tl=108min時,人體的熱響應(yīng)規(guī)律已無法用ISO7933模型進(jìn)行計算,此時sl=375mL/(m2h),也為計算得到的出汗率的極限值。3)當(dāng)s大于體重的0.01%時(246.33mL/(m2h)),人體處于由出汗率判定的危險狀態(tài)。由此判定的各熱輻射溫度對應(yīng)的危險時間如表2所示。當(dāng)人體能夠適應(yīng)熱輻射環(huán)境時,危險時間隨熱輻射溫度的升高逐步縮短;當(dāng)人體不能適應(yīng)熱輻射環(huán)境時,危險時間基本一樣。這講明當(dāng)熱環(huán)境的強(qiáng)度超過人體的調(diào)節(jié)能力時,人體的出汗率具有對應(yīng)的極限值,出汗率圍繞該極限值進(jìn)行變化。4)人體總失水量存在極限值。當(dāng)總失水量s超過該極限值時,人體處于失水的危險狀態(tài)。當(dāng)s到達(dá)體重的2%(1.4kg)時,進(jìn)入危險狀態(tài);當(dāng)s到達(dá)體重的5%(3.5kg)時,進(jìn)入熱危害狀態(tài)。不同熱輻射溫度下危險狀態(tài)的時間刻如表3所示?！颈?-3】3討論與結(jié)論針對單一理論計算或?qū)嶒?yàn)?zāi)M在研究高溫環(huán)境下人體安全問題時的局限性,本文應(yīng)用出汗暖體假人為核心設(shè)備,建立了將理論計算與實(shí)驗(yàn)?zāi)M相結(jié)合的人體熱安全評價模型。該模型能夠?qū)岘h(huán)境作出實(shí)時反響,通過體溫和出汗率的變化判定人體的熱安全狀態(tài),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對高溫環(huán)境下的人體安全防護(hù)的輔助決策功能。該安全評價方式方法還存在一定缺乏,主要有:1)體表溫度值由20個軀段的體表溫度按對應(yīng)的體外表積加權(quán)得出,出汗量根據(jù)加權(quán)后的體表溫度進(jìn)行調(diào)整。更精到準(zhǔn)確地,應(yīng)將各軀段區(qū)別對待,即根據(jù)各軀段的外表溫度分別計算并調(diào)整出汗率。2)實(shí)驗(yàn)在封閉的熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)經(jīng)過中艙內(nèi)的溫度、濕度一直變化,由于這種變化與暖體