高溫礦井礦工熱舒適性分析與評價(jià)

李雯

摘 要：針對礦井的高溫現(xiàn)象，分析了礦工熱舒適性的影響因素，歸納出常用均勻環(huán)境下熱舒適性評價(jià)方法，如預(yù)測平均熱感覺評價(jià)PMV、預(yù)測不滿意百分比PPD、平均輻射溫度MRT、有效溫度ET和標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET，緊接著描述了幾種非均勻環(huán)境下人體熱舒適性評價(jià)指標(biāo)，分別為加權(quán)PMV、等效均勻溫度EHT、當(dāng)量溫度評價(jià)指標(biāo)EQT、局部熱感覺TSV，總結(jié)出在非均勻熱環(huán)境的高溫礦井中，可采用加權(quán)PMV指標(biāo)用于礦工的熱舒適性評價(jià)。

關(guān)鍵詞：熱舒適性 高溫礦井 均勻熱環(huán)境 非均勻熱環(huán)境 評價(jià)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：TD72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（c）-0073-02

Abstract：According to the high temperature phenomenon of the mine， the influencing factors of the thermal comfort of the miners are analyzed， and the evaluation methods of the thermal comfort in the commonly used uniform environment are summarized. For example， the average thermal sensory evaluation of PMV， the predicted dissatisfaction percentage PPD， the average radiation temperature MRT， the effective temperature ET and the standard effective temperature SET. Then， the evaluation criteria of human thermal comfort in several nonuniform environments are described as weighted PMV， equivalent uniform temperature EHT， equivalent temperature evaluation index EQT， and local thermal sensory TSV， and summed up in nonuniform Thermal environment of high temperature mines， the use of weighted PMV indicators for miners thermal comfort evaluation.

Key Words：Thermal comfort；High temperature mine；Uniform thermal environment；Non-uniform thermal environment；Evaluation index

作為眾多行業(yè)的基礎(chǔ)能源和重要原料，近年來煤炭資源的開發(fā)日益增長，世界各個(gè)主要采煤國家相繼進(jìn)入了深部開采階段。隨著開采深度的不斷加大，地溫也在逐漸升高，地?zé)岢蔀榈V井的主要熱源，礦井熱害愈加嚴(yán)重，井下人員的工作環(huán)境不斷惡化。高溫?zé)岷σ褔?yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)[1]，使得井下作業(yè)人員體能下降、工作效率降低、產(chǎn)生中暑現(xiàn)象，危害職工身體健康，嚴(yán)重時(shí)甚至危及生命，即礦井的開采程度與礦工舒適性直接相關(guān)。因此，研究高溫環(huán)境對礦工熱舒適性的影響具有非常重要的意義。該文對高溫環(huán)境下礦工熱舒適性進(jìn)行了分析評價(jià)。

1 礦井熱環(huán)境對礦工舒適性的影響分析

“熱舒適性”指人體對熱環(huán)境的主觀熱反應(yīng)，礦工的熱舒適性即工人在礦井內(nèi)作業(yè)時(shí)，對生產(chǎn)環(huán)境微氣候的熱舒適性感覺。礦工的熱舒適性對工人工作效率的高低、生理以及心理都有著一定程度的影響。礦井熱環(huán)境人體的舒適程度與4個(gè)環(huán)境因素和2個(gè)人員因素有關(guān)，主要是空氣溫度、風(fēng)流速度、相對濕度、環(huán)境平均輻射溫度以及工作人員衣著程度、人體活動(dòng)量，以及礦工對環(huán)境的生理心理適應(yīng)性[2]。

1.1 空氣溫度

礦井空氣溫度是影響熱舒適性最主要的因素，直接影響著人體通過對流以及輻射的熱交換?？諝鉁囟鹊纳邥?huì)使人體排汗量增加，主觀熱感覺朝熱的方向發(fā)展；空氣溫度的下降，則會(huì)使人體血管收縮，進(jìn)而皮膚溫度降低。人體可以通過自身的冷熱感受對熱環(huán)境的冷熱程度做出敏銳判斷。

1.2 風(fēng)流速度

礦井空氣流速對人體熱舒適性有著重要影響，空氣流速?zèng)Q定人體對流散熱量與空氣蒸發(fā)力。當(dāng)環(huán)境溫度高于人體表面皮膚溫度時(shí)，空氣流速增大，產(chǎn)生較高對流換熱使人體升溫，當(dāng)環(huán)境溫度低于人體表面皮膚溫度時(shí)，則空氣流速增大使人體產(chǎn)生散熱的現(xiàn)象。

1.3 相對濕度

礦井空氣相對濕度是影響人體熱感覺的主要因素，礦井熱環(huán)境中濕度相比正常室外要大。濕度對機(jī)體的熱舒適程度與空氣溫度密切相關(guān)，通過國內(nèi)已有的研究表明，當(dāng)空氣溫度較高時(shí)，機(jī)體的散熱量完全取決于空氣的相對濕度。

1.4 環(huán)境平均輻射溫度

礦井環(huán)境中平均輻射溫度取決于礦井圍巖的表面溫度以及傳熱效能，其大小與礦井的開采深度成正比關(guān)系，開采深度越大，礦井內(nèi)環(huán)境的平均輻射溫度越大。

2 常用熱舒適性評價(jià)方法

早期的舒適性評價(jià)指標(biāo)是以大量實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果為依據(jù)，其起步與推廣相對較晚，目前科學(xué)系統(tǒng)的評價(jià)方法研究，主要是針對一個(gè)均勻的熱環(huán)境評價(jià)指標(biāo)。該類評價(jià)指標(biāo)主要包含有：預(yù)測平均熱感覺評價(jià)PMV、預(yù)測不滿意百分比PPD、平均輻射溫度MRT、有效溫度ET和標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET。

PMV（Predicted Mean Vote）指標(biāo)是P.O.Fanger教授引入反映人體熱平衡偏離程度的人體熱負(fù)荷TL而得出的[3]，當(dāng)人體處于穩(wěn)態(tài)的熱環(huán)境下，人體的熱負(fù)荷越大，人體偏離熱舒適的狀態(tài)就越遠(yuǎn)。采用了從-3～0～+3的七級(jí)熱感覺分度標(biāo)尺。

PPD（Predicted Percent Dissatisfied），表示人群對熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)。在1984年提出的ISO7730標(biāo)準(zhǔn)中對PMV-PPD指標(biāo)的推薦值在-0.5～+0.5，相當(dāng)于PPD在10%以內(nèi)的狀態(tài)為熱舒適狀態(tài)[4]。

平均輻射溫度MRT（Mean Radiant Temperature），指環(huán)境四周表面對人體輻射作用的平均溫度。

有效溫度ET（Effective Temperature）是干球溫度、濕度、空氣流速對人體溫暖感或冷感影響的綜合數(shù)值，該數(shù)值等效于產(chǎn)生相同感覺的靜止飽和空氣溫度，但過高地估計(jì)了濕度在低溫下對涼爽和舒適狀態(tài)的影響。

標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET（Standard Effective Temperature），綜合考慮了不同的活動(dòng)水平和衣服熱阻，形成了最通用的指標(biāo)，即身著標(biāo)準(zhǔn)服裝熱阻的人，在相對濕度為50%，空氣靜止不動(dòng)，空氣溫度與平均輻射溫度相同的等溫條件下，若與其在實(shí)際環(huán)境和實(shí)際服裝熱阻條件下的平均皮膚溫度和皮膚濕潤度相同，則必將具有相同的熱損失。反映了人體的熱感覺，但需要計(jì)算皮膚溫度和皮膚濕潤度比較復(fù)雜，應(yīng)用不如有效溫度ET廣泛。

3 高溫礦井礦工熱舒適性評價(jià)方法

以上所介紹的各種描述人體熱感覺的指標(biāo)均是假定在穩(wěn)態(tài)條件下即人體處于熱平衡條件下得出的，而高溫礦井的礦工多處于不穩(wěn)定情況下的多變環(huán)境，尤其是溫度梯度很大、風(fēng)速不穩(wěn)定，因此高溫礦井不能將其看作是均勻的熱環(huán)境，此時(shí)不宜采用以上各種均勻熱環(huán)境的指標(biāo)來評價(jià)高溫礦井礦工的熱舒適性，需對常用熱舒適評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行修正或采用更精確的熱舒適性模型。目前在非均勻環(huán)境下通常采用以下幾種方法來評價(jià)：加權(quán)PMV、等效均勻溫度EHT、當(dāng)量溫度評價(jià)指標(biāo)EQT、局部熱感覺TSV[5]。

Fanger教授提出的PMV是目前評價(jià)均勻熱環(huán)境最簡單易行的指標(biāo)，為將其應(yīng)用于非均勻熱環(huán)境中，通常需要將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)得到加權(quán)PMV來進(jìn)行評價(jià)，有等效溫度和面積加權(quán)PMV兩種方法。將周圍環(huán)境的溫度進(jìn)行加權(quán)，通過計(jì)算得出一個(gè)等效平均溫度即等效溫度法；將處于熱環(huán)境中人體各個(gè)不同部位的PMV數(shù)值通過分別測量計(jì)算得出，按照各個(gè)部位表面積占人體皮膚總面積的百分比進(jìn)行面積加權(quán)計(jì)算即面積加權(quán)PMV。前者只考慮了環(huán)境溫度加權(quán)值，未將其他影響因素如空氣流速、空氣輻射溫度、濕度等考慮在內(nèi)，使計(jì)算結(jié)果不精確，而后者采用人體各部分皮膚面積占總面積百分比加權(quán)計(jì)算出人體熱感覺，但人體熱感覺并非由各部分皮膚面積所占百分比決定，所以存在著一定程度上的不準(zhǔn)確。

當(dāng)量溫度指標(biāo)EQT（Equivalent Temperature Index）即在空氣相對濕度為50%的條件下，將若干個(gè)暖體假人放置在一個(gè)氣流相對均勻，且空氣溫度與輻射溫度相等的封閉空間中，當(dāng)暖體假人身體某個(gè)部位的散熱量和其所處的非均勻環(huán)境中散熱量相同時(shí)，該封閉空間的空氣溫度即該暖體假人身體各部位在真實(shí)的非均勻環(huán)境中的當(dāng)量溫度。

Wyon、Bauman等人在1989年最先提出了等效均勻溫度EHT（Equivalent Uniform Temperature），即當(dāng)人體某部位在一個(gè)均勻環(huán)境下的散熱量與在非均勻熱環(huán)境下的散熱量相同，則此均勻環(huán)境下的空氣溫度就稱為非均勻環(huán)境的等效均勻溫度。理想的均勻環(huán)境即假定該環(huán)境空氣溫度與平均輻射溫度相等，無溫度梯度的改變和空氣的相對流動(dòng)，并且在服裝熱阻和人體代謝強(qiáng)度相同。和當(dāng)量溫度評價(jià)指標(biāo)EQT比較類似，該指標(biāo)在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持下考慮了各個(gè)因素的影響，且等效均勻溫度EHT最大的不足之處也是將人體整體熱感覺劃分成身體各個(gè)區(qū)域的局部熱感覺，不利于進(jìn)行整體全面的評價(jià)和判斷。

局部熱感覺TSV是目前各種指標(biāo)中應(yīng)用最復(fù)雜的人體熱舒適模型，該評價(jià)體系依賴于大量的暖體假人實(shí)驗(yàn)，有較高準(zhǔn)確性與適用性。

以上各非均勻環(huán)境下的熱舒適性指標(biāo)中，當(dāng)量溫度指標(biāo)EQT是將人體整體熱感覺劃分成身體各個(gè)區(qū)域的局部熱感覺，對于礦工熱感覺進(jìn)行整體全面的判斷和評價(jià)較為不利。等效均勻溫度EHT需換算到均勻環(huán)境，計(jì)算較為復(fù)雜。

相比而言，局部熱感覺TSV對礦井熱環(huán)境內(nèi)礦工熱舒適性進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測與評價(jià)較為合適，但其使用起來較為復(fù)雜，在一般的高溫礦井舒適性評價(jià)中推薦使用加權(quán)PMV指標(biāo)。

4 結(jié)語

研究高溫環(huán)境對礦工熱舒適性的影響具有非常重要的意義。分析了礦井舒適性的影響因素，其中空氣溫度、風(fēng)流速度、相對濕度、環(huán)境平均輻射溫度等對礦工舒適性均存在較大影響?？偨Y(jié)分析了常用的熱舒適性評價(jià)方法，為較準(zhǔn)確評價(jià)礦工熱舒適性需采用非均勻熱舒適性評價(jià)指標(biāo)。在非均勻方法中，通過對比分析得出加權(quán)PMV指標(biāo)較適合應(yīng)用于高溫礦工熱舒適性評價(jià)。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇昭桂，董文庚，程衛(wèi)民.高溫礦井熱舒適性及評價(jià)指標(biāo)的研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35（3）：27-30.

[2] 胡漢華.深熱礦井環(huán)境控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009：136-166.

[3] Fanger PO.Thermal Comfort[M].Copenhagen： Danish Technical Press，1970.

[4] ISO 7730-1994， Moderate thermal environments determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort[S].1994.

[5] 孫一寧.車輛HVAC熱環(huán)境舒適性評價(jià)及其分析方法[D].吉林大學(xué)，2012.