邱茶連 鄒鉞 王澤華
東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
我國有很多職業(yè)的工作人員需要在高溫高濕環(huán)境中工作,比如:交警、環(huán)衛(wèi)工人、工地現(xiàn)場作業(yè)人員、電焊工人等。高溫高濕環(huán)境下工作會降低工作者的效率,嚴重的則影響身體健康。而多種類冷源適應(yīng)各個行業(yè)的不同需求,主要分為液體、氣體、相變材料等。目前冷源通過降低人體皮膚溫度降低人體熱應(yīng)力和熱不舒適[1-3]。以降低溫度為向?qū)У膫€體冷卻服中由于沒有考慮空氣高濕度導(dǎo)致汗液不能蒸發(fā)因此易造成不舒適感[4]。文章研究干燥的氣源,供高溫高濕環(huán)境中個體空調(diào)服使用。目的在于降低皮膚表面空氣濕度促使皮膚表面汗液充分蒸發(fā)吸熱,從而有效降低人體在高溫高濕環(huán)境的熱應(yīng)激。
熱應(yīng)力指數(shù)HSI[4]最早在1955年被提出,用于衡量人體在一定環(huán)境中熱疲勞程度以及熱承受能力。熱應(yīng)力指數(shù)HSI根據(jù)具體環(huán)境參數(shù),該條件下人體與環(huán)境的熱濕交換以及人體生理調(diào)節(jié)計算所得參數(shù)。
如圖1中[5],熱應(yīng)力指數(shù)HSI越大表示人體在該環(huán)境中承受能力越差。表現(xiàn)為熱不舒適強、出汗量大、人體核心溫度升高、堅持時間短等。嚴重會出現(xiàn)中暑、嘔吐等癥狀。
圖1 HSI指標(biāo)值及熱應(yīng)力圖示解決方案
國際通常用濕球溫度黑球溫度WBGT表示人體在人環(huán)境中熱應(yīng)激的指數(shù),計算公式如式(1)。WBGT指數(shù)結(jié)合濕球溫度tnwb、黑球溫度tg和干球溫度ta,分別代表環(huán)境濕度,環(huán)境輻射因素以及環(huán)境溫度綜合表示環(huán)境參數(shù)[6]。因而,WBGT在國際上被使用廣泛地于極端工作環(huán)境,用于表示高溫環(huán)境工作的時間限制。
1992年,美國海軍研究含相變材料單兵制冷服在艦艇機艙中的應(yīng)用效果[7]。該實驗環(huán)境為氣候室中的5種環(huán)境,請8名海軍先后進行穿制冷背心和不穿背心的對照組實驗。測量并且記錄8名實驗者在試驗過程的心率,核心溫度,出汗量,平均皮膚溫度以及堅持的時間。用這五種數(shù)據(jù)在相同環(huán)境中作對照實驗,以驗證海軍制冷背心的效果。
根據(jù)環(huán)境溫度與人體熱平衡之間的關(guān)系,通常把35℃以上的生活環(huán)境和32℃以上的生產(chǎn)環(huán)境視為高溫環(huán)境,相對濕度在60%以上的環(huán)境稱為高濕環(huán)境[8]。表1中五種均為高溫環(huán)境,其中有相對濕度25%,35%以及39%的三種為干燥環(huán)境。相對濕度80%,60%兩種為高濕環(huán)境。
表1 五種不同環(huán)境參數(shù)
為研究高溫環(huán)境中環(huán)境空氣含濕量對人體熱應(yīng)激的影響,文章參考美國海軍實驗中8名實驗者未穿制冷背心,在氣候室的5種不同條件下的心率、出汗等數(shù)據(jù),重新進行整理和分析。主要進行人體出汗量、心率等人體熱應(yīng)力典型的特征參數(shù)與環(huán)境含濕量之間關(guān)系的分析。
為了區(qū)別高溫環(huán)境中高濕度和干燥兩種環(huán)境,表1中分別用具有相同WBGT溫度的干燥和高濕兩種空氣進行對比實驗。H和D分別代表相同WBGT溫度中的高濕環(huán)境和干燥環(huán)境。其中,有36H,36D以及38H,38D兩組對比如圖2、3:
圖2 相同WBGT時濕度對心率的影響
圖3 相同WBGT時濕度對堅持時間的影響
根據(jù)實驗者的心率和忍耐時間分析,WBGT36,WBGT38不同WBGT指數(shù)中,空氣含濕量的高低有明顯的差距。含濕量低的WBGT36D,WBGT38D工況中,實驗者的心率分別比對應(yīng)的高濕WBGT36H,WBGT38H環(huán)境中低23~11次/分鐘。在相同WBGT指數(shù)的環(huán)境中,干燥環(huán)境中實驗者的忍耐時間比潮濕環(huán)境中長45~129分鐘??梢奧BGT指數(shù)高溫環(huán)境中并不能單獨地、準確地體現(xiàn)出人體熱應(yīng)力的高低。原因主要為WBGT綜合計算公式,在高溫條件下空氣含濕量比重偏低。
表1第2,第4和第5環(huán)境干球溫度均為49℃,唯一變量為空氣含濕量。參考圖4,實驗者在溫度相同,含濕量不同的環(huán)境中,出汗量隨著環(huán)境含濕量呈線性增加。實驗者在49℃含濕量不等的高溫環(huán)境中,忍耐時間隨環(huán)境含濕量的上升快速減小??傻贸鼋Y(jié)論,在高溫環(huán)境中,環(huán)境空氣含濕量對人體熱應(yīng)激影響直接,達到線性地相關(guān)關(guān)系。
圖4 實驗者出汗量,堅持時間與環(huán)境含濕量的關(guān)系
重慶大學(xué)徐昆侖,劉紅等人的試驗表示[9],在夏季熱中性環(huán)境(26℃、29℃),相對濕度對人體熱感覺影響很小。當(dāng)環(huán)境為偏冷或者偏熱時,相對濕度的變化對熱感覺影響較為明顯。在32℃,15%和50%的相對濕度工況下熱感覺存在顯著差異??梢姡稍镄蜌庠唇档透邷貝毫迎h(huán)境中空氣濕度,減小人體熱應(yīng)激具有豐富理論基礎(chǔ)和可行性。
在高溫環(huán)境中濕度對人體熱應(yīng)激有直接影響,以降濕型空調(diào)服為技術(shù)路線,為人體提供干燥的衣下微環(huán)境。因此干燥型冷源研究、發(fā)展至成熟實用設(shè)備有很大的意義。根據(jù)暖通空調(diào)設(shè)計[10]中,中等勞動強度的成年男子散熱量為235 W,出汗量為283 g/h。
文章研究以壓縮空氣作為個體空調(diào)服的干燥氣源系統(tǒng)組建和性能分析。實驗4名青年男性身穿防化服,在室外環(huán)境作熱應(yīng)力測試實驗。
3.1.1 壓縮空氣測試實驗
圖5為壓縮空氣實驗示意圖,主要設(shè)備為:空氣壓縮機(4~8 bar工作壓力,800 L/min標(biāo)準氣體,功率3600 W),油水分離器(2~8 bar工作壓力),高壓氣管(承受壓力1.2 mPa)及渦流管(在2 bar以上的壓力下產(chǎn)生0~18℃冷流)。實驗環(huán)境為35℃,60%的室外自然環(huán)境。空壓機壓縮產(chǎn)生高壓干燥空氣,并會析出液體水分。高壓空氣用高壓氣管連接至油水分離器吸收液態(tài)水。經(jīng)過高壓氣管送至末端使用,在末端測得送氣狀態(tài)。
圖5 壓縮空氣實驗示意圖
圖6為壓縮空氣+渦流管實驗示意圖,空壓機-油水分離器-風(fēng)管運輸?shù)仍O(shè)備和實施同上,末端加渦流管,渦流管兩端出氣中將冷端空氣連接至個體空調(diào)服用戶,熱端氣流排出,在末端測得送氣狀態(tài)。
圖6 壓縮空氣+渦流管實驗示意圖
測試時間均為10 min,圖7為末端供的壓縮空氣狀態(tài),圖8為渦流管降溫后的供氣狀態(tài)。
圖7 純壓縮空氣供氣狀態(tài)
圖8 渦流管+壓縮空氣供氣狀態(tài)
在35℃,相對濕度60%的環(huán)境中實驗,空壓機系統(tǒng)與空壓機+渦流管系統(tǒng)產(chǎn)生的空氣含濕量基本相同。由于渦流管的分流和能量交換作用渦流管供氣溫度降低至19℃,15 m3/h(表2)。如圖7壓縮空氣初始狀態(tài)為溫度30℃,相對濕度30%。后續(xù)溫度穩(wěn)定不變,由于空壓機中壓縮空氣凝結(jié)水分一部分隨空氣運輸至末端,影響相對濕度測量值和準確度,相對濕度持續(xù)上升至50%~60%。
表2 壓縮空氣平均參數(shù)
3.1.2 熱應(yīng)力測試實驗
35℃,60%的室外環(huán)境中熱應(yīng)力的測試實驗設(shè)備為:壓縮空氣系統(tǒng),壓縮空氣+渦流管系統(tǒng),管道以及防化服。
實驗實施:4個青年男性穿著防化服在室外作中強度勞動(快走,站立舉啞鈴等)做三組室外自然狀態(tài)、通入壓縮空氣、通入渦流管處理后壓縮空氣三組實驗。三組實驗分別進行并記錄4名實驗者堅持時間和熱感覺投票。熱感覺投票值為1-5分別表示熱中性到極度熱。實驗者穿防化服在35℃,60%的室外環(huán)境進行實驗。環(huán)境空氣含濕量高達21.4 g/kg。
3.2.1 WBGT
實驗室外環(huán)境、壓縮空氣供氣、壓縮空氣+渦流管供氣(表3),這三種空氣可作為干個體空調(diào)的氣源。其中室外環(huán)境參數(shù)可作為干燥型氣源的對照實驗。
表3 壓縮空氣系統(tǒng)WBGT
分析圖9,三種空氣的含濕量有明顯的差距,三種空氣的WGBT溫度也有明顯差距。WGBT溫度差距與含濕量的差值有明顯關(guān)系。WGBT指數(shù)隨兩種干燥型氣體中含濕量的減小大幅度表現(xiàn)減小。表明在不同環(huán)境中,含濕量的降低可以明顯降低環(huán)境使人體產(chǎn)生的熱應(yīng)激。
圖9 干燥氣源降低WGBT
3.2.2 熱應(yīng)力HSI
如表4中三種空氣參數(shù)具體熱應(yīng)力指數(shù)分別不同,并且產(chǎn)生不同的熱疲勞現(xiàn)象。如圖10,熱應(yīng)力指數(shù)HSI隨著空氣含濕量的減小而減小,呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。當(dāng)室外環(huán)境為熱疲勞的危險狀態(tài),干燥空氣有效地降低了人體熱應(yīng)力,將人體熱疲勞降低至輕微甚至完全消除。從4名實驗者堅持時間分析,證明干燥空氣對降低人體熱應(yīng)激的實際作用。對比壓縮空氣和渦流管供氣實驗中實驗者堅持時間,表明個體空調(diào)服送氣量對緩解熱應(yīng)力有一定影響。(渦流管減少送氣流量)
表4 壓縮空氣系統(tǒng)熱應(yīng)力
圖10 干燥氣源降低熱應(yīng)力
1)相同WBGT指數(shù)中,低濕度的環(huán)境人體熱應(yīng)激比在高濕度環(huán)境明顯較低。WBGT指數(shù)在高溫環(huán)境體現(xiàn)空氣濕度對人熱應(yīng)力影響比實際低,有待修正。
2)大量已有實驗研究表明:環(huán)境空氣含濕量在高溫環(huán)境中,對人體熱應(yīng)激有直接的影響。本實驗熱投票,實驗者堅持時間等結(jié)果可驗證這一理論。
3)壓縮空氣作為干燥型個體空調(diào)服的氣源,有效減小人體在高溫高濕環(huán)境的熱應(yīng)力。消除人體危險狀態(tài),達到輕微甚至無熱疲勞的狀態(tài)。
4)純壓縮空氣系統(tǒng)、渦流管壓縮空氣系統(tǒng)兩種系統(tǒng)供氣溫度分別為30℃,19℃。分別適用低于35℃環(huán)境和極高溫度環(huán)境。
5)干燥型冷源系統(tǒng)的弊端有待改善。空壓機系統(tǒng)水分過濾系統(tǒng)效率低導(dǎo)致送風(fēng)濕度逐漸升高。因渦流
管的冷流率作用,渦流管系統(tǒng)送風(fēng)量降低至15 m3/h。