李春藝，李川，閆肖岳，郭曉峰，鄭富然

[中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083]

0 引言

我國是一個(gè)建筑業(yè)大國，建筑行業(yè)是我國重大基礎(chǔ)項(xiàng)目建設(shè)的核心力量，從事建筑行業(yè)工作人口眾多。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快進(jìn)行，我國對(duì)建筑人員的需求逐漸增加，建筑行業(yè)中很多工作不可避免地暴露于高溫?zé)彷椛洵h(huán)境中。高溫環(huán)境下建筑工人作業(yè)的熱安全問題逐漸引發(fā)社會(huì)關(guān)注，因此，一些學(xué)者針對(duì)建筑工人高溫?zé)嵩u(píng)價(jià)和熱防護(hù)開展了相關(guān)研究。

在高溫?zé)嵩u(píng)價(jià)的研究中，不少學(xué)者提出了關(guān)于作業(yè)人員高溫環(huán)境下熱應(yīng)激預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的分析方法。Kakamu等利用心率對(duì)高溫環(huán)境下作業(yè)人員的熱應(yīng)激水平進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。Brake 對(duì)高溫環(huán)境下77 種不同工況人體生理指標(biāo)的變化情況進(jìn)行了研究，并引出了熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)（Thermal Working limit），通過該指標(biāo)衡量人體生理熱極限。Lai 等開發(fā)了一個(gè)12 段人體二維傳熱模型計(jì)算瞬態(tài)和非均勻熱環(huán)境中人體傳熱過程，進(jìn)而預(yù)測(cè)人體皮膚和核心溫度。Fojtlin 等為預(yù)測(cè)駕駛?cè)藛T的人體熱生理反應(yīng)和局部熱感覺，開發(fā)出了一種無空調(diào)、加熱和通風(fēng)座椅的熱模型。還有謝燕鑫的室外環(huán)境評(píng)估的多節(jié)點(diǎn)熱調(diào)節(jié)和舒適模型，以及蔣毅等對(duì)濕熱地區(qū)室外非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下人體熱反應(yīng)的測(cè)定。上述多種模型和測(cè)量方法大多側(cè)重于環(huán)境因素對(duì)人體熱應(yīng)激的影響，較少考慮作業(yè)人員年齡、身高、服裝等因素的影響，對(duì)實(shí)際工作中作業(yè)人員的熱應(yīng)激情況難以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)分析評(píng)價(jià)。預(yù)測(cè)熱應(yīng)激模型（PHS）很好地考慮了環(huán)境因素與人體生理及服裝參數(shù)的綜合影響。目前關(guān)于PHS 模型的運(yùn)用主要在煤礦和電網(wǎng)行業(yè)，在建筑行業(yè)方面的運(yùn)用相對(duì)較少。

為保障高溫下建筑工人的身體健康，本文將利用預(yù)測(cè)熱應(yīng)激模型（PHS）對(duì)建筑工人的熱應(yīng)激進(jìn)行預(yù)測(cè)分析評(píng)價(jià)。綜合考慮環(huán)境因素和人員生理、服裝、作業(yè)強(qiáng)度等參數(shù)的影響，預(yù)測(cè)分析戶外高溫環(huán)境下建筑工人的核心溫度、出汗量等生理參數(shù)。其中作業(yè)強(qiáng)度通過引入心率—代謝率換算公式，帶入建筑工人作業(yè)過程中所測(cè)量的心率來進(jìn)行計(jì)算。最后結(jié)合人體核心溫度和出汗量耐受閾值確定該環(huán)境下建筑工人最大工作時(shí)長(zhǎng)。分析結(jié)果可用于建筑工地合理設(shè)置工人作業(yè)時(shí)間，對(duì)合理組織高溫環(huán)境下戶外建筑作業(yè)和保障人員熱安全具有重要參考意義。

1 預(yù)測(cè)熱應(yīng)激模型

預(yù)測(cè)熱應(yīng)激模型是以人體熱平衡方程為基礎(chǔ)，結(jié)合環(huán)境工況參數(shù)和人員參數(shù)，對(duì)作業(yè)人員一定作業(yè)時(shí)間內(nèi)的生理參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。其中環(huán)境工況參數(shù)主要包括環(huán)境溫度、空氣濕度、風(fēng)速和輻射溫度，人員參數(shù)是指作業(yè)人員的身高、體重、代謝率（作業(yè)強(qiáng)度）、服裝濕阻和熱阻以及作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。計(jì)算結(jié)果為該時(shí)間內(nèi)人員的核心溫度、出汗量，以及通過核心溫度和出汗量綜合分析得出的最大允許作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。預(yù)測(cè)熱應(yīng)激模型的主要理論計(jì)算公式如下：

1）人體熱平衡方程

（1）（2）（3）式中：

為代謝率，單位W/m；

為機(jī)械功，單位W/m；

C、E為呼吸對(duì)流散熱和蒸發(fā)散熱量，單位W/m；

、、為皮膚熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射與外界環(huán)境的熱交換量，單位W/m；

為皮膚蒸發(fā)散熱量，單位W/m；

為人體熱積蓄，單位W/m；

T為環(huán)境溫度，單位℃；

為水蒸氣分壓，單位kPa。

2)工作人員作業(yè)服裝熱阻和濕阻計(jì)算

根據(jù)ISO 9920—2007 Ergonomics of the thermal environment-Estimation of thermal insulation and water vapour resistance of a clothing ensemble（《熱環(huán)境的人類工效學(xué)·服飾整體隔熱和抗水蒸氣性的估計(jì)》，以下簡(jiǎn)稱“ISO 9920—2007”）中所規(guī)定的，作業(yè)人員服裝參數(shù)通常采用熱阻和濕阻進(jìn)行確定。服裝熱阻是指服裝層與層之間因溫度差而產(chǎn)生的熱流阻力；服裝濕阻是指服裝內(nèi)外由于水蒸氣的壓力差而形成的透濕阻力。

（4）（5）式中：

I為服裝熱阻，單位m·K/W；

R為服裝濕阻，單位Pa·K/W；

I為靜態(tài)服裝熱阻，單位m·K/W；

R為靜態(tài)服裝濕阻，單位Pa·K/W；

v為人體相對(duì)于風(fēng)流的移動(dòng)速度，單位m/s；

為作業(yè)人員的移動(dòng)速度，單位m/s。

3）核心溫度與出汗量的計(jì)算。

（6）（7）（8）式中：

t、t為人體核心溫度與人體直腸溫度，單位℃；

為皮膚溫度系數(shù)，0.3；

c為人體熱容，單位j/（kg· K）；

S為累計(jì)出汗量，單位g；

S為出汗率，單位W/m；

A為人體總表面積，單位m；

，-為時(shí)間步長(zhǎng)。

4）引用心率計(jì)算作業(yè)人員代謝率

目前大部分關(guān)于作業(yè)人員代謝率的研究中，通常采用篩分法和觀察法對(duì)作業(yè)人員代謝率進(jìn)行估計(jì)，這兩種方法大多根據(jù)作業(yè)人員職業(yè)和生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行分類，對(duì)照?qǐng)D表查詢代謝率，得到的代謝率精度較低，偏差相對(duì)較大。本文采用更為精確的一種方法來計(jì)算作業(yè)人員代謝率，即通過心率計(jì)算代謝率。據(jù)以往研究成果表明，心率是衡量代謝強(qiáng)度的良好指標(biāo)。何佳澤等曾對(duì)中等熱環(huán)境下建筑工人的心率與代謝率之間的關(guān)系進(jìn)行了具體研究，精確度達(dá)90%以上，計(jì)算公式如（9）～（11）所示。采用心率計(jì)算代謝率，可操作性較強(qiáng)，應(yīng)用面較廣。

（9）（10）（11）式中：

為代謝率，單位W/m；

M為休息時(shí)的代謝率，單位W/m；

單位代謝率心率的增值，單位BPM；

HR為休息時(shí)的心率，單位BPM；

HR為工作時(shí)的最大心率，單位BPM；

為最大工作負(fù)荷（本文中研究對(duì)象主要為男性，故取男性表達(dá)式），單位W/m；

為年齡，單位歲；

為體重，單位kg。

2 建筑工人熱應(yīng)激預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

2.1 環(huán)境工況參數(shù)與人員服裝參數(shù)設(shè)定

近年來，我國各地高溫天氣頻發(fā)。特別是南方等地多次出現(xiàn)高溫預(yù)警，夏季平均氣溫達(dá)30 ℃以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2021 年7 月份，重慶市有14 天平均氣溫達(dá)35 ℃以上，其中有2 天氣溫升高至40 ℃左右。高溫天氣頻發(fā)對(duì)人們的生活和健康造成了極大影響，加上南方地區(qū)地勢(shì)以山谷、盆地居多，水與汽集聚、空氣濕度增大，形成了高溫高濕的氣候環(huán)境，高溫高濕環(huán)境加重了戶外作業(yè)人員的熱應(yīng)激水平。我國是一個(gè)建筑業(yè)大國，建筑作業(yè)為典型的戶外作業(yè)，對(duì)戶外高溫建筑工人的熱應(yīng)激進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本文選用重慶市沙坪壩區(qū)所測(cè)的建筑工人案例進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，主要側(cè)重于探究不同風(fēng)速、濕度以及勞動(dòng)強(qiáng)度下建筑工人熱應(yīng)激水平變化情況。

通過對(duì)案例中建筑工人作業(yè)環(huán)境信息進(jìn)行提取分析，設(shè)定如下環(huán)境工況參數(shù)：環(huán)境溫度為37 ℃；輻射溫度與環(huán)境溫度相等；空氣相對(duì)濕度取值范圍為30%～90%；風(fēng)速取值范圍為0.1 ～4 m/s（風(fēng)速0.1 m/s 表示無風(fēng)狀態(tài)）。

對(duì)樣本中作業(yè)人員的生理參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的測(cè)量分析，現(xiàn)取其測(cè)試樣本的平均參數(shù)設(shè)定為本文的人員參數(shù)：年齡51 歲，身高164 cm，體重62.4 kg，作業(yè)人員平均心率為100 BPM，最高心率為136 BPM，最低心率為71 BPM，通過基于心率的代謝率計(jì)算公式（9）～（11）進(jìn)行計(jì)算，可得到代謝率為243 W/m；夏季我國建筑工人多身著短袖、長(zhǎng)褲，參考ISO 9920—2007，設(shè)定服裝熱阻約為0.6 clo，濕阻約為25 pa·K/W。

2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

在環(huán)境溫度為37 ℃、風(fēng)速為1.2 m/s、人員代謝率為243 W/m時(shí)，戶外高溫建筑工人核心溫度隨空氣濕度的變化情況如圖1 所示。由圖1 可知，隨著空氣濕度的增大，人體的核心溫度也逐漸升高。在空氣濕度處于30%～50%之間時(shí)，人體核心溫度隨濕度變化不大，當(dāng)空氣濕度大于50%時(shí)，人體核心溫度隨濕度的增加大幅升高。這是因?yàn)榭諝鉂穸戎饕c大氣壓相關(guān)，通過查詢公式可知，空氣濕度越大所對(duì)應(yīng)的大氣壓越大。在本模型的計(jì)算中，大氣壓主要參與人體出汗散熱的過程，且散熱量與氣壓成反相關(guān)。空氣濕度升高所對(duì)應(yīng)的大氣壓較大，人體因出汗而散發(fā)的熱量減少，人體熱蓄積，核心溫度升高。之后隨著人體與環(huán)境熱交換趨于平衡，人體核心溫度也逐漸趨于穩(wěn)定。參考ISO 7933 Ergonomics of the thermal environment-Analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain（《熱環(huán)境的人類工效學(xué)·通過計(jì)算預(yù)測(cè)的熱應(yīng)變對(duì)熱應(yīng)力的分析測(cè)定和說明》）以及中國軍事醫(yī)科百科全書中所提出的關(guān)于人體核心溫度和出汗量的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定39.4 ℃為核心溫度閾值，體重的7.5%為累計(jì)出汗量的閾值。由圖1 可知，當(dāng)空氣濕度大于50%時(shí)，核心溫度在1 h 內(nèi)達(dá)到耐受閾值。當(dāng)濕度小于50%時(shí)，核心溫度穩(wěn)定在37.7 ℃。所以在高溫高濕環(huán)境下應(yīng)盡量降低建筑工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，防止工人出現(xiàn)熱損傷。

圖1 環(huán)境溫度37 ℃、風(fēng)速1.2 m/s、代謝強(qiáng)度243 W/m2核心溫度

不同風(fēng)速情況下，建筑工人核心溫度變化情況如圖2所示，當(dāng)風(fēng)速位于[0.1,3]區(qū)間時(shí)，核心溫度隨著風(fēng)速增加而降低，在[3,4]區(qū)間，核心溫度隨風(fēng)速增大而升高。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速較小時(shí)，風(fēng)速增加，加大了人體與環(huán)境的對(duì)流換熱量，起到了降低溫度的作用。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，風(fēng)速增加，會(huì)使服裝的濕阻和熱阻增大，從而抑制皮膚—服裝—環(huán)境之間的散熱作用，導(dǎo)致熱量積聚，核心溫度升高。同時(shí)，由圖2 可知，在該環(huán)境工況下，作業(yè)前期溫度隨時(shí)間的增幅都較大，在75 min 內(nèi)，不同風(fēng)速下的核心溫度均已超過耐受閾值。所以在高溫環(huán)境中，人員作業(yè)前期熱應(yīng)激水平受風(fēng)速影響不大。在該環(huán)境條件下，應(yīng)讓工作人員間歇作業(yè)，合理設(shè)置休息時(shí)間，避免出現(xiàn)熱損傷。

圖2 環(huán)境溫度37 ℃、相對(duì)濕度70%、代謝強(qiáng)度243 W/m2核心溫度

由上文可知，設(shè)定核心溫度閾值為39.4 ℃，出汗量閾值為人員體重7.5%，本文選取的案例人員體重為62.4 kg，所對(duì)應(yīng)的人體出汗量閾值為4 680 g。查閱相關(guān)規(guī)范和聯(lián)系生活實(shí)際可知，建筑工人普遍連續(xù)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)一般為4 ～5 h（即持續(xù)工作一上午或一下午），在本文中設(shè)定建筑工人最大連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)為4 h（240 min）。根據(jù)該閾值對(duì)上述不同空氣濕度和風(fēng)速下建筑工人最大作業(yè)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 環(huán)境溫度37 ℃，代謝率243 W/m2各工況下最大作業(yè)時(shí)長(zhǎng)

由圖3 可知，在高溫環(huán)境下空氣濕度值對(duì)作業(yè)人員核心溫度達(dá)到閾值的時(shí)間影響較大。所以在高溫環(huán)境下空氣濕度含量較高時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低建筑工人勞動(dòng)強(qiáng)度，施工單位應(yīng)增加作業(yè)人員休息次數(shù)或適當(dāng)減少作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，盡量避免長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的連續(xù)作業(yè)。風(fēng)速對(duì)建筑工人核心溫度的影響較弱，由圖3 可知，在風(fēng)速位于[0.1,3]區(qū)間時(shí)，風(fēng)速增大會(huì)導(dǎo)致建筑工人核心溫度升高到閾值的時(shí)間增長(zhǎng)；而當(dāng)風(fēng)速在[3,4]區(qū)間時(shí)，風(fēng)速增大，核心溫度達(dá)到閾值時(shí)間減短。所以在高溫環(huán)境下，增設(shè)通風(fēng)設(shè)備，適當(dāng)提高環(huán)境風(fēng)速可延長(zhǎng)人員核心溫度達(dá)到規(guī)定閾值的時(shí)間。在高溫天氣下，施工單位應(yīng)合理設(shè)置作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于重勞動(dòng)作業(yè)，應(yīng)安排在當(dāng)日溫度較低時(shí)段進(jìn)行，或?qū)嵭休喠髯鳂I(yè)，防止建筑工人出現(xiàn)熱損傷。經(jīng)過對(duì)該環(huán)境溫度和工作強(qiáng)度中不同風(fēng)速、濕度下作業(yè)人員的累計(jì)出汗量進(jìn)行計(jì)算，并參照人體出汗量生理耐受閾值（4 680 g），分析得知在設(shè)定的最大連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，作業(yè)人員累計(jì)出汗量均未達(dá)到閾值，故由出汗量確定的作業(yè)人員最大作業(yè)時(shí)長(zhǎng)為240 min。結(jié)合圖3 可知，建筑工人核心溫度達(dá)到閾值的時(shí)間均小于或等于出汗量達(dá)到閾值的時(shí)間，相比之下，采用核心溫度來確定高溫環(huán)境下建筑工人最大工作時(shí)長(zhǎng)更為準(zhǔn)確。同時(shí)說明出汗量達(dá)到閾值對(duì)人體的危害更大，因?yàn)楫?dāng)人體出汗量達(dá)到閾值時(shí)，核心溫度早已達(dá)到人體生理耐受閾值，人員已經(jīng)受到熱損傷或已持續(xù)一段時(shí)間處于熱衰竭狀態(tài)。

3 結(jié)論與建議

1）在高溫環(huán)境下，建筑工人熱應(yīng)激狀態(tài)受空氣濕度影響較大，當(dāng)空氣濕度大于50%時(shí)，核心溫度隨濕度變化增幅較為顯著。在本文引用的案例中，空氣濕度為70%和90%時(shí)，核心溫度在60 min 左右就達(dá)到了規(guī)定閾值。因此在高溫高濕環(huán)境下建筑工人應(yīng)至少每隔1 h 休息一次。

2）高溫環(huán)境條件下，風(fēng)速位于[0,3]區(qū)間，建筑工人的核心溫度隨著風(fēng)速增加而降低；在[3,4]區(qū)間，隨著風(fēng)速增加而升高；在當(dāng)?shù)仫L(fēng)速較小時(shí)，建議施工單位可添加風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)等通風(fēng)設(shè)備，適當(dāng)增大風(fēng)速，使作業(yè)場(chǎng)所風(fēng)速穩(wěn)定在3 m/s 左右，改善人員熱應(yīng)激狀態(tài)。但風(fēng)速對(duì)人員的熱應(yīng)激水平影響相對(duì)較弱，在環(huán)境溫度較高時(shí)，還應(yīng)以增加作業(yè)人員休息次數(shù)為主要措施。

3）綜合比較采用核心溫度與出汗量確定的建筑工人最大作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，分析得知采用核心溫度作為建筑工人熱應(yīng)激衡量標(biāo)準(zhǔn)更為準(zhǔn)確。因?yàn)槌亲鳂I(yè)人員在高溫環(huán)境下從事高勞動(dòng)強(qiáng)度作業(yè)或持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，否則出汗量很難達(dá)到規(guī)定閾值，相比于核心溫度確定人員熱應(yīng)激狀態(tài)具有延后性。