高温高湿环境评价指标研究

王秋月

沈阳建筑大学

1 引言

随着我国经济水平的迅猛发展，人们对生产生活环境的舒适性、安全性要求越来越高，我国对建筑内环境已经有一定程度的研究，建筑的内环境处于人体可接受的舒适范围，但一部分特殊环境，例如钢铁、玻璃、陶器、橡胶、铸造、采矿等高温高湿的作业环境只有一部分人对其进行研究，我们通常认为高温环境是工作环境温度在32℃以上和生活环境温度在35℃以上，把相对湿度在60%以上的环境称为高湿环境。高温高湿的工业环境区别于建筑内环境的主要方面在于其温度与湿度，温度和湿度是影响人体热舒适的主要环境因素。劳动者在这种工业环境下进行长时间工作，不仅要忍受身体上的不良反应，心理上也会承受不同程度的不舒适。人体长时间处于这种环境，不仅会影响工作效率，还会对人体造成热伤害甚至造成严重的生产事故。研究适合高温高湿环境的评价指标对减轻人体伤害有极其重要的意义。

2 高温高湿环境对人体的影响

针对高温高湿环境下的作业安全，我国已经出台了一系列法律法规，如针对高温环境的评价标准出台了《高温作业分级》（GB/T4200—2008），针对高温条件下的人体耐热能力颁布了《工作场所有害因素职业接触限值》（GBZ2—2002），根据人体WBGT指数颁布了《根据WBGT指数(湿球黑球温度)对作业人员热负荷的评价》（GB/T17244—1998），并且对高温高湿环境下的劳动者进行高温补贴。高温高湿环境下影响，人体身心健康和生产效率的主要因素有空气温度、空气湿度、空气流速和平均辐射温度。

2.1 空气温度

在高温高湿环境中，空气温度高于普通环境温度，是人体与环境对流和辐射换热人的主要影响因素，当环境温度升高时，人体皮肤温度随之升高，与外界温差减小。人体向周围环境的散热降低，对流和辐射散热量减少。体内的余热蓄积，无法向周围环境散出，人体会感觉比平时温度高。

2.2 空气湿度

人体的热交换包括潜热交换和显热交换，显热交换主要通过皮肤蒸发和呼吸散热，皮肤蒸发主要通过汗液蒸发，在高温高湿环境中湿度高达60%~80%，相对湿度较高时，空气中水蒸气分压力加大，人体长期在这种环境下进行作业劳动，汗液蒸发受到抑制，在高温的作用下，人体的热感增加。

2.3 空气流速

高温高湿环境中空气流动速度大小是影响对流质交换系数的主要因素，空气流动速度加大，对流传热系数加大，周围环境与人体之间的换热量增大，当人体表面有汗液存在时，空对流传质增大，皮肤表面汗液蒸发加快，蒸发散热量增大，反而会增加冷感。

2.4 平均辐射温度

平均辐射温度的大小对人体与环境之间的辐射热交换有一定的影响，与人体表面之间的温差越大，辐射热交换越多，平均辐射温度高于人体表面温度时，人体从周围物体和环境中吸收热量，成为人体的附加热负荷，当人体温度过高时，人体向周围环境散发热量。平均辐射温度是周围环境以及物体向人体辐射的平均温度，因此高温高湿环境中存在的物体对人体也存在一定影响。

3 热环境评价

热环境评价指标主要分为热舒适评价指标和热应力评价指标，热舒适评价指标主要研究人体所处环境是否满足人体的热舒适要求，热应力评价指标主要研究特殊环境或者可能出现热失调环境对人体影响，环境是否会对人体造成伤害的指标。

3.1 热舒适指标

环境因素和个体因素共同影响人体热舒适，目前为止，大量研究人员对影响人体热舒适的因素进行综合，并通过综合后的指标评价和预测人体热舒适的程度，在对室内环境进行研究评价时，研究者基于大量试验研究和现场调查发现多种热舒适评价指标：有效温度ET、新有效温度ET*、标准有效温度SET、预测平均评价PMV、主观温度等。

3.1.1 有效温度ET、新有效温度ET*、标准有效温度

所谓有效温度ET指标是指室内空气温度、空气平均流速、空气湿度综合成一个单一空气温度来表示的热感觉指标。有效温度ET等于在相同热感觉条件下静止状态下饱和空气的温度。它的主要目的是研究热感觉受温度的影响程度。在应用过程中有效温度存在一定的缺陷，在低温状况下，湿度对人体热感觉的影响被有效温度过高估计，在高温情况下，湿度对人体热感觉的影响被有效温度过低估计。也就是说，无论环境处于高温还是低温状态，有效温度对人体热感觉的影响都会偏离真实值。为了更好地反映人体热感觉，引进了新有效温度这个指标，这个指标引进了皮肤湿度的概念，适用于坐着工作并且穿着标准服装。新有效温度还规定了不同类型的服装热阻，因此形成了最通用的评价人体热感觉的指标——标准有效温度SET。

3.1.2PMV-PPD指标

PMV-PPD模型是目前应用最广的热舒适评价指标，它可以预测不满意百分数和平均投票数。PMV模型是由丹麦学家Fanger提出的，他通过对200多名学生进行调查，经过大量实验得到的。PMV指标被分为七个等级，热感觉分别为冷、凉、微凉、适中、微暖、暖和热。在问卷调查时，通常采用数字代表PMV值，冷对应-3，凉对应-2，微凉对应-1，适中对应0，微暖对应1，暖对应2，热对应3。由于PMV模型是通过对国外的人员进行研究，因此PMV模型对于其他地区不能完全适用，其他地区在应用PMV模型时需要乘以一个修正系数，根据地区的不同，修正系数在0.5~1.0之间进行选择。

PMV模型的具体公式为：

式中：

M——人体代谢率；

TL——人体热负荷。

式中：

W——人体对外做功；

Edif——皮肤湿扩散；

Ersw——出汗湿热散热量；

Eres——呼吸潜热散热量；

Cres——呼吸显热散热量；

R——人体辐射换热量；

C——人体对流换热量。

经实验研究发现，PMV模型具有一定的局限性，Fanger再一次经过大量实验得到了目前应用最广泛的PMV-PPD模型。

PPD模型的具体公式为：

尽管大量人员和机构对PMV模型进行了修正，它的适用性仍然受到许多限制，如果条件不能满足，PMV指数就会出现偏差。首先人体需要处于一种长时间的稳定状态，PMV指标不适用于瞬态或者短时间的稳态，其次皮肤表面温度应接近舒适状态下的人体平均皮肤温度。最后人体的排汗率应该采用人体处于热舒适情况下的排汗率。

3.2 热应力指标

3.2.1 热应力指数HSI

热应力指数（HSI）是根据在给定的热环境中作用于人体的外部热应力、不同活动量下的新陈代谢产热率及环境蒸发率等的理论计算而提出的。热应力指数在试验以及研究领域应用广泛，本质上是基于热平衡方程（M+R+C-E+S=0）提出的，是排汗散热量Ereq与皮肤表面最大潜热换热量Emax的比值：

该指标是在人体温度稳定在35℃并且服装热阻在0.6clo时提出的。热应力指数（HSI）与人体的肌体反应关系如表1所示。

10~30 40~60 70~90 100微热。对脑力劳动者有一定影响，对一般体力劳动者没有影响高热。对脑力劳动者有影响，对体力劳动者有一些影响。身体不好的人不能忍受，没有习惯于这种气象条件的人需要有工间休息很高热。能影响工人身体健康，并可使劳动效率降低，只有少数人能适应这种热环境条件最大可能耐受8小时的热应力

3.2.2Sreq指数

Sreq指数评价环境的方法主要通过分析人体必需的出汗率，是基于热平衡方程并结合热应力指数和热应变指数发展而来，区别于其他指数的主要优势是Sreq指数应用了人体热能量方程，并且综合了服装热阻、人体姿势、新陈代谢率等指标对人体与环境热交换的影响。这种综合评价的方法在其他指标中从未出现。Sreq指数的重要参数是人体所必需的出汗率，其公式如下：

式中：

M——新陈代谢能量；

W——人体所做机械功；

Cres——对流呼吸热损失；

Eres——对流蒸发热损失；

C——通过人体皮肤的对流换热量；

R——通过人体皮肤的辐射换热量；

Ereq——保持人体热平衡所需的蒸发量；

rREQ——人体达到必须出汗率时的蒸发效率。

Sreq指数也受到一定条件的限制，当人体在极端环境中暴露时间小于30分钟，服装热阻超出规定范围，则该指数不在适用。

3.2.3 风冷却指数WCI

风冷指数WCI描述了处于33℃，在对流和辐射环境下，人体皮肤表面汗液蒸发的热损失，综合了空气温度ta、空气流速va进而形成的经验指标。是Siple和Passsel通过测量充满水的圆柱形烧瓶的数据。风冷指数WCI公式如下：

风冷却指数与人体感觉如表2所示。

表2 风冷却指数与人体感觉

4 高温高湿环境评价指标选择

针对高温高湿环境的特点，首先需要保证环境中劳动者的生命安全，再考虑环境的舒适性，对于高温高湿环境首先应用热应力值，评价该环境是否符合人体安全要求，当热应力值小于100，确定人体能够维持基本生命体征时，再通过其他指标对环境进行舒适性评价。

通过对之前所阐述的环境评价指标的对比分析，不同评价指标的适用条件不同，人体的舒适性不仅只受环境因素的影响，还与人体的活动水平以及服装热阻有关，通常在高温高湿环境中，人体着装基本一定，进行的劳动基本相同。因此，评价高温高湿环境对人体的影响以及舒适性时，应着重考虑环境特点，其次考虑人体的活动水平以及服装热阻。通过对上文的评价指标对比发现，考虑了所有环境因素对人体影响的评价指标包括标准有效温度和预测平均评价PMV，其中标准有效温度可以通过根据人体体温和人体皮肤温度动态的了解评价人体受环境因素的影响，对高温高湿环境对人体的影响评价较为准确，但是由于其评价过程是随时间变化的，因此计算过程相对复杂。PMV评价指标适用于固定的皮肤温度与显性出汗状态蒸发换热量，在环境与热舒适状态偏差较大，人体的劳动强度偏高时测量值与真实值存在一定偏差。综合考虑，当需要对高温高湿环境进行准确的评价时，需要采用标准有效温度，当只需要对高温高湿环境的热舒适性做基本而粗略性了解时，选用PMV评价指标。

5 结论与展望

（1）通过对空气温度、空气流速、空气湿度、平均辐射温度的分析研究，了解这些环境参数对人体的影响，是评价高温高湿环境的理论依据。（2）对环境评价指标进行介绍与对比，分析各环境评价指标实使用范围和使用条件，并对现有的热舒适评价指标进行总结。（3）根据高温高湿环境的特点，首先选择热应力HSI评价指标评价高温高湿环境对于劳动者是否安全，当环境满足人体安全条件时，需要准确了解环境选择标准有效温度SET指标，对环境大概了解时选择预测平均评价PMV。（4）目前对于高温高湿环境下人体的热舒适评价只从环境本身进行评价，对于高温高湿环境下人体的生理指标没有相关规定，可以将环境评价指标结合人体生理指标，建立评价人体健康的综合性指标，从而制定符合作业安全和健康的标准，保证劳动者的身体健康和劳动效率，在保障人体安全的前提下，保证工作安全有序地进行。