CN106018677A - 一种高温环境下人体热应激分级评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温环境下人体热应激分级评估系统，其中所述服装热阻与湿阻参数库模块提供人体‑服装‑环境热湿传递模型计算使用的服装参数；人体‑服装‑环境的热湿传递模型根据人体、服装与环境的热参数作为模型的输入，得到输出值为人体局部核心温度和出汗量：热应激分级阙值模块将人体对高温环境的热应激分为三个阶段；模型数据输出模块输出人体局部核心温度和出汗量；所述分级评估输出模块根据人体核心温度和出汗量的极限值对比结果，输出分级评估结果，获得不同热应激分级下最大工作时间。本发明建立了适用于高温热环境下热应激评价系统与方法，解决了热应激评价中人员热生理安全状况准确预测的需求。

Description

一种高温环境下人体热应激分级评估系统

技术领域

本发明涉及到高温环境下人体的安全评估技术领域，特别是一种高温环境下人体热应激分级评估系统及方法。

背景技术

消防员灭火救援和钢铁建筑等行业工人作业时，经常长时间暴露于高温热环境中。在高温热环境下，人体代谢调节系统为保证人体的核心温度处于正常的范围，出现体温调节等热生理系统的反应。

清华大学公开的一种体模型热学假人系统(申请号：201010178088.8)；重庆大学公开的一种基于热舒适评价的热湿环境综合控制空调系统及方法(申请号：201410653230.8)、一种建筑热湿环境等级的评估系统及方法(申请号：201410363090.0)。以上系统与方法用于模拟人体组织热传递和出汗的过程，评估建筑环境的热舒适性。

这些系统与方法主要用于热舒适性评估。实际上,我国大量的消防员灭火救援和钢铁建筑等行业工人作业时，经常长时间暴露于高温热环境中，威胁生命健康和安全。

热应激预测受到环境温度、湿度、风速、服装热阻和湿阻等参数的影响。现有的评价系统与方法能模拟人体与环境之间全身及局部的热传递过程,但不能用于高温热环境下人体着装下热湿传递过程，无法用于高温热环境下人体热应激分级评估。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高温环境下人体热应激分级评估系统，其包括服装热阻与湿阻参数库模块、人体-服装-环境的热湿传递模型、热应激分级阙值模块、模型数据输出模块以及分级评估输出模块；其中

服装热阻与湿阻参数库模块：

通过高温热环境下暖体假人实验测量不同种类工作服的热阻和湿阻的服装参数，建立服装热阻与湿阻参数库模块，提供人体-服装-环境热湿传递模型计算使用的服装参数；

人体-服装-环境的热湿传递模型：

通过该模型建立人体、服装与环境之间的热湿传递过程关系，根据人体、服装与环境的热参数作为模型的输入，得到输出值为人体局部核心温度和出汗量：

热应激分级阙值模块：

根据环境温度升高和热环境对人体造成的影响程度，将人体对高温环境的热应激分为三个阶段：热不适应阶段、热衰竭阶段和热休克阶段，所述各阶段分别对应不同数值的人体局部核心温度和出汗量；

模型数据输出模块：

所述模型数据输出模块用于输出人体-服装-环境热湿传递模型计算的人体局部核心温度和出汗量；

分级评估输出模块：

将模型数据输出模块输出的核心温度和出汗量与所述热应激分级阙值模块中人体对高温环境的热反应的三个阶段的人体核心温度和出汗量进行比对，得到不同热应激阶段的响应等级；

根据人体核心温度和出汗量的极限值对比结果，输出分级评估结果，获得不同热应激分级下最大工作时间。

较佳地，所述服装热阻与湿阻参数库模块的建立过程包括：

通过搭建高温环境舱，在高温热环境下将测量的服装穿着在暖体假人上，通过温湿度探头测量着装工作服周围的温湿度，通过温度传感器测量服装外表面的温度，记录暖体假人各分区的皮肤表面温度；将计算的服装局部热阻和湿阻数据存储建立服装热阻和湿阻参数库，供人体-服装-环境热湿传递模型计算使用的服装参数；

其中服装局部热阻和湿阻计算分别如下：

$I_i=\frac{T_{air,i}-T_{skin,i}}{C_i+R_i}---\left(1\right)$

$R_{et,i}=\frac{(p_{skin,i}-p_{air,i})A_i}{\mathrm{\λ}\frac{dm}{dt}}---\left(2\right)$

其中I_i是服装局部热阻，单位为℃·m²W；R_et,_i是服装局部湿阻，单位为kPa·m²W；T_air,i和T_skin,i分别是服装对应部位环境中空气温度和假人对应部位的皮肤表面温度，单位为℃；R_i和C_i分别是服装对应部位的空气与服装间热辐射和自然对流换热，单位为W/m²；p_skin,i是假人对应分区表面的饱和蒸汽压，单位为kPa；p_air,i是舱室环境中对应假人分区高度下的饱和蒸汽压，单位为kPa；A_i是假人对应部位面积，单位为m²；是假人发汗速率，通过实验前后称重质量差除以出汗时间得到，单位为g/s；λ是蒸馏水在假人对应分区皮肤温度下的汽化潜热，单位为Jg。

较佳地，所述人体-服装-环境的热湿传递模型建立的过程包括：

该模型将人体分为16个部分，包括头部、胸部、胃部、背部，左前臂、右前臂、左小臂、右小臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚和右脚；每个身体部分包括核心层、肌肉层、脂肪层以及皮肤层；身体各部分之间血液循环通过节点表示，包括主动脉和静脉之间的反向热交换；每个身体部分通过辐射、对流与服装和环境进行热湿交换，最终输出人体局部核心温度和出汗量。

较佳地，该模型需要建立一劳动工作的模拟环境，工作环境房间大小为立方形空间，房间温度、湿度、风速分别设置为一固定值；暖体假人穿着的服装的热阻、湿组由所述服装热阻与湿阻参数库模块确认，所述暖体假人位于房间的中心位置，面对一块距离地面具有一定距离的方形辐射板。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的高温环境下人体热应激分级评估系统及方法，将测量高温热环境下的热阻和湿阻代入系统中，建立人体热安全信号分级方法，评估不同热应激阶段的响应等级；建立适用于高温热环境下热应激评价系统与方法，解决了热应激评价中人员热生理安全状况准确预测的需求；通过评估热环境中人员热应激分级，为根据热环境选用适当的应急装备提供指导，为我国减少职业损伤提供理论依据，最终达到保护人民生命安全的目的。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要 使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的高温环境下人体热应激分级评估系统示意图；

图2为本发明实施例提供的人体、服装、环境之间的热湿交换过程示意图；

图3为本发明实施例提供的模拟工作环境示意图；

图4为本发明实施例提供的模型数据输出模块输出热生理参数示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种高温环境下人体热应激分级评估系统，其包括服装热阻与湿阻参数库模块、人体-服装-环境的热湿传递模型、热应激分级阙值模块、模型数据输出模块以及分级评估输出模块；其中

服装热阻与湿阻参数库模块：

通过高温热环境下暖体假人实验测量不同种类工作服的热阻和湿阻的服装参数，建立服装热阻与湿阻参数库模块，提供人体-服装-环境热湿传递模型计算使用的服装参数；

人体-服装-环境的热湿传递模型：

通过该模型建立人体、服装与环境之间的热湿传递过程关系，根据人体、服装与环境的热参数作为模型的输入，得到输出值为人体局部核心温度和出汗量：

热应激分级阙值模块：

根据环境温度升高和热环境对人体造成的影响程度，将人体对高温环境的热应激分为三个阶段：热不适应阶段、热衰竭阶段和热休克阶段，所述各阶段分别对应不同数值的人体局部核心温度和出汗量；

模型数据输出模块：

所述模型数据输出模块用于输出人体-服装-环境热湿传递模型计算的人体 局部核心温度和出汗量；

分级评估输出模块：

将模型数据输出模块输出的核心温度和出汗量与所述热应激分级阙值模块中人体对高温环境的热反应的三个阶段的人体核心温度和出汗量进行比对，得到不同热应激阶段的响应等级；

根据人体核心温度和出汗量的极限值对比结果，输出分级评估结果，获得不同热应激分级下最大工作时间。

其中所述服装热阻与湿阻参数库模块的建立过程包括：

通过搭建高温环境舱，在高温热环境下将测量的服装穿着在暖体假人上，通过温湿度探头测量着装工作服周围的温湿度，通过温度传感器测量服装外表面的温度，记录暖体假人各分区的皮肤表面温度；将计算的服装局部热阻和湿阻数据存储建立服装热阻和湿阻参数库，供人体-服装-环境热湿传递模型计算使用的服装参数；

其中服装局部热阻和湿阻计算分别如下：

$I_i=\frac{T_{air,i}-T_{skin,i}}{C_i+R_i}---\left(1\right)$

$R_{et,i}=\frac{(p_{skin,i}-p_{air,i})A_i}{\mathrm{\λ}\frac{dm}{dt}}---\left(2\right)$

其中I_i是服装局部热阻，单位为℃·m²W；R_et,i是服装局部湿阻，单位为kPa·m²W；T_air,i和T_skin,i分别是服装对应部位环境中空气温度和假人对应部位的皮肤表面温度，单位为℃；R_i和C_i分别是服装对应部位的空气与服装间热辐射和自然对流换热，单位为W/m²；p_skin,i是假人对应分区表面的饱和蒸汽压，单位为kPa；p_air,i是舱室环境中对应假人分区高度下的饱和蒸汽压，单位为kPa；A_i是假人对应部位面积，单位为m²；是假人发汗速率，通过实验前后称重质量差除以出汗时间得到，单位为g/s；λ是蒸馏水在假人对应分区皮肤温度下的汽化潜热，单位为Jg。

本实施例中建立人体-服装-环境的热湿传递模型的具体过程为：模型将人体分为16个部分，包括头部、胸部、胃部、背部，左前臂、右前臂、左小臂、右小臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚和右脚；每个 身体部分包括核心层、肌肉层、脂肪层以及皮肤层等四层；身体各部分之间血液循环通过一系列节点加以表示，包括主动脉和静脉之间的反向热交换；每个身体部分通过辐射、对流以及有可能出现导热的地方，与服装和环境进行热湿交换；人体-服装-环境之间的热湿交换过程如图2所示。

人体-服装-环境的热湿传递模型需要构建构建救援人员在热环境中劳动工作的模拟环境，本实施例模拟的工作环境房间大小长×宽×高是5m×5m×3m，房间温湿度分别是30℃和50％；风速的大小是0.1m/s；工作人员穿着工作服的热阻为0.15℃·m²/W，湿阻0.18kPa·m²/W，位于房间的中心位置，面对一块长×宽为2m×2m的辐射板，距离地面0.5m；模拟工作环境结构如图3所示。

如图4所示，模型数据输出模块输出模型计算的直肠温度、口腔温度和出汗量等生理数据。

热应激分级阙值模块中由于高温热辐射环境引起人体生理系统的热应激反应表现在不同的阶段，一般随着环境温度升高和热环境对人体造成的影响程度不同，可以将人体对高温环境的热反应分为三个阶段：热不适应阶段、热衰竭阶段和热休克阶段。热不适应阶段人体大量出汗，工作效率下降。热衰竭阶段人体的大脑功能出现反应迟钝等后果。热休克是热应激最危险的阶段，威胁生命安全。当环境温度很高，人体体温随之快速上升时，人体会在较短时间内达到最大应激反应水平，若不能适宜选择环境热强度或严格控制高温环境中的活动时间，则极易发生中暑，威胁生命健康和安全。不同热应激阶段口腔温度、直肠温度和出汗量等生理极限值如表1所示：

表1

模型预测人体核心温度和出汗量，其中人体核心温度包括口腔温度和直肠 温度，与人体热安全信号进行比较，给出不同热应激阶段的响应等级。本实例中，人体的口腔温度不超过37℃。当出汗量体重比达到3％时，口腔温度不超过38℃。当出汗体重比达到5％以及7.5％时，直肠温度都没有达到对应的相应等级。因此，本实施例中以出汗体重比作为热应激响应信号。

根据人体核心温度和出汗量的极限值对比结果，其中人体核心温度包括口腔温度和直肠温度，输出分级评估结果，获得不同热应激分级下最大工作时间，如表2所示，其中不同辐射板表面温度下，热应激响应时间(单位：min)。预测高温热环境下人员不同等级的热应激水平，为保障工作人员的健康和安全状况提供了技术支持。

表2

本发明提供的高温环境下人体热应激分级评估系统及方法，将测量高温热环境下的热阻和湿阻代入系统中，建立人体热安全信号分级方法，评估不同热应激阶段的响应等级；建立适用于高温热环境下热应激评价系统与方法，解决了热应激评价中人员热生理安全状况准确预测的需求；通过评估热环境中人员热应激分级，为根据热环境选用适当的应急装备提供指导，为我国减少职业损伤提供理论依据，最终达到保护人民生命安全的目的。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种高温环境下人体热应激分级评估系统，其特征在于，包括服装热阻与湿阻参数库模块、人体-服装-环境的热湿传递模型、热应激分级阙值模块、模型数据输出模块以及分级评估输出模块；其中

服装热阻与湿阻参数库模块：

通过高温热环境下暖体假人实验测量不同种类工作服的热阻和湿阻的服装参数，建立服装热阻与湿阻参数库模块，提供人体-服装-环境热湿传递模型计算使用的服装参数；

人体-服装-环境的热湿传递模型：

通过该模型建立人体、服装与环境之间的热湿传递过程关系，根据人体、服装与环境的热参数作为模型的输入，得到输出值为人体局部核心温度和出汗量：

热应激分级阙值模块：

根据环境温度升高和热环境对人体造成的影响程度，将人体对高温环境的热应激分为三个阶段：热不适应阶段、热衰竭阶段和热休克阶段，所述各阶段分别对应不同数值的人体局部核心温度和出汗量；

模型数据输出模块：

所述模型数据输出模块用于输出人体-服装-环境热湿传递模型计算的人体局部核心温度和出汗量；

分级评估输出模块：

将模型数据输出模块输出的核心温度和出汗量与所述热应激分级阙值模块中人体对高温环境的热反应的三个阶段的人体核心温度和出汗量进行比对，得到不同热应激阶段的响应等级；

根据人体核心温度和出汗量的极限值对比结果，输出分级评估结果，获得不同热应激分级下最大工作时间。

2.如权利要求1所述的高温环境下人体热应激分级评估系统，其特征在于，所述服装热阻与湿阻参数库模块的建立过程包括：

通过搭建高温环境舱，在高温热环境下将测量的服装穿着在暖体假人上，通过温湿度探头测量着装工作服周围的温湿度，通过温度传感器测量服装外表面的温度，记录暖体假人各分区的皮肤表面温度；将计算的服装局部热阻和湿阻 数据存储建立服装热阻和湿阻参数库，供人体-服装-环境热湿传递模型计算使用的服装参数；

其中服装局部热阻和湿阻计算分别如下：

其中I_i是服装局部热阻，单位为℃·m²/W；R_et,i是服装局部湿阻，单位为kPa·m²/W；T_air,i和T_skin,i分别是服装对应部位环境中空气温度和假人对应部位的皮肤表面温度，单位为℃；R_i和C_i分别是服装对应部位的空气与服装间热辐射和自然对流换热，单位为W/m²；p_skin,i是假人对应分区表面的饱和蒸汽压，单位为kPa；p_air,i是舱室环境中对应假人分区高度下的饱和蒸汽压，单位为kPa；A_i是假人对应部位面积，单位为m²；是假人发汗速率，通过实验前后称重质量差除以出汗时间得到，单位为g/s；λ是蒸馏水在假人对应分区皮肤温度下的汽化潜热，单位为J/g。

3.如权利要求1所述的高温环境下人体热应激分级评估系统，其特征在于，所述人体-服装-环境的热湿传递模型建立的过程包括：

该模型将人体分为16个部分，包括头部、胸部、胃部、背部，左前臂、右前臂、左小臂、右小臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚和右脚；每个身体部分包括核心层、肌肉层、脂肪层以及皮肤层；身体各部分之间血液循环通过节点表示，包括主动脉和静脉之间的反向热交换；每个身体部分通过辐射、对流与服装和环境进行热湿交换，最终输出人体局部核心温度和出汗量。

4.如权利要求3所述的高温环境下人体热应激分级评估系统，其特征在于，该模型需要建立一劳动工作的模拟环境，工作环境房间大小为立方形空间，房间温度、湿度、风速分别设置为一固定值；暖体假人穿着的服装的热阻、湿组由所述服装热阻与湿阻参数库模块确认，所述暖体假人位于房间的中心位置，面对一块距离地面具有一定距离的方形辐射板。