基于IREQ模型的低温环境应急救援人员冷应激分析*

顾 寅，汲欣愉，朱 超，宫世吉，胡祝强

(中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083)

0 引言

近年来，由于人类活动加剧，全球环境剧烈变化，我国时常发生低温灾害，针对低温灾害的应急救援活动也应引起重视。在过去的数十年中，学者们制定了大量的指标来评估极端环境所带来的影响，如：PMV热舒适指标、风冷指数(WCI)、风冷温度(WCT)、全球热气候指数(UTCI)等[1-5]，但这些指标难以用于低温环境作业人员人体热平衡的预测评估。为了能准确评估在低温环境下工作期间的冷应激，HOLMÉR等[6]提出了IREQ模型，经过不断改进逐渐形成目前国际上广泛使用的ISO 11079—2007 IREQ冷应激计算评价模型[7-10]，该模型基于人体热平衡方程得出，综合考虑温度、平均辐射温度、相对湿度、风速等客观环境条件和人体新陈代谢率、服装透气系数等人体主观因素。然而，研究指出IREQ模型存在适用人群差异、得出评价指标略高等问题[11-12]，因此尚不能准确用于我国低温环境下应急救援人员冷应激的分析评价工作。

为了能够较准确地对我国低温环境下应急救援人员的冷应激进行评价，基于目前在国际上广泛适用的IREQ冷应激计算评价模型，利用国家推荐性标准GB/T 24254—2009选定应急救援人员的工作服装热阻，计算在我国典型地区进行低温环境下应急救援活动所需服装热阻(IREQ)，同时依据风穿透效应和活动水平修正，考虑服装外层的透气性，对计算结果进行修正，得到该冷环境下的所需服装热阻，即修正服装热阻。以此为基础，结合调查研究，对IREQ模型中的一些参数进行改进，使其更适合我国作业人员生理状况，进而利用改进的IREQ模型计算分析，不同环境温度下修正服装热阻极值与风速的变化规律以及在不同的恢复状态下体温恢复时间与温度的变化规律。考虑到应急救援工作的多样性，进一步分析了有限持续暴露时间在不同环境下的变化规律，并对比了不同气候条件下改进后的IREQ模型与国际标准(ISO 11079—2007)中模型所计算出的有限持续暴露时间值。

本文改进的IREQ模型考虑了适用于我国作业人员的工作环境及劳动强度，可以通过对一定环境条件下修正服装热阻、有限持续暴露时间、体温恢复时间的计算，对相应低温环境下人体产生冷应激的风险进行评估，该模型对确定低温环境下应急救援人员所需服装热阻、制定合理组织工作计划以及避免低温伤害具有一定参考和借鉴意义。

1 IREQ人体冷应激计算模型及改进

IREQ人体冷应激计算评价模型是基于人体热平衡方程，综合考虑冷应力对空气温度、平均辐射温度、空气流速、相对湿度和指定新陈代谢率等影响因素的计算方法，并以迭代计算的方式得到在冷环境下维持身体热中性的所需服装热阻，进而得到有限持续暴露时间和在一定环境下相应的体温恢复时间，其一直以来被广泛地应用于低温环境下人体冷应激计算评价。其计算结果可作为人体冷应激指标，避免人体受到低温伤害，或作为有针对性改善工作环境的依据。

在IREQ模型中，人体储热率根据人员具体生理参数取值，一般相同工种作业人员取同一经验值[13]。中国人体质在抗寒方面相比于欧洲人差，储热率有所变化，而目前国际上常用的IREQ模型计算时人体储热率是依据欧洲人体质得出的[10]。本文在此基础上对IREQ模型进行改进，结合GB/T 24254—2009选择适合中国人体质的生理参数，使其更加符合我国作业人员的生理状况。改进后的IREQ模型主要计算公式如下[13]：

1)人体热平衡方程

M-W=Eres+Cres+E+K+R+C+S

(1)

式中：M为新陈代谢率，W/m2；W为人体所做机械功，W/m2；Cres为因呼吸造成的对流散热量，W/m2；Eres为蒸发散热量，W/m2；E为人体通过皮肤向外界环境空间的蒸发散热量，W/m2；K为通过热传导引起的皮肤与外界环境间的热交换量，W/m2；R为通过热辐射引起的皮肤与外界环境间的热交换量，W/m2；C为通过热对流引起的皮肤与外界环境间的热交换量，W/m2；S为使人体体温上升的热储量，W/m2。

其中，R+C由式(2)计算：

(2)

由于呼吸热损失与人体代谢率相关，对流和呼吸蒸发热损失一般根据经验公式计算，如式(3)～(4)所示：

Eres=0.017 3×M×(Pex-Pa)

(3)

Cres=0.0014×M×(29-0.8×ta)

(4)

式中：Pa为水蒸气分压，Pa；ta为空气温度，℃；Pex为呼出空气温度时饱和水蒸气压力，Pa，一般由式(5)计算：

现场录井过程中可综合运用气测解释方法，经实践证实3H轻质烷烃比值法［4］（包括烃特征值（CH）、烃平衡值（BH）和烃湿度值（WH））可有效识别是否进入油气层及是否钻出油气层或钻遇低渗层。将WH、BH和CH 值对数曲线和随钻录井剖面放置于同一张图表中，根据3条曲线的对应关系和趋势可判断是否钻入或钻出油气层。

(5)

2)维持人体热平衡所需的服装热阻，即需求热阻IREQ的计算如式(6)所示：

(6)

式中：R和C通过式(7)～(8)计算得到：

(7)

C=fcl×hc×(tcl-ta)

(8)

(9)

式中：Ia,r为综合界面层热阻，m2·K/W；fcl为服装面积因子，通过式(10)计算[13]：

fcl=1.0+1.97×Icl

(10)

在实际应用时，为了更加精确地得到防护服热阻值，本文对所需服装热阻(IREQ)依据风穿透效应和活动强度进行修正，还考虑服装外层透气系数，得到修正服装热阻(Icl)：

(11)

式中：va为风速，m/s；vw为步行速度，m/s；ap为服装透气系数，L/(m2·s)。

3)有限持续暴露时间(Dlim)与体温恢复时间(Drec)的计算如式(12)～(14)[13]：

(12)

(13)

S=M-W-Eres-Cres-E-R-C

(14)

式中：Dlim指有限持续暴露时间，h；Drec指体温恢复时间，h；Q指身体捕获或损失的能量，kJ/m2，而Qlim指Q的极值。一般计算中，Qlim均取经验值144 kJ/m2，即40 W/m2。分别使用暴露环境条件与恢复环境条件，即可计算出在特定环境下，身着服装使应急救援人员免受低温伤害的有限持续暴露时间与体温恢复时间。

本文考虑标准工作日8 h工作时间，且考虑到目前国际上常用的IREQ模型计算时人体储热率是依据欧洲人体质得出的，而中国人体质在抗寒方面相比于欧洲人较差，储热率有所变化，将人体储热率阈值设定为-5 W/m2，而非国际常用IREQ模型中设定的-8 W/m2，使其预测范围更大且更加符合我国作业人员的生理条件。

2 应急救援人员冷应激计算与评价

我国东北、西北大部分地区属于温带大陆性气候，月平均气温低至-15 ℃，风速一般为0～10 m/s，且处于低温时，相对湿度一般为20%～70%。同时，由于应急救援工作高强度、多种类的特点，人体代谢水平一般在中等及以上。因此本文重点分析不同劳动强度下环境对有限持续暴露时间的影响以及环境变化对修正服装热阻的影响。

暴露低温环境工况选取为：环境温度变化区间为-30～0 ℃；环境辐射温度与环境温度比较相近，取相同值；相对湿度取50%。在分析不同环境温度下修正服装热阻极值与风速的变化规律时，考虑到风穿透效应对服装热阻计算的重要影响，选择0，2，5，7，10 m/s的风速；在分析有限持续暴露时间的变化时，选取0，2，5 m/s 3种风速分别对应的环境状态进行计算分析。根据实际情况，选择相对适宜的环境作为恢复环境，取恢复体温的环境工况为：环境温度变化区间为15～30 ℃；辐射温度与环境温度取相同值；风速为0 m/s；相对湿度为50%。应急救援人员身着服装热阻按照国家推荐性标准(GB/T 24254—2009)规定值并结合暖体假人实验测得的常见军用防寒装备服装热阻修正后进行计算，即包含内裤、汗衫、保暖裤、保暖夹克、冲锋裤、冲锋衣、袜子、鞋、帽子、手套的服装组合的基本热阻[15-16]，取为2 clo。服装透气系数也依据上述服装组合确定，为8 L/(m2·s)。有用机械功对大多数工业作业而言，所占比例很低，通常忽略不计。除以上参数外，暴露环境选取身体代谢率为140，175，230 W/m2，而由于恢复环境下救援人员一般处于静坐或慢走状态，故取身体代谢率为70，80，90，100，115 W/m2。

本文改进IREQ模型的计算过程通过Matlab程序进行解算，通过迭代计算获得有限持续暴露时间、修正服装热阻极值、体温恢复时间。

2.1 人体可接受的有限持续暴露时间

选定温度为-30～0 ℃、风速为0，2，5 m/s的低温工作环境，在进行不同劳动强度(中等及以上)的作业情况下，采用改进的IREQ模型计算获得低温环境下应急救援人员的有限持续暴露时间，变化情况如图1～3所示。

图1 人体新陈代谢率为140 W/m2的条件下应急救援人员有限持续暴露时间变化情况Fig.1 Change in limited continuous exposure duration of emergency rescuers with human body metabolic rate of 140 W/m2

图2 人体新陈代谢率为175 W/m2的条件下应急救援人员有限持续暴露时间变化情况Fig.2 Change in limited continuous exposure duration of emergency rescuers with human body metabolic rate of 175 W/m2

图3 人体新陈代谢率为230 W/m2的条件下应急救援人员有限持续暴露时间变化情况Fig.3 Change in limited continuous exposure duration of emergency rescuers with human body metabolic rate of 230 W/m2

从图1～3可以看出，在低温作业环境下，随着温度的升高，应急救援人员可接受的有限持续暴露时间随着环境风速的降低而快速增大。在作业现场，从事不同劳动强度工作的人员，人体新陈代谢率是不同的：在较高人体代谢率下，人体产热量处于较高水平，抗寒能力较强，可接受的持续暴露时间显著提高。

由图1可知，在中等劳动强度情况下，有限持续暴露时间在-30～-10 ℃温度区间内处于较低水平，受风速的影响较小；在-10～0 ℃时，有限持续暴露时间快速增大，且受风速的影响较大。结合图2～3可知，随着劳动强度的提高，有限持续暴露时间提前进入快速增长阶段，说明在较高劳动强度下，即使在温度较低的环境中，作业人员也可以接受较长时间暴露在低温环境中的工作。

由上述不同环境和作业人员不同的劳动强度情况下的人体可接受有限持续暴露时间计算结果对比分析可知，在进行低温环境中的工作计划安排时，可全面考虑环境因素(特别是温度、风速)和作业人员自身因素(人体新陈代谢率)的影响，合理安排工作和休息时间，确保作业人员处于安全的工作条件下，避免造成因低温环境引起的皮肤泛红、肢体麻痹等冷应激现象，甚至皮下组织及骨骼冻伤、坏死等冷损伤情况[17]。

2.2 修正服装热阻极值

选定恒定温度为-30，-25，-20，-15 ℃，风速为0，2，5，7，10 m/s的作业环境，采用改进后的IREQ模型计算得到修正服装热阻极值，计算结果如图4所示，部分结果如表1所示。

从图4可以看出，环境温度从-15 ℃降低到-30 ℃时，修正服装热阻极值明显增大。当环境温度降低时，人体与环境之间的温差增大，而人体与环境之间的对流和辐射换热量与该温差成正比。因此，人体与环境之间的温差增大，对流和辐射换热量随之增大，此时人体流失的热量增多。如果此时服装没有满足最低修正服装热阻值的要求，人体储热量将降低，核心温度也将降低。通过上述结果分析可知，环境温度对应急救援人员维持热平衡所需服装热阻影响较大。此外，随着风速的增加，人体与环境之间对流换热将增大，若要维持身体热中性，也需要更高的服装热阻。从图4可以看出，在相同温度条件下，风速增大，修正服装热阻极值也随之增加。

2.3 本文改进IREQ模型与ISO 11079—2007计算数值的比较

本文在国际常用的IREQ模型基础上，对人体储热率阈值进行了重新选定，并利用改进的IREQ模型根据ISO 11079—2007标准附件F中计算实例的工况条件(见表2)[13]，计算得到所需服装热阻中值、基本服装热阻及有限持续暴露时间预测值，并与ISO 11079—2007中所给预测值进行比较，结果如表3所示。

表2 ISO 11079—2007标准附件F中计算实例的环境组合Table 2 Environment combination of calculation cases in Annex F of ISO 11079—2007 standard

表3 不同环境组合下的改进数值与ISO 11079—2007的对比Table 3 Comparison of improved values with ISO 11079—2007 under different environment combination

由表3可知，本文所用改进IREQ模型的所需服装热阻中值、基本服装热阻及有限持续暴露时间预测值与ISO 11079-2007标准中所给预测值较为接近，具有良好的预测性，而且所需服装热阻中值、基本服装热阻预测值比标准中预测值更高，有限持续暴露时间更低，对于低温环境下的应急救援作业安全性更高，更有利于应急救援服装的安全性设计，便于合理安排作业时间和休息时间。

2.4 体温恢复时间

选定温度为15～30 ℃，风速为0 m/s，人体新陈代谢率为70，80，90，100，115 W/m2的体温恢复环境，采用改进的IREQ模型计算得到体温恢复时间，结果如图5所示。由图5可以看到，在高温恢复环境里，随着环境温度的升高，作业人员体温恢复时间逐渐减少，特别是在温度为15～20 ℃的区间内，恢复时间减少速度较快；在同一温度下，随着人体新陈代谢率的提高，所需体温恢复时间也会减少。

由此可知，若要低温环境下的作业人员尽快恢复正常体温，不至于造成冷损伤，可以提供温度较高的恢复环境，同时可以进行一些中等以下强度的工作来加快恢复速度，提高工作效率。

图5 不同劳动强度下作业人员体温恢复时间的变化情况Fig.5 Change in recovery time of worker' body temperature under different labor intensities

3 结论

1)低温环境下，通过适当增加劳动强度，可增加人体产热量，进而有效延长应急救援人员有限持续暴露时间。当人体新陈代谢率为230 W/m2时，有限持续暴露时间在-30～-20 ℃区间即进入快速增长阶段。

2)环境温度和风速对人体热平衡的影响十分显著，随风速增加、温度降低，修正服装热阻值显著增大。相同环境温度下，空气风速从0 m/s增大到10 m/s时，修正服装热阻值增大近一倍；相同空气风速下，环境温度从-15 ℃降低到-30 ℃时，修正服装热阻值增大近50%。

3)基于改进的IREQ模型计算评价我国低温冰冻灾害应急救援作业人员冷应激反应所得结果，相较ISO 11079—2007中给出的国际常用IREQ模型所得的基本需求热阻更高，有限持续暴露时间更低，对于低温环境下的应急救援作业安全性更高。

4)恢复环境温度对于体温恢复时间有显著影响，此外，适当增加劳动强度也可以使体温恢复时间明显减小。但数据表明，环境温度高于25 ℃，劳动强度超过80 W/m2时，继续提高环境温度或劳动强度对体温恢复时间影响不大。