高温户外环境电网作业人员热应激预测评价*

吴建松，李乐天，韩新阳，高 嵩，边海峰，苏 峰，王 东

(1.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083； 2.国网能源研究院有限公司，北京 102209；

3.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006； 4.国家电网有限公司，北京 100031)

0 引言

随着中国工业化的快速发展和持续推进的城市化进程，整个经济社会对电力的需求不断增加，电力线路的建设规模在不断扩大，同时也给电网日常巡检与维护工作带来了更严峻的挑战。无人机巡检虽逐渐成为电网公司的常态化作业形式，但受航空、天气、成本以及设备智能化程度的制约，大量的基层电网巡检工作目前仍然依靠电网户外巡检人员来完成[1]。近年来，我国高温热浪极端天气时有发生，电网户外作业人员持续暴露在高温环境中易发生热应激，人身安全受到严重威胁。相关报告指出，在接受调查的电力工作者中，约82%的人在夏季中暑，12.36%的人每月都会中暑[2]。因此，针对夏季高温环境，预测和评估电网户外作业人员的热应激情况对于避免电网作业人员热损伤具有重要意义。

为了评估高温环境对人体造成的影响，众多学者在过去数十年制定或修正了大量热应力预测评价指标，例如作为ISO标准广泛使用的湿球黑球温度指数(WBGT)[3]、Wonseok提出的扩展标准有效温度(Extended SET)[4]、Moran提出的环境应力指标(ESI)[5]、Golbabaei提出的户外环境热指数(OEHI)[6]等。然而，这些指标主要考虑环境对人体热应激的影响，尚未考虑代谢率、服装热阻湿阻对热应激的影响。热生理模型的开发与改进解决了这一问题。其中，Malchaire等提出的预测热应激(Predicted Heat Strain,PHS)模型综合考虑了外界环境因素、人体生理参数和服装热阻湿阻，计算得到人体核心温度和出汗量预测值[7]，经过改进后的PHS模型形成了热应激评估标准ISO 7933：2004《Ergonomics of the thermal environment—Analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain》，在作业人员的热伤害安全评价领域得到了更广泛的应用。吴建松等对高温高湿矿井作业人员热应激情况进行了分析评价[8]，Kuklane采用PHS模型对甘蔗田间作业工人的热应激进行评估[9]。然而，杜晨秋等研究表明，PHS模型受个体因素、环境条件、职业工作特征等的限制，容易低估我国作业人员的核心温度、高估其允许暴露时间[10]。因此，Malchaire的PHS模型尚不能准确预测分析我国户外高温环境下电网作业人员的热应激水平。

本文基于预测热应激(PHS)模型，考虑人体移动和风速对服装的动态影响，结合考虑个体特征的适合我国作业人员的基础代谢率和电网户外工作活动强度，确定电网户外作业人员工作时的新陈代谢率，计算分析户外高温环境下电网作业人员核心体温、出汗量等生理参数和最大允许暴露时长，计算结果对电网公司评估作业人员热应激水平，优化户外作业组织策略具有一定的参考价值。

1 PHS人体预测热应激计算模型及改进

PHS人体热应激计算模型基于人体热平衡方程，综合考虑空气温度、平均辐射温度、相对湿度和风速等环境因素以及身高、体重、代谢率、服装热阻和湿阻等个体特征因素，计算得到一段时间内的人体核心体温、出汗量的变化特征和最大允许暴露时长。PHS模型的计算结果可作为人体热应激评估参考，其有效性根据672次实验室实验和237次野外实验数据得到验证[11]。PHS模型主要计算公式如下[7,12]：

1)人体热平衡方程

如式(1)所示：

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

(1)

式中：M为人体代谢率，W/m2；W为人体所做的机械功，W/m2；Cres和Eres分别为因呼吸造成的对流散热量和蒸发散热量，W/m2；K、C、R分别为皮肤以热传导、热对流、热辐射形式与外界环境的热交换量，W/m2；E为皮肤与外界环境间的蒸发散热量，W/m2；S为人体内积蓄的热量，W/m2。其中，Cres和Eres由式(2)～(3)确定：

Cres=0.001 52M(28.56+0.885Ta+0.641Pa)

(2)

Eres=0.001 27M(59.34+0.53Ta-11.63Pa)

(3)

式中：Ta为空气温度，℃；Pa为水蒸气分压，kPa。

2)服装热阻和湿阻

服装的热阻和湿阻表征服装的隔热和透湿能力。当人体移动或周围空气流速较大时，服装的热阻和湿阻会发生变化。本文根据前人研究结果[13-14]，采用动态服装热阻湿阻代替PHS模型中的热阻湿阻，计算公式如式(4)～(5)所示：

IT,dyn=e(-0.281×(var-0.15)+0.044×(var-0.15)2-0.492w+0.176w2)·IT,sta

(4)

RT,dyn=e(-0.468×(var-0.15)+0.08×(var-0.15)2-0.874w+0.358w2)·RT,sta

(5)

式中：IT,dyn为服装总热阻，m2·K/W；IT,sta为静态服装总热阻，m2·K/W；RT,dyn为修正服装总湿阻，Pa·K/W；RT,sta为静态服装总湿阻，Pa·K/W；var为人体移动与风流相对速度，m/s；w为人体移动速度，m/s，本文定为1.1 m/s。

3)核心体温和累计出汗量

由式(6)～(8)计算：

(6)

(7)

(8)

式中：tcr和tre分别为人体核心体温和直肠温度，℃；α为皮肤温度系数；cp为人体热容，J/(kg·K)；Swtot为累计出汗量，g；Swp为预计出汗率，W/m2；AD为人体表面积，m2；i和i-1表示时间步。

4)人体代谢率计算改进

PHS模型中的人体代谢率大多根据活动类型取经验值，尚未考虑不同地区、不同职业人群的差异。事实上，人体在高温劳动环境中热应激的个体差异性使得人体代谢率也各不相同。本文综合考虑不同个体身高、体重、性别、年龄等个性化因素，引入适合我国作业人员的人体基础代谢率计算公式，根据电网户外作业人员的工作特点，选取合适的活动强度，计算得到电网户外作业人员工作时的代谢率，并将此作为PHS模型的输入量。其中，适合中国作业人员的基础代谢率(BMR)计算公式如式(9)所示[15]：

其次，当代大学生是社会建设发展的生力军，是中国特色社会主义的合格建设者和可靠接班人，必须不断提高自身的科学文化素质和思想品德素质。而对事物因果联系的认识，对事件行为始因的判断，牵制着他们思维、实践的能力。传导者在传递知识的同时，更要注重对接受主体能力的培养，教会他们如何进行行为归因判断，矫正他们以往错误的归因理念和方式。教师对学生的归因、期望和态度等影响到教师对学生的行为，而教师的行为又直接影响学生对自己学习结果的归因。[4]当代大学生身临全球化的时空境遇，难免出现价值观念模糊、价值判断有误、价值选择不明、价值行为失宜的情况，需要教师对其进行正确的引导，以保证思想政治教育接受活动的实效性。

(9)

式中：BMR为人体基础代谢率，kcal/d；Wei为人体体重，kg；Hei为身高，cm；Age为年龄，年；Sex为性别，男性取0，女性为1。

静息代谢率(RMR)是指人体保持身体平衡及某种姿势所消耗的能量[16]，通常为基础代谢率的1.2倍，其计算公式如式(10)所示：

RMR=1.2BMR

(10)

Haskell在《体力活动概要》中统计了21类821项特定活动的代谢当量[17]。其中，部分活动与电网户外作业人员从事工作类似，如表1所示。基于此，本文选取合适的活动类型推导得出改进的代谢当量值，计算公式如式(11)所示：

(11)

表1 《体力活动概要》中部分活动的代谢当量Table 1 Metabolic equivalents of some activities in Compendium of Physical Activities

式中：MET*为改进的代谢当量值；α为某一活动工作代谢率与静息代谢率之比，静坐时为1。由于PHS模型中代谢率单位为W/m2，将式(10)进行换算，得到考虑了个体差异性的特定活动下人体代谢率计算公式，如式(12)所示：

M*=58.2MET*

(12)

式中：M*为改进的人体代谢率，W/m2。

不同地区、不同职业人群的代谢率差异集中反映在身高、体重、性别、年龄等的不同，由式(9)～(12)计算得到不同个体的代谢率，如表2所示。从表2的计算结果可以看出，BMR与身高体重呈正相关，体重相同的人，身高尺寸大的人由于体表面积大于身高矮的人，耗散能量较多，所以基础代谢高于后者。随着年龄的增大，人体基础代谢率也相应降低，且女性基础代谢率一般低于男性。MET*表示特定活动下的代谢率与标准静息代谢率(4.184 kJ·kg-1·h-1)之比，其变化规律与BMR类似，但受体重影响更大。根据人员1和人员3的计算结果可以看出在同一活动下体型相对瘦高的人代谢率M*更大。

表2 不同个体改进后的代谢率Table 2 Modified metabolic rates of different individuals

在特定条件下计算出的人体核心体温和出汗量对比临界生理指标确定最大允许暴露时长[8,12]。人体核心体温耐受上限确定为39.4 ℃，补水充足时出汗量不超过体重的5%，补水短缺时出汗量不超过体重的3%。当人体核心温度和出汗量任何1项超过生理安全界限的累计时间即为该特定条件下的最大允许暴露时长。

2 户外高温电网作业人员热应激计算评价

2.1 计算工况设定

随着全球变暖趋势的加剧，近年来，我国夏季多地日最高气温在35 ℃以上甚至超过40 ℃。江南、华南等地在夏季还可能出现高温高湿的“桑拿天”，即使在东北有些地区，夏季平均户外温度也在30 ℃以上。此外，电网户外作业人员的日常工作花费时间长、体力消耗大，工作时的人体代谢率较高。本文根据国家气象局近些年公布的气象数据确定夏季户外高温环境工况，重点分析夏季户外工作场所中各类环境因素和不同劳动强度对电网作业人员热应激水平的影响。

户外高温环境工况设置如下：环境温度区间设为32～40 ℃；辐射温度设为与环境温度相等；相对湿度取65%～85%；风速取1～5 m/s(无风设为0.1 m/s)。个体差异性对热应激的影响已在上文进行分析，人体身高和体重以我国成年男性平均身高1.70 m和平均体重69.6 kg计算，根据式(9)～(12)以及表1，选取合适的电网巡线检修工作强度，将电网作业人员人体代谢率选为190，240，290，340 W/m2。结合电网户外作业人员实际工作服情况，依据ISO 9920—2007中服装热阻湿阻参考值，电网巡线检修人员工作服热阻约为0.9 clo，湿阻约为25 Pa·K/W[18]。在计算时认为电网巡检人员对工作环境已经热适应，工作期间可自由饮水。

2.2 人体核心体温计算结果分析

户外高温环境中电网巡检人员核心体温在不同工况下的变化情况如下图1～3所示。由图1可知，在风速、湿度、代谢率一定的情况下，随着环境温度的升高，人体核心体温也随之不断升高，且环境温度越高，人体核心体温变化幅度也越大。当人体暴露在高温环境中时，体内短时间内大量蓄热引起核心体温快速升高，之后体温调节机制的启动使得核心体温增长变缓并趋于稳定。在图1中的工况下，当环境温度超过36 ℃时，人体核心体温在快速增长阶段达到耐受上限，当环境温度在32 ℃时人体核心体温维持在37.5 ℃左右，根据直肠温度指标电网巡检人员在此工况下可以持续至少5 h的劳动。

图1 不同环境温度下电网户外作业人员人体核心温度变化情况Fig.1 Change of core body temperature of power grid outdoor workers under different ambient temperatures

图2 不同环境温度和相对湿度下风速对电网户外作业人员人体核心温度影响Fig.2 Influence of wind speed on core body temperature of power grid outdoor workers under different ambient temperatures and relative humidities

图3 不同代谢率下电网户外作业人员人体核心温度变化情况Fig.3 Change of core body temperature of power grid outdoor workers under different metabolic rates

不同温度和湿度下风速对人体核心体温的影响如图2所示。在图2(a)和图2(b)的高温高湿工况下，当风速从0.1 m/s(无风)升至3 m/s时，人体核心体温随着风速的增加而逐渐降低，风速起到了降温效果；当风速超过4 m/s时，随着风速的增加，人体核心体温会逐渐升高。结合对修正服装热阻湿阻的计算，低风速时服装热阻湿阻随风速增加而减小，核心体温也因此降低；当风速升高超过临界值时，服装热阻湿阻会逐渐增大，风速的增加反而会加重热负荷，引起核心体温的上升。从图2(a)可以看出，当风速大于2 m/s时，风速增加引起的降温效果大大减弱。从图2(b)可以看出，在高温高湿环境中，核心体温在暴露初期阶段近乎呈直线升高，在40 min内就达到人体直肠温度耐受上限。在直线上升阶段，风速对核心体温的变化影响很小。因此，在实际的户外作业指导中应尽量避免安排电网作业人员在高温高湿环境中工作或合理安排人员休息和轮换，避免作业人员受到热伤害。

代谢率对人体核心体温的影响如图3 所示，可以看出，随着代谢率的提高，人体核心体温也随之提高。当电网作业人员从事代谢率为190 W/m2的工作时，核心体温在缓慢上升阶段超过耐受上限，依据核心体温生理指标确定的最大允许暴露时长约为170 min；当作业人员从事代谢率为240 W/m2的高劳动强度工作时，核心体温在快速上升阶段就超过耐受上限，最大允许暴露时长相比代谢率为190 W/m2时减小了一半以上。

2.3 最大允许暴露工作时长计算分析

多种热湿耦合环境下电网作业人员最大允许暴露时长的变化规律如图4所示。在不同温度、风速、湿度耦合的环境中，依据不同生理指标确定的最大允许暴露时长差别较大。在高温高湿环境中根据直肠温度确定的最大允许暴露时长一般要低于根据出汗量确定的最大允许暴露时长，说明核心温度超过生理安全界限对人体的危害更大。在图4所示的各种环境下，相比于采用直肠温度指标确定的最大允许暴露时长在不同环境下的差异，根据出汗量确定的最大允许暴露时长维持在180 min左右。因在本文改进的PHS模型中最大出汗率设为500 W/m2，而在图4设置的各种高温高湿环境中，温度、湿度降低或风速增大引起人体散热量的增多仍不足以弥补为维持人体热平衡需要通过出汗蒸发的热量，在这种环境中，人体实际可能以最大出汗率进行蒸发散热，直到出汗量达到临界生理值，所以在图4设定的各类环境中采用出汗量确定的最大暴露允许时长稳定不变。

图4 不同环境工况下电网户外作业人员最大允许暴露时长Fig.4 Maximum allowable exposure time of power grid outdoor workers under various environmental conditions

由图4知，随着环境温度和相对湿度的升高，以直肠温度确定的最大允许暴露时长逐渐减小。此外，不同热湿耦合环境下温度、湿度和风速对最大允许暴露时长的影响也不尽相同。在温度和湿度相对较低的环境中，由图4，在温度为36 ℃时，湿度分别为65%、75%、85%的情况下最大允许暴露时长变化较大；当湿度为65%，温度分别为36,38,40 ℃同理。而当温度为40 ℃(RH=65%、75%、85%)或湿度为85%(Ta=36,38,40 ℃)时，最大允许暴露时长受湿度或温度影响变化较小,产生这一结果的原因是因为在高温高湿环境中，人体的蒸发散热能力减弱，体内多余热量快速积蓄，核心体温快速上升，短时间内就达到耐受上限。对比分析图4中不同环境下以直肠温度指标确定的最大允许暴露时长，可以看出，不同温度湿度下风速增加引起的降温效果不尽相同。在36 ℃、RH=65%时，风速在2 m/s以上时的最大允许暴露时长至少为1 m/s时的3倍，风速增加加快了人体通过对流、蒸发等形式向外散热，最大允许暴露时长也随之增加。而温度和湿度的继续升高，使风速增加引起的降温效果逐渐减弱，最大允许暴露时长的变化也逐渐减小。因此像电网巡线检修人员这类长时间在户外的作业人员，在环境条件无法控制时可以根据不同环境下特定员工的最大允许暴露时长合理安排其休息和轮换，避免出现热应激人身伤害。

3 结论

1)随着环境温度、相对湿度和新陈代谢率的升高，电网作业人员的核心体温也随之升高。在中等劳动强度(新陈代谢率为190 W/m2)、风速为1 m/s的情况下，当相对湿度超过75%、环境温度超过36 ℃时，电网作业人员的核心体温在快速增长阶段达到耐受上限。当电网作业人员从事代谢率超过240 W/m2的高劳动强度工作时，最大允许暴露时长相比代谢率为190 W/m2时减小50%以上。

2)在环境温度37 ℃、相对湿度70%和环境温度40 ℃、相对湿度75%的湿热环境中，电网作业人员核心体温随着风速的增加而降低，当风速进一步升高引起服装热阻湿阻增大时，电网作业人员核心体温会随风速的增加而升高。

3)在湿热的环境中，以电网作业人员核心体温指标确定的最大允许暴露时长要远低于以出汗率指标确定的最大允许暴露时长。