113高温环境下人体劳动安全的研究

高温环境下人体劳动安全的研究天津大学魏慧娇李楠朱能田喆摘要为了对人体在高温环境下作业的安全情况进行研究，本文采用搭建环境舱进行样本实验的方法，研究高温高湿、高温强辐射环境下，不同劳动强度人员的生理指标和耐受极限时间。在大量的极端环境下人体实验数据基础上，结合人体安全劳动时间（允许持续接触热时间）的概念，利用统计学的方法对实验数据进行分析处理，对不同极端环境、不同劳动强度下的样本的生理变化、安全劳动时间以及不同环境因素对人体的影响情况进行深入分析，得到评价人体生理状况的综合生理指标F，并根据F值的范围定义了极端环境作业的安全等级。关键词高温高湿强辐射安全劳动时间评价指标1引言近年来，随着经济的发展和科技水平的提高，人们对于生活和生产环境的重视程度也日益提高，极端环境下工作人员的安全生产、工作效率等问题逐渐成为国家关注的焦点。大量的调查研究与统计分析表明，极端环境会使暴露其中的工作人员发生中暑等病变，并会直接影响生产效率，如：我国南方某部队夏季训练过程中中暑年发病率高达3.7%,中暑伤亡事故时有发生。全国各地均有夏季露天作业人员中暑事迹的报道，国家和地方政府针对部分夏季高温作业环境提出了“高温限工令”，规定气温超过35℃的，要避免高温时段（11：00—15：00）室外露天和高处作业。为了调节、控制和改善高温、高湿等极端工作和生活环境，我国逐步开展了对于高温环境评价体系的研究、高温暴露下人体生理反应的研究、极端环境工作防护措施的研究等工作，旨在降低高温环境对人体健康的威胁，防止热诱导性疾病、伤害的发生，保证正常的工作秩序，减小事故发生的可能性。2高温环境下人体安全极限的实验研究本文采取搭建环境舱进行实验的方法，通过测试不同温湿度、不同辐射强度下受试者的生理参数，调查询问受试者的主观感受等形式，研究高温高湿环境、高温高湿强辐射环境下人体安全极限。2.1实验环境介绍实验在高温高湿模拟环境舱中进行，其尺寸为3m×2.5m×2.2m(长×宽×高)，环境舱内均匀布置有温湿度巡检仪及WBGT测量仪。环境舱可以实现干球温度的变化范围为30~40℃，相对湿度变化范围为40%~80%，辐射强度变化范围1.0~2.0kW/m2。舱内环境温度测量高度立位作业为1.5m高；坐位作业为1.1m高。考虑到作业人员实际受热可能不均匀，实验应测踝部、腹和头部的空气温度参数，立位时测量点离地高度分别为0.1、1.1和1.7m处；坐位时测量点离地高度分别0.1、0.6和1.1m，共12个测点。2.2实验样本选择在校大学生为试验样本，年龄从19岁到26岁，要求身体健康，经常参加体育活动，在试验前应具有良好的睡眠及饮食，无任何疾病史。高温高湿环境样本容量为148人，每次参加试验的人数为4人，其中1人从事重度劳动，2人从事中度劳动，1人从事轻度劳动；高温强辐射环境实验样本容量为85人，每次参加实验人数为2人，其中1人从事中度劳动，1人从事重度劳动。根据美国热湿环境工作安全标准平均新陈代谢值对照表并结合受试者的体重进行修正，本文重体力劳动个体新陈代谢率平均值为396kcal/hr；中度体力劳动个体新陈代谢率平均值为228kcal/hr；轻等强度劳动个体新陈代谢率平均值为78kcal/hr。2.3实验过程试验的主要方法为变化环境舱温度、湿度、辐射强度等参数来检测人体在不同环境中的热耐力。其中，高温高湿实验工况组合如表3-1所示，高温强辐射实验工况组合如表3-2所示。高温高湿实验样本持续工作4小时（每工作20分钟休息5分钟）；高温强辐射实验样本持续工作2小时（每工作15分钟休息3分钟），除非样本不能继续忍受或身体出现异常症状。样本休息时进行数据的测量，分别记录受试人员的皮肤温度、口腔温度、心率、血压等值的变化。当受试者身体产生不适的瞬时，再记录瞬时口腔温度、心率、血压值。表1高温高湿实验工况组合干球温度（℃）30；34；36；38；40相对湿度（%）40；60；80；劳动强度轻度劳动中度劳动重度劳动表2高温强辐射实验工况组合WBGT（℃）25～32；33～38；39～43辐射强度（KW/m2）1.0；1.5；2.0劳动强度中度劳动重度劳动3数据分析3.1极端环境下人体劳动安全影响因素分析实验结果表明温度、湿度、辐射强度等环境参数对人体安全极限耐受时间有较大的影响，受试者的劳动强度也是影响人员安全极限耐受时间的重要因素。本文以高温高湿环境中得到的实验数据为例，分析了环境参数与人体耐受时间之间的关系。下图是高温高湿环境中人体安全极限耐受时间的统计图，从图中可以看出当环境温湿度较低、样本从事轻度劳动时多数样本可以完成240min的全部实验，当环境参数逐渐升高，人体劳动强度增强时，人体生理参数出现较大波动，耐受时间明显缩短。80%80%60%60%40%80%80%80%60%60%60%40%40%60%40%80%40%80%40%40%60%60%60%80%050100150200250300363636363636363636363838383838383838404040404040温度℃时间（min)图1不同温湿度工况下安全劳动时间（轻度劳动）80%60%40%80%60%40%80%40%60%050100150200250300363636363636363636363636363636363636383838383838383838383838383838383838404040404040404040404040温度℃时间（min）图2不同温湿度工况下安全劳动时间（中度劳动）80%60%40%80%60%40%40%60%80%010020030036363636363636363638383838383838383840404040404040温度℃时间（min）图3不同温湿度工况下安全劳动时间（重度劳动）应用统计学软件SPSS对实验数据进行进一步处理，选取方差分析的数学方法，分析各环境因素对人体劳动安全的影响程度，并找出最显著的影响因素，以期为实际生产中环境的调控提供指导。方差分析从观测变量的方差入手，研究控制变量中哪些变量对观测变量有显著影响。并可得出各控制变量不同水平及各水平的交互搭配是如何影响观测变量的。根据实验结果，对高温高湿环境下劳动样本在不同劳动强度和不同温湿度下的安全劳动时间进行统计，以安全劳动时间作为观测变量，劳动强度V1、空气温度V2、相对湿度V3作为控制变量进行方差分析。表3多因素方差分析（高温高湿环境）TestsofBetween-SubjectsEffectsSourceTypeIIISumofSquaresdfMeanSquareFSig.CorrectedModel685111.240a2626350.4329.501.000Intercept1360372.33011360372.330490.525.000V1129926.133264963.06723.424.000V2104630.283252315.14218.864.000V3293523.9852146761.99252.920.000V1*V25216.74541304.186.470.757V1*V334326.80048581.7003.094.021V2*V35962.46741490.617.537.709V1*V2*V330277.86383784.7331.365.228Error191357.500692773.297Total2627419.00096CorrectedTotal876468.74095a.RSquared=.782(AdjustedRSquared=.699)根据方差分析的结果自变量劳动强度V1、空气温度V2、相对湿度V3对因变量安全劳动时间都存在极显著性差异，即存在主效应（FV1=23.424，Sig.=0.000；FV2=18.864，Sig.=0.000；FV3=52.920，Sig.=0.000）。进一步分析：从三者贡献的离差平方和来看，相对湿度V3的离差平方和（SumofSquares）为293523.985最大，劳动强度V1的离差平方和为129926.133其次，空气温度V2的离差平方和为104630.283最小，这说明相对湿度V3对安全劳动时间的影响最大，劳动强度其次，空气温度的影响相对前两者来说最小。劳动强度V1与相对湿度V3交互作用对安全劳动时间也存在极显著性差异，即存在交互效应（FV1*V3=3.094，Sig.=0.021），这说明劳动强度与相对湿度的交互作用对安全劳动时间产生显著影响。而由于（FV1*V2=0.470，Sig.=0.757）（FV2*V3=0.537，Sig.=0.709），概率值sig.明显大于显著性水平α=0.05，所以，劳动强度V1与空气温度V2，以及空气温度V2、相对湿度V3的交互作用对劳动时间不产生显著影响。同理对高温强辐射环境实验数据进行处理，得到如下结论：劳动强度、干球温度和辐射强度三个因素中，辐射强度对于安全劳动时间的影响最大；辐射强度的上升导致安全劳动时间显著缩短；干球温度对于安全劳动时间的也较大；与辐射强度和干球温度相比，劳动强度对于劳动安全时间影响较小。3.2生理学综合评价指标随着热负荷的增高，人体将产生一系列的生理反应，这些生理反应的程度揭示了人体所处热环境热负荷的高低，所以根据生理反应控制人体所承受的热应力是一个直接而且有效的办法。但是人体是一个综合复杂的系统，如果分别用每一个生理指标对人体所受的热应力进行评价，评价是孤立的，不能全面反应人体的状态。故本文采用非线性评估中广泛使用的因子分析的方法，对实验数据进行处理，得到全面反应人体状态的综合生理学指标，对人体所受的热应力进行评估。统计57个不能继续进行劳动的样本的体表温度、口腔温度、心率、舒张压、收缩压五项生理指标，对其进行因子分析。统计结果表明以上5个因子可以归纳为3个影响耐受时间的主成分，在第一主成分F1中，体表温度、口腔温度两个指标的系数绝对值较大，故将第一主成分F1命名为体温成分；在第二主成分中收缩压和舒张压两个指标系数绝对值较大，故将第二主成分F2命名为血压成分；第三主成分中心率指标系数绝对值较大，第三主成分命名为心率主成分。经过因子分析法计算得到综合生理学指标F的表达式如下：32101432.041.0FFFF543211569.0571.0178.0058.0014.0XXXXXF543212032.0086.0083.0623.0518.0XXXXXF543213151.0143.0999.0274.0201.0XXXXXF其中：X1——收缩压X2——舒张压X3——心率X4——口腔温度X5——体表温度在综合生理学指标F中体温成分系数绝对值比心率成分和血压成分大很多，这说明热应力对人体体温成分的影响最显著，血压成分其次，心率成分最次。这也证明了体温是最能有效的反映人体热应力的生理指标。将实验所得生理指标值带入公式，结合受试者的耐受时间进行综合分析，可以根据综合生理指标F值将极端环境人体安全等级分为三个等级，如表4-2所示。表4综合生理学指标评价表安全等级F值安全分析Ⅰ级42-46安全，发生热病可能性小Ⅱ级46-50较危险，发生热病可能性大，应立进行即休息调整Ⅲ级50-55危险，发生热病的可能性极大，应立即休息检查4结论和展望本文通过高温极端环境的实验研究得出了以下结论：1.高温高湿环境中环境温度、环境湿度、劳动强度对人体安全劳动时间都存在着显著的影响，影响最显著的因素是环境湿度；第二位的因素是劳动强度；第三位是环境温度。劳动强度与相对湿度交互作用对安全劳动时间也存在极显著性影响；而环境温度与环境湿度以及环境温度与劳动强度的交互作用对安全劳动时间的影响并不显著。2.高温强辐射环境中辐射强度、干球温度、劳动强度对于人体安全劳动时间都存在显著影响，影响最为显著的因素是辐射强度、其次为干球温度、再次为劳动强度。3.提出了综合生理指标F的概念，并根据F值的范围