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基于暖体假人的热环境下人体安全评价

清华大学 辅仁网/2017-07-07

基于暖体假人的热环境下人体安全评价
张超1,2,秦挺鑫2,吴甦1(),王金玉2
2. 中国标准化研究院, 北京 100088
Human safety estimates in hot environments based on a thermal manikin
Chao ZHAN1,2,Tingxin QIN2,Su WU1(),Jinyu WANG2
1. Department of Industrial Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. China National Institute of Standardization, Beijing 100088, China

摘要:
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文章导读
摘要工业生产中的高温作业以及应急救援中的消防灭火等,对高温环境中的人体安全防护研究提出了需求。该文建立了将热生理反应理论计算与人体模拟实验相结合的高温环境人体安全评价方法。应用高温实验舱和红外热辐射板建立高温实验环境,应用理论模型实时计算出与热环境相对应的所需出汗率和体温的变化,应用NEWTON暖体假人模拟人体被动升温、显性出汗的交互过程。在热辐射温度为30~40 ℃的热环境中,研究人体体温、出汗率的变化,并从体温过高、出汗脱水两个角度判断人体所处的安全状态。结果表明,该方法能够模拟人体在高温环境下的热生理响应,并对人体安全情况作出评价。

关键词 暖体假人,热生理模型,实验模拟,安全评价
Abstract:Human safety protection in hot environments is required in many fields, such as high-temperature industrial operations and fire fighting. This paper presents a method to estimate human safety in hot environments. The method combines the bio-heat theoretical model and experimental simulations. The hot experimental environment uses a high-temperature cabin heated by an infrared thermal radiation board. The body temperature and required perspiration rate are calculated by the theoretical model for the real-time experimental parameters. The balance between the warming and the sensible heat released by perspiration is simulated using a NEWTON thermal manikin. The bio-heat response of the body temperature and the perspiration rate due to the heating is studied for 30-40 oC thermal environments. The human safety is estimated for both hyperthermia and dehydration. The results show that this method can accurately simulate the human thermal physiological response and estimate the human safety status in hot environments.

Key wordsthermal manikinbio-heat modelexperimental simulationsafety estimation
收稿日期: 2013-06-24 出版日期: 2015-04-16
ZTFLH: 
基金资助:
引用本文:
张超, 秦挺鑫, 吴甦, 王金玉. 基于暖体假人的热环境下人体安全评价[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 264-269.
Chao ZHAN, Tingxin QIN, Su WU, Jinyu WANG. Human safety estimates in hot environments based on a thermal manikin. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2014, 54(2): 264-269.
链接本文:
http://jst.tsinghuajournals.com/CN/ http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2014/V54/I2/264


图表:
热环境下人体安全实验平台结构及逻辑关系
NEWTON暖体假人的整体结构和功能关系
高温环境下人体安全研究实验流程
不同热辐射温度时直肠温度tre的变化
热辐射
温度/℃
生理上限
时间/min
安全上限
时间/min
耐受上限
时间/min
30
32
34
36 69 83 95
38 64 74 83
40 60 71 81


不同热辐射温度下由Tre判断的人体危险时间
不同热辐射温度时出汗率s的变化
热辐射温度/ ℃ 危险时间/min
30 47
32 39
34 36
36 33
38 35
40 33


不同热辐射温度下由s判断的的危险时间
热辐射温度/ ℃ 危险时间/min 热危害时间/min
30 127 662
32 95 606
34 52 521


由Σs判断的不同热辐射温度下的危险时间


参考文献:
[1] Fiala D, Lomas K J, Stohrer M. Computer prediction of human thermoregulatory and temperature response to a wide range of environmental conditions[J]. International Journal of Biometeorology, 2001, 45(3): 143-159.
[2] Stolwijk J A J. A Matheatical Model of Physiological Temperature Regulation in Man [R].NASA CR-1855, 1971.
[3] Huizenga C Zhang H, Arens E. A model of human physiology and comfort for assessing complex thermal environments[J]. Building and Environment, 2001, 36(6): 691-699.
[4] Tanabe S I, Kobayashi K, Nakano J. Evaluation of thermal comfort using combined multi-node thermoregulation (65MN) and radiation models and computational fluid dynamics (CFD)[J].Energy and Buildings, 2002, 34(6): 637-646.
[5] 韩雪峰,翁文国,付明. 高温环境中发汗暖体假人的热生理数值模型[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2012, 52(4): 536-539. HAN Xuefeng, WENG Wenguo, FU Ming. Numerical thermal model of a sweating thermal manikin in a high temperature environment[J]. Jouranl of Tsinghua University: Sci & Tech, 2012, 52(4): 536-539. (in Chinese)
[6] Psikuta A, Richards M, Fiala D. Single-sector thermo physiological human simulator[J]. Physiological Measurement, 2008, 29(2): 181-192.
[7] Holmer I. Thermal manikin history and application[J]. Journal of Applied Physiology, 2004, 92: 614-618.
[8] Coca A, Williams W J, Roberge R J. Effects of fire fighter protective ensembles on mobility and performance[J]. Applied Ergonomics, 2010, 41: 636-641.
[9] 谌玉红, 姜志华, 倪济云, 等. 出汗假人及其应用[J]. 天津工业大学学报, 2004, 23(5): 102-104. SHEN Yuhong, JIANG Zhihua, Ni Jiyun, et al.Sweating manikin and its application[J]. Journal of Tianjin Polytechnic University, 2004, 23(5): 102-104. (in Chinese)
[10] Zhu F L, Ma S, Zhang W Y. Study of skin model and geometry effects on thermal performance of thermal protective fabrics[J]. Heat Mass Transfer, 2008, 45: 99-105 .
[11] ISO 7933. Ergonomics of the Thermal Environment: Analytical Determination and Interpretation of Heat Stress Using Calculation of the Predicted Heat Strain[S]. Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization, 2004 .
[12] 涂岱昕. 高温定向强热辐射环境下人体生理表现参数的实验与评价研究 [D]. 天津: 天津大学, 2010. TU Daixin. Experiment and Research on the Human Physiological Parameters in Hot Environment with Strong Radiant Heat of Fixed Direction [D]. Tianjin: Tianjin University, 2010. (in Chinese)
[13] 吕石磊. 极端热环境下人体热耐受力研究 [D]. 天津: 天津大学, 2007. Lu Shilei. Research on Human Heat Tolerance under Extreme Heat Environment [D]. Tianjin: Tianjin University, 2007. (in Chinese)
[14] Sawka M N, Pandolf K B. Effects of Body Water Loss on Physiological Function and Exercise Performance [M]. Gisolfi C, Lamb D, eds. Fluid Homeostasis during Exercise. Traverse City, MI, USA: Benchmark Press, 1990: 1-38.


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[1]王振波, 张君, 罗孙一鸣. 喷水法成型纤维网增强水泥基板材抗弯性能[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(5): 551-555.
[2]蔡志鹏, 吴健栋, 汤之南, 张伯奇, 潘际銮, 刘霞. 汽轮机焊接转子接头低周疲劳过程损伤变量的复合分析法[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 178-184.
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[6]窦福印, 王鹏, 余兴龙. 提高角度法SPR检测系统分辨率的方法[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 202-206.
[7]孟凡, 董永贵. 基于方波脉冲激励的电导率测量方法[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 207-211.
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[11]冯蘅, 李清海, 甘超, 蒙爱红, 张衍国. 循环流化床返料装置1维动力学模型[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 229-234.
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[13]AbdoulayeCoulibaly, 林曦鹏, 毕景良, 柯道友. 过冷池沸腾中气泡聚并对壁面换热影响的实验研究[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 240-246.
[14]杨倩鹏, 陈晓东, 田磊, 史琳. 微生物污垢的生长模型与受力分析[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 247-252.
[15]张丰豪, 何榕. 刚体有限元方法改进及其在风力机动力学中的应用[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 253-258.

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