井下紧急避险设施内人体舒适度预测模型

工程科学学报，第37卷，第5期：551555,2015年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.5:551-555,May 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.002:http://journals.ustb.edu.cn 井下紧急避险设施内人体舒适度预测模型 汪澍，金龙哲四，欧盛南，李芳玮，栗婧 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:lzin@ustb.cdu.cn 摘要长时间处在不舒适的环境中，将对人体健康产生严重影响。井下紧急避险设施中，影响避险人员舒适性感觉的因素 众多，本文选取氧气含量、二氧化碳含量、温度和相对湿度四个关键因素为研究对象，采用分级评分法，进行了系列真人模拟 生存试验，获得了单一环境变量和多个环境变量条件下总计169组有效人体舒适度投票数据.经统计分析，分别得出了密闭 舱室内单一环境变量与人体舒适度感觉之间的函数关系以及避险人员舒适度预测模型，分析了氧气含量、二氧化碳含量、温 度和相对湿度的允许范围及调控原则. 关键词矿山救援：井下：安全工程；舒适度：分级评分；预测模型 分类号TD774 Prediction model of human comfort index in underground emergency refuge facilities WANG Shu,JIN Longzhe,OU Sheng-nan,LI Fang-ei,LI Jing School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:ljin@ustb.edu.cn ABSTRACT The psychology and physiology of miners would be damaged if they continue to stay in uncomfortable environments for long time.When waiting for rescue in emergency refuge facilities,numerous factors can affect comfortable feelings of miners.In this paper,four crucial factors,including oxygen concentration,carbon dioxide concentration,temperature and relative humidity,were selected as the study objects.Adopting the grading method,a series of human live experiments were performed to obtain vote data under both a single and multiple environmental variables.The functional relation between human comfort degree and environmental variables were got by statistically analyzing these vote data.A mathematical model was proposed to predict the human comfort degree of miners in refuge confined space.The allowable ranges of oxygen level,carbon dioxide level,temperature and relative humidity along with their controlling principles were discussed in the end. KEY WORDS mine rescue:underground;safety engineering:comfort index:grading:prediction models 井下密闭救援空间在实施救援过程中，必须保证 设施环境控制系统必须解决的关键问题冈，根据前期 与外部有害环境隔绝，其内部生存环境的维持有两种 试验和现场经验，井下密闭救援空间的基本生存条件 方式：一是利用矿井压风系统向空间内不断输送新鲜 除了要能够维持避险人员的生命，还应考虑人体的舒 空气：二是依靠储存的药剂、冷量吸收人体和设备散发 适度感觉，即避险人员对所处环境的主观感觉.当人 的各种气体、热、粉尘等，使被污染的空气不断循环再 长时间处于不舒适状态，可能会导致生理和心理的恶 生，维持适于生存的环境0.密闭救援空间能够储存 性变化，从而影响人体健康.因此有必要开展密闭数 的资源有限，如何合理分配有限的资源，保证避险人员 援空间内人体舒适度的研究，为紧急避险设施环境控 的基本生存条件，尽可能地延长生存时间是紧急避险 制系统奠定必要的理论基础. 收稿日期：201403-11 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK09B07)

工程科学学报，第 37 卷，第 5 期: 551--555，2015 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 5: 551--555，May 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 05． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 井下紧急避险设施内人体舒适度预测模型 汪 澍，金龙哲，欧盛南，李芳玮，栗 婧 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: lzjin@ ustb． edu． cn 摘 要 长时间处在不舒适的环境中，将对人体健康产生严重影响。井下紧急避险设施中，影响避险人员舒适性感觉的因素 众多，本文选取氧气含量、二氧化碳含量、温度和相对湿度四个关键因素为研究对象，采用分级评分法，进行了系列真人模拟 生存试验，获得了单一环境变量和多个环境变量条件下总计 169 组有效人体舒适度投票数据． 经统计分析，分别得出了密闭 舱室内单一环境变量与人体舒适度感觉之间的函数关系以及避险人员舒适度预测模型，分析了氧气含量、二氧化碳含量、温 度和相对湿度的允许范围及调控原则． 关键词 矿山救援; 井下; 安全工程; 舒适度; 分级评分; 预测模型 分类号 TD77 + 4 Prediction model of human comfort index in underground emergency refuge facilities WANG Shu，JIN Long-zhe ，OU Sheng-nan，LI Fang-wei，LI Jing School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: lzjin@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The psychology and physiology of miners would be damaged if they continue to stay in uncomfortable environments for long time． When waiting for rescue in emergency refuge facilities，numerous factors can affect comfortable feelings of miners． In this paper，four crucial factors，including oxygen concentration，carbon dioxide concentration，temperature and relative humidity，were selected as the study objects． Adopting the grading method，a series of human live experiments were performed to obtain vote data under both a single and multiple environmental variables． The functional relation between human comfort degree and environmental variables were got by statistically analyzing these vote data． A mathematical model was proposed to predict the human comfort degree of miners in refuge confined space． The allowable ranges of oxygen level，carbon dioxide level，temperature and relative humidity along with their controlling principles were discussed in the end． KEY WOＲDS mine rescue; underground; safety engineering; comfort index; grading; prediction models 收稿日期: 2014--03--11 基金项目: “十二五”国家科技支撑计划资助项目( 2012BAK09B07) 井下密闭救援空间在实施救援过程中，必须保证 与外部有害环境隔绝，其内部生存环境的维持有两种 方式: 一是利用矿井压风系统向空间内不断输送新鲜 空气; 二是依靠储存的药剂、冷量吸收人体和设备散发 的各种气体、热、粉尘等，使被污染的空气不断循环再 生，维持适于生存的环境［1］． 密闭救援空间能够储存 的资源有限，如何合理分配有限的资源，保证避险人员 的基本生存条件，尽可能地延长生存时间是紧急避险 设施环境控制系统必须解决的关键问题［2］． 根据前期 试验和现场经验，井下密闭救援空间的基本生存条件 除了要能够维持避险人员的生命，还应考虑人体的舒 适度感觉，即避险人员对所处环境的主观感觉． 当人 长时间处于不舒适状态，可能会导致生理和心理的恶 性变化，从而影响人体健康． 因此有必要开展密闭救 援空间内人体舒适度的研究，为紧急避险设施环境控 制系统奠定必要的理论基础．

·552· 工程科学学报，第37卷，第5期 目前，国内外对航天器、潜艇、地下建筑物、高速列 此，本文选取了氧气含量、二氧化碳含量、环境温度和 车等密闭或相对密闭空间的舒适性影响因素进行的大 相对湿度四个关键因素为研究对象，通过系列真人模 量研究表明，除了人自身的生理心理因素外，环境因素 拟生存试验，采用分级评分法将受试人员的主观感觉 如空气品质、温度、湿度、压力、风速、照度、噪声、振动 转化为量化的数字，获得了单一环境变量和多个环境 和空间大小均会对人的舒适程度产生影响 变量条件下总计169组有效人体舒适度投票数据，在 井下密闭空间中，氧气是人体进行新陈代谢的关 此基础上取得了密闭舱室内单一环境变量与人体舒适 键物质，氧含量过高或过低都会使人体产生不舒适的 度感觉之间的函数关系以及避险人员舒适度预测 感觉，甚至威胁生命安全.自备氧供氧时，氧气的供给 模型 和调节是由避险人员根据环境和避险人数来手动控制 1试验部分 的，容易出现氧浓度偏高或偏低的情况：有害气体主要 由人体代谢和设备产生，种类多达三百余种（如C0、 1.1试验装备 C02、H2、NH,、FF2、苯和总烃)四，其中二氧化碳的 本文试验分为单因素和多因素舒适度影响试验 产生量最大，如不采取有效措施，其含量将迅速攀升， 单因素试验在如图1(a)所示的模拟舱中进行；多因素 危害人体健康：温度和湿度主要影响人体的热舒适感 耦合影响试验在模拟巷道矿用救生舱内进行，如图1 觉，环境温度或湿度过高会破坏人体自身的热平衡，严 (b),以模拟井下实际环境.采用K70型煤矿安全生 重时可导致中暑甚至死亡@：压力、风速、照度、噪声、 产监控系统实时监测舱内氧气、二氧化碳、温度和相对 振动、空间大小等因素波动范围小，暂不做考虑.因 湿度等环境参数的变化情况. a b 图1试验设备.(a)模拟舱：(b)矿用救生舱 Fig.I Experimental apparatus:(a)simulation chamber:(b)coal-mine refuge chamber 1.2试验方法 度<30℃，相对湿度<70%，调节舱内二氧化碳体积 本文采用的分级评分法参照ASHRAE热感觉标 分数为0.1%~3%： 度.考虑到评分等级过多，受试人员可能出现判断 (3)控制舱内氧气体积分数为20%~22%，二氧 混淆，造成试验误差，且本文更关注人体不舒适的感 化碳体积分数<0.8%，在舱内相对湿度分别为70%、 觉，因此将受试人员的舒适度感觉分为四个标度，分别 75%、80%、85%和90%五种条件下，调节控制舱内温 为舒适或无感觉(0分)、有点不舒服(-1分)、不舒服 度为25~37℃ (-2分)和非常不舒服(-3分).试验期间受试人员 1.2.2多因素对人体舒适度的耦合影响效应 定时根据自己的感受勾出最能描述当时感受程度的数 避险人员在密闭救援空间内的舒适度感觉受到上 字，同时通过监控系统实时记录密闭舱室内氧气、二氧 述四个因素的共同影响，但上述各因素的影响程度不 化碳、温度、相对湿度等数据. 同.在进行综合评价时，需要确定各因素对总体感觉 1.2.1单因素条件对人体舒适度的影响试验 的贡献，即权重.因此，选取了8名健康成年男子进行 选取8名健康成年男子为一组，试验人员进入模 96h真人生存试验，试验期间试验人员定期根据自身 拟样舱后，关闭舱门，待试验人员适应后，缓慢调节舱 舒适度感觉进行投票，同时实时记录舱内氧气含量、二 内单一因素至目标值，控制其他环境因素在正常范围 氧化碳含量、温度和相对湿度 内，保持至少30mi,由试验人员通过投票记录不同试1.3数据处理方法 验条件下自身的舒适度感觉.共进行三大组试验，具 1.3.1投票数据处理方法 体试验条件如下： 为消除试验个体间的差异影响，对每一试验条件 (1)控制舱内二氧化碳体积分数<0.8%，温度 下的投票数据，将每个标度I,得分作为等级系数，对该 <30℃，相对湿度<70%，调节舱内氧气体积分数为 标度投票的受试人员的比例心：作为权重，二者的乘积 15%-23%; 即为相应条件下该标度的等效得分，同一试验条件下 (2)控制舱内氧气体积分数为20%~22%，温 所有等效得分的总和即为该试验条件下的舒适度综合

工程科学学报，第 37 卷，第 5 期 目前，国内外对航天器、潜艇、地下建筑物、高速列 车等密闭或相对密闭空间的舒适性影响因素进行的大 量研究表明，除了人自身的生理心理因素外，环境因素 如空气品质、温度、湿度、压力、风速、照度、噪声、振动 和空间大小均会对人的舒适程度产生影响［3--8］． 井下密闭空间中，氧气是人体进行新陈代谢的关 键物质，氧含量过高或过低都会使人体产生不舒适的 感觉，甚至威胁生命安全． 自备氧供氧时，氧气的供给 和调节是由避险人员根据环境和避险人数来手动控制 的，容易出现氧浓度偏高或偏低的情况; 有害气体主要 由人体代谢和设备产生，种类多达三百余种( 如 CO、 CO2、H2、NH3、F11、F12、苯和总烃) ［9］，其中二氧化碳的 产生量最大，如不采取有效措施，其含量将迅速攀升， 危害人体健康; 温度和湿度主要影响人体的热舒适感 觉，环境温度或湿度过高会破坏人体自身的热平衡，严 重时可导致中暑甚至死亡［10］; 压力、风速、照度、噪声、 振动、空间大小等因素波动范围小，暂不做考虑． 因 此，本文选取了氧气含量、二氧化碳含量、环境温度和 相对湿度四个关键因素为研究对象，通过系列真人模 拟生存试验，采用分级评分法将受试人员的主观感觉 转化为量化的数字，获得了单一环境变量和多个环境 变量条件下总计 169 组有效人体舒适度投票数据，在 此基础上取得了密闭舱室内单一环境变量与人体舒适 度感觉之间的函数关系以及避险人员舒适度预测 模型． 1 试验部分 1. 1 试验装备 本文试验分为单因素和多因素舒适度影响试验． 单因素试验在如图 1( a) 所示的模拟舱中进行; 多因素 耦合影响试验在模拟巷道矿用救生舱内进行，如图 1 ( b) ，以模拟井下实际环境． 采用 KJ70 型煤矿安全生 产监控系统实时监测舱内氧气、二氧化碳、温度和相对 湿度等环境参数的变化情况． 图 1 试验设备． ( a) 模拟舱; ( b) 矿用救生舱 Fig． 1 Experimental apparatus: ( a) simulation chamber; ( b) coal-mine refuge chamber 1. 2 试验方法 本文采用的分级评分法参照 ASHＲAE 热感觉标 度［11］． 考虑到评分等级过多，受试人员可能出现判断 混淆，造成试验误差，且本文更关注人体不舒适的感 觉，因此将受试人员的舒适度感觉分为四个标度，分别 为舒适或无感觉( 0 分) 、有点不舒服( － 1 分) 、不舒服 ( － 2 分) 和非常不舒服( － 3 分) ． 试验期间受试人员 定时根据自己的感受勾出最能描述当时感受程度的数 字，同时通过监控系统实时记录密闭舱室内氧气、二氧 化碳、温度、相对湿度等数据． 1. 2. 1 单因素条件对人体舒适度的影响试验 选取 8 名健康成年男子为一组，试验人员进入模 拟样舱后，关闭舱门，待试验人员适应后，缓慢调节舱 内单一因素至目标值，控制其他环境因素在正常范围 内，保持至少 30 min，由试验人员通过投票记录不同试 验条件下自身的舒适度感觉． 共进行三大组试验，具 体试验条件如下: ( 1) 控制舱内二氧化碳体积分数 ＜ 0. 8% ，温度 ＜ 30 ℃，相对湿度 ＜ 70% ，调节舱内氧气体积分数为 15% ～ 23% ; ( 2) 控制舱内氧气体积分数为 20% ～ 22% ，温 度 ＜ 30 ℃，相对湿度 ＜ 70% ，调节舱内二氧化碳体积 分数为 0. 1% ～ 3% ; ( 3) 控制舱内氧气体积分数为 20% ～ 22% ，二氧 化碳体积分数 ＜ 0. 8% ，在舱内相对湿度分别为 70% 、 75% 、80% 、85% 和 90% 五种条件下，调节控制舱内温 度为 25 ～ 37 ℃ ． 1. 2. 2 多因素对人体舒适度的耦合影响效应 避险人员在密闭救援空间内的舒适度感觉受到上 述四个因素的共同影响，但上述各因素的影响程度不 同． 在进行综合评价时，需要确定各因素对总体感觉 的贡献，即权重． 因此，选取了 8 名健康成年男子进行 96 h 真人生存试验，试验期间试验人员定期根据自身 舒适度感觉进行投票，同时实时记录舱内氧气含量、二 氧化碳含量、温度和相对湿度． 1. 3 数据处理方法 1. 3. 1 投票数据处理方法 为消除试验个体间的差异影响，对每一试验条件 下的投票数据，将每个标度 Ii得分作为等级系数，对该 标度投票的受试人员的比例 wi作为权重，二者的乘积 即为相应条件下该标度的等效得分，同一试验条件下 所有等效得分的总和即为该试验条件下的舒适度综合 · 255 ·

汪澍等：井下紧急避险设施内人体舒适度预测模型 ·553 得分L,即I=∑Iw 分数.氧气舒适度综合得分与氧含量呈二次曲线关 1.3.2数据拟合方法 系，曲线顶点位于(22.7，-0.15)，即氧气体积分数为 利用Matlab软件，采用一元线性回归、一元非线 22.7%时，舒适度综合得分最高，为-0.15. 性回归和多元线性回归法对试验数据进行拟合☒， 潜艇、载人航天器、飞机座舱等密闭空间中，工作 人员需进行精密操作，因此氧气体积分数一般控制在 2试验结果与分析 19%~21%的范围内，尽量接近人体日常所处的大气 2.1氧气含量对人体舒适度感觉的影响分析 环境，以保证工作效率和操作安全性即.井下救援密 图2列出了不同氧气含量条件下受试人员对自身 闭空间中，一方面避险人员在等待救援期间需减少活 舒适度感觉的投票比例.可以看出，舱内氧气体积分 动量，安静等待救援，人体对氧气的耐受下限可适当放 数低于19%时，受试人员的舒适度感觉普遍偏低，且 宽：另一方面富氧条件会使人体呼吸效率、新陈代谢率 有相当比例的不舒服和非常不舒服的感觉产生，主要 相应提高，有毒有害气体、热量等不利因素增多，增加 表现为心率和呼吸频率加快.随着氧气含量上升，人 环境控制系统的处理负荷：同时出于降低火灾风险、爆 体的不适反应逐渐减少，但此时受试人员在狭小舱室 炸风险、人员操作等因素的考虑，本文认为井下救援密 中停留了较长时间，即使氧气含量回升至正常水平，由 闭空间中氧气体积分数可适当放宽至18%~22.5%. 于烦躁情绪对舒适度判断的影响，调查问卷中也出现 2.2二氧化碳含量对人体舒适度感觉的影响分析 了少量不舒适的投票 图4为不同二氧化碳含量下人体舒适度感觉的投 票数据.可以看出，当二氧化碳体积分数低于1%时， 100 日舒适·有点不舒服·不舒服+非常不舒服 受试人员基本无感觉：高于1%后，随二氧化碳含量的 升高，不舒适的投票比例逐渐升高.对投票得分进行 拟合，如图5，可得人体舒适度感觉与环境中二氧化碳 体积分数的关系如下： 40 Io,=-0.542co,+0.239. (2) 式中，Io,为二氧化碳舒适度得分，cco,为密闭舱室内二 氧化碳体积分数 19 氧气体积分数停 需要说明的是，若Io,计算值大于0，则取0. 100 图2不同氧气含量下舒适度投票结果 Fig.2 Vote results at different 0,concentrations 80 任无感觉 2 60 图3为氧气体积分数和受试人员舒适度投票综合 本有点不舒服 巴 ·不舒服 得分的曲线关系.可以看出，氧气体积分数低于18% 40 +非常不舒服 时，受试人员感觉舒适的投票比例明显下降，舒适度综 20 合投票得分均低于-1.对曲线进行拟合，得到人体舒 适度感觉与环境中氧气体积分数的函数关系如下式： 0 05 1.0152.0 2.5 30 1o,=-0.028c8+1.269co,-14.533. (1) 二氧化碳体积分数/% 式中，l。,为氧气舒适度得分，c。,为密闭舱室内氧气体积 图4不同二氧化碳浓度下舒适度投票结果 Fig.4 Vote results at different CO2 concentrations 0.4 研究表明：二氧化碳自身的毒性相当低，但其具有 刺激呼吸的生理效应，二氧化碳体积分数高于1.5% -0.8 时，人体将无意识地增加呼吸深度和频率：若空间中同 -1.2 时存在二氧化碳和一氧化碳，将比单一气体造成更为 3=-0.028x2+1.269x-14.533 R2-0.956 严重的联合损害回。参考中国、美国和英国对潜艇舱 -6 室中二氧化碳最高容许浓度的规定，建议矿井救援 20 15 17 19 21 23 密闭空间内的二氧化碳体积分数宜不高于1%，此条 氧气体积分数% 件对避险人员的生理不会产生不良影响 图3氧气含量对人体舒适度感觉的影响关系 2.3温湿度对人体舒适度感觉的影响分析 Fig.3 Effect of 0,concentration on human comfort degree 图6反映的是不同温湿度条件下受试人员舒适度

汪 澍等: 井下紧急避险设施内人体舒适度预测模型 得分 I，即 I = ∑ Iiwi ． 1. 3. 2 数据拟合方法 利用 Matlab 软件，采用一元线性回归、一元非线 性回归和多元线性回归法对试验数据进行拟合［12］． 2 试验结果与分析 2. 1 氧气含量对人体舒适度感觉的影响分析 图 2 列出了不同氧气含量条件下受试人员对自身 舒适度感觉的投票比例． 可以看出，舱内氧气体积分 数低于 19% 时，受试人员的舒适度感觉普遍偏低，且 有相当比例的不舒服和非常不舒服的感觉产生，主要 表现为心率和呼吸频率加快． 随着氧气含量上升，人 体的不适反应逐渐减少，但此时受试人员在狭小舱室 中停留了较长时间，即使氧气含量回升至正常水平，由 于烦躁情绪对舒适度判断的影响，调查问卷中也出现 了少量不舒适的投票． 图 2 不同氧气含量下舒适度投票结果 Fig． 2 Vote results at different O2 concentrations 图 3 氧气含量对人体舒适度感觉的影响关系 Fig． 3 Effect of O2 concentration on human comfort degree 图 3 为氧气体积分数和受试人员舒适度投票综合 得分的曲线关系． 可以看出，氧气体积分数低于 18% 时，受试人员感觉舒适的投票比例明显下降，舒适度综 合投票得分均低于 － 1． 对曲线进行拟合，得到人体舒 适度感觉与环境中氧气体积分数的函数关系如下式: IO2 = － 0. 028c 2 O2 + 1. 269cO2 － 14. 533． ( 1) 式中，IO2 为氧气舒适度得分，cO2 为密闭舱室内氧气体积 分数． 氧气舒适度综合得分与氧含量呈二次曲线关 系，曲线顶点位于( 22. 7，－ 0. 15) ，即氧气体积分数为 22. 7% 时，舒适度综合得分最高，为 － 0. 15． 潜艇、载人航天器、飞机座舱等密闭空间中，工作 人员需进行精密操作，因此氧气体积分数一般控制在 19% ～ 21% 的范围内，尽量接近人体日常所处的大气 环境，以保证工作效率和操作安全性［13］． 井下救援密 闭空间中，一方面避险人员在等待救援期间需减少活 动量，安静等待救援，人体对氧气的耐受下限可适当放 宽; 另一方面富氧条件会使人体呼吸效率、新陈代谢率 相应提高，有毒有害气体、热量等不利因素增多，增加 环境控制系统的处理负荷; 同时出于降低火灾风险、爆 炸风险、人员操作等因素的考虑，本文认为井下救援密 闭空间中氧气体积分数可适当放宽至 18% ～ 22. 5% ． 2. 2 二氧化碳含量对人体舒适度感觉的影响分析 图 4 为不同二氧化碳含量下人体舒适度感觉的投 票数据． 可以看出，当二氧化碳体积分数低于 1% 时， 受试人员基本无感觉; 高于 1% 后，随二氧化碳含量的 升高，不舒适的投票比例逐渐升高． 对投票得分进行 拟合，如图 5，可得人体舒适度感觉与环境中二氧化碳 体积分数的关系如下: ICO2 = － 0. 542cCO2 + 0. 239． ( 2) 式中，ICO2 为二氧化碳舒适度得分，cCO2 为密闭舱室内二 氧化碳体积分数． 需要说明的是，若 ICO2 计算值大于 0，则取 0． 图 4 不同二氧化碳浓度下舒适度投票结果 Fig． 4 Vote results at different CO2 concentrations 研究表明: 二氧化碳自身的毒性相当低，但其具有 刺激呼吸的生理效应，二氧化碳体积分数高于 1. 5% 时，人体将无意识地增加呼吸深度和频率; 若空间中同 时存在二氧化碳和一氧化碳，将比单一气体造成更为 严重的联合损害［9］． 参考中国、美国和英国对潜艇舱 室中二氧化碳最高容许浓度的规定［14］，建议矿井救援 密闭空间内的二氧化碳体积分数宜不高于 1% ，此条 件对避险人员的生理不会产生不良影响． 2. 3 温湿度对人体舒适度感觉的影响分析 图 6 反映的是不同温湿度条件下受试人员舒适度 · 355 ·

·554· 工程科学学报，第37卷，第5期 0.4 0.5 0 0 -0.5 -0.4 4▣-1.0 -1.5 母相对湿度70% -0.8 女相对湿度75% J=-0.542x+0.239 -2.0 ·相对湿度80% -1.2 2-0.948 +相对湿度85% -2.5 +相对湿度90% -1.6 0.5 1.0 1.52.0 2.5 -3.0 5 27 29 31 33 35 二氧化碳体积分数% 温度℃ 图5二氧化碳浓度对人体舒适度感觉的影响 图6不同温湿度条件下舒适度得分 Fig.5 Effect of CO,concentration on human comfort degree Fig.6 Vote score at different temperatures and relative humidities 的综合得分情况.当舱内温度低于28℃时，相对湿度 控制在31℃和80%以内时，舒适度综合得分均高于 对人的热舒适感觉影响不大，受试人员普遍感觉舒适， -1,若条件允许，避险空间内的温度和相对湿度宜分 此时人体主要通过皮肤表层的血管扩张、增加血液流 别控制在31℃和80%以内 量等方式增加体表的辐射和传导对流散热以维持自身 对上述数据进行回归分析，得到人体舒适度感觉 热平衡，因此相对湿度的增大对人体热平衡过程无显 得分与环境温度和相对湿度的函数关系为 著影响；28℃之后，图中各条曲线逐渐区分开，说明相 1,=-ea0s4Ta01le-l.6+3,R=0.9335. (3) 对湿度对舒适度感觉的影响逐渐增大，相同温度时，相 式中：1，为温湿度舒适度得分：T为密闭舱室内环境温 对湿度越大，人越容易感到闷热。这是因为环境温度 度，℃；φ为密闭舱室内环境相对湿度，R为拟合系数. 的升高导致人体通过对流和辐射散发的热量减少，为 若1，计算值大于0，则取0. 维持体内热平衡，汗腺的活动会显著增加，蒸发散热逐 2.4救援密闭空间内避险人员舒适度预测模型 渐成为主要散热方式，这种情况下环境相对湿度的升 表1列出了真人生存试验期间受试人员的舒适度 高会妨碍汗液的蒸发，使人体的散热量小于产热量，体 感觉投票平均值I及相应的环境参数.采用式(1)~ 内蓄热难以散发，进而导致体温升高，人体就会感到闷 式(3)，将监测得到的各环境参数数据转化为单一因 热不舒适.如果不加以控制，当体温上升到38.3℃以 素影响下的人体舒适度得分Io,Im,和I,并通过多元 上，人体会出现轻症中暑：上升到40℃时，出汗停止， 线性回归分析确定1o,1,和I,权重，从而得到避险人 至43.5℃人将死亡5-0 员热舒适度综合指数I与分指数1.1m,和I,的关系为 与氧气和二氧化碳两个因素相比，救生舱内的热 1=1.151o+0.941co,+0.811 (4) 舒适度指标在保障人体生命安全的前提下可以做较大 由此得出井下救援密闭空间内避险人员的舒适度预测 幅度的降低，从而降低温湿度控制系统和整个环境控 模型： 制系统的能耗，这对延长救援保障时间是非常有利的 1=-0.032c6+1.46co,-0.51cm,- 结合受试人员投票数据，当密闭舱室环境控制温度在 0.81ea.0s47a01e-l16-14.06. (5) 35℃、相对湿度在85%以内时，舒适度综合得分基本 式(5)直观地反映了氧气、二氧化碳、温度和相对 高于-2，因此确定35℃和85%分别为救援密闭空间 湿度四大关键因素与人体舒适度感觉之间的相关关 的温度和相对湿度耐受上限：当温度和相对湿度分别 系，各因素所占权重的大小依次为氧气>二氧化碳> 表1真人生存试验舒适度投票结果 Table 1 Vote results of human live experiment 编号 co2/% 102 cc02/% Ico2 T/℃ φ/% 20.82 -0.25 0.14 0.00 22.31 75 0.00 -0.25 19.31 -0.47 0.32 0.00 26.75 79 -0.17 0.00 19.38 -0.46 0.39 0.00 26.94 78 -0.17 -0.25 4 19.44 -0.45 0.76 -0.17 26.82 79 -0.18 -0.25 20.00 -0.35 0.66 -0.12 27.19 80 -0.28 -0.50 6 19.53 -0.43 0.54 -0.05 26.69 -0.09 -0.25 > 19.50 -0.43 0.60 -0.09 26.44 多 -0.12 -0.25 20.07 -0.34 0.46 -0.01 26.63 80 -0.18 -0.50 9 20.78 -0.25 0.59 -0.08 27.00 81 -0.28 -1.00 10 21.54 -0.19 0.60 -0.09 27.94 8 -0.45 -0.50 T T t 1 下 g 。 ■8

工程科学学报，第 37 卷，第 5 期 图 5 二氧化碳浓度对人体舒适度感觉的影响 Fig． 5 Effect of CO2 concentration on human comfort degree 的综合得分情况． 当舱内温度低于 28 ℃ 时，相对湿度 对人的热舒适感觉影响不大，受试人员普遍感觉舒适， 此时人体主要通过皮肤表层的血管扩张、增加血液流 量等方式增加体表的辐射和传导对流散热以维持自身 热平衡，因此相对湿度的增大对人体热平衡过程无显 著影响; 28 ℃之后，图中各条曲线逐渐区分开，说明相 对湿度对舒适度感觉的影响逐渐增大，相同温度时，相 对湿度越大，人越容易感到闷热． 这是因为环境温度 的升高导致人体通过对流和辐射散发的热量减少，为 维持体内热平衡，汗腺的活动会显著增加，蒸发散热逐 渐成为主要散热方式，这种情况下环境相对湿度的升 高会妨碍汗液的蒸发，使人体的散热量小于产热量，体 内蓄热难以散发，进而导致体温升高，人体就会感到闷 热不舒适． 如果不加以控制，当体温上升到 38. 3 ℃ 以 上，人体会出现轻症中暑; 上升到 40 ℃ 时，出汗停止， 至 43. 5 ℃人将死亡［15--16］． 与氧气和二氧化碳两个因素相比，救生舱内的热 舒适度指标在保障人体生命安全的前提下可以做较大 幅度的降低，从而降低温湿度控制系统和整个环境控 制系统的能耗，这对延长救援保障时间是非常有利的． 结合受试人员投票数据，当密闭舱室环境控制温度在 35 ℃、相对湿度在 85% 以内时，舒适度综合得分基本 高于 － 2，因此确定 35 ℃ 和 85% 分别为救援密闭空间 的温度和相对湿度耐受上限; 当温度和相对湿度分别 图 6 不同温湿度条件下舒适度得分 Fig． 6 Vote score at different temperatures and relative humidities 控制在 31 ℃ 和 80% 以内时，舒适度综合得分均高于 － 1，若条件允许，避险空间内的温度和相对湿度宜分 别控制在 31 ℃和 80% 以内． 对上述数据进行回归分析，得到人体舒适度感觉 得分与环境温度和相对湿度的函数关系为 It = － e0. 054T + 0. 011φ － 1. 16 + 3，Ｒ = 0. 9335． ( 3) 式中: It为温湿度舒适度得分; T 为密闭舱室内环境温 度，℃ ; φ 为密闭舱室内环境相对湿度，Ｒ 为拟合系数． 若 It计算值大于 0，则取 0． 2. 4 救援密闭空间内避险人员舒适度预测模型 表 1 列出了真人生存试验期间受试人员的舒适度 感觉投票平均值 I 及相应的环境参数． 采用式( 1) ～ 式( 3) ，将监测得到的各环境参数数据转化为单一因 素影响下的人体舒适度得分 IO2 、ICO2 和 It，并通过多元 线性回归分析确定 IO2 、ICO2 和 It权重，从而得到避险人 员热舒适度综合指数 I 与分指数 IO2 、ICO2 和 It的关系为 I = 1. 15IO2 + 0. 94ICO2 + 0. 81It ． ( 4) 由此得出井下救援密闭空间内避险人员的舒适度预测 模型: I = － 0. 032c 2 O2 + 1. 46cO2 － 0. 51cCO2 － 0. 81e0. 054T + 0. 011φ － 1. 16 － 14. 06． ( 5) 式( 5) 直观地反映了氧气、二氧化碳、温度和相对 湿度四大关键因素与人体舒适度感觉之间的相关关 系，各因素所占权重的大小依次为氧气 ＞ 二氧化碳 ＞ 表 1 真人生存试验舒适度投票结果 Table 1 Vote results of human live experiment 编号 cO2 /% IO2 cCO2 /% ICO2 T /℃ φ/% It I 1 20. 82 － 0. 25 0. 14 0. 00 22. 31 75 0. 00 － 0. 25 2 19. 31 － 0. 47 0. 32 0. 00 26. 75 79 － 0. 17 0. 00 3 19. 38 － 0. 46 0. 39 0. 00 26. 94 78 － 0. 17 － 0. 25 4 19. 44 － 0. 45 0. 76 － 0. 17 26. 82 79 － 0. 18 － 0. 25 5 20. 00 － 0. 35 0. 66 － 0. 12 27. 19 80 － 0. 28 － 0. 50 6 19. 53 － 0. 43 0. 54 － 0. 05 26. 69 77 － 0. 09 － 0. 25 7 19. 50 － 0. 43 0. 60 － 0. 09 26. 44 79 － 0. 12 － 0. 25 8 20. 07 － 0. 34 0. 46 － 0. 01 26. 63 80 － 0. 18 － 0. 50 9 20. 78 － 0. 25 0. 59 － 0. 08 27. 00 81 － 0. 28 － 1. 00 10 21. 54 － 0. 19 0. 60 － 0. 09 27. 94 81 － 0. 45 － 0. 50 … …………………… · 455 ·

汪澍等：井下紧急避险设施内人体舒适度预测模型 ·555 温湿度，氧气含量和二氧化碳含量所占的权重较大，对 工程设计系统参量的研究.航天医学与医学工程，1991,4 人体感觉的影响比较显著，其限值需相对严格控制. (2):109) ] Cui D X,Qi Z N,Wang X Z.Effect of temperature,humidity, 温湿度的波动对整体舒适度感觉的影响比较小，在保 pressure in cabin on exchange of human with environment.Space 障人体生命安全的前提下可以做较大幅度的降低，以 Med Med Eng,1996,9(1)42 降低环境控制系统的能耗. (崔代秀，祁章年，王宪章.座舱温、湿度及压力改变对人体 在面临救援负荷突然增大或其他突发情况时，可 同环境热交换的影响.航天医学与医学工程，1996,9(1)： 适当损失避险人员的舒适度感觉，通过本预测模型合 42) 理调整密闭空间环境参数的限值，合理分配资源，最大 [6]Zhang X J,Lian Z W,Lan L.Improving measures of thermal comfort and air quality in submarine cabin.Chin Ship Res, 限度地发挥环境控制系统的生命保障功能，从而赢得 2012,7(4):11 宝贵的救援时间 (张晓静，连之伟，兰丽.改善潜艇舱室热舒适和空气品质的 技术探讨.中国舰船研究，2012,7(4)：11) 3结论 ] Yang Y Z,Yu YY,Wang Y H,et al.Air quality and environ- (1)通过模拟生存试验，采用分级评分法，确定了 mental comfort level of passengers on Guangzhou-Tibet train. South China J Prev Med,2011,37 (4):14 密闭舱室内单一环境变量（包括氧气、二氧化碳、温度 (杨裕桢，于莹莹，王有珩，等.广藏列车空气质量及乘客主 和相对湿度)与人体舒适度感觉之间的函数关系 观舒适度的分析.华南预防医学，2011,37(4)：14) (2)通过模拟生存试验投票数据，确定了救援密 8]Chen X.Research of Comprehensite Evaluation Model on Riding 闭空间内四大环境参数的允许范围，分别为氧气体积 Comfort of Highspeed Train [Dissertation].Chengdu:Southwest 分数18%~22.5%，二氧化碳体积分数≤1%，温度≤ Jiaotong University,2010 (陈样.高速铁路客车乘坐舒适度综合评价模型研究[学位论 35℃，相对湿度≤85%. 文].成都：西南交通大学，2010) (3)通过96h真人生存试验期间受试人员的舒适 [9]Li X T,Shi W X.Built Enrironment Science.Beijing:China 度感觉投票平均值及相应的环境参数，采用客观赋权 Construction Industry Press,2006 法确定了各单因素的权重大小依次为氧气、二氧化碳 (李先庭，石文星.人工环境学.北京：中国建筑工业出版社， 和温湿度，对氧气和二氧化碳含量需相对严格控制，温 2006) 湿度所占权重较小，在保障人体生命安全的前提下可 [10]Peng G M.A study on the cabin atmosphere control system of AIP submarines.Chin J Ship Res,2006,1 (2):62 适当降低其限值 (彭光明.AP潜艇舱室大气环境控制系统研究.中国舰船 (4)在面临救援负荷突然增大或其他突发情况 研究，2006,1(2)：62) 时，可适当损失避险人员的舒适度感觉，通过本预测模 11] ANSI/ASHRAE Standard 552004.Thermal Enrironmental Con- 型合理调整密闭空间环境参数的限值，合理分配资源， ditions for Human Occupancy.Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-conditioning Engineers,Inc., 最大限度地发挥环境控制系统的生命保障功能，从而 2004 赢得宝贵的救援时间. [12]Hu Y H,He S H.Comprehensire Estimate Method.Beijing:Sci- ence Press,2000 参考文献 (胡永宏，贺思辉.综合评价方法.北京：科学出版社， [1]Wang S,Jin LZ,Li J.The present states of overseas mine emer- 2000) gency refuge chamber technology.J Saf Sci Technol,2010,6 [13]Jia SG.Aerospace Hypoxia and Oxygen:Physiology and Protec- (4):119 tion Equipment.People's Military Doctor Press,1989 (汪声，金龙哲，栗婧.国外矿用应急救生舱技术现状.中国 (贾司光.航空航天缺氧与供氧：生理学与防护装备.北京： 安全生产科学技术，2010,6(4)：119) 人民军医出版社，1989) ]Wang S.Research of the Environmental Control and Life Support- [14]Zhu L T.Air-juality Control of Microenironment.Beijing:Bei- ing Technology of Mine Refuge Chamber [Dissertation].Beijing: jing University of Aeronautics and Astronautics Press,2006 University of Science and Technology Beijing,2010 (朱天乐.微环境空气质量控制.北京：北京航空航天大学 (汪声.矿用救生舱环境控制与生命保障技术研究[学位论 出版社，2006) 文].北京：北京科技大学，2010) [15]Chen L.Research on the Influence of Indoor Thermal Environment Lin G P.Life-support Technique for Manned Space.Beijing:Bei- on Body Physiology and Thermal Comfort [Dissertation jing University of Aeronautics and Astronautics Press,2006 Chongqing:Chongqing University,2006 (林桂平载人航天生命保障技术.北京：北京航空航天大学 (陈良.室内热湿环境对人体生理及热舒适影响的实验研究 出版社，2006) [学位论文].重庆：重庆大学，2006) [4]Chen J S,Jia S G,Yu X J,et al.Investigation of parameters for [16]Tian YY,Xu W Q.Experiment of human thermal response in ergonomical designing of environmental controlling system in air- warm and humid environment.HV HC,2003,33 (4):27 craft cabin.Space Med Med Eng,1991,4(2)109 (田元媛，许为全.热湿环境下人体热反应的实验研究.暖 (陈景山，贾司光，虞学军，等。飞机座舱复合因素环控人体 通空调，2003,33(4)：27)

汪 澍等: 井下紧急避险设施内人体舒适度预测模型 温湿度，氧气含量和二氧化碳含量所占的权重较大，对 人体感觉的影响比较显著，其限值需相对严格控制． 温湿度的波动对整体舒适度感觉的影响比较小，在保 障人体生命安全的前提下可以做较大幅度的降低，以 降低环境控制系统的能耗． 在面临救援负荷突然增大或其他突发情况时，可 适当损失避险人员的舒适度感觉，通过本预测模型合 理调整密闭空间环境参数的限值，合理分配资源，最大 限度地发挥环境控制系统的生命保障功能，从而赢得 宝贵的救援时间． 3 结论 ( 1) 通过模拟生存试验，采用分级评分法，确定了 密闭舱室内单一环境变量( 包括氧气、二氧化碳、温度 和相对湿度) 与人体舒适度感觉之间的函数关系． ( 2) 通过模拟生存试验投票数据，确定了救援密 闭空间内四大环境参数的允许范围，分别为氧气体积 分数 18% ～ 22. 5% ，二氧化碳体积分数≤1% ，温度≤ 35 ℃，相对湿度≤85% ． ( 3) 通过 96 h 真人生存试验期间受试人员的舒适 度感觉投票平均值及相应的环境参数，采用客观赋权 法确定了各单因素的权重大小依次为氧气、二氧化碳 和温湿度，对氧气和二氧化碳含量需相对严格控制，温 湿度所占权重较小，在保障人体生命安全的前提下可 适当降低其限值． ( 4) 在面临救援负荷突然增大或其他突发情况 时，可适当损失避险人员的舒适度感觉，通过本预测模 型合理调整密闭空间环境参数的限值，合理分配资源， 最大限度地发挥环境控制系统的生命保障功能，从而 赢得宝贵的救援时间． 参 考 文 献 ［1］ Wang S，Jin L Z，Li J． The present states of overseas mine emer￾gency refuge chamber technology． J Saf Sci Technol，2010，6 ( 4) : 119 ( 汪声，金龙哲，栗婧． 国外矿用应急救生舱技术现状． 中国 安全生产科学技术，2010，6( 4) : 119) ［2］ Wang S． Ｒesearch of the Environmental Control and Life Support￾ing Technology of Mine Ｒefuge Chamber［Dissertation］． Beijing: University of Science and Technology Beijing，2010 ( 汪声． 矿用救生舱环境控制与生命保障技术研究［学位论 文］． 北京: 北京科技大学，2010) ［3］ Lin G P． Life-support Technique for Manned Space． Beijing: Bei￾jing University of Aeronautics and Astronautics Press，2006 ( 林桂平． 载人航天生命保障技术． 北京: 北京航空航天大学 出版社，2006) ［4］ Chen J S，Jia S G，Yu X J，et al． Investigation of parameters for ergonomical designing of environmental controlling system in air￾craft cabin． Space Med Med Eng，1991，4( 2) : 109 ( 陈景山，贾司光，虞学军，等． 飞机座舱复合因素环控人体 工程设计系统参量的研究． 航天医学与医学工程，1991，4 ( 2) : 109) ［5］ Cui D X，Qi Z N，Wang X Z． Effect of temperature，humidity， pressure in cabin on exchange of human with environment． Space Med Med Eng，1996，9( 1) : 42 ( 崔代秀，祁章年，王宪章． 座舱温、湿度及压力改变对人体 同环境热交换的影响． 航天医学与医学工程，1996，9 ( 1) : 42) ［6］ Zhang X J，Lian Z W，Lan L． Improving measures of thermal comfort and air quality in submarine cabin． Chin J Ship Ｒes， 2012，7( 4) : 11 ( 张晓静，连之伟，兰丽． 改善潜艇舱室热舒适和空气品质的 技术探讨． 中国舰船研究，2012，7( 4) : 11) ［7］ Yang Y Z，Yu Y Y，Wang Y H，et al． Air quality and environ￾mental comfort level of passengers on Guangzhou--Tibet train． South China J Prev Med，2011，37( 4) : 14 ( 杨裕祯，于莹莹，王育珩，等． 广藏列车空气质量及乘客主 观舒适度的分析． 华南预防医学，2011，37( 4) : 14) ［8］ Chen X． Ｒesearch of Comprehensive Evaluation Model on Ｒiding Comfort of High-speed Train［Dissertation］． Chengdu: Southwest Jiaotong University，2010 ( 陈祥． 高速铁路客车乘坐舒适度综合评价模型研究［学位论 文］． 成都: 西南交通大学，2010) ［9］ Li X T，Shi W X． Built Environment Science． Beijing: China Construction Industry Press，2006 ( 李先庭，石文星． 人工环境学． 北京: 中国建筑工业出版社， 2006) ［10］ Peng G M． A study on the cabin atmosphere control system of AIP submarines． Chin J Ship Ｒes，2006，1( 2) : 62 ( 彭光明． AIP 潜艇舱室大气环境控制系统研究． 中国舰船 研究，2006，1( 2) : 62) ［11］ ANSI /ASHＲAE Standard 55-2004． Thermal Environmental Con￾ditions for Human Occupancy． Atlanta: American Society of Heating，Ｒefrigerating and Air-conditioning Engineers，Inc． ， 2004 ［12］ Hu Y H，He S H． Comprehensive Estimate Method． Beijing: Sci￾ence Press，2000 ( 胡永宏，贺 思 辉． 综 合 评 价 方 法． 北 京: 科 学 出 版 社， 2000) ［13］ Jia S G． Aerospace Hypoxia and Oxygen: Physiology and Protec￾tion Equipment． People's Military Doctor Press，1989 ( 贾司光． 航空航天缺氧与供氧: 生理学与防护装备． 北京: 人民军医出版社，1989) ［14］ Zhu L T． Air-quality Control of Microenvironment． Beijing: Bei￾jing University of Aeronautics and Astronautics Press，2006 ( 朱天乐． 微环境空气质量控制． 北京: 北京航空航天大学 出版社，2006) ［15］ Chen L． Ｒesearch on the Influence of Indoor Thermal Environment on Body Physiology and Thermal Comfort ［Dissertation］． Chongqing: Chongqing University，2006 ( 陈良． 室内热湿环境对人体生理及热舒适影响的实验研究 ［学位论文］． 重庆: 重庆大学，2006) ［16］ Tian Y Y，Xu W Q． Experiment of human thermal response in warm and humid environment． HV ＆ HC，2003，33( 4) : 27 ( 田元媛，许为全． 热湿环境下人体热反应的实验研究． 暖 通空调，2003，33( 4) : 27) · 555 ·