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摘 要：针对矿井的高温现象，分析了矿工热舒适性的影响因素，归纳出常用均匀环境下热舒适性评价方法，如预测平均热感觉评价PMV、预测不满意百分比PPD、平均辐射温度MRT、有效温度ET和标准有效温度SET，紧接着描述了几种非均匀环境下人体热舒适性评价指标，分别为加权PMV、等效均匀温度EHT、当量温度评价指标EQT、局部热感觉TSV，总结出在非均匀热环境的高温矿井中，可采用加权PMV指标用于矿工的热舒适性评价。
关键词：热舒适性 高温矿井 均匀热环境 非均匀热环境 评价指标
中图分类号：TD72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0073-02
Abstract：According to the high temperature phenomenon of the mine， the influencing factors of the thermal comfort of the miners are analyzed， and the evaluation methods of the thermal comfort in the commonly used uniform environment are summarized. For example， the average thermal sensory evaluation of PMV， the predicted dissatisfaction percentage PPD， the average radiation temperature MRT， the effective temperature ET and the standard effective temperature SET. Then， the evaluation criteria of human thermal comfort in several nonuniform environments are described as weighted PMV， equivalent uniform temperature EHT， equivalent temperature evaluation index EQT， and local thermal sensory TSV， and summed up in nonuniform Thermal environment of high temperature mines， the use of weighted PMV indicators for miners thermal comfort evaluation.
Key Words：Thermal comfort；High temperature mine；Uniform thermal environment；Non-uniform thermal environment；Evaluation index
作为众多行业的基础能源和重要原料，近年来煤炭资源的开发日益增长，世界各个主要采煤国家相继进入了深部开采阶段。随着开采深度的不断加大，地温也在逐渐升高，地热成为矿井的主要热源，矿井热害愈加严重，井下人员的工作环境不断恶化。高温热害已严重影响煤矿的安全生产[1]，使得井下作业人员体能下降、工作效率降低、产生中暑现象，危害职工身体健康，严重时甚至危及生命，即矿井的开采程度与矿工舒适性直接相关。因此，研究高温环境对矿工热舒适性的影响具有非常重要的意义。该文对高温环境下矿工热舒适性进行了分析评价。
1 矿井热环境对矿工舒适性的影响分析
“热舒适性”指人体对热环境的主观热反应，矿工的热舒适性即工人在矿井内作业时，对生产环境微气候的热舒适性感觉。矿工的热舒适性对工人工作效率的高低、生理以及心理都有着一定程度的影响。矿井热环境人体的舒适程度与4个环境因素和2个人员因素有关，主要是空气温度、风流速度、相对湿度、环境平均辐射温度以及工作人员衣着程度、人体活动量，以及矿工对环境的生理心理适应性[2]。
1.1 空气温度
矿井空气温度是影响热舒适性最主要的因素，直接影响着人体通过对流以及辐射的热交换。空气温度的升高会使人体排汗量增加，主观热感觉朝热的方向发展；空气温度的下降，则会使人体血管收缩，进而皮肤温度降低。人体可以通过自身的冷热感受对热环境的冷热程度做出敏锐判断。
1.2 风流速度
矿井空气流速对人体热舒适性有着重要影响，空气流速决定人体对流散热量与空气蒸发力。当环境温度高于人体表面皮肤温度时，空气流速增大，产生较高对流换热使人体升温，当环境温度低于人体表面皮肤温度时，则空气流速增大使人体产生散热的现象。
1.3 相对湿度
矿井空气相对湿度是影响人体热感觉的主要因素，矿井热环境中湿度相比正常室外要大。湿度对机体的热舒适程度与空气温度密切相关，通过国内已有的研究表明，当空气温度较高时，机体的散热量完全取决于空气的相对湿度。
1.4 环境平均辐射温度
矿井环境中平均辐射温度取决于矿井围岩的表面温度以及传热效能，其大小与矿井的开采深度成正比关系，开采深度越大，矿井内环境的平均辐射温度越大。
2 常用热舒适性评价方法
早期的舒适性评价指标是以大量实验观察结果为依据，其起步与推广相对较晚，目前科学系统的评价方法研究，主要是针对一个均匀的热环境评价指标。该类评价指标主要包含有：预测平均热感觉评价PMV、预测不满意百分比PPD、平均辐射温度MRT、有效温度ET和标准有效温度SET。
PMV（Predicted Mean Vote）指標是P.O.Fanger教授引入反映人体热平衡偏离程度的人体热负荷TL而得出的[3]，当人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适的状态就越远。采用了从-3～0～+3的七级热感觉分度标尺。 PPD（Predicted Percent Dissatisfied），表示人群对热环境不满意的百分数。在1984年提出的ISO7730标准中对PMV-PPD指标的推荐值在-0.5～+0.5，相当于PPD在10%以内的状态为热舒适状态[4]。
平均辐射温度MRT（Mean Radiant Temperature），指环境四周表面对人体辐射作用的平均温度。
有效温度ET（Effective Temperature）是干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感影响的综合数值，该数值等效于产生相同感觉的静止饱和空气温度，但过高地估计了湿度在低温下对凉爽和舒适状态的影响。
标准有效温度SET（Standard Effective Temperature），综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻，形成了最通用的指标，即身着标准服装热阻的人，在相对湿度为50%，空气静止不动，空气温度与平均辐射温度相同的等温条件下，若与其在实际环境和实际服装热阻条件下的平均皮肤温度和皮肤湿润度相同，则必将具有相同的热损失。反映了人体的热感觉，但需要计算皮肤温度和皮肤湿润度比较复杂，应用不如有效温度ET广泛。
3 高温矿井矿工热舒适性评价方法
以上所介绍的各种描述人体热感觉的指标均是假定在稳态条件下即人体处于热平衡条件下得出的，而高温矿井的矿工多处于不稳定情况下的多变环境，尤其是温度梯度很大、风速不稳定，因此高温矿井不能将其看作是均匀的热环境，此时不宜采用以上各种均匀热环境的指标来评价高温矿井矿工的热舒适性，需对常用热舒适评价指标进行修正或采用更精确的热舒适性模型。目前在非均匀环境下通常采用以下几种方法来评价：加权PMV、等效均匀温度EHT、当量温度评价指标EQT、局部热感觉TSV[5]。
Fanger教授提出的PMV是目前评价均匀热环境最简单易行的指标，为将其应用于非均匀热环境中，通常需要将相关参数进行加权得到加权PMV来进行评价，有等效温度和面积加权PMV两种方法。将周围环境的温度进行加权，通过计算得出一个等效平均温度即等效温度法；将处于热环境中人体各个不同部位的PMV数值通过分别测量计算得出，按照各个部位表面积占人体皮肤总面积的百分比进行面积加权计算即面积加权PMV。前者只考虑了环境温度加权值，未将其他影响因素如空气流速、空气辐射温度、湿度等考虑在内，使计算结果不精确，而后者采用人体各部分皮肤面积占总面积百分比加权计算出人体热感觉，但人体热感觉并非由各部分皮肤面积所占百分比决定，所以存在着一定程度上的不准确。
当量温度指标EQT（Equivalent Temperature Index）即在空气相对湿度为50%的条件下，将若干个暖体假人放置在一个气流相对均匀，且空气温度与辐射温度相等的封闭空间中，当暖体假人身体某个部位的散热量和其所处的非均匀环境中散热量相同时，该封闭空间的空气温度即该暖体假人身体各部位在真实的非均匀环境中的当量温度。
Wyon、Bauman等人在1989年最先提出了等效均匀温度EHT（Equivalent Uniform Temperature），即当人体某部位在一个均匀环境下的散热量与在非均匀热环境下的散热量相同，则此均匀环境下的空气温度就称为非均匀环境的等效均匀温度。理想的均匀环境即假定该环境空气温度与平均辐射温度相等，无温度梯度的改变和空气的相对流动，并且在服装热阻和人体代谢强度相同。和当量温度评价指标EQT比较类似，该指标在大量实验数据的支持下考虑了各个因素的影响，且等效均匀温度EHT最大的不足之处也是将人体整体热感觉划分成身体各个区域的局部热感觉，不利于进行整体全面的评价和判断。
局部热感觉TSV是目前各种指标中应用最复杂的人体热舒适模型，该评价体系依赖于大量的暖体假人实验，有较高准确性与适用性。
以上各非均匀环境下的热舒适性指标中，当量温度指标EQT是将人体整体热感觉划分成身体各个区域的局部热感觉，对于矿工热感觉进行整体全面的判断和评价较为不利。等效均匀温度EHT需换算到均匀环境，计算较为复杂。
相比而言，局部熱感觉TSV对矿井热环境内矿工热舒适性进行准确的预测与评价较为合适，但其使用起来较为复杂，在一般的高温矿井舒适性评价中推荐使用加权PMV指标。
4 结语
研究高温环境对矿工热舒适性的影响具有非常重要的意义。分析了矿井舒适性的影响因素，其中空气温度、风流速度、相对湿度、环境平均辐射温度等对矿工舒适性均存在较大影响。总结分析了常用的热舒适性评价方法，为较准确评价矿工热舒适性需采用非均匀热舒适性评价指标。在非均匀方法中，通过对比分析得出加权PMV指标较适合应用于高温矿工热舒适性评价。
参考文献
[1] 苏昭桂，董文庚，程卫民.高温矿井热舒适性及评价指标的研究[J].矿业安全与环保，2008，35（3）：27-30.
[2] 胡汉华.深热矿井环境控制[M].北京：煤炭工业出版社，2009：136-166.
[3] Fanger PO.Thermal Comfort[M].Copenhagen： Danish Technical Press，1970.
[4] ISO 7730-1994， Moderate thermal environments determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort[S].1994.
[5] 孙一宁.车辆HVAC热环境舒适性评价及其分析方法[D].吉林大学，2012.
关键词：热舒适性 高温矿井 均匀热环境 非均匀热环境 评价指标
中图分类号：TD72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0073-02
Abstract：According to the high temperature phenomenon of the mine， the influencing factors of the thermal comfort of the miners are analyzed， and the evaluation methods of the thermal comfort in the commonly used uniform environment are summarized. For example， the average thermal sensory evaluation of PMV， the predicted dissatisfaction percentage PPD， the average radiation temperature MRT， the effective temperature ET and the standard effective temperature SET. Then， the evaluation criteria of human thermal comfort in several nonuniform environments are described as weighted PMV， equivalent uniform temperature EHT， equivalent temperature evaluation index EQT， and local thermal sensory TSV， and summed up in nonuniform Thermal environment of high temperature mines， the use of weighted PMV indicators for miners thermal comfort evaluation.
Key Words：Thermal comfort；High temperature mine；Uniform thermal environment；Non-uniform thermal environment；Evaluation index
作为众多行业的基础能源和重要原料，近年来煤炭资源的开发日益增长，世界各个主要采煤国家相继进入了深部开采阶段。随着开采深度的不断加大，地温也在逐渐升高，地热成为矿井的主要热源，矿井热害愈加严重，井下人员的工作环境不断恶化。高温热害已严重影响煤矿的安全生产[1]，使得井下作业人员体能下降、工作效率降低、产生中暑现象，危害职工身体健康，严重时甚至危及生命，即矿井的开采程度与矿工舒适性直接相关。因此，研究高温环境对矿工热舒适性的影响具有非常重要的意义。该文对高温环境下矿工热舒适性进行了分析评价。
1 矿井热环境对矿工舒适性的影响分析
“热舒适性”指人体对热环境的主观热反应，矿工的热舒适性即工人在矿井内作业时，对生产环境微气候的热舒适性感觉。矿工的热舒适性对工人工作效率的高低、生理以及心理都有着一定程度的影响。矿井热环境人体的舒适程度与4个环境因素和2个人员因素有关，主要是空气温度、风流速度、相对湿度、环境平均辐射温度以及工作人员衣着程度、人体活动量，以及矿工对环境的生理心理适应性[2]。
1.1 空气温度
矿井空气温度是影响热舒适性最主要的因素，直接影响着人体通过对流以及辐射的热交换。空气温度的升高会使人体排汗量增加，主观热感觉朝热的方向发展；空气温度的下降，则会使人体血管收缩，进而皮肤温度降低。人体可以通过自身的冷热感受对热环境的冷热程度做出敏锐判断。
1.2 风流速度
矿井空气流速对人体热舒适性有着重要影响，空气流速决定人体对流散热量与空气蒸发力。当环境温度高于人体表面皮肤温度时，空气流速增大，产生较高对流换热使人体升温，当环境温度低于人体表面皮肤温度时，则空气流速增大使人体产生散热的现象。
1.3 相对湿度
矿井空气相对湿度是影响人体热感觉的主要因素，矿井热环境中湿度相比正常室外要大。湿度对机体的热舒适程度与空气温度密切相关，通过国内已有的研究表明，当空气温度较高时，机体的散热量完全取决于空气的相对湿度。
1.4 环境平均辐射温度
矿井环境中平均辐射温度取决于矿井围岩的表面温度以及传热效能，其大小与矿井的开采深度成正比关系，开采深度越大，矿井内环境的平均辐射温度越大。
2 常用热舒适性评价方法
早期的舒适性评价指标是以大量实验观察结果为依据，其起步与推广相对较晚，目前科学系统的评价方法研究，主要是针对一个均匀的热环境评价指标。该类评价指标主要包含有：预测平均热感觉评价PMV、预测不满意百分比PPD、平均辐射温度MRT、有效温度ET和标准有效温度SET。
PMV（Predicted Mean Vote）指標是P.O.Fanger教授引入反映人体热平衡偏离程度的人体热负荷TL而得出的[3]，当人体处于稳态的热环境下，人体的热负荷越大，人体偏离热舒适的状态就越远。采用了从-3～0～+3的七级热感觉分度标尺。 PPD（Predicted Percent Dissatisfied），表示人群对热环境不满意的百分数。在1984年提出的ISO7730标准中对PMV-PPD指标的推荐值在-0.5～+0.5，相当于PPD在10%以内的状态为热舒适状态[4]。
平均辐射温度MRT（Mean Radiant Temperature），指环境四周表面对人体辐射作用的平均温度。
有效温度ET（Effective Temperature）是干球温度、湿度、空气流速对人体温暖感或冷感影响的综合数值，该数值等效于产生相同感觉的静止饱和空气温度，但过高地估计了湿度在低温下对凉爽和舒适状态的影响。
标准有效温度SET（Standard Effective Temperature），综合考虑了不同的活动水平和衣服热阻，形成了最通用的指标，即身着标准服装热阻的人，在相对湿度为50%，空气静止不动，空气温度与平均辐射温度相同的等温条件下，若与其在实际环境和实际服装热阻条件下的平均皮肤温度和皮肤湿润度相同，则必将具有相同的热损失。反映了人体的热感觉，但需要计算皮肤温度和皮肤湿润度比较复杂，应用不如有效温度ET广泛。
3 高温矿井矿工热舒适性评价方法
以上所介绍的各种描述人体热感觉的指标均是假定在稳态条件下即人体处于热平衡条件下得出的，而高温矿井的矿工多处于不稳定情况下的多变环境，尤其是温度梯度很大、风速不稳定，因此高温矿井不能将其看作是均匀的热环境，此时不宜采用以上各种均匀热环境的指标来评价高温矿井矿工的热舒适性，需对常用热舒适评价指标进行修正或采用更精确的热舒适性模型。目前在非均匀环境下通常采用以下几种方法来评价：加权PMV、等效均匀温度EHT、当量温度评价指标EQT、局部热感觉TSV[5]。
Fanger教授提出的PMV是目前评价均匀热环境最简单易行的指标，为将其应用于非均匀热环境中，通常需要将相关参数进行加权得到加权PMV来进行评价，有等效温度和面积加权PMV两种方法。将周围环境的温度进行加权，通过计算得出一个等效平均温度即等效温度法；将处于热环境中人体各个不同部位的PMV数值通过分别测量计算得出，按照各个部位表面积占人体皮肤总面积的百分比进行面积加权计算即面积加权PMV。前者只考虑了环境温度加权值，未将其他影响因素如空气流速、空气辐射温度、湿度等考虑在内，使计算结果不精确，而后者采用人体各部分皮肤面积占总面积百分比加权计算出人体热感觉，但人体热感觉并非由各部分皮肤面积所占百分比决定，所以存在着一定程度上的不准确。
当量温度指标EQT（Equivalent Temperature Index）即在空气相对湿度为50%的条件下，将若干个暖体假人放置在一个气流相对均匀，且空气温度与辐射温度相等的封闭空间中，当暖体假人身体某个部位的散热量和其所处的非均匀环境中散热量相同时，该封闭空间的空气温度即该暖体假人身体各部位在真实的非均匀环境中的当量温度。
Wyon、Bauman等人在1989年最先提出了等效均匀温度EHT（Equivalent Uniform Temperature），即当人体某部位在一个均匀环境下的散热量与在非均匀热环境下的散热量相同，则此均匀环境下的空气温度就称为非均匀环境的等效均匀温度。理想的均匀环境即假定该环境空气温度与平均辐射温度相等，无温度梯度的改变和空气的相对流动，并且在服装热阻和人体代谢强度相同。和当量温度评价指标EQT比较类似，该指标在大量实验数据的支持下考虑了各个因素的影响，且等效均匀温度EHT最大的不足之处也是将人体整体热感觉划分成身体各个区域的局部热感觉，不利于进行整体全面的评价和判断。
局部热感觉TSV是目前各种指标中应用最复杂的人体热舒适模型，该评价体系依赖于大量的暖体假人实验，有较高准确性与适用性。
以上各非均匀环境下的热舒适性指标中，当量温度指标EQT是将人体整体热感觉划分成身体各个区域的局部热感觉，对于矿工热感觉进行整体全面的判断和评价较为不利。等效均匀温度EHT需换算到均匀环境，计算较为复杂。
相比而言，局部熱感觉TSV对矿井热环境内矿工热舒适性进行准确的预测与评价较为合适，但其使用起来较为复杂，在一般的高温矿井舒适性评价中推荐使用加权PMV指标。
4 结语
研究高温环境对矿工热舒适性的影响具有非常重要的意义。分析了矿井舒适性的影响因素，其中空气温度、风流速度、相对湿度、环境平均辐射温度等对矿工舒适性均存在较大影响。总结分析了常用的热舒适性评价方法，为较准确评价矿工热舒适性需采用非均匀热舒适性评价指标。在非均匀方法中，通过对比分析得出加权PMV指标较适合应用于高温矿工热舒适性评价。
参考文献
[1] 苏昭桂，董文庚，程卫民.高温矿井热舒适性及评价指标的研究[J].矿业安全与环保，2008，35（3）：27-30.
[2] 胡汉华.深热矿井环境控制[M].北京：煤炭工业出版社，2009：136-166.
[3] Fanger PO.Thermal Comfort[M].Copenhagen： Danish Technical Press，1970.
[4] ISO 7730-1994， Moderate thermal environments determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort[S].1994.
[5] 孙一宁.车辆HVAC热环境舒适性评价及其分析方法[D].吉林大学，2012.