高温热辐射环境中消防员热反应机理研究

During firefighting, hot environment is one of the critical reasons causing heat stain and heat-related illness, reduction of emergency rescue, and even threaten the health and safety of firefighters. As the fundamental knowledge of thermal protection area, the mechanism of human thermal response is still unclear. In this project, the theory, model development, and human trials will be applied to investigate heat and mass transfer in multi-layer firefighting protective clothing and its effect on thermal responses of the firefighter. (1) Investigate heat and mass transfer mechanism though skin, micro-environment, multi-layer, and the ambient environment, develop a multi-layer heat and mass transfer model. (2) Investigate the effects of high temperature on thermoregulation mechanism, combining with the multi-layer heat and mass transfer model, propose a thermal response model to analyze thermoregulation of firefighter. (3) Perform human trials to validate against the proposed firefighter thermal response model, predict typical physiological parameters, such as core temperature, skin temperature, and sweating rate, using environmental conditions, metabolic rate, and fabric properties. The project can provide fundamental knowledge for thermal response assessment, heat stress reduction, emergency rescue time, and the design of high-performance personal protective clothing.

消防员救援作业时，高温热辐射是导致热应激、降低救援效率、甚至威胁生命安全的重要因素。人体热反应作为公共安全热防护领域的前沿基础，其机理尚不清楚。本项目采用理论推导、数学建模、实验验证的方法，研究高温热辐射环境中消防员热反应机理：（1）探索皮肤、衣下空气层、多层织物、环境之间热湿传递过程，建立消防服多层织物热湿传递耦合模型；（2）揭示高温热辐射环境对人体热生理调节的影响，结合消防服多层织物热湿传递机理，提出消防员热反应模型，明确消防员在高温热辐射环境中的热反应机理；（3）开展人体热生理实验，验证并优化消防员热反应模型，实现利用环境参数、消防员活动状态、织物属性作为输入，准确预测消防员核心温度、皮肤温度、出汗率等热生理参数的目标。本项目成果将为消防员热反应评估、降低热应激水平、制定最大救援时间、高性能防护服开发提供理论指导。

人体热反应作为个体防护领域的前沿基础，对消防员热应激、皮肤烧伤、效能评估、及安全预警等提供机理支撑。本项目通过人体热反应模型、人体热生理实验、CFD数值仿真模拟等方法，研究了高温热辐射环境中消防员热反应机理。建立了消防服多层织物热湿传递耦合模型，考虑了水分的相变、吸附与解吸导致的潜热变化，定量分析了消防员移动速度、织物运动振幅与频率对热湿传递的影响；结合消防服多层织物热湿传递机理与热生理调节机制，提出了适合于消防员的热反应模型，可实时预测核心温度、皮肤温度、出汗量等典型热生理参数，阐明了高温热辐射环境对人体热生理调节影响的机理；在环境温湿度可控的人工气候室内开展了系列人体热生理实验并测量人体生理参数，在此基础上验证并优化消防员热反应模型。研究结果表明：所建立的消防服多层织物热湿传递模型可较精确预测皮肤、衣下空气层、多层织物、环境之间的换热量，模拟值与文献中测量值相比相对误差仅为5.4%，且不同移动速度下织物周期运动振幅与消防服热防护性能呈负相关；提出的消防员热反应在核心温度与皮肤温度预测方面精度较高，多数模拟值均处于测量值的95%置信区间之内，且核心温度的预测精度小于0.5oC，平均皮肤温度的预测精度不超过1oC，出汗率模拟值与实验值的偏差较大；阐明了高温热辐射环境对人体热生理调节影响的机理；现了利用环境参数、消防员活动状态、织物属性作为输入，准确预测消防员核心温度、皮肤温度、出汗率等热生理参数的目标。依托本项目，在学术期刊共发表论文7篇，其中SCI收录5篇，北大中文核心2篇；培养研究生3名。本项目成果可为消防员热反应精准预测、确定最大救援时间、高性能防护服开发提供基础数据与理论指导。