103 吹风环境下人体生理指标的探索性实验研究.doc

吹风环境下人体生理指标的探索性实验研究清华大学，东华大学 余娟清华大学 朱颖心，欧阳沁，曹国光同济大学 周翔摘要 本文通过不同背景温度与末端送风方式的组合，考察无风环境、稳态送风环境和动态送风环境下人体的生理与心理反应。实验研究发现，采用末端送风能够显著降低人体热感觉，补偿背景设定温度的提高，但高风速同时降低了人体的舒适感；平均皮肤温度是人体热感觉的敏感指标，但在吹风环境下，人体的平均皮肤温度与热感觉之间会出现偏离，计算平均皮肤温度时需要对暴露部位和非暴露部位的皮肤温度加权值进行修正；心率变异性（heart rate variability，HRV）在一定程度上能够反映人体热调节的能力：对于中性-偏暖环境，在同样的末端送风方式、送风速度下，热感觉越高、热舒适越差，HRV指标越高；但在不同的吹风条件下，HRV指标和人体热感觉、热舒适之间的相关性不明确，仍需进一步研究。关键词 热感觉 热舒适 平均皮肤温度 心率变异性 吹风1 研究背景人体热舒适研究已有近一百年的历史，其主要的研究方法是依靠主观投票和环境参数测试，基于大量的实验室研究和现场调查数据，力图将热环境的四个主要要素（空气温度、相对湿度、流速及周围表面平均辐射温度）与人体的热感觉联系起来，从而建立热感觉、热舒适评价体系。然而，热感觉、热舒适研究是一个多学科交叉的问题，其机理涉及了生理学、心理学、物理学等范畴，仅仅依靠主观投票和环境参数测试研究难以达到较高的高度。早在1917年Ebbecke1就提出“热感觉是假定与皮肤热感受器的活动有联系，而热舒适是假定依赖于来自热调节中心的热调节反应。”人体能够感受外界的温度变化是因为在人体皮肤表层中存在温度感受器，当它们受到冷热刺激时就会产生冲动，向大脑发出信号，从而产生对应的冷感觉和热感觉。而人体在环境温度发生变化的情况下能够保持体温的相对恒定，是因为机体内存在体温的自动调节机构，即人体在体温调节中枢（下丘脑）的控制下，通过改变皮肤血流量、血管收缩、出汗率等生理调节反应，来调节机体的产热和散热过程2。因此，在人体热舒适研究中引入生理参数测试，了解机体对热环境的生理反应状况，对于热舒适的机理认识意义重大。近几年，越来越多的国内外学者在人体热舒适的生理研究上做了尝试，测试包括皮肤温度、核心温度、心率、出汗率、脑血氧水平等3-7。其中，皮肤温度作为介于核心温度和环境温度之间进行热交换的中心环节，又是一个易于测量的生理参数，受到了最为广泛的关注。崔太秀指出皮肤温度是反映身体热状态较灵敏的生理指标，同时又直接影响热舒适感觉8；Christian 9等研究发现皮肤温度和核心温度与人体热舒适性的相关性比值接近1:1；Danni Wang10等研究发现手指温度和手指前臂温度曲线斜率与热感觉有非常紧密的联系。此外，反映HRV的LF/HF指标也越来越引起热舒适研究者的重视。在该指标中，LF为HRV的低频分量，主要受交感神经活动影响，HF为HRV的高频分量，主要受副交感神经活动影响；LF/HF的变化表明交感神经和副交感神经的平衡状态。交感神经兴奋时，皮肤血管收缩，汗腺分泌，心跳加快加强，其活动主要保证人体紧张状态时的生理需要；副交感神经兴奋时，皮肤和内脏血管舒张，心跳减慢。已有研究表明，LF/HF指标对环境温度和人体热感觉敏感，其值的变化能在一定程度上反映热调节行为11-13。目前，生理指标的研究虽然已得到了一些有价值的结论，但是其还处于探索阶段，要深入了解热舒适的产生机理还需要更多的生理实验数据支持，尤其在动态环境下的热舒适研究，此方面的实验数据甚少。鉴于以上文献调研以及实验室生理仪器设备所限，本实验设计了不同的稳态和动态环境，对皮肤温度、心率变异性指标与热感觉、热舒适的关系研究进行了初步探索。2 实验研究2.1 实验概况与设备仪器实验于2010年1月30日2010年2月10日在清华大学的人工气候室开展。气候室包括两间实验间，两房间相邻，用密封门隔开，其内部几何尺寸一致，均为5 m （长）3 m（宽）2.7 m（高）。室内温度控制精度0.5，相对湿度控制精度5%，背景气流的平均速度0.05m/s。采用意大利里氏LSI模块式小环境监测系统实时测试室内热环境参数，测量包括空气温度、相对湿度，黑球温度和环境风速4个物理量。选用热敏电阻（型号MF5E-103Q，北京森恩传感器技术公司）测试皮肤温度，精度为0.2。测温时，将其传感器贴伏在人体表面待测部位，并通过医用抗过敏透明胶布加压其表面。皮肤温度采用5点测试法14，依次为额头、胸、手背、大腿、小腿，其值为这5点温度的加权和，计算公式如式(1)： (1)将遥测心电仪（型号OEC-6201，日本光电医疗仪器公司）与PowerLab数据采集仪(型号ML780)相连，实时记录心电图信号，并使用心率变异性分析系统计算心率变异性。实验所用的生理指标测量仪器如图1。(a)皮温测量仪器(b)心电测量系统图1. 生理测量仪器2.2 受试者 共招募6名受试者参加实验，男3名（平均值标准差：年龄265.3，身高1611.7cm，体重50.74.5），女3名（平均值标准差：年龄25.30.6，身高175.35.0cm，体重67.04.4）。所有受试者身体健康，无心脏病史或其他严重疾患病史。实验期间，要求受试者参加实验前保持充足的睡眠和正常的饮食，并且无剧烈运动，情绪稳定。2.3 热反应问卷实验过程中设置了人体热感觉、热舒适投票问卷。热感觉投票采用ASHRAE 推荐的7级分度标尺，热舒适投票采用4级分度标尺，如图2。为了避免个体对冷热感标尺的理解差异，在本次实验中对热感觉投票标尺的含义做了描述，详见表1。受试者在填写热感觉、热舒适投票问卷时，可以选择各标尺之间的任意点。表1. 热感觉投票标尺含义标尺刻度含义解释3热皮肤完全湿润，出汗持续2暖开始出汗1微暖有热感，但没有可见的汗滴出现0中性不热也不冷-1微凉有冷感，但无不适感觉-2凉有加衣服的愿望-3冷偶发性打哆嗦，冷战，需要靠肌肉颤抖来维持图3 热感觉、热舒适投票问卷2.4 实验设计实验共设计6种环境工况，通过不同的背景温度与末端送风方式的组合，营造两种热感觉水平下的稳态和动态环境，如表2。其中，1-3工况模拟中性环境，4-6工况模拟偏暖环境。两种环境的末端送风方式均分为无送风、仿自然风送风、机械风送风，其中仿自然风是清华大学热舒适团队自主研制开发的具有自然风紊动特征的动态风。仿自然风和机械风送风工况的工作区平均风速分别为0.7m/s和1.07m/s，风速测点位置距离风机轴心0.9m处；末端无送风工况的工作区平均风速即为气候室背景风速（v0.05m/s），属于无感风速。实验过程中，每种工况背景温度保持恒定，相对湿度为40%。表2. 实验环境工况表工况123456背景温度（）2628.5282932.532末端送风方式无仿自然风机械风无仿自然风机械风工作区平均风速（m/s）0.050.71.070.050.71.07将6位受试者分成A、B两组，每组3人，各进行连续6天的实验，这6天每天随机安排一种不同的环境工况。每位受试者每次参加实验的时间段相同, 单次实验持续约2个半小时，实验具体时间安排如表3。表3. 实验时间安排表时间上午8:3011:05下午13:3016:05晚上19:3021:351月30日2月4日A1A2A32月5日2月10日B1B2B3注：表中A1, A2, A3, B1, B2, B3表示6位不同的受试者实验过程中，受试者统一穿着实验室提供的标准服装(棉质长裤+棉质长袖衬衫+棉质运动短袜+棉拖鞋)，服装热阻大约为0.65clo。每次实验，要求受试者提前15分钟到气候室，以进行准备工作，包括更换服装和为其布置生理测点。准备完毕后，受试者进入为期30分钟的适应期。结束后，受试者被要求做3种不同的任务，以模拟办公劳动环境，三种任务次序随机安排，每种任务持续30分钟，每两种任务之间有15分钟的休息时间，此阶段共持续2小时。每种任务开始之前和结束之后都需要进行一次投票，整个实验过程共投票6次。实验流程图如图4。图4. 实验流程图3 实验结果与讨论3.1 热感觉与热舒适气流对人体的热感觉有着极其重要的影响，不少研究表明，在夏季用较高的风速可以有效提高室内空气的设定温度15,16。此次实验再次验证了气流的冷效应。图5表明：(1) 在热感觉上，无论是中性环境还是偏热环境，尽管末端有吹风工况的背景温度相对无风工况提高了2-3，但热感觉却明显降低了。经过组内方差分析，26无风与28机械风工况下的热感觉存在显著性差异（P0.05），机械风与仿自然风工况下的热感觉存在显著性差异（P0.05），其他工况之间均无显著性差异。(2) 在舒适度上，吹风虽然改善了热感觉，但是舒适度却降低了。经过组内方差分析，相同热感觉水平对应的无风与机械风工况之间热舒适度均无显著性差异，其他工况之间热舒适度均有显著性差异（P28.5机械风28自然风，与热感觉的变化一致（如图5）；在偏暖环境下，吹风工况下的平均皮肤温度高于29无风工况，与热感觉变化不一致（图5中，吹风工况下的热感觉低于29无风工况）。除28.5自然风和28机械风两工况之间的平均皮肤温度无显著性差异外，其他各工况之间的平均皮肤温度存在显著性差异（P1.5后，平均皮肤温度开始下降，受试者有出汗现象。因此，在高温环境下，仅仅依靠皮肤温度还不能够预测热感觉，还必须综合考虑皮肤出汗率的影响，这与笔者另一篇文章中的观点一致19。图7. 不同热环境状态下的人体额头温度图8. 不同热感觉水平下的人体平均皮肤温度3.3 心率变异性图9、10分别为为不同热感觉水平、热舒适水平下的LF/HF比值变化，图中的热感觉、热舒适值为各工况适应期结束后的第一次投票结果，LF/HF比值为对应工况适应期最后5分钟的HRV频域分析结果。受文章篇幅所限，对于任务期间的HRV频域分析结果不在此文章讨论。图中数据表明：（1）在同样的末端送风方式下，环境温度越高，LF/HF比值越高，而此时热感觉也越高，热舒适度也越差，说明高温环境下，人体交感神经兴奋，促进了汗腺分泌，增加了热损失，受试者感到了不舒适的暖；（2）适应期中，受试者在28机械风环境下的舒适性最好，但是其LF/HF比值并不是最低，而无论中性环境还是偏暖环境，无风状态下的LF/HF比值最低，说明吹风会导致交感神经兴奋，受试者容易呈现紧张情绪；（3）无论中性环境还是偏暖环境，仿自然风的热感觉高于机械风，舒适度低于机械风，但LF/HF比值却低于机械风，这与先前研究12,13中“在稳态无风环境下，人体越不舒适，LF/HF比值就越大”的实验结果相矛盾。笔者认为此现象有可能受两种不同末端送风方式、不同送风速度以及不同的背景温度所影响，由于此次实验设计缺陷，不同吹风条件与人体HRV和热感觉、热舒适改变的相关性不明确，仍需进一步研究。图9. 不同热感觉水平下的LF/HF比值图10. 不同热舒适水平下的人体LF/HF比值4 结论本文通过不同的背景温度和末端送风方式的组合，考察了稳态无风环境、稳态送风环境和动态送风环境下人体的生理、心理反应，得到的结论如下：（1）采用个体末端送风能够显著降低人体热感觉，有效补偿背景温度的提高，但高风速同时降低了人体的舒适度。（2）平均皮肤温度是人体热感觉的敏感指标，但在吹风环境下，人体的平均皮肤温度与热感觉之间会出现偏离，这时候需要对暴露部位的皮肤温度和非暴露部位的皮肤温度进行修正。此外，当环境温度升高到一定值时，人体开始出汗，汗液的蒸发导致了皮肤温度的降低，因此，在高温环境下，仅仅依靠皮肤温度还不能够预测热感觉，还需要综合考虑皮肤出汗率的影响。（3）对于中性-偏暖环境，在同样的末端送风方式、送风速度下，环境温度越高，LF/HF比值越高，而此时热感觉也越高，热舒适度也越差，HRV能一定程度反映人体的热调节能力；但在不同吹风条件下，HRV指标和人体热感觉、热舒适改变的相关性不明确，仍需进一步研究。致谢:本研究先后接受国家自然科学基金重点项目（50838003）、国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAJ02A06），特此致谢。参考文献1赵荣义.关于“热舒适的讨论”J.暖通空调,2000,30(3): 25-292上海第一医学院.人体生理学M.北京:人民卫生出版社,19763Charlie Huizenga，Hui Zhang, Edward Arens, Danni Wang. Skin and core temperature response to partial-and whole-body heating and cooling J. Journal of Thermal Biology, 2004, 29(7-8): 549-5584Tomonori Sakoi, Kazuyo Tsuzuki, Shinsuke Kato, et al. Thermal comfort, skin temperature distribution, and sensible heat loss distribution in the sitting posture in various asymmetric radiant fields J. Building and Environment, 2007,42(12):3984-39995Kazuyuki Kanosue, Norihiro Sadato, Tomohisa Okada, et al. Brain activation during whole body cooling in humans studied with functional magnetic resonance imaging J. Neuroscience Letters, 2002, 329(2): 157-1606徐小林.重庆夏季室内热环境对人体生理指标及热舒适的影响研究D.重庆:重庆大学, 20057出汗状态下人体热感觉的预测及评价J.暖通空调.2004,34(12): 10-148崔太秀，王宪章.身体热状态的分度及其在评价个体热防护装备中的应用J.航天医学与医学工程, 1991, 4(4):283-2879Christian F. Bulcao, Steven M. Frank, Srinivasa N. Raja, Kha M. Tran, David S. Goldstein. Relative contribution of core and skin temperatures to thermal comfort in humansJ. Journal of Thermal Biology, 2000, 25(3):1475010Danni Wang, Hui Zhang, Edward Arens, Charlie Huizenga. Observations of upper-extremity skin temperature and corresponding overall-body thermal sensations and comfortJ. Building and Environment, 2007,42(12): 3933-394311叶晓江.人体热舒适机理及应用研究A.上海:上海交通大学,200512Y