非采暖空调环境下人体热反应的时变特征分析

(重庆大学 城市建设与环境工程学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆，400045)

随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对建筑室内环境的要求更多地聚焦在热舒适性上。ASHRAE 55—2004[1]中将热舒适定义“人们对热环境表示满意的意识状态”。它是一种基于生理和心理以及一系列神经系统活动的感觉，并可以使人们对这种心理感受感到愉悦[2]。换一句话说，正确地评价热舒适性，不仅要依靠主观判断，而且是一个涉及人体生理，心理和其他条件的认知过程[3]。目前，国内外动态环境下的热舒适研究大多集中在主观热感觉反应方面的研究[4−8]，对人体客观生理反应的研究较少[9−10]。然而，舒适的热环境不仅要满足人体热舒适的需求，而且要满足人体健康要求，同时兼顾室内人员的工作效率，并且人体自身的热舒适性也是对冷应力或热应力所引起的生理机能变化的主观描述。因此，基于生理指标的热舒适性研究将更具有客观性和科学性。早在1990年，Li[11]提出了人体生理、心理与外界生态环境的动态调节关系及动态舒适需求。随后，陈良等[12−14]通过选取感觉神经传导速度、运动神经传导速度、测点皮肤温度等对热环境反映敏感的生理指标，进行了大量的实验，研究结果表明：室内操作温度对人体生理指标和主观热感觉均有显著影响。但是，这些研究仅针对人体热反应的温变特征，而忽略了时变特征，即自然环境与自然着装条件下，人体热反应随停留时间延长的变化过程。Fanger[15]提出，人体与其周围环境之间的热平衡是热舒适最基本和最重要的条件。而人体本身是一个动态系统，它与环境之间的换热也是一个逐渐趋于稳定的动态调整过程。当人体进入到一个新的环境，即使该热环境不变(或者仅有微小的波动)，人体与环境之间的换热仍需要一定的时间，即人员在室内的停留时间，才能达到稳定。当人体未处于热平衡状态时，生理系统必将发挥作用，产生一系列适应性变化。在全年不同季节，人体与环境之间的换热状况不同，生理系统的调节机制也会有所不同。为了分析全年不同季节里的非采暖空调环境下人体热反应随停留时间变化的特点，本文作者选择感觉神经传导速度(vSC)和测点皮肤温度(tskin)作为主要生理指标，热感觉投票作为主观评价指标，分析冬季、过渡季节和夏季典型温度下随停留时间的延长这些指标的变化特征；并得出各季节典型温度下生理、心理指标的稳定时间，以便为生理指标的测试时间点提供依据；同时还分析了各季节人体各部位局部热感觉的时变特征，以便为个性化热舒适设计提供参考。

1 实验设计与方法

1.1 理论基础

皮肤温度是综合反映人体冷、热或舒适感觉的 1个重要指标，而人体皮肤在人体和周围环境之间的热交换研究中具有十分重要的意义[16−17]。人体受到冷热刺激时，皮肤温度的变化率会对大脑产生刺激信号[12]来反馈环境温度的变化，导致人体对热舒适的一系列生理反应，这也是人体之所以能感受到外界温度变化的原因所在。因此，可认为皮肤温度是热舒适的生理基础。

感觉神经传导速度(vSC)可以作为表征人体热舒适的生理指标之一。由于神经具有高度的兴奋性和传导性，当神经受到有效刺激产生兴奋时，产生的动作电位将会沿着神经以一定的速度传导。这是人体的生理调节系统的重要组成部分之一。医学研究表明[18]：人体对冷热刺激产生的一系列生理反应中，感觉神经传导速度所受的影响较为显著。因此，感觉神经传导速度(vSC)和测点皮肤温度(tskin)对研究人体热反应时变特征的季节差异性有很好的价值。

1.2 受试者

本实验在一个门窗开启的非采暖空调的室内环境下进行。所有受试者均为在校大学生，男女比例为1:1，健康状况良好，在重庆平均生活时间4 a以上，均已基本适应该地区的气候条件。受试者根据季节穿着自认为舒适的服装，并在实验前30 min进入实验室适应环境，以尽量避免环境变化以及运动代谢对实验的影响。实验期间受试者保持坐姿，新陈代谢率取1.0 met(1 met=58.2 W/m2)。所有的受试者信息如表1所示。

表1 受试者信息Table 1 Information of subjects

1.3 实验方法

通过前期探索实验，根据季节的不同将实验时间定为60～120 min(夏季和冬季为120 min；过渡季节为60 min)。为了考察人体热舒适性及生理指标随着停留时间的延长所产生的适应性变化，将测试时间间隔定为10 min，即每隔10 min实验人员测试受试者感觉神经传导速度(vSC)、测点皮肤温度(tskin)，并记录环境参数；同时，受试者填写热舒适问卷，问卷包括整体热感觉、局部热感觉(ASHRAE 7级标尺，如表2所示)。

表2 热感觉标尺Table 2 Scales for thermal sensation

考虑实验的方便可行性，选择右手正中神经进行神经传导速度测试。感觉神经传导速度测试选取在掌长肌腱和桡侧腕屈肌腱之间、腕褶皱线上方刺激正中神经，记录的活动电极置于近端指－指关节，参考电极置于远端，手背接地，用表面电极粘贴于拇指记录，采用逆向检测法。刺激部位和参考电极放置位置如图1所示。

图1 正中感觉神经传导速度测试位置示意图Fig.1 Measurement sites of median nerve sensory conduction

感觉神经传导速度(vSC)由Neuropack肌电诱发电位仪 (MEB−9104，日本) 记录，测点皮肤温度采用红外线测温仪测量 (Raytek，美国；测量精度为±1%)。受试者附近的环境参数，包括室内空气温度(ta)、相对湿度、黑球温度(tg)、空气流速(v)采用热舒适仪(LSI，意大利)监测。测试位置取坐姿人体附近距离地面 0.6 m高度处，仪器精度要求符合国际标准ISO7726[19]。

考虑到自然环境中辐射温度的影响，本文采用操作温度(top)来表征环境温度。根据ASHRAE 55—2004标准[1]：当空气流速较小(＜0.2 m/s)或者平均辐射温度与空气温度之间的差值较小(＜4 ℃)时，用平均辐射温度和空气干球温度的平均值近似表示操作温度具有足够的精度。辐射温度(tr)的计算方法如下：

式中：tr为平均辐射温度，℃；tg为黑球温度，℃；ta为室内空气温度，℃；v为室内空气流速，m/s。

操作温度的计算方法如下：

式中：top为操作温度，℃.

环境参数值如表3所示。

表3 环境参数Table 3 Environmental parameters

1.4 数据处理方法

为了分析不同季节里感觉神经传导速度(vSC)，测点皮肤温度(tskin)、整体热感觉投票(TSV)以及局部热感觉投票(TSVlocal)随停留时间的变化特征，本文通过显著性分析，筛选出各季节具有代表性的操作温度范围。夏季高温段为(29.8±0.4) ℃，冬季低温段为(9.0±0.3) ℃，过渡季节(春季和秋季)为(21.0±0.5) ℃。根据所选定的温度段，计算出受试者的感觉神经传导速度(vSC)、测点皮肤温度(tskin)和整体热感觉投票(TSV)、局部热感觉投票(TSVlocal)在相同温度下各样本的平均值。统计分析采用Excel 2007和SPSS 16.0辅助软件完成；并运用Spearman相关分析对实验数据进行比较分析，显著性水平取0.01。

2 结果与讨论

2.1 感觉神经传导速度(vSC)和测点皮肤温度(tskin)的时变特征

感觉神经传导速度(vSC)和测点皮肤温度(tskin)随停留时间的变化分别如图2和图3所示。从图2和图3可以看出：在同一季节里，vSC和tskin的时变特征具有很好的一致性。实验期间，vSC在冬季、夏季和过渡季节的典型操作温度段下的下降量分别为 11.00，3.25和0.10 m/s；相应的tskin的下降量分别为5.8，1.5和0.1 ℃。在冬季和过渡季节，vSC和tskin均与停留时间呈负相关，并且由于人体的生理适应性而趋于平稳。而在夏季，两者均仅仅在一定范围内存在微小波动。对各典型操作温度段下的vSC，tskin与停留时间进行相关性检验，由表4和表5中的相关系数可知：夏季vSC和tskin与停留时间的相关性不显著，也就是说，人员在室内的停留时间不会影响人体与外界环境之间的换热；而在冬季和过渡季节，vCV和tskin与停留时间的相

图2 感觉神经传导速度(vSC)随停留时间变化的特征曲线Fig.2 Characteristic curves of vSC responding to time

图3 测点皮肤温度(tskin)随停留时间变化的特征曲线Fig.3 Characteristic curves of tskin responding to time

表4 感觉神经传导速度(vSC)与停留时间的相关性Table 4 Correlation between vSC and time

表5 测点皮肤温度(tskin)与停留时间的相关性Table 5 Correlations between tskin and time

关性十分显著。为了更近一步分析这种显著性变化趋势，运用指数衰减模型对其进行拟合，指数衰减模型方程如下：

式中：y0为拟合曲线的终值；b为衰减常数；A为拟合曲线的振幅；x为响应时间，即本文中所指的停留时间。

在冬季典型操作温度段((9.0±0.3) ℃)下，拟合后指数衰减方程如下：vSC=28.56+12.43e−x/52.06，R2=0.989；tskin=20.88+5.87e−x/37.18，R2=0.987。而在过渡季节典型操作温度段((21.0±0.5) ℃)下，拟合后指数衰减方程如下：vSC=47.03+3.70e−x/35.67，R2=0.985；tskin=28.23+1.51e−x/27.78，R2=0.974。

由拟合方程可知：温度越低，生理指标随停留时间的衰减幅度越大，即衰减越剧烈。

如前所述，人体与其周围环境之间的热平衡是热舒适最基本和最重要的条件，这也是各季节生理指标时变特征不同的原因所在。从热交换的角度来看，在夏季和过渡季节，皮肤温度和环境温度之间的差值较小，人体和环境之间的热交换很快达到热平衡。而在冬季，皮肤温度和环境温度之间的差值是最大的，这使得人体与环境很难达到热平衡；随着停留时间的延长，人体不断地向外界环境传热，从而增加了人体冷感觉。当人体还未处于热平衡状态时，生理系统如体温调节系统和神经系统便发挥作用，进行生理调控。但是，这2种生理调控系统均存在一定的极限，使得生理指标在一定程度的衰减之后趋于稳定值。

通过组内重复测量方差分析可以得出：在操作温度段((9.0±0.3) ℃)下，感觉神经传导速度(vSC)和测点皮肤温度(tskin)直到 120 min才稳定；在操作温度段((21.5±0.5) ℃)，两者的稳定时间为40 min。vSC和tskin的时变特征中趋于平稳的现象正是由于环境对人体持续的冷应力使人体的自主生理调控达到了极限。此外，在冬季，随着停留时间的延长，部分受试者甚至出现流鼻涕的现象，这也说明了这一点。

从上述结果可知：在冬季和过渡季节，人体生理指标的时变特征显著，尤其是在冬季。因此，基于生理指标的热舒适研究，例如环境温度对人体生理指标的影响，就需要确保人员在室内的合理停留时间(生理指标达到稳定所需的时间)，且要区分停留时间和其他变量对生理指标的影响，区别对待人体生理指标的时变特征和温变特征。

2.2 整体热感觉投票(TSV)的时变特征

图 4所示为整体热感觉投票(TSV)随停留时间的变化趋势。从图4可以看出：在任何季节，整体热感觉投票(TSV)都逐渐趋于稳定。在夏季、过渡季节和冬季，实验初始时的整体热感觉投票(TSV)为0.6，−0.4和−0.2(由于服装隔热性能的影响，冬季的 TSV 甚至稍微大于过渡季节的TSV)，而实验结束时分别稳定在0.9，−0.6和−1.7。人体整体热感觉(TSV)的最大变化率显示，停留时间对人体热舒适的影响在冬季是最强烈的；而过渡季节虽然生理指标产生衰减变化，但由于衰减量较小未能引起主观热感觉上的明显变化。人体整体热感觉(TSV)稳定时间在冬季、过渡季节和夏季分别为100，40和70 min。

图4 热感觉投票(TSV)随停留时间变化的曲线Fig.4 Characteristic curves of local TSV responding to time

2.3 局部热感觉投票(TSVlocal)的时变特征

由于人体各个部位的生理结构之间存在差异，其对冷或热刺激的敏感程度也不尽相同[20−21]，即使在均匀的热环境中，各个身体部位和外界环境之间传热的不同，造成皮肤温度不同，这反映在人体的主观热感觉上即为局部热感觉。图5(a)和 5(b)所示分别为冬季和夏季各个身体部位的局部热感觉投票(TSVlocal)在典型温度下随时间的变化趋势。在过渡季节，尽管感觉神经传导速度(vSC)和测点皮肤温度(tskin)随停留时间按指数衰减变化，但所有部位的局部热感觉(TSVlocal)仍在热舒适范围(−1，+1)内波动。

从图5(a)可以看出：在低操作温度段((9.0±0.3) ℃)下，身体躯干部位(头部、颈部、胸部、背部)的局部热感觉(TSVlocal)一直稳定在±0.5的范围内，且随着停留时间的延长无显著变化。但是，针对四肢而言，按局部冷感觉增强的程度由大到小排序如下：脚和小腿(1.4)，大腿(1.3)，手臂(1.2)，手(0.9)。从图 5(b)可以看出：在高操作温度段((29.8±0.4) ℃)下，躯干部位的局部热感觉(TSVlocal)明显高于四肢的局部热感觉(脚和手除外)。

图5 冬季和夏季的局部热感觉投票(TSVlocal)随停留时间变化的曲线Fig. 5 Characteristic curves of local TSVlocal responding to time in winter and summer

躯干部位是人体的产热中心，也是保持恒定体温的主要身体部位，无论任何季节里都有服装遮盖。因此，在冬季低温环境下，躯干部位的局部热感觉能够保持热舒适状态。而在夏季高温环境下，它们的局部热感觉甚至比其他部位还要高，这是因为服装的遮盖使人体产热无法及时散出。

整体热感觉是所有身体部位局部热感觉的一个综合效应。在冬季，四肢的局部热感觉达到稳定所需的时间分别为110 min，躯干部位的局部热感觉仅存在微小波动，整体热感觉的稳定时间则为100 min；然而，在夏季，整体热感觉和局部热感觉往往是在基本相同的时间内趋于稳定。这意味着在冬季四肢的局部热感觉对整体热感觉(TSV)影响较明显，而在夏季躯干部位的局部热感觉对整体热感觉(TSV)的影响更大。因此，在冬季，应该更加重视手、脚、胳膊和腿的热舒适；而在夏季，应考虑躯干部位的散热。在实际应用中，针对各季节局部热感觉的时变特征的差异性，个性化空调设计的侧重点也应有所不同，从而减少均一化造成的不必要的能耗。

3 结论

(1) 在同一季节里，感觉神经传导速度(vSC)和测点皮肤温度(tskin)的时变特征具有一致性。在冬季和过渡季节，随着停留时间的延长，它们首先呈现下降的趋势，随之趋于稳定，并符合指数衰减的特征；而在夏季则无显著变化，仅在微小范围内波动。

(2) 操作温度越低，人们对热环境的反应达到稳定所需的时间越长。在冬季典型操作温度段((9.0±0.3)℃)下，感觉神经传导速度(vSC)和测点皮肤温度(tskin)直到120 min才达到稳定值；在过渡季节典型操作温度段((21.9±0.3) ℃)下，两者的稳定时间仅为40 min；在夏季典型操作温度段((29.8±0.4) ℃)下，两者则仅在微小范围内波动。因此，在研究其他环境变量对生理指标的影响时，应考虑生理指标的测量延迟时间即生理指标稳定所需的时间。

(3) 整体热感觉(TSV)的时变特征在冬季最显著；而在过渡季节，虽然生理指标产生衰减变化，但由于衰减量较小未能引起主观热感觉上的明显变化；在夏季，整体热感觉(TSV)与生理指标一致，未呈现明显的时变特征，仅在微小范围内波动。

(4) 在冬季，肢体部位的局部热感觉(TSVlocal)的时变特征对整体热感觉(TSV)影响较明显，而在夏季，躯干部位的局部热感觉(TSVlocal)的时变特征对整体热感觉(TSV)影响较明显。因此，在低温环境下应注意加强手部、脚部、手臂及腿部的保暖；在高温环境下要多考虑躯干部位的散热。这一结果为个性化热舒适的设计与实施提供了参考。

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