严寒环境下的人体冷耐受特性实验

张 宇，陈 超，蔺 洁，张思琦，小岛昌一，严志刚

(1.绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室(北京工业大学)，北京 100124；2.日本佐贺大学 理工学系，佐贺市 840-8502，日本； 3.北京二商东方食品集团有限公司，北京 100070)

2022年冬季奥运会主要雪上赛事将于2月4日～2月20日在河北崇礼地区举行。根据崇礼地区过去10年(2009―2018年)的气象数据，冬奥会期间室外环境日平均气温大约为-17 ℃～-2 ℃；根据过去两年(2017―2018年)的气象数据，冬奥会期间户外开放区域的平均风速约为1.9 m/s。据悉，崇礼赛区的雪上赛事多以户外观赛为主，户外开放观赛区域分别设立站席和坐席；为减少室外风环境对观众热舒适的影响，在观赛区域四周设置挡风板等。但冬奥会期间严寒的环境条件，对观赛者的冷耐受性将是极大的考验和挑战。

以往关于人体直接暴露于严寒环境条件下的冷耐受研究很少，大部分是关注低温环境下规定时间段内局部供暖方式对受试者热舒适提升效果的分析研究[1-3]；虽然也有一些关于受试者全身直接冷暴露于低温环境下的基础生理、心理反应特征研究，但大多集中在5 ℃～16 ℃的环境条件下[4-6]。即使有一些关于0 ℃以下的研究，也大多是采用规定冷暴露时长的方式进行分析，鲜见关于人体冷耐受极限的探究。所谓冷暴露，是指人体直接暴露在低于常温(20 ℃)的环境中[7]。如苏锲等[8]利用现场实测的方法，对在-5 ℃的室外环境中，受试者在持续冷暴露30 min下的热反应特征进行了研究；Tochihara等[9]利用人工气候室，研究了受试者在-25 ℃环境温度下5、10、20 min的冷暴露时间下分别重复12次、6次和3次的热反应特征。

为此，本文结合冬奥会期间主赛区在河北崇礼地区的气候特点，利用北京地区某商业冷库的-14 ℃～-16 ℃人工环境条件，结合实验方法，重点开展关于人体各部位热反应特征、冷耐受极限时间、以及人体不可忍受时的生理极限阈值等问题研究，以期为严寒环境下人体冷耐受特性及其改善人体热舒适性的局部供暖方法研究，提供基础数据参考。

1 实验方法

冷环境中影响人体散热量的主要环境因素有环境温度与湿度、风速、太阳辐射强度[3]。通常，崇礼地区的一些重要观演赛事主要在傍晚(17∶00～20∶00)举行，太阳辐射的有利作用无法利用；另外，冬季环境含湿量相对较低，可以不考虑冷环境中相对湿度对人体散热量的影响[10]。图1所示为2018年2月4日到2月20日崇礼地区傍晚时段(17∶00～20∶00)的主要气象参数，室外空气温度主要集中在-14 ℃～-16 ℃，风速主要集中在0.5～1.0 m/s(考虑到观赛区四周设有挡风板等防风措施，可以忽略风速对人体热舒适的影响)。

图1 2018年崇礼地区傍晚时段气象参数

根据上述分析，本文利用北京地区某商业冷库的-14 ℃～-16 ℃人工环境条件，重点开展人体各部位热反应特征、冷耐受极限时间、以及人体不可忍受时的生理极限阈值等问题的实验研究。图2为实验场地平面布置示意图。实验场地包括中性环境区的房间A和冷环境区的房间B。其中，房间A通过空调系统将环境温度控制在15 ℃～16 ℃；房间B层高为4.5 m，利用人工冷舱控制环境温度为-14 ℃～-16 ℃、相对湿度为65%～75%、平均风速约为0.1～0.2 m/s。房间B分为货物区与通道区，通过铁丝网隔开；照明主要设置在货物区，且货物区的食品均包装完好，无明显气味。为了避免灯光暗淡与空气质量对受试者的影响，受试者的实验活动区域主要集中在图2的灰色区域。所有实验均安排在下午14∶00～18∶00进行，实验期间为2018年和2019年的10月～12月。

图2 实验房间布局

冷环境下，手部暴露将对人体热舒适产生直接影响[11]。为此，实验分两个工况进行:1)站姿，带有手套的手放在外部(简称“手暴露”)；2)站姿，带有手套的手插入外衣口袋(简称“手插兜”)。每个实验工况都由两个阶段组成：1)实验开始之前，受试者进入房间A更换实验服装，并将测量人体皮肤表面温度的温度传感器粘贴于皮肤表面，然后静坐20 min(图3(a))，以减少实验前热环境对受试者热感觉的影响；2)受试者从房间A进入实验房间B，依据预定的实验条件进行冷耐受实验(图3(b))，直至无法继续忍受实验环境的冷刺激并强烈要求返回休息区为止。8名在校学生(4男，4女)被招募参与所有工况实验[3,12]，其生理参数见表1，且所有受试者均在北京生活过1 a以上，已基本适应了寒冷地区的气候。每次实验时，2名受试者(1男，1女)参加；为了减少其他潜在因素的影响，实验之前24 h以内，所有受试者均不可有疾病、喝酒、抽烟等情况。为了保障受试者身体健康以及消除前实验工况的热经历对后实验工况的影响，每个实验工况相隔5 d。

图3 实验场景

表1 受试者生理参数

根据已有研究成果[13-17]，受试者的服装热阻考虑为2.1 clo，分别由秋衣、秋裤、薄毛衣、厚毛衣、长款厚羽绒服、围巾、厚手套、保暖裤、羽绒裤、厚棉袜、雪地靴等构成。实验过程中，受试者可交谈、轻微走动，包括跺脚等正常生理反应，但不允许交流实验相关内容和剧烈运动。

环境参数根据GB/T50785―2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》规定进行测量。房间A在靠近人体处布置测点(图3(a))，在距地面0.6 m处测量环境温度。房间B在铁丝网区域的中心布置测点(图2)，在距地面1.1 m处测量环境温度、相对湿度、空气流速、黑球温度。环境温度和相对湿度采用RR002温湿度自记仪，每1 min自动采集一次数据；空气流速采用testo-435热线风速仪，黑球温度采用TR-52S黑球温度计，均每10 min手动采集一次数据；根据下式计算平均辐射温度[16]：

Tr=[(tg+273)4+0.4×108(tg-ta)5/4]1/4-273

(1)

式中：Tr为平均辐射温度，℃；tg为黑球温度，℃；ta为环境温度，℃。

受试者的皮肤温度采用iButtonDS1923温度传感器进行测量，在整个实验过程对皮肤温度每隔1 min自动采样一次。为了防止受试者在实验期间由于出汗以及走动等因素导致测点脱落，使用防水医用胶带将iButton贴附到皮肤表面，且均位在身体左侧，其中全身11个部位的温度测点布置如图4所示。实验前各测试仪器均进行标定，测量精度见表2。

图4 不同部位皮肤温度测点分布

表2 测量仪器主要技术参数

受试者的主观评价调查使用两种类型的热感受调查问卷，一种是用于评估整体热感觉，另一种是用于评价局部热感觉。采用ASHRAE11点尺度表进行量化[16]，分别为极冷(-5)、很冷(-4)、冷(-3)、凉(-2)、微凉(-1)、中性(0)、微暖(+ 1)、暖(+ 2)、热(+3)、很热(+4)、极热(+5)。问卷调查通过对讲机进行记录，时间间隔为6 min，包括实验开始与结束时受试者热感觉投票。

需要说明的是，为了营造中性温度热感觉，房间A的环境温度通常稍低于一般中性温度需求，以便受试者在实验着装状态下调整好他们的中性状态。所谓中性温度，是指人体整体热感觉为中性时所对应的皮肤温度[11]。

本文选择独立样本T检验进行统计分析，P<0.05时认为具有显著性统计学差异(用“*”表示)，P<0.01时认为具有高度显著性统计学差异(用“**”表示)，所有统计分析均由IBM SPSS Statistics软件执行。

2 实测结果及讨论

2.1 皮肤温度

2.1.1 中性环境

图5反映了受试者在中性环境的房间A持续停留20 min过程中身体各部位皮肤温度(平均值)随时间的变化。相比其他部位，手指具有易活动的特点，使受试者除手指皮肤温度变化较大以外，其他部位相对较稳定[11]；另外，受试者从头到脚出现了明显的温度分层现象，上躯干(胸部、背部)的皮肤温度最高、约为35 ℃，头部及四肢部位(大臂、小臂、大腿、小腿)的皮肤温度其次、约为33 ℃～35 ℃，末端部位的皮肤温度最低、约为31 ℃～32 ℃。

图5 中性环境下受试者各部位皮肤温度的逐时变化

图6反映了在冷环境的房间A持续停留20 min结束时，所有受试者各部位皮肤温度。从图中可知，上躯干部位(胸部、背部)的皮肤温度波动幅度最小、约为2 ℃；头部及四肢(大臂、小臂、大腿、小腿)的皮肤温度波动幅度其次、约为3 ℃～4 ℃不等；末端部位(手部、脚部)的皮肤温度相对最低且波动幅度最大、约为7 ℃～10 ℃不等，特别是手指、脚趾的波动幅度最大，其波动范围约为10 ℃。分析其原因，一方面是由于为冬季实验，中性环境下受试者的皮肤温度会受之前环境的影响；另一方面是由于服装热阻与生理结构的不均匀性，使得人体不同部位皮肤温度对热环境改变的敏感度不同，其中手部、脚部的敏感度最高，头部及四肢部位(大臂、小臂、大腿、小腿)其次，上躯干部位(胸部、背部)最低[18]。

图6 休息阶段结束时受试者的各部位皮肤温度

2.1.2 冷环境

图7反映了受试者分别在中性环境、冷环境实验条件下，手暴露(工况1)和手插兜(工况2)实验结束时身体各部位皮肤温度均值。其中受试者的中性皮肤温度，为两个工况的中性环境实验过程结束时受试者皮肤温度的平均值。

图7 不同阶段结束时受试者的平均皮肤温度分布

手暴露的工况1，相对于中性皮肤温度，受试者上躯干(胸部、背部)的皮肤温度下降幅度最小、约为2 ℃～3 ℃不等；头部及四肢(大臂、小臂、大腿、小腿)的皮肤温度居中且下降幅度其次、约为3 ℃～5 ℃不等，末端部位(手部、脚部)的皮肤温度下降幅度最大、约为5 ℃～19 ℃不等。分析其原因:1)在冷暴露过程中，人体为了保持核心温度的稳定，会采取自我调节机制，减少四肢与末端(尤其是手指与脚趾)部位的供血量[19]；2)受试者各部位的表面积与体积的比值不同，其中手指、脚趾最大[20]；3)受试者服装热阻分布不均[21]。

需要指出的是，手暴露(工况1)的冷耐受阶段实验结束时，手指的皮肤温度下降到了约11 ℃，下降幅度高达19 ℃；脚趾的皮肤温度则下降到了约18 ℃，下降幅度达到了13 ℃；此时，手指与手背的温差约为13 ℃，脚趾与脚背的温差约为9 ℃。手暴露的工况1条件，受试者在冷环境区持续停留时间平均为51 min。由此可认为，手暴露的工况1下影响受试者热舒适的关键部位为手指，此时的手指皮肤温度11 ℃可视为对应工况下人体生理极限阈值。

手插兜的工况2，冷耐受阶段结束时受试者身体各部位皮肤温度下降趋势同手暴露的工况1；所不同的是，手部皮肤温度下降幅度明显减少了。其中，手指皮肤温度的下降幅度减少了约12 ℃、手背减少了3 ℃，且手部始终维持在正常工作的温度(20 ℃)以上[22]；而此时脚趾皮肤温度却下降到了16 ℃，下降幅度高达15 ℃；余下的其他部位皮肤温度的下降幅度也有所增大、约为0～2 ℃。手插兜的工况2下，受试者在冷环境区持续停留时间平均为67 min。由此可认为，手插兜的工况2下影响受试者热舒适的关键部位为脚趾，此时的脚趾皮肤温度16 ℃可视为对应工况下人体生理极限阈值。

图8反映了手暴露的工况1和手插兜的工况2实验结束时，受试者身体各部位皮肤温度比较结果。两个工况条件下，受试者除手部的皮肤温度具有显著性差异(其中:手背，P<0.05；手指，P<0.01)外，其余部位无显著性影响(P>0.05)；其中，手指的生理极限阈值主要集中在9 ℃～12 ℃，脚趾的生理极限阈值主要集中在15 ℃～18 ℃。说明不同受试者之间关于冷耐受阶段关键部位的生理极限阈值差异不大。

图8 实验结束时受试者各部位的皮肤温度

2.2 皮肤温度下降速率

图9反映了整个冷耐受阶段，受试者身体各部位平均皮肤温度下降速率。其定义为皮肤温度的下降值与可持续停留时间的比值。手暴露的工况1下，上躯干部位(胸部、背部)的皮肤温度下降速率最小，约为0.03～0.04 ℃/min，头部及四肢部位(大臂、小臂、大腿、小腿)其次，约为0.04～0.08 ℃/min；末端部位(手部、脚部)的皮肤温度下降速率相对最大，约0.09～0.32 ℃/min。其变化趋势与冷环境下皮肤温度下降幅度相同。分析其原因，也是由于内部产热量和服装热阻分布不均以及不同部位表面积与体积比值不同所导致。特别是在冷环境下，低的产热量以及高的表面积与体积比使得手指、脚趾的皮肤温度迅速下降，其中手指、脚趾皮肤温度下降速率分别达到了0.32、0.21 ℃/min，此时，手指约为手背的2.7倍，脚趾约为脚背的2.3倍。与手暴露的工况1比较，手插兜的工况2，受试者除手背、手指皮肤温度下降速率均有高度显著性下降(P<0.01)以外，其余部位皮肤温度的下降速率基本相同，无显著性差异(P>0.05)；其中，手指的下降幅度为0.19 ℃/min、达到了0.15 ℃/min，手背的下降幅度为0.05 ℃/min、达到了0.07 ℃/min。

图9 受试者身体各部位平均皮肤温度下降速率

图中结果表明，由于受试者活动水平的差异性，致使手指、脚趾的标准差相对大一些，其中手指的标准差约为0.06～0.08 ℃/min，脚趾的标准差约为0.02～0.04 ℃/min；其余部位的标准差均小于0.03 ℃/min。说明在-14 ℃～-16 ℃的冷暴露条件下，当受试者统一着装且身体质量指数值基本相同时，受试者之间的皮肤温度下降速率差异性较小。

2.3 受试者热感觉

图10反映了受试者分别在中性环境、冷环境条件下，手暴露的工况1与手插兜的工况2实验结束时受试者的最后一次热感觉投票均值，将中性环境实验结束时的热感觉投票均值作为受试者的初始热感觉。

在中性环境中，头部、手部(手背，手指)与整体初始热感觉投票基本处于“中性”状态，其余部位处在“中性”以上。这是因为在15 ℃～16 ℃的中性环境中，受试者为保持整体热中性，采取了行为调节方式，如不穿戴手套与帽子、敞开外套等，但躯干与脚部的服装热阻相对较大且不易有效调节，所以感到较暖。与初始热感觉相比，手暴露的工况1，受试者除了头部、胸部、背部、大腿、小腿以外，其余部位的热感觉投票均有较大幅度的下降，其中手指的下降幅度最大，实验终止时下降了约5个热感觉尺度、达到-5，为极冷状态；其次是脚趾，下降了约4个热感觉尺度、达到-4，为很冷状态。此时，手指与手背相差约4个热感觉尺度，脚背与脚趾相差约3个热感觉尺度。说明手暴露的工况1条件，受试者冷感最强烈部位为手指，其次为脚趾；与手暴露的工况1相比，手插兜的工况2下受试者手指与脚部(脚背、脚趾)的最后一次热感觉投票具有显著性差异(P<0.05)，而其余部位和整体均无显著性差异(P>0.05)；其中，手指的最后一次热感觉投票有了高度显著性的提升(P<0.01)，其达到了“中性”状态；而脚部最后一次热感觉投票则出现了高度显著性的下降(P<0.01)，此时脚趾热感觉投票最低、达到了-5(极冷)。说明手插兜的行为调节方式能有效改善手部热感觉，使得脚趾变成了受试者冷感最强烈部位，但这两个工况对受试者整体热感觉无显著性影响(P>0.05)。

图10 受试者热感觉投票均值比较

与其他部位相比，手指、脚趾为人体四肢的末梢部位，其内含有丰富的痛觉神经末梢，使其对于冷刺激所产生的疼痛感更加敏感[20]。同时，其皮肤温度下降速率最大，会使其较其他部位先达到生理极限阈值和出现不可忍受的痛感，所以冷感最强烈。此时，不同部位热感觉出现较大差异，整体热感觉遵循“抱怨模式”，即受试者最冷部位热感觉主导整体热感觉[23]。所以其整体热感觉被冷感最明显的手指(工况1)、脚趾(工况2)的局部热感觉所主导。

2.4 男女受试者差异性

图11、12分别反映了手暴露的工况1、手插兜的工况2下，男性与女性受试者在冷环境区持续停留时间的比较结果和对应关键部位(手指、脚趾)的生理极限阈值的比较结果。实验结果表明，男性与女性的的生理极限阈值均无显著性差异(P>0.05)；略有区别的是，男性的冷耐受极限时间均值略大于女性、手指的生理极限阈值均值略低于女性、脚趾的生理阈值均值略高于女性。

图11 受试者可持续停留时间比较

图12 手指、脚趾的生理极限阈值的比较

3 结 论

1)手暴露工况1与手插兜的工况2下，受试者的平均可持续停留时间分别为51、67 min；相应冷感最强烈、皮肤温度下降速率最大且温度最低的部位分别为手指和脚趾。其中，手指、脚趾的平均皮肤温度下降速率均值分别为0.32、0.21 ℃/min；生理极限阈值均值分别为11 ℃、16 ℃。

2)手插兜的行为调节方式对提高手指的热感觉与皮肤温度、以及降低手指皮肤温度下降速率，均具有高度显著性(P<0.01)。

3)整个实验过程中，男性与女性的可持续停留时间、关键部位的生理极限阈值均无显著性差异(P>0.05)。