佩戴口罩对行人室外热安全和热舒适影响探究

焦娇，胡蓉，谢泳欣，方赵嵩 ， 刘建麟

（1. 东华大学环境科学与工程学院，上海，201620；2. 清华大学建筑学院建筑技术科学系，北京，100089；3. 广州大学土木工程学院，广州，510006）

0 引言

工业化加剧了城市空气污染，同时城市高密度建设和建筑用能增大也带来了城市热岛问题［1］。市民在户外进行游憩活动时更利于激发正面情绪，促进身心健康［2］。同时，适当地外出也能降低空调和人工照明的使用频率，进而减少建筑能耗［3］。因此，营造健康舒适的室外环境是提高城市宜居性的关键之一。

室外热舒适受到环境因素、人员生理因素和心理因素的直接影响［4］。近年来，影响室外热舒适的因素的研究已在不同地区开展，且不同季节影响室外热舒适的主导热环境参数也不同［5］。在夏热冬暖地区的香港展开的研究［6］表明人们对于风的变化更加敏感。在热带地区的新加坡则表明了湿度是影响热舒适和热感觉最重要的因素［7］。Liu等［8］通过机器学习对不同热环境条件和受试者皮肤温度的数据进行训练，表明可以通过监测人体皮肤温度来获取受试者的室外热舒适信息。Zhang等［9］指出了在预测室外热舒适时需考虑代谢率的变化。同时，Wang等［10］报道了人员心理因素在影响热舒适与热感觉中也发挥着重要作用。快速精确地对人体热舒适进行预测和评价往往是众多现行热舒适指标的关注点，它也是热安全研究的重要内容之一。彭婷等［11］通过标准有效温度（SET）评价广州某图书馆的热舒适性，结果表明阅览室与中庭阅览空间热环境相差较大。众多热舒适指标中生理等效温度（PET）被广泛应用于评价室外热舒适［12］， 刘建麟等［13］模拟了建筑架空区周围的风环境，并结合PET给出了行人的热舒适分布。

近期，雾霾、流行病的爆发促使阻断气载污染传播再次成为热点［14］， 大多数学者如陈等［15］主要关注口罩对病毒与污染物的防护性能，特别是给出了不同材料对口罩防护性能的影响。2020年初疫情爆发后，城镇居民外出购物、通勤等日常活动时已习惯佩戴口罩，这给探究行人室外热舒适提出了新挑战。近年来也有一些研究报道了口罩对人体热舒适的影响，Lin等［16］评估了在室内佩戴口罩者的热负荷。Zhang等［17］在气候室展开实验并得出环境温度的升高，佩戴医用外科口罩对人们热感觉、热安全和呼吸舒适的影响较强。然而，佩戴口罩对于热安全和热舒适的影响尚未深入探究。本文从佩戴口罩者的热感觉与热安全的视角出发，通过开展室外热环境测试和受试者问卷调研探究口罩对其室外热舒适性的影响。

1 实验方法

1.1 实验地点

在夏热冬冷气候典型城市上海的某大学校园内开展环境参数实测及受试者主观问卷调研。测试及调研周期为2020年11月7日至2020年12月6日。如图1所示，受试者从起点1出发途经地点2到终点3，再原路折返回起点1，共660米。

图1 实测及问卷地点

1.2 实测仪器

在起点和终点分别放置一台HOBO微型气象站，每分钟记录1.1米高度处的空气温度（Ta）、相对湿度（RH）、太阳辐射量（SR）和2米高度处的风速（Va）。实验中使用纽扣温度计iButton来测量皮肤温度，通过心率带获得受试者的心率，每两分钟自动记录一次数据。表1给出了测试仪器的详情，所有仪器均满足ISO 7726［18］的要求。

表 1 实验仪器的详细参数

1.3 实验流程

每组实验分为5个阶段，耗时90分钟，如图2所示。第一阶段为准备阶段，受试者静坐30分钟；第二阶段为运动阶段，受试者被要求行走15分钟；第三阶段受试者休息20分钟，以排除历史运动经历对佩戴一次性医用口罩运动结果的影响；第四阶段为受试者佩戴一次性医用口罩行走15分钟；第五阶段受试者休息10分钟。

图2 实验流程图

受试者以0.9 m/s、1.2 m/s和1.8 m/s三种不同速度行走，分别定义为很慢地走，慢走，和快走。实验过程中使用行者骑行小程序来控制行走速度，保持匀速。

1.4 受试者问卷调查

本实验招募健康的成年受试者进行长期实验，其中男性受试者占比54 %，女性受试者占比46 %，每名受试者参与1～3组实验，受试者的服装热阻平均值为1.15 clo。固定的受试者便于降低测试临时招募受试者的热历史、生理及心理因素对结果的影响。受试者实验前已知晓问卷内容及实验流程，且本实验方案已通过学术伦理审查。表2给出了受试者的生理信息。

表2 受试者的生理信息

调研使用问卷星发放电子问卷，总共回收528份有效问卷。受试者调查问卷分为三部分，第一部分为受试者的基本信息，包含受试者年龄、身高、体重、服装和活动状态等，第二部分包含受试者的热感觉投票（TSV）、热舒适投票（TCV）和愉悦度投票（PV）相关问题，表3为受试者问卷中使用的投票量表，第三部分为受试者环境参数偏好投票。

表3 受试者问卷投票量表

1.5 数据分析方法

1.5.1 皮肤温度

皮肤在人体热调节过程中发挥着重要作用。皮肤温度是最常用来评估人体热舒适的重要生理参数之一［6，19］。本次实验通过iButton测量14个身体局部部位的皮肤温度，如图3所示，全身平均皮肤温度是通过ISO 9886［20］的14点法对测量的14个局部部位的皮肤温度计算得到。

图3 身体局部部位测量点

1.5.2 代谢率

代谢率是影响热舒适的重要生理参数之一。Zhai等［21］在气候室对坐姿、站立和行走的代谢率进行测量，结果显示测量的代谢率与现有的标准存在差异，本实验代谢率由心率计算［9］，其表达式为：

式中：M'为代谢率，w/m2；M0为初始状态下的代谢率，w/m2；HR为心率，bpm；HR0为初始状态下的心率，bpm；RM为每单位代谢率心率的增加。

2 结果与讨论

2.1 局地热环境参数分布

实验期间日平均空气温度最低为6.3 ℃，最高为23.7 ℃，均值为15.3 ℃，标准差为5.9 ℃。太阳辐射最低为37.1 W/m2，最高为384.2 W/m2，均值为230.0 W/m2，标准差为109.6 W/m2。2米高日平均风速最低为0.54 m/s，最高为6.52 m/s，均值为1.6 m/s，标准差为1.8 m/s。日平均相对湿度最低为24.1 %，最高为73.3 %，均值为49.6 %,标准差为14.3 %。

2.2 受试者生理参数

2.2.1 皮肤温度

图4给出了全身平均皮肤温度（Tmsk）和与对应的平均热感觉投票（MTSV）间的关系。图4（a）表示Tmsk与对应的MTSV的线性回归。结果表明MTSV和Tmsk具有较好的线性相关性，其中R2=0.7503。全身平均皮肤温度每变化1 ℃，MTSV则相应的变化0.25个单位。

图4（b）描述了受试者全身平均皮肤温度和热感觉投票的动态变化。受试者行走时全身平均皮肤温度呈下降趋势，在冬季人体所处环境的温度较低，人体向外散热。同时佩戴口罩者的热感觉投票明显高于未佩戴口罩运动时的热感觉投票，表明佩戴口罩能有效提高热感觉。

图 4 全身平均皮肤温度和热感觉投票（MTSV）

2.2.2 代谢率

表4为本实验是否佩戴口罩与ASHRAE 55标准中0.9 m/s、1.2 m/s、1.8 m/s的代谢率。本实验的代谢率与标准中的代谢率值存在差异，尤其是佩戴一次性医用口罩快走（1.8 m/s）时代谢率与ASHRAE 55的代谢率值差异更加显著，快走的代谢率在标准中明显被低估。本实验未佩戴口罩快走的代谢率为4.36 met，佩戴口罩快走的代谢率为5.11 met，佩戴口罩提高了受试者进行中高强度活动时的代谢率。

表4 受试者代谢率

2.3 受试者热感觉与热舒适

图5为受试者的整体热感觉、整体热舒适和整体愉悦度投票，受试者的热感觉多数偏冷（TSV=-1、-2、-3），占比为70.8 %，同时受试者的热舒适投票选择TCV=-1和-2的比例最多，占比47.2 %。受试者的愉悦度投票选择愉悦的比例明显高于选择不愉悦的比例。

图5 各投票整体百分比分布

表5为佩戴口罩与否的TSV、TCV和PV的独立性t检验结果，当p＜0.05时表示两者差异显著。佩戴一次性医用口罩与否的受试者的TSV和TCV存在显著差异。图6为佩戴一次性医用口罩与未佩戴口罩受试者的热感觉、热舒适和愉悦度投票。佩戴者热感觉偏冷的占比64.8 %明显低于未佩戴口罩的占比76.9 %。同时佩戴一次性医用口罩者的热舒适投票选择很不舒适和不舒适的比例37.9 %也明显低于未佩戴口罩的比例56.4 %。佩戴口罩的受试者选择平静的比例62.1 %高于未佩戴口罩的受试者选择平静的比例56.8 %，并且佩戴口罩的受试者愉悦度投票选择不愉悦的比例也低于未佩戴口罩的比例。在寒冷的冬季，佩戴一次性医用口罩可以提升人们的热感觉，提高人们的热舒适度。

表5 佩戴口罩与否的独立性t检验结果

表 6 佩戴口罩与否环境参数偏好投票独立性t检验结果

图 6 佩戴口罩与否各投票差异

图7为佩戴口罩的受试者在行走时感觉不舒适的部位，70.8 %佩戴一次性医用口罩的受试者以不同速度行走时感到面部和胸部不舒适，口罩影响受试者的呼吸，受试者呼出的水蒸气无法及时排出口罩外。表6为佩戴口罩与否的环境参数偏好投票的独立性t检验结果，当p＜0.05时表示两者差异显著。佩戴一次性医用口罩和未佩戴口罩的受试者的风速偏好投票存在显著差异。图8描述了受试者对环境参数的期望，受试者期望改善风速条件的比例最高。在冬季，受试者多数期望温度升高，风速减弱。未佩戴口罩的受试者全部期望风速减小，但是佩戴一次性医用口罩的受试者出现期望风速增大的情况。

图7 佩戴口罩的受试者感觉热不舒服的部位

图8 受试者环境参数偏好

2.4 受试者热舒适与热指标PET结果差异

图9为PET与MTSV、MTCV和MPV的关系图。图9（a）中佩戴一次性医用口罩的线性回归表达式为y=0.0231x-1.3193，R2=0.4879，未戴口罩的线性回归表达式y=0.0451x-1.9431，R2=0.6956，未佩戴口罩者的MTSV与PET的相关性更显著，对热感觉的变化更敏感。在同一程度的热感觉，佩戴口罩的PET低于未佩戴口罩的PET，佩戴口罩降低了受试者对环境的耐热性从而影响受试者的热安全。佩戴口罩的受试者（图9（b））热敏感性相对未佩戴口罩者稍弱，但前者明显感到更加舒适。

同一PET下佩戴口罩的受试者的愉悦度低于未佩戴口罩受试者的愉悦度（图9（c））。佩戴口罩的受试者的热感觉提升，舒适度提高，但愉悦度却降低，心理与热舒适和热感觉的关联再此工况下值得深入探究。

图9 各投票与PET的关系

3 结论

为了探究一次性医用口罩对行人室外热舒适的影响，在夏热冬冷气候典型城市上海开展热环境测试及受试者问卷调研，研究结果如下：

1）本实验的代谢率与标准中的代谢率值存在差异，ASHRAE 55中1.8 m/s的代谢率为3.80 met，本实验佩戴一次性医用口罩1.8 m/s的代谢率为5.11 met，中高强度活动情况下佩戴口罩的代谢率对室外热舒适性的影响在未来值得深入研究。

2）佩戴一次性医用口罩与否的热感觉和热舒适投票差异性显著，佩戴一次性医用口罩有效提高受试者热感觉，受试者对环境的耐热性降低，影响受试者的热安全，特别是70.8 %的受试者行走时还感到面部和胸部部位不舒适。

3）佩戴一次性医用口罩的受试者热感觉与PET相关性为0.49，未佩戴口罩的相关性为0.60，热舒适指标PET在此特定工况下值得进一步修正。

本研究也存在一定的局限。由于现阶段仍处于疫情防控期间，暂时无法获取非疫情时佩戴口罩者室外的热舒适性来进一步比较。同时，本文仅选取了三种不同活动强度，且佩戴的口罩仅是一次性医用口罩。未来不同的代谢情况和口罩种类对于室外行人热安全和热舒适的影响值得进一步探究。另外，本研究只给出了冬季佩戴一次性医用口罩对于室外行人热安全和热舒适的影响，更多关于过渡季和夏季佩戴口罩时的影响也将进一步分析。