进藏人员冬季热适应层级及热需求特征研究*

宋 聪 康佳敏 王登甲△ 刘艳峰

(1.绿色建筑全国重点实验室,西安;2.西安建筑科技大学,西安)

0 引言

在“一带一路”建设和西部大开发政策引领下,近年来,商旅科考、援藏建藏人员数量爆发式增长,主要流向以拉萨为主的西藏高原城镇地区[1]。外来人员已成为西藏城市人口组成的重要部分。然而,青藏高原平均海拔达4 000 m,大气压仅为海平面的60%[2],常年高寒、缺氧、低湿等特殊环境对进藏人员的热舒适构成严重威胁。因此,为进藏人员营造舒适的室内热环境是完善高原宜居环境建设的重要内容。

当人体从平原地区进入高原地区后,皮肤表面对流散热减少,蒸发散热增强,新陈代谢加快,人体对热环境的敏感度降低。胡松涛等人通过气候室模拟低压环境,探讨了无症状反应域(海拔低于3 000 m)人体生理参数与主观热感觉随空气压力变化的规律[3]。Hu等人研究了极冷环境不同压力下人体生理反应、整体和局部热感觉的变化规律[4]。此类低压环境舱实验研究拓展了关于气压对人体热舒适影响的认知,为开展进藏人员热舒适研究奠定了基础。但是这些研究多集中于短时的气候室低压环境暴露,难以体现进藏人员对高原低温低氧环境的长期适应过程。

在高原特殊气候环境的持续暴露下,人体热舒适需求存在适应性特征。Gautam等人对尼泊尔传统建筑居民冬季热舒适的现场调查表明,其平均舒适温度为13.8 ℃[5]。闫海燕等人的研究表明,由于生活水平限制与生活习惯所致,拉萨住宅冬季室内供暖措施较少,居民大多依靠增减服装调节热舒适度[6]。Yu等人基于现场研究明确了适应性舒适模型应用于西藏地区的自适应系数为0.34[7]。上述现场研究主要关注对高原低压低氧等特殊环境形成遗传性适应的世居者,进藏人员的热适应特征尚不明晰。

人体热适应与其过往热经历密不可分。Gautam等人研究了尼泊尔亚热带气候中的当地人和移民的热舒适,发现当地居民的热可接受度上限较外来人口高3 ℃[8]。Luo等人发现长期处于相对中性稳定环境的受试者其生理热反应更强烈[9]。尹佳星等人[10]、周范卓等人[11]研究了寒冷地区不同气候类型、夏热冬冷地区过渡季人体的热适应问题。笔者所在团队对琼海当地及外来人员的现场调研表明,随着居住时间的增加,外来人员热反应与当地居民逐渐趋同[12]。上述对于热适应层级差异的研究多集中于平原地区不同气候区与不同热经历条件。对于进藏人员而言,其热适应还应考虑高原低压低氧的特殊条件,进而,其进藏时间、来源地海拔与气候等因素均可能对其热适应水平产生影响。

为掌握进藏人员热适应水平差异及热需求特征规律,笔者对拉萨冬季室内人员热舒适进行了现场测试与问卷调研,使用K-prototypes聚类方法将进藏人员热适应水平区分为3个层级,分别为应激代偿、适应代偿和基本适应,探究不同热适应水平下人员的生理、心理、行为适应机制,获得进藏人员冬季热需求差异,为高原地区援藏干部周转房、宾馆等建筑室内热环境营造提供参考。

1 研究方法

1.1 研究地点与研究对象

本文研究选取西藏拉萨市及周边县域为调研地点,分别在2020年11月和2021年12月通过现场测试和问卷调研分析了进藏人员冬季热环境现状与热适应过程。拉萨市位于东经91°06′、北纬29°36′,平均海拔为3 650 m,是世界海拔最高的城市之一,属于高原温带半干旱季风气候区,冬季寒冷干燥,昼夜温差大,昼间太阳辐射强。外来进藏人员占当地人口数量的一半。

本文研究的调研对象主要为进藏人员和当地世居人员,2次调研共获得730个样本,其中进藏人员有效样本373个,世居人员有效样本271个。统计学方差分析结果显示这两类人员的年龄、身高、体质量均无显著差异(P>0.05),具体信息见表1。调研在住宅、宿舍和商场等围合空间建筑内开展,人员活动状态多为静坐或轻度活动状态。调研前向受试者告知调研目的、问卷题目含义、测试流程等,受试者根据自身实际情况回答问题。

按投资增加10%、减少10%分析对国民经济评价指标的影响程度。效益变化和投资变化的敏感性分析成果见下表。从敏感性分析成果看，效益、投资的变化不会使工程变为不可行，因此保证工程效益的实现是该工程的关键。分析结果还表明，该工程具有较强的抗风险能力。

表1 受试者基本信息

1.2 参数测量

调研期间对室内外环境参数和受试者生理参数进行了测量,所测参数及测试仪器信息如表2、3所示。室内热环境参数测试依据ASHRAE 55-2017标准,测点布置于受试者周围,距地面0.6 m高(坐姿)或者1.1 m高(站立)处。测试时在室外设置温湿度自记仪连续记录调研期间室外空气温度和室外相对湿度。

表2 室内外环境参数测试仪器

表3 生理参数测试仪器

1.3 问卷设计与调研过程

本次调研采用纸质调研问卷。问卷内容包括四部分:受试者基本信息、热氧经历、热湿主观评价和热调节行为信息。基本信息包括受试者的性别、民族、年龄、身高、体质量、健康状况、活动水平、衣着情况等。热氧经历包括受试者是否世代居住在西藏、受访者的家乡、进藏时间。热湿主观评价包括受试者的热感觉、湿感觉、热舒适、湿舒适、热可接受度、湿可接受度、热期望、湿期望。热环境评价指标参考ASHRAE 55-2017[13]和ISO 10551:2019[14]标准,如表4所示。热感觉评估采用7级标尺,热舒适评估采用4级标尺,热期望投票采用7级标尺,热可接受度投票采用4级标尺,湿环境评价标尺与热环境评价标尺一致。热调节行为信息包括受试者受访时的室内热环境调节方式、日常调温措施及调节意愿。

表4 热环境评价指标

1.4 数据处理

使用SPSS 24.0进行统计结果分析。不同人群间采用单因素方差分析进行显著性检验。P<0.05表示具有显著差异;P<0.01表示差异非常显著;P<0.001表示差异极其显著。

2 研究结果

2.1 室内外热湿环境

调研期间连续测量了室外空气温度与相对湿度,结果如图1所示。室外日平均空气温度为9～14 ℃,2次调研期间无显著差异。室外日平均空气相对湿度大多处于5%～15%,相比内地其他地区明显偏干。

图1 拉萨冬季室外热湿参数

调研期间室内热湿参数如图2所示。室内空气温度主要在17～23 ℃之间,处于大部分人相对舒适的温度范围。室内空气相对湿度比室外略高,集中在6%～16%,低于GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》相对湿度≥30%的要求值[15]。在此室内相对湿度范围内,人体会出现各种生理不适,例如鼻腔出血、眼睛出现血丝等。

图2 拉萨冬季室内热湿参数

调研期间室内外大气压无明显波动,基本处于65 kPa,氧浓度主要在19%～20%之间,受试者处于典型的低压缺氧环境。

2.2 进藏人员适应层级划分

本文研究借鉴现有研究的分类经验和相关成果,将进藏人员的来源地海拔分为5个等级:0～800、800～1 800、1 800～2 800、2 800～3 600、3 600 m以上;将进藏时间划分为1周内、1周～1月、1～3月、3～6月、6月～1年、1～5年、5年以上;选择来源地建筑气候分区表征其过往热环境暴露经历;结合低氧环境关键生理评价指标分析,选取心率与血氧饱和度2个便于测量、代表性强的典型生理参数。提取来源地海拔、进藏时间、来源地建筑气候区、心率、血氧饱和度5个指标,使用K-prototypes聚类方法进行人群聚类。首先基于python语言对血氧饱和度和心率进行数据标准化处理,对来源地建筑气候分区进行独热编码,对来源地海拔和进藏时间进行有序编码,使用UMAP降维算法,将数据从高维空间映射至二维空间;然后结合K-prototypes聚类结果,对人员进行可视化分析,最终确定将进藏人员分为3个层级,见图3。这3个层级人员在来源地气候、海拔、进藏时间方面的分布情况如图4所示。

图3 进藏人员热适应水平聚类结果

图4 3个层级进藏人员热氧经历特征

2.3 进藏人员热适应特征

2.3.1生理适应与热适应水平界定

人体对于高原环境的适应主要是对当地寒冷环境与缺氧环境的交叉适应,如前所述,在研究高原热适应问题时缺氧对人体的影响不容忽视。

然而血氧饱和度、心率、体温等生理参数会受人员所处的环境温度影响。对于本文调研,受试者所处的室外环境并非极端环境,且室内空气温度主要在17～23 ℃之间,4类人员(进藏人员Ⅰ、进藏人员Ⅱ、进藏人员Ⅲ、世居人员)在调研期间所处室内环境的平均温度分别为19.3、19.4、19.4、19.8 ℃,对人员所处室内环境温度进行差异性检验,结果显示P>0.05,人员所处室内环境温度无显著差异,因此可认为下述生理适应的差异主要由热适应水平不同导致。

图5显示了3个层级进藏人员与世居人员血氧饱和度的分布状况。进藏人员Ⅰ、进藏人员Ⅱ、进藏人员Ⅲ、世居人员的血氧饱和度主要分布范围(取整)分别为85%～87%、91%～93%、91%～93%、90%～95%,血氧饱和度均值分别为86%、92%、92%、92%。通过显著性分析发现,进藏人员Ⅰ与进藏人员Ⅱ、进藏人员Ⅲ、世居人员的血氧饱和度有极其显著差异。

注:***表示统计学显著性水平P<0.001。

图6显示了3个层级进藏人员与世居人员心率分布状况。进藏人员Ⅰ、进藏人员Ⅱ、进藏人员Ⅲ、世居人员的心率(取整)分别为85～100、93～105、71～83、73～90次/min,心率的均值(取整)分别为90、100、79、80次/min。通过显著性分析发现,进藏人员Ⅰ与进藏人员Ⅱ、进藏人员Ⅱ与进藏人员Ⅲ、进藏人员Ⅲ与世居人员的心率具有极其显著差异。

注:***表示统计学显著性水平P<0.001。

进藏人员进入高原后会对高原低温低氧环境产生应激反应,打破机体内环境的稳定[19]。从上述结果可知:进藏人员Ⅰ的平均心率为90次/min,较在平原时有所增加;平均血氧饱和度为86%,较在平原时大幅降低。因此,可认为进藏人员Ⅰ处于应激代偿阶段,高原低温低氧环境的应激反应会帮助机体重新寻求内部平衡,引起机体的红细胞增加,心率上升[20];进藏人员Ⅱ比进藏人员Ⅰ的心率和血氧饱和度都高,因此可以认为进藏人员Ⅱ处于适应代偿阶段;随着热适应水平的增加,进藏人群心率会有所下降,血氧饱和度逐渐上升,其生理参数会逐渐向当地世居人群靠近,有研究也指出热习服形成的标志性表现是心率降低、核心体温降低等[18],由此可认为进藏人员Ⅲ处于基本适应阶段。虽然进藏人员对高原环境已有所适应,但“适应”没有从量变达到“质变”,身体各项机能仍不能与世居人员相提并论。

图7显示了3个层级进藏人员与世居人员核心温度与手腕温度的分布情况。平原人员初入高原时,人体新陈代谢和呼吸功能发生适应性变化,人体热平衡发生改变,体温会有些微不同,但各类人员之间无显著差异,体温基本在37 ℃左右。然而缺氧导致皮肤小动脉收缩,血流量减少,作为容量血管的皮肤小静脉和毛细血管血容量减少,因此进藏人员的手腕温度比世居人员都低2 ℃左右,且其皮肤表面对环境的敏感度要比其他人群高,不同热适应水平进藏人员手腕温度无显著差异。

图7 不同热适应水平进藏人员与世居人员体温与手腕温度

2.3.2热调节行为适应

图8所示为调研期间受试者所在室内的调温设备使用状况。在拉萨冬季,城市地区超过一半的人采用空调和散热器保障室内的舒适性,但是不同热适应水平人员其行为调节方式有所不同。热适应水平低的人更习惯使用空调,热适应水平高的人习惯使用散热器,这是因为热适应水平低的人大多进藏时间较短,更多活动于宾馆、民宿、商场等场所。

图8 进藏人员与世居人员冬季室内调温设备使用状况

图9显示了冬季拉萨居民服装热阻I与操作温度top的关系,其服装热阻集中分布在0.9～1.4 clo。服装热阻I世居人群>基本适应阶段进藏人员>适应代偿阶段进藏人员>应激代偿阶段进藏人员。热适应水平越高,其服装热阻值越大,应激代偿阶段进藏人员服装热阻改变越灵活。这是因为当地常年寒冷,随着热适应水平的增强,人们对寒冷的敏感度下降,内心对温暖环境的期望较大。

2.3.3热环境主观评价

图10所示为进藏人员与世居人员冬季热感觉投票分布。50%的进藏人员与世居人员认为室内热感觉适中;应激代偿阶段进藏人员有22%的人感觉偏暖,有27%的人感觉偏凉,与适应代偿阶段进藏人员基本一致;基本适应阶段进藏人员有35%的人感觉偏暖,有13%的人感觉偏凉;世居人员中,40%的人感觉偏暖,7%的人感觉偏凉。随着热适应水平的增强,进藏人员的平均热感觉投票值从-0.2上升到0.3,可以看出,进藏人员对于高原热环境的适应主要是对偏冷环境的适应增强。

图11所示为不同热适应水平人员对冬季室内热环境的期望投票结果。随着热适应水平增强,人员平均热感觉上升,但从热期望总体分布来看,人员中30%～40%期望室内温度保持不变,超过50%期望室内变得更暖和,仅10%～20%期望室内更凉快一些。可见,冬季藏区人员对温暖的室内环境具有较为一致的强烈期望。

图11 进藏人员与世居人员冬季热期望投票

2.4 藏区不同热适应水平人员热需求差异

2.4.1热中性温度

图12显示了进藏人员与世居人员所处室内操作温度top与MTS(平均热感觉投票)的拟合关系。结果表明,应激代偿阶段、适应代偿阶段、基本适应阶段进藏人员的热中性温度分别为19.7、19.3、19.1 ℃,世居人员的热中性温度为18.3 ℃。随着热适应水平的增强,进藏人员的热中性温度逐渐降低,进藏人员与当地世居人员的差异逐渐减小,同时,进藏人员对温度的敏感度逐渐下降。世居人员在经过漫长的适应后,形态、技能、体成分都发生了变化,已经进化出可以适应高原低温缺氧环境特有的生理机制。进藏人员虽可以在一定程度上适应当地环境,但仍然与当地世居人员存在差异。

图12 进藏人员与世居人员室内操作温度top与 平均热感觉投票MTS的拟合关系

2.4.2可接受温度范围

本文可接受温度范围采用间接法计算得出。MTS为-0.5～0.5时得到的空气温度范围就是90%的人可以接受的空气温度范围。MTS为-0.85～0.85 时得到的空气温度范围就是80%的人可以接受的空气温度范围。表5给出了不同热适应水平进藏人员与世居人员可接受温度的范围。世居人员90%可接受温度范围较适应代偿阶段进藏人员宽4 ℃,较应激代偿阶段进藏人员宽6 ℃。热适应水平越高,人员的可接受空气温度范围越宽,这是因为随着热适应水平的增强,人员的热敏感度下降,可接受温度范围越来越接近世居人员,这也是进藏人员热适应的体现。

表5 不同热适应水平进藏人员与世居人员 可接受温度范围 ℃

3 结论

营造适宜的室内环境是保障大量内地进藏旅游、工作等人员舒适健康的前提。本研究通过现场调研与聚类分析,明确了进藏人员热适应层级划分与热需求特征,主要结论如下:

1) 进藏人员的适应性受其热氧环境暴露经历与个体差异的影响有别于平原。根据进藏人员来源地海拔、来源地气候、进藏时间、血氧饱和度、心率这5个指标的聚类分析表明,进藏人群根据适应演进水平可划分为应激代偿、适应代偿、基本适应3个层级。在人员层级结构上,进藏时间是影响人体热适应的突出因素,适应水平越高的人员普遍进藏时间更久。

2) 进藏人员在生理、心理、行为方面均反映出热适应的演进过程并逐渐趋近高原世居人员。生理方面,进藏人员血氧饱和度均值可上升到93%,心率均值可下降到79次/min;心理方面,其对偏冷环境的适应水平明显逐渐增强,平均热感觉投票从-0.2上升到0.3;行为方面,热适应水平越高,其服装热阻值越大,处于初步适应层级的应激代偿阶段人员服装热阻改变更灵活。

3) 处于应激代偿、适应代偿、基本适应阶段的进藏人员,其热中性温度分别为19.7、19.3、19.1 ℃,均高于世居人员的热中性温度(18.3 ℃)。总体可见,随着对高原环境适应水平的持续演进与增强,人体热中性温度逐渐降低,进藏人员与高原世居人员的差异逐渐减小;世居人员90%可接受温度范围较适应代偿阶段进藏人员宽4 ℃,较应激代偿阶段进藏人员宽6 ℃,热适应水平越高,人群可接受的室内温度范围越宽。