人體熱舒適客觀評價指標

劉蔚巍，連之偉，鄧啟紅，戎偉芳

(1. 中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083；2. 中原工學院 能源與環(huán)境學院，河南 鄭州，450007；3. 上海交通大學 醫(yī)學院，上海，200025)

人體熱舒適客觀評價指標

劉蔚巍1，連之偉2，鄧啟紅1，戎偉芳3

(1. 中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083；2. 中原工學院 能源與環(huán)境學院，河南 鄭州，450007；3. 上海交通大學 醫(yī)學院，上海，200025)

在人體、動物實驗基礎上，對有可能作為人體熱舒適客觀評價指標的重要生理參數(shù)進行探討。人體熱反應實驗在人工氣候室內進行，對不同環(huán)境溫度下受試者的生理參數(shù)和主觀感覺同時進行測量。研究結果表明：受自主性體溫調節(jié)活動影響的生理參數(shù)如人體皮膚溫度、心率變異性、新陳代謝率、腦電波、肌電、排汗率與人體熱舒適具有較好的生理相關性，并且在人體處于熱舒適與不舒適狀態(tài)時差異顯著，具備作為人體熱舒適客觀評價指標的生理基礎；平均皮膚溫度反映熱舒適程度的靈敏性較高，具備較高的可靠性，而且其測量與計算較為簡單，可作為一個有效的客觀指標來評價穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的人體熱舒適程度。

熱舒適；體溫調節(jié)；生理指標；平均皮膚溫度

人體熱舒適評價一直是人體熱舒適研究中相當重要的內容，對人體的熱舒適狀態(tài)進行準確評價是深入開展熱舒適研究的基礎，同時也直接影響到實際應用中對熱舒適環(huán)境的評判與創(chuàng)造。到目前為止，對人體熱舒適程度進行評價的方法相當有限，基本上都是采用熱舒適主觀評價方法，即采用熱舒適問卷調查的形式直接詢問人們在某熱環(huán)境下的熱感覺與熱舒適程度[1?3]。熱舒適主觀評價方法是一種較為可靠、簡便的評價方法，然而，熱舒適主觀評價方法評價結果的準確性在很大程度上會受到受試者自身對熱舒適是否能合理判斷的影響，或者說熱舒適主觀評價的結果具有較大的主觀性。人體熱舒適雖然是一種主觀感覺，但從生理學角度看，當人體處于熱舒適或熱不舒適時，受自主性體溫調節(jié)活動的影響，其生理狀態(tài)也是不同的[4]。根據(jù)不同熱舒適程度間人體熱生理狀態(tài)的差異來評價熱舒適程度，也就是熱舒適客觀評價方法，評價結果將不完全依賴于受試者對熱舒適狀態(tài)的主觀判斷，更客觀，同時由于引入了人體生理參數(shù)，評價結果還具有生理學意義，可為進一步人體熱舒適生理機理研究提供理論依據(jù)。與人體熱舒適有關的生理參數(shù)較多，而生理指標的合理選擇對熱舒適客觀評價結果的準確性有重要影響。在此，本文作者對有可能作為人體熱舒適客觀評價指標的重要生理參數(shù)進行探討。

1 人體體溫調節(jié)活動與熱舒適

人體對熱環(huán)境的反應有2個方面：主觀感覺反應和客觀生理反應。主觀感覺反應即熱舒適感覺，ASHRAE Standard 55將其定義為：人對熱環(huán)境感到滿意的意識狀態(tài)[5]?？陀^生理反應即人體的自主性體溫調節(jié)活動，是人體在熱環(huán)境中為維持體溫穩(wěn)定而產(chǎn)生的一種非意識性的生理調節(jié)反應。

1.1 自主性體溫調節(jié)活動的方式

人體自主性體溫調節(jié)具有 3種重要生理調節(jié)方式：皮膚血管收縮(Vasoconstriction)與擴張(Vasodilation)、冷顫(Shivering)、發(fā)汗(Sweating)[4]。

(1) 皮膚血管收縮與擴張。當人體內的溫度高于體溫調定點時，皮膚血管擴張，導致皮膚血流量增加，將人體內更多的熱量通過皮膚交換到外界環(huán)境；而當人體內的溫度低于體溫調定點時，皮膚血管收縮，使皮膚血流量減少，導致人體向外界環(huán)境的散熱也減少。

(2) 冷顫。當人體內的溫度降低到一定程度，而皮膚血管的收縮不足以維持體內熱平衡時，人體肌肉會通過冷顫的方式產(chǎn)生熱量，從而使體溫恢復到正常范圍內。

(3) 發(fā)汗。當皮膚血流量的增加還不足以將體內多余的熱量充分交換至體外時，人體開始發(fā)汗，汗腺將汗液排至皮膚表面蒸發(fā)。這是冷卻皮膚、增加體內散熱的一種非常有效的手段。

1.2 體溫調節(jié)活動對熱舒適的影響

雖然人體熱舒適感覺是一種主觀心理意識，而體溫調節(jié)活動是人體客觀的生理反應，但是，二者之間有著密切的關系。研究表明：通常當來自于人體熱感受器的神經(jīng)信號強度最弱、體溫調節(jié)活動最小時，人就會處于熱舒適的狀態(tài)[4,6?7]；而較強的體溫調節(jié)活動對熱不舒適的形成起了重要的作用，如冷環(huán)境下人體皮膚血管的收縮和冷顫會引起人冷不舒適，而熱環(huán)境下人體皮膚血管的擴張和發(fā)汗會導致人熱不舒適[6,8]。圖1給出了人體體溫調節(jié)活動與熱舒適的關系。

圖1 人體自主性體溫調節(jié)活動對熱舒適的影響Fig.1 Effect of human psychological on physiological response in thermal environment

另一方面，從人體體溫調節(jié)的方式來看，體溫調節(jié)活動會引起人體相關生理參數(shù)發(fā)生相應的變化。因此，這些生理參數(shù)與熱舒適之間也應該存在著相關性，具備可作為人體熱舒適客觀評價指標的生理基礎。

2 人體熱舒適客觀評價指標

在進行大量人體熱生理反應與熱舒適實驗、動物熱反應實驗以及閱讀相關文獻研究工作的基礎上，發(fā)現(xiàn)皮膚溫度、心率變異性、新陳代謝率、腦電波、肌電、排汗率與熱舒適感覺有緊密聯(lián)系，有可能作為熱舒適客觀評價的生理指標。

2.1 人體皮膚溫度

人體皮膚血管的收縮或擴張會導致皮膚溫度降低或升高，因此，皮膚溫度是反映人體冷熱應激程度以及人體與環(huán)境之間熱交換狀態(tài)的1個重要生理參數(shù)。現(xiàn)有的研究基本上都將皮膚溫度作為1個與熱舒適以及熱感覺密切相關的人體生理參數(shù)。Fanger[9]提出的人體熱舒適的3個條件之一就是人體平均皮膚溫度應滿足給定的舒適要求。Bulcao等[10]研究了皮膚溫度與體溫對人體熱舒適程度的影響，認為人體熱舒適在很大程度上取決于皮膚溫度。Huizenga等[11]對受試者在局部與整體受冷/熱時的21個部位的局部皮膚溫度進行測量，發(fā)現(xiàn)當人體處于熱中性狀態(tài)時，手部以及手指的皮膚溫度有顯著性波動。Wang等[12]通過實驗研究認為手指溫度或手指－前臂溫度差也許可用來監(jiān)測和預測人的熱舒適狀態(tài)。

Lan等[13]測量了受試人員在不同空調溫度下(21，24，26和29 ℃)的局部皮膚溫度，并對平均皮膚溫度進行計算。圖2所示為實驗中受試者平均皮膚溫度與熱舒適程度的關系。

圖2 平均皮膚溫度與熱舒適的關系Fig.2 Relationship between mean skin temperature and thermal comfort

圖2表明：與舒適狀態(tài)時相比，人體在感到冷不舒適時平均皮膚溫度較低，而在感到暖不舒適時平均皮膚溫度較高。這3種熱舒適狀態(tài)下的平均皮膚溫度均具有顯著性差異。

2.2 心率變異性

在應用動態(tài)心電圖的過程中，人們發(fā)現(xiàn)心跳的脈搏之間的時間間期不一致，這種心跳間期有節(jié)律的波動稱為心率變異性。人體體溫調節(jié)活動受自主神經(jīng)系統(tǒng)(交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)系統(tǒng))支配，心率變異性(Heart rate variability，HRV)分析正是醫(yī)學上一種用來評價自主神經(jīng)系統(tǒng)功能和平衡性的有效方法[14]。

在心率變異性頻域分析中，低頻段與高頻段的功率比值FL/FH是1個很重要的指標。它反映了交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)的相對均衡性。FL/FH增加表明交感神經(jīng)活動增強，迷走神經(jīng)活動受到抑制；其值減少則表明交感神經(jīng)活動減弱，迷走神經(jīng)活動增強。而交感神經(jīng)興奮會引起體溫調節(jié)活動(發(fā)汗、皮膚血管收縮)的產(chǎn)生。Liu等[6]對受試人員在不同熱舒適狀態(tài)下的心率變異性進行分析，結果如圖3所示(其中，“★”表示有顯著性差異；n表示符合成對T檢驗要求的受試者的人數(shù))。

圖3 人體處于熱舒適與不舒適時心率變異性指標FL/FH的比較Fig.3 Heart rate variability (FL/FH) at thermal comfort and discomfort

由圖3可知：當人體處于不舒適狀態(tài)時，其FL/FH顯著高于處于舒適狀態(tài)時的值，表明較強的交感神經(jīng)活動(導致體溫調節(jié)活動增強)對人體熱不舒適感覺的產(chǎn)生起重要作用?？梢姡篎L/FH可為評判人體熱舒適與不舒適提供有效的生理依據(jù)。

2.3 新陳代謝率

人體新陳代謝率是影響人體熱舒適的1個重要的因素。在Fanger熱舒適方程、PMV-PPD指標中，人體的新陳代謝率被作為影響人體熱舒適的人為因素。

在熱中性環(huán)境溫度下，人體的新陳代謝率最低，基本保持穩(wěn)定；在冷環(huán)境溫度中，為保持人體熱平衡，人體內產(chǎn)熱，新陳代謝率會增加；而在熱環(huán)境中，人體也會通過體溫調節(jié)活動來維持熱平衡，這時人體的呼吸、循環(huán)等生理功能處于較高水平，新陳代謝率也較高。葉曉江[15]對冷環(huán)境(自然通風)和熱舒適環(huán)境(空調環(huán)境)下受試者在靜坐時的新陳代謝率分別進行測量計算，結果如圖4所示。圖4表明：在冷環(huán)境溫度下，受試者的新陳代謝率顯著高于舒適溫度下的新陳代謝率。

2.4 腦電波

人體腦電波產(chǎn)生的原理，目前較公認的觀點是突觸后電位學說，即認為腦電波是皮層內神經(jīng)細胞群同步活動時突觸后電位的綜合反映[16]。

圖4 不同溫度環(huán)境下受試者的新陳代謝率Fig.4 Metabolic rate in cold and comfortable environment

腦電波包含4個周期性節(jié)律：δ波(頻率＜4 Hz，電壓 20～200 μV)，θ波(4～8 Hz，10 μV)，α波(8～14 Hz，20～200 μV)和β波(14～35 Hz，5～10 μV)。有研究表明：人體腦部溫度的變化可能會影響到腦電波的頻率，從而對腦電波的功率密度譜造成顯著影響[17]。

腦電波能反映人體精神狀態(tài)的變化[18]。熱舒適是人對熱環(huán)境的一種主觀反應，也屬于精神狀態(tài)，因此，腦電波也許可反映人體的熱舒適程度。對受試者在不同熱感覺時的腦電波進行測量與分析，結果如圖 5所示[19]。

圖5 不同熱感覺下腦電波各波段功率比例Fig.5 Relationship between the global relative EEG power and thermal sensation

從圖5可見：α波和β波與人體熱感覺有較明顯的關系；當實驗中受試者熱感覺為稍涼、中性、稍暖時，α波所占的功率比率明顯比其他熱感覺時的高，而β波在熱感覺為熱或冷時具有較高的功率比率。結合受試者的熱舒適狀態(tài)，可以得出腦電中α波的功率在人體感到熱舒適時增加，而β波的功率在人體感到不舒適時較高。

2.5 肌電

肌電是神經(jīng)?肌肉興奮發(fā)放生物電的結果。肌電能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動，因而在神經(jīng)肌肉疾病診斷、康復醫(yī)學領域的肌肉功能評價、體育科學中的疲勞評定等方面都具有實用價值[20]。

有關肌電與人體精神狀態(tài)之間的聯(lián)系研究很少。葉曉江[15]對大鼠在不同環(huán)境溫度中的肌電(四肢肌與軀干肌)進行測量，統(tǒng)計分析結果如圖6所示。圖6表明：環(huán)境溫度對大鼠的肌肉放電頻率有影響；在環(huán)境溫度較低時，大鼠四肢肌和軀干肌的放電活動明顯較多；當環(huán)境溫度為 26.0～28.0 ℃時，其放電活動下降到最低；當環(huán)境溫度繼續(xù)上升時，其放電活動又有所增加，但是增加的幅度很小(變化不顯著)。

人體感到寒冷時，會通過加強肌肉活動產(chǎn)熱(如冷顫)，維持體內熱平衡[14]。與大鼠相似，此時肌電可能與舒適狀態(tài)下的肌電有較大差異；因此，肌電也有可能作為反映人體的冷不舒適狀態(tài)的生理指標。

圖6 不同環(huán)境溫度下大鼠肌肉放電情況Fig.6 Frequency of muscle discharge for rats under different indoor temperatures

2.6 排汗率

人體出汗有2種：一種是不顯性出汗，另一種是顯性出汗。正常人體的組織間液直接滲出皮膚或者是體內水分通過皮膚角質層擴散到體表繼而蒸發(fā)后散發(fā)到大氣中，這種排汗方式為不顯性出汗。

當環(huán)境溫度升高或活動強度增大時，人體通過輻射和對流途徑散發(fā)的熱量不足以帶走代謝產(chǎn)生的熱量，為維持體熱平衡，汗腺開始分泌汗液，即顯性出汗。一般認為皮膚溫度達到 34 ℃時，人體開始啟動出汗機制[21]。

研究表明：人體在熱舒適時，應有最佳的排汗率[9]。通常，當人體顯性出汗時會感到熱不舒適，因此，排汗率可作為判斷舒適與熱不舒適的指標。

3 討論

考察1個人體生理參數(shù)是否適合作為熱舒適客觀評價指標，應重點考慮以下3個方面：

(1) 生理相關性，即熱環(huán)境中生理參數(shù)與熱舒適之間內在的生理聯(lián)系；

(2) 靈敏性，即生理參數(shù)在不同熱舒適程度之間差異的顯著性；

(3) 可靠性，即生理參數(shù)用來評價熱舒適的準確程度。

人體的熱舒適感覺在很大程度上受到自身自主性體溫調節(jié)活動的影響。本文給出的這6個生理參數(shù)中，人體平均皮膚溫度、新陳代謝率、肌電、排汗率直接受自主性體溫調節(jié)活動的影響，心率變異性反映的是控制自主性體溫調節(jié)活動的神經(jīng)系統(tǒng)的興奮狀態(tài)，腦電波與自主性體溫調節(jié)活動間接相關，因此，這些生理參數(shù)與熱舒適具有生理相關性。

在人體與動物實驗的基礎上，可以得到各生理參數(shù)的靈敏性。平均皮膚溫度隨著熱舒適程度從暖不舒適向冷不舒適變化時呈逐漸減小的趨勢，且在不同熱舒適程度下均具有顯著差異性；心率變異性(FL/FH)、新陳代謝率在人感到舒適時顯著較低，而在暖或冷不舒適時均較高；腦電波的不同節(jié)律在舒適與不舒適程度時表現(xiàn)出不同的差異性；肌電在冷不舒適時會顯著增加，而排汗率在暖不舒適時顯著增加。自主性體溫調節(jié)活動的變化是這些生理參數(shù)在不同熱舒適程度下具有顯著性差異的主要原因。

上述生理參數(shù)各自的靈敏性特點決定了它們不同的應用范圍。皮膚溫度可用來評價人體熱舒適與不舒適程度，同時可反映不同的熱感覺；心率變異性能從自主性神經(jīng)系統(tǒng)活動角度反映人體的熱舒適與不舒適狀態(tài)；新陳代謝率基于人體內的能量消耗來判斷人的熱舒適與不舒適狀態(tài)；腦電波從人腦部活動角度區(qū)別人的熱舒適與不舒適狀態(tài)；肌電可評價人的冷不舒適與舒適狀態(tài)；排汗率能區(qū)分暖不舒適與舒適狀態(tài)。

對6個生理參數(shù)的特點進行比較，結果如表1所示。從表1可見：總體來看，平均皮膚溫度反映熱舒適程度的靈敏性要高于其他生理指標，而且其測量與計算較簡單，實用性較強。為此，建立了基于平均皮膚溫度的穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下人體熱舒適評價模型[22]，對絕大多數(shù)人員的熱舒適程度進行了準確的評價，表明其具備較高的可靠性。

本文沒有對其他生理指標的可靠性進行探討，因此，下一步工作還需要在進行大樣本實驗的基礎上，建立基于單個生理指標的評價模型，通過實驗驗證考察其可靠性。

表1 6個生理參數(shù)應用于熱舒適評價的特點比較Table 1 Comparison of characteristics between six psychological parameters

4 結論

(1) 熱舒適的形成在很大程度上受到人體自主性體溫調節(jié)活動的影響，因此，由體溫調節(jié)活動引起的生理參數(shù)的變化可反映人體的熱舒適程度。

(2) 人體皮膚溫度、心率變異性、新陳代謝率、腦電波、肌電、排汗率與人體熱舒適具有較好的生理相關性，具備作為人體熱舒適客觀評價指標的生理基礎。

(3) 心率變異性指標FL/FH在人感到舒適時顯著較低，而在暖或冷不舒適時均較高，因此，自主性神經(jīng)系統(tǒng)活動反映人體的熱舒適與不舒適狀態(tài)。

(4) 平均皮膚溫度反映熱舒適程度的靈敏性較高，具備較高的可靠性，而且其測量與計算較簡單，可作為1個有效的客觀指標來評價穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下的人體熱舒適程度。

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[22]劉蔚巍. 人體熱舒適客觀評價指標研究[D]. 上海: 上海交通大學機械與動力工程學院, 2008: 20?60.

LIU Wei-wei. Study on objective evaluation index of human thermal comfort[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University.School of Mechanical Engineering, 2008: 20?60.

(編輯 陳燦華)

Objective evaluation indices of human thermal comfort

LIU Wei-wei1, LIAN Zhi-wei2, DENG Qi-hong1, RONG Wei-fang3

(1. School of Energy Science & Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Energy & Environment Engineering, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China;3. College of Basic Medicine, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200025, China)

Based on the human and animal experiments, several potential physiological indices were discussed. The experiments were carried out at different air temperatures, and the physiological response associated with thermoregulation was measured. And subjects’ thermal comfort and sensation were investigated. The results indicate that skin temperature, heart rate variability, metabolism rate, brain wave, discharge frequency of muscle and sweating rate have favorable physiological relationship with thermal comfort. They can reflect thermal comfort in specific thermal environment. Among these physiological parameters, mean skin temperature has higher sensitivity and reliability, with easy measurement and calculation. Therefore it can be used as an effective objective index to evaluate thermal comfort in steady thermal environment.

thermal comfort; thermoregulation; physiological index; mean skin temperature

TU119+.5

A

1672?7207(2011)02?0521?06

2009?12?11；

2010?03?10

國家自然科學基金重點資助項目(50838009)

劉蔚巍(1980?)，男，湖南湘陰人，博士，副教授，從事熱環(huán)境與人體熱舒適及健康的研究；電話：13786187290；E-mail：wliu@mail.csu.edu.cn