西安戶外運(yùn)動人群夏季生理參數(shù)及熱舒適的關(guān)聯(lián)性研究

羅 薇 殷穎迪 井文強(qiáng) 李楚君 張 錦 李 婷 潘家輝

（西安歐亞學(xué)院人居環(huán)境學(xué)院 西安 710065）

0 引言

室外熱舒適是評價城市環(huán)境宜居性的標(biāo)準(zhǔn)之一，這決定了市民是否傾向于花更多的時間在舒適的戶外條件。隨著氣溫升高和氣候變化相關(guān)的極端熱事件出現(xiàn)[1-3]，熱適應(yīng)對于適應(yīng)未來更熱的氣候顯得至關(guān)重要[4]。熱不適可以被視為更嚴(yán)重的熱健康問題的早期預(yù)警信號。

劉艷峰[5,6]通過實地跟蹤遷移人群發(fā)現(xiàn)非本地人的熱適應(yīng)隨著時間與本地人差異逐漸變小。但經(jīng)過一年多的遷移，行為適應(yīng)仍未完全實現(xiàn)，證明行為熱適應(yīng)是一個相對緩慢的過程。羅茂輝[7]對來自不同氣候區(qū)的四組人群進(jìn)行分析得到室內(nèi)氣候體驗與居住者舒適度期望之間的相互依賴關(guān)系。Ning等[8]在哈爾濱進(jìn)行了熱歷史和熱適應(yīng)研究，認(rèn)為人們暴露在較溫暖的氣候條件下，會形成室內(nèi)溫度較高的熱舒適區(qū)。曹彬[9]通過對南北方人的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長期的室內(nèi)體驗會影響中性溫度，從不同氣候區(qū)遷移至當(dāng)?shù)匦枰辽龠m應(yīng)1年。以上研究揭示了因遷移形成的氣候地域變化對人體熱舒適和熱適應(yīng)的影響。

大多數(shù)研究對問卷調(diào)查的受試者是隨機(jī)選擇的，以便包括更大的人口數(shù)量。而可能對個體差異使確定受試者的熱適應(yīng)和他們對氣候條件的感知忽略。此外，很少有室外研究涉及嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的特定人群，從而跟蹤進(jìn)行生理健康要素和熱舒適性的關(guān)聯(lián)研究。本研究旨在探討本地人與非本地人的室外熱舒適以及生理因素之間的關(guān)系。我們以在西安校園參加戶外鍛煉的大一學(xué)生作為對象，這些學(xué)生來自嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的氣候背景。由于這些學(xué)生穿著相同的衣服，進(jìn)行相同的活動，行為適應(yīng)的作用被最小化，從而讓將重點放在生理和熱舒適的作用上。在理解不同人群對氣候變化的適應(yīng)性時，需要考慮包括熱感覺和熱舒適的心理因素和生理參數(shù)。通過此次研究，了解本地人和非本地人在寒冷地區(qū)的生理性和熱舒適的差異性，為未來解決不同人群在夏季戶外運(yùn)動的熱不適和相關(guān)熱疾病提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

西安屬于寒冷地區(qū)，氣候溫和，四季分明。夏季炎熱多雨，高原地區(qū)夏季較涼爽，降水量相對集中，一年內(nèi)最大降水量一般出現(xiàn)在6、7、9月份[10]。為了保證連續(xù)測量期間不受降雨的影響，也能為未來夏季學(xué)生體育鍛煉提供依據(jù)。選擇夏季五月作為研究周期，根據(jù)2010-2019年的數(shù)據(jù)采集，五月平均最高的氣溫為33℃，五月的平均相對濕度為70%，五月的平均月風(fēng)速為1.49m/s。

1.2 研究對象

我們招募了61 名人居環(huán)境學(xué)院大一的學(xué)生在操場進(jìn)行戶外運(yùn)動。其中依照學(xué)生的家鄉(xiāng)將他們分為本地學(xué)生和非本地學(xué)生。同時我們使用建筑氣候劃分標(biāo)準(zhǔn)來定義中國的建筑氣候區(qū)，如圖1所示。在本次研究中，本地學(xué)生是指來自b 區(qū)陜西省的學(xué)生，其他來自a 區(qū)和b 區(qū)的學(xué)生則屬于非本地學(xué)生。其中，來自a 區(qū)的學(xué)生由黑龍江（6%）、內(nèi)蒙古（5%）、河北（5%）和新疆（4%）四個地域組成，來自b 區(qū)的學(xué)生中，陜西本地人占到51%，其余城市分別來自天津（9%）、甘肅（9%）、河南（5%）、山西（4%）和北京（2%）。在為期12 天的體育鍛煉中，學(xué)生需要每天參與我們的測試。同時圖1顯示了戶外運(yùn)動場地在學(xué)校中的位置。

圖1 中國的建筑氣候區(qū)以及研究地區(qū)位置Fig.1 China's building climate zone and location of the study area

1.3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

圖2顯示了從2021年5月16日至5月28日進(jìn)行的戶外運(yùn)動過程的照片。測量過程中選擇下午4 點至6 點記錄學(xué)生的活動和生理參數(shù)。活動類型包括站立、走路和跑步，它們的代謝率（MR）分別對應(yīng)站立（1.2 MET）、走路0.9m/s（2.6 MET）和2m/s 跑步（3.8 MET）。1 小時的活動結(jié)束后，學(xué)生們會停下來休息。由于運(yùn)動不能中斷，學(xué)生們在運(yùn)動后休息我們再進(jìn)行調(diào)查。

圖2 學(xué)生戶外運(yùn)動照片F(xiàn)ig.2 Outdoor sports photos of students

當(dāng)學(xué)生結(jié)束運(yùn)動的5min 內(nèi)，我們使用指夾式脈搏血氧儀以及T31 手腕式電子血壓儀來測量學(xué)生的脈搏以及血漿飽和度如圖3所示。在運(yùn)動場地中，我們使用室外氣象站分別對空氣溫度、相對濕度、表面溫度、黑球溫度、風(fēng)速、可吸入顆粒物等參數(shù)進(jìn)行每10min 一次的數(shù)據(jù)采集，測點距地面高1.5m（選取行人層面高度）。根據(jù)ISO 7726 1998[11]有關(guān)要求進(jìn)行儀器選擇，并符合測試的準(zhǔn)確性和敏感性，儀器具體參數(shù)如表1所示。

圖3 （a）裝有測量氣象參數(shù)儀器的室外氣象站（b）測量人體生理參數(shù)的血氧儀和電子血壓儀（c）學(xué)生現(xiàn)場生理測量Fig.3 (a)Outdoor weather station equipped with instruments for measuring meteorological parameters;(b)Oximeter and electronic blood pressure meter for measuring physiological parameters of human body;(c)On-site physiological measurements of students

表1 儀器型號與參數(shù)Table 1 Instrument model and parameters

在熱指標(biāo)中，最常用的室外熱指標(biāo)是生理等效溫度（PET）和通用熱氣候指數(shù)（UTCI）。PET 被定義人體在典型的室內(nèi)環(huán)境（無風(fēng)和太陽輻射）下的熱平衡的空氣溫度，其核心和皮膚溫度與待評估的室外條件相同。PET 綜合考慮了行人高度（如地面上1.1 米）的氣象參數(shù)和人體能量平衡（如衣服隔熱和內(nèi)部熱量產(chǎn)生）的影響[12]。本文選擇PET作為我們研究的熱指標(biāo)，使用RayMan 通過輸入空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、太陽輻射以及新陳代謝率計算PET。

1.4 熱舒適調(diào)查

調(diào)查中共計發(fā)放問卷511 份，回收有效問卷共495 份。為了使問卷數(shù)據(jù)更加直觀有效，此次實驗采用實際測量和問卷調(diào)查相結(jié)合的手段進(jìn)行。問卷分為兩個模塊，第一模塊為受試者的基本信息，包括他們來西安前的身高、體重、出生地、居住地等信息。在進(jìn)行室外活動后，第二模塊受試者需要對自己的熱感覺狀況、熱接受度及對環(huán)境期望變化。其中熱感覺評判采用ASHRAE 55-2013[13]的7 級熱感覺標(biāo)尺，即：冷(-3)、涼(-2)、稍涼(-1)、中性(0)、稍暖(+1)、暖(+2)、熱(+3)。同時還詢問了他們的濕度、風(fēng)感、的評價。在測試點停留超過20min后采用線上填寫的方式填寫。

2 結(jié)果分析

2.1 室外數(shù)據(jù)

表2顯示了室外氣象站在為期12 天的下午訓(xùn)練期間的平均天氣情況。由于2021年5月22日下雨，當(dāng)天的運(yùn)動被取消。在運(yùn)動期間，溫度和濕度的平均值分別為35.0℃和35.4%。風(fēng)速從0.50m/s到1.16m/s 不等。PM2.5和CO2濃度的平均值分別是11.3μg/m3和457.9ppm。

表2 2021年5月下午鍛煉期間(下午2 點至5 點)的平均氣象條件Table 2 Average meteorological conditions during the afternoon exercise period(2pm to 5pm)in May 2021

2.2 人體舒適性及生理性分析

2.2.1 不同人群的熱感覺和熱舒適

當(dāng)?shù)鼐用窈屯鈦砣丝趯岬母兄赡軙蛩麄冞^去的經(jīng)歷而不同，因此首先對其進(jìn)行了分析。如圖4所示，熱感覺投票主要分布在中性、稍熱和稍冷，其中中性占比最高，分別為53%和37%。此外，由于測量期間室外空氣溫度偏高，只有少數(shù)測試者感到?jīng)鏊?.6%和3.7%）。而非本地人比本地人熱感覺整體偏熱，其中7.1%的本地人和11.1%的非本地人的投票給了“熱”。假設(shè)熱感覺投票“暖和”和“熱”對應(yīng)的是“不適感”，本地人人群的不適感水平為14.2%，非本地人群的不適感水平為29.6%，可以看出非本地人與本地人相比更加不耐熱。

圖4 不同人群的熱感覺投票百分比分布圖Fig.4 Percentage distribution of thermal sensation voting of different people

圖5為熱舒適TCV 的百分比分布圖，值得注意的是，“適中”的投票率在夏季占主導(dǎo)地位，其中本地人和非本地人占比分別為50%和40%。其中，本地人中在熱舒適的投票中最常見的是“適中”（50%）、“有一點舒服”（23.7%）和“舒服”（13.2%），而僅有2.6%的人感覺不舒服。而非本地人在熱舒適的投票中最常見的是“適中”（40%）、“有一點舒服”（20%）和“有一點不舒服”（20%）。此外，“暖和”和“熱”投票被認(rèn)為是造成低舒適度的原因。因此，非本地人與本地人相比不舒適性偏高。不同的氣候背景和熱歷史都會影響人們的熱感覺[14,15]。

圖5 熱舒適投票的百分比分布Fig.5 Percentage distribution of thermal comfort voting

2.2.2 平均熱感覺與中性PET

為了得到不同人群的室外中性PET，進(jìn)一步分析了PET 與MTSV 的關(guān)系。以0.5℃為間隔將PET分為組，統(tǒng)計分析每組平均熱感覺MTSV 與生理等效溫度PET 的平均值，二者之間進(jìn)行線性回歸。本地人與非本地人的MTSV 與PET 的關(guān)系如圖6所示，線性回歸方程如表3所示。

圖6 室外PET 與平均熱感覺的關(guān)系Fig.6 Relationship between outdoor PET and average thermal sensation

表3 室外PET 與平均熱感覺的線性回歸方程Table 3 Linear regression equation of outdoor PET and average thermal sensation

調(diào)查期間PET 范圍從23℃～27.5℃之間波動，熱感覺也產(chǎn)生了明顯變化。TSV 擬合方程隨室外溫度變化的回歸系數(shù)，表明了人體熱感覺對溫度變化的敏感度，比較顯示非本地人比本地人的敏感度高。由于西安的夏季室外溫度較高，居住在城市里的人們已經(jīng)適應(yīng)了炎熱干燥的室外環(huán)境，他們對夏季的條件不那么敏感。因此也證明了熱適應(yīng)在本地人中的存在。其他原因例如人群對環(huán)境的適應(yīng)力、人群生活習(xí)慣等。

人們既不感到溫暖也不涼快的溫度被定義為中性溫度，可以直接反應(yīng)熱感覺舒適時的熱需求[16,17]。通過將MTSV=0 代入上述方程，得到本地人與非本地人群的中性PET 分別為25.17℃和24.95℃。從圖7中可以看到，受試者中本地人與非本地人的比例相當(dāng)，非本地人中全部來自中國北方，其中24%的受試者來自與嚴(yán)寒地區(qū)，其余25%和西安同屬于寒冷地區(qū)。由此得到非本地人和本地人相比，對環(huán)境的忍受力更低，在夏季更加不耐熱，中性PET 比本地人低0.22℃。值得注意的是其中有1%的測試者來自于少數(shù)民族，他們的敏感性尚未考察，未來可以針對民族背景進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

圖7 測試者中不同地域的人群分布圖Fig.7 Population distribution of subjects in different regions

此外，從圖6可以看出，當(dāng)PET 值相同時，MTSV 的變化量隨著PET 值的增加而增大。這意味著不同人群在相同的PET 值下，尤其是在微氣候條件較熱的情況下，由于熱適應(yīng)本地人與非本地人產(chǎn)生不同熱感覺的差異性逐漸增大。

2.2.3 心率與熱舒適

因為生理和心理的差異，不同人在相同的工作條件中，舒適感和熱感覺都不一樣。通常是部分人覺得正好，而其他人卻覺得偏冷或偏暖。因此有必要研究不同熱舒適和熱感覺下的生理參數(shù)的變化。通過SPSS 軟件分析得到心率和血氧飽和度分別與舒適感和熱感覺存在顯著相關(guān)。心率在不同的熱舒適下的顯著性分析結(jié)果如表4所示。

表4 熱舒適和心率的相關(guān)性Table 4 Correlation between thermal comfort and heart rate

從圖8中可以看到，人群在戶外運(yùn)動過程中心率變化趨勢呈“V”形。在本次研究中，當(dāng)學(xué)生從冷不舒適到舒適時，本地人和非本地人都有下降的趨勢，分別由84.2 下降到81.25，由89.73 下降到86。從舒適到熱不舒適時，心率的變化再次回升，分別從81.25 和86，上升到89 和93。由于對環(huán)境的敏感度更高，在相同環(huán)境下非本地人比本地人的心率整體偏高，但在心率的變化趨勢上，兩者沒有明顯的差異。在本次研究中，處于不舒適的狀態(tài)分別是心率大于81.25 和86 的本地人與非本地人。同時，心率的變化幅度從中性狀態(tài)到熱不舒適時，要大于從中性狀態(tài)到冷不舒適的狀態(tài)，證明人體處于極端熱環(huán)境中對心率的影響較冷環(huán)境更為明顯。

圖8 心率和熱舒適的關(guān)系圖Fig.8 Relationship between heart rate and thermal comfort

2.2.4 血氧飽和度與熱感覺

血氧飽和度在不同的熱感覺下的顯著性分析結(jié)果見表5，從圖9中可以看到，當(dāng)熱感覺由冷變熱時，皮膚的血氧飽和度隨著熱感覺的升高而降低，本地人和非本地人分別由99.12%和98.53%降低至96.21%和95.58%，非本地人的下降幅度比本地人僅高0.04%。由于本地人對于環(huán)境長期的適應(yīng)力，使得其血氧飽和度整體偏高。并且在“冷”或“熱”的極端環(huán)境中，兩者之間的差異越大，其中在“熱”環(huán)境中更為明顯，相差0.63%。但是對于舒適度，血氧飽和度的值與其并無直接關(guān)系。在本次測試中，本地人與非本地人分別高于97.25 和97.04 時，人體處于偏冷的狀態(tài)。當(dāng)小于此臨界值時，則是偏熱。當(dāng)室外溫度升高，氧氣與血紅蛋白的粘合度變低，血氧飽和度降低。反之則升高。因此，高溫環(huán)境對血氧飽和度有明顯的影響，熱感覺可以通過血氧飽和度的變化來體現(xiàn)。

表5 熱感覺和血氧飽和度的相關(guān)性Table 5 Correlation between thermal sensation and oxygen saturation

圖9 血氧飽和度與熱感覺的關(guān)系圖Fig.9 Relationship between blood oxygen saturation and thermal sensation

3 結(jié)論

本研究考察了2021年5月16日至5月28日運(yùn)動期間不同人群的熱舒適以及生理健康對其的影響。調(diào)查問卷及生理參數(shù)（心率，血氧飽和度）用來評估這些因素。

（1）在夏季測試中，非本地人比本地人熱感覺整體偏熱且不舒適性偏高。結(jié)果表明，本地人比非本地人更適合炎熱干燥的氣候地區(qū)的室外熱環(huán)境。

（2）在相同的PET 條件下，本地人與非本地人的熱感覺、熱舒適存在差異。非本地人對溫度變化比本地人的敏感度高，對環(huán)境的忍受力更低，且中性PET 比本地人低0.22℃。

（3）生理參數(shù)受環(huán)境舒適度的影響，尤其是從舒適到不舒適變化時。心率的快慢可作為指標(biāo)來衡量人體熱舒適。血氧飽和度雖然與熱舒適無直接的關(guān)系，但與熱感覺關(guān)系密切。最終得到非本地人的心率高于本地人，但本地人的血氧飽和度高于非本地人。