穩(wěn)態(tài)環(huán)境耐熱與非耐熱人體熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

田國(guó)華 狄育慧 王麗娟

穩(wěn)態(tài)環(huán)境耐熱與非耐熱人體熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

田國(guó)華1狄育慧1王麗娟2

（1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 西安 710048； 2.西安工程大學(xué)西部綠色建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710048）

為了探究不同體質(zhì)的人體對(duì)熱環(huán)境的生理和心理熱反應(yīng)，開展了耐熱與非耐熱受試者熱反應(yīng)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究。分析了不同體質(zhì)受試者的皮膚熱流、溫度、心率變異性、心率、熱感覺(jué)和熱舒適投票隨環(huán)境溫度變化的研究。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：隨環(huán)境溫度升高，耐熱和非耐熱受試者皮膚熱流降低、皮溫升高、熱感覺(jué)和熱舒適投票增加；在每一個(gè)工況下，耐熱受試者皮膚溫度和心率變異性大于非耐熱受試者，熱流和心率小于非耐熱受試者；在相同的工況下，非耐熱受試者比耐熱受試者感覺(jué)更熱，更不舒適。心率變異性、心率、熱感覺(jué)和熱舒適投票個(gè)體差異對(duì)其影響大于環(huán)境溫度對(duì)其影響，由此推出，在26℃-29℃環(huán)境溫度下，皮膚熱流、溫度可以作為區(qū)分耐熱和非耐熱體質(zhì)的指標(biāo)，但是心率有待進(jìn)一步驗(yàn)證；心率變異性、心率、熱感覺(jué)和熱舒適投票不能作為區(qū)分耐熱和非耐熱體質(zhì)的指標(biāo)。

耐熱；非耐熱；生理參數(shù)；主觀反應(yīng)

0 引言

科技的快速發(fā)展和生活水平的日益提升，使得人們對(duì)舒適的室內(nèi)環(huán)境要求越來(lái)越高。即使處于舒適的環(huán)境都不會(huì)讓100%的人感到滿意?；谶@一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究，結(jié)果表明：由于個(gè)體差異性，人們對(duì)熱環(huán)境的要求有所不同。林宇凡[1]研究了中國(guó)南北人群在中性環(huán)境下的生理適應(yīng)性和主觀評(píng)價(jià)，指出中國(guó)南北人群存在差異性。Joo Young Lee[2]研究了熱帶和溫帶地區(qū)的人群熱反應(yīng)，指出兩種人群的皮膚熱感覺(jué)存在一定差異。張宇峰[3]研究了分體空調(diào)建筑人群與自然通風(fēng)建筑人群的熱反應(yīng)，指出在主觀上兩類人群存在一定的差異性。閆海燕[4]研究了中國(guó)不同地域氣候人的適應(yīng)性，指出不同地域的人適應(yīng)性差異。余娟[5]研究了夏季空調(diào)環(huán)境與非空調(diào)環(huán)境人群人體熱反應(yīng)，指出空調(diào)組和非空調(diào)組人員在生理調(diào)節(jié)反應(yīng)上存在顯著性差異。介于以上主要針對(duì)不同地區(qū)、環(huán)境人體熱反應(yīng)研究，而關(guān)于不同體質(zhì)人體熱反應(yīng)研究甚少。因此，本文開展了穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境下，耐熱與非耐熱體質(zhì)熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。

相關(guān)研究表明，皮膚溫度[6,7]、心率[8,9]、心率變異性（HRV）[10]是與人體熱反應(yīng)相關(guān)的生理參數(shù)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)合文獻(xiàn)結(jié)論、以及課題組的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，選擇皮膚熱流、溫度、心率變異性和心率作為生理測(cè)試參數(shù)，選擇熱感覺(jué)和熱舒適投票作為心理反應(yīng)指標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)室及受試者概況

本實(shí)驗(yàn)是在某博士辦公室進(jìn)行測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)室西面朝陽(yáng)，位于西安工程大學(xué)科2樓六樓。實(shí)驗(yàn)室溫濕度、風(fēng)速由格力幸福系列壁掛空調(diào)（型號(hào)為KFR-32GW/(32570As-2)）進(jìn)行控制，其能效比為3.28。該空調(diào)的溫度測(cè)量范圍為18～30℃，能夠較好的滿足制冷和制熱要求。其制冷量為3300W，制冷功率為1005W；制熱量為3630W，制熱功率為1010W。此外空調(diào)的風(fēng)速有五個(gè)擋位，分別為一擋、二擋、三擋、四擋和五擋，本實(shí)驗(yàn)采用三擋風(fēng)速（0.3m/s）。

為了確定受試者的耐熱與非耐熱性，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了關(guān)于人們的酷熱夏季外出頻率、生活習(xí)性和主觀感受等一系列問(wèn)題的調(diào)查問(wèn)卷。以西安工程大學(xué)的本科生和研究生為樣本來(lái)源，發(fā)放問(wèn)卷380份，收回有效問(wèn)卷161份，其中女性占44%，男性占56%。最終篩選出耐熱受試者6名，全部為男性；非耐熱受試者6名，男女生分別各為3名；基本信息如表1所示。此外，問(wèn)卷結(jié)果表明，非耐熱受試者多為女性，耐熱受試者多為男性。

表1 受試者基本信息

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)設(shè)定四個(gè)溫度工況，分別為26℃、27℃、28℃和29℃。在每個(gè)溫度工況下，相對(duì)濕度、風(fēng)速和服裝熱阻不變，分別為50%、0.20m/s和0.35col。實(shí)驗(yàn)由低溫向高溫進(jìn)行控制，受試者保持靜坐姿勢(shì)。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄環(huán)境參數(shù)，生理參數(shù)和主觀反應(yīng)。在測(cè)試期間，如果受試者不能接受較高溫度環(huán)境，可以主動(dòng)要求停止實(shí)驗(yàn)。

1.3 測(cè)試內(nèi)容及方法

辦公室內(nèi)空氣溫度、黑球溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)采用美翠（METREL德國(guó)）熱舒適度儀（型號(hào)：MI6410）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，空氣溫度的控制范圍為-20℃～60℃，精度為±0.2℃；黑球溫度的控制范圍為-20℃～60℃，精度為±0.1℃；相對(duì)濕度的控制范圍為0%～100%，精度為±3%；風(fēng)速的控制范圍為0.1m/s～20m/s，精度為±0.05m/s。在測(cè)試時(shí)，熱舒適儀置于受試者附近，約60cm，每?jī)煞昼娪涗浺淮螖?shù)據(jù)。

皮膚溫度和皮膚熱流采用KEM多通道熱流計(jì)（型號(hào)：HFM-215N）和低熱流感探頭（型號(hào)：KM1）進(jìn)行測(cè)試。其中，溫度控制范圍為-40℃～750℃，精度為0.1℃；熱流控制范圍為0～±10000W/m2，精度為0.1W/m2。選取人體7個(gè)部位[11]作為局部熱流和皮膚溫度的測(cè)點(diǎn)，而平均熱流（）和皮膚溫度（）的計(jì)算公式見式（1）和式（2）[11]。為了確保探頭與皮膚接觸良好，采用醫(yī)用透氣膠帶固定探頭。熱流計(jì)每?jī)煞昼娪涗浺淮螣崃骱推つw溫度。

心率和心率變異性采用動(dòng)態(tài)心電記錄器和導(dǎo)聯(lián)線（型號(hào)：DMS3004-A）進(jìn)行測(cè)試。其中，采樣率：256-4096Hz；導(dǎo)聯(lián)數(shù)：10個(gè)；靈敏度誤差≤10%；定時(shí)誤差≤±30s。在測(cè)試時(shí)，導(dǎo)聯(lián)線探頭按照標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)E，將其貼于人體胸部周圍。心電記錄器每?jī)煞昼娪涗浺淮螖?shù)據(jù)。

人體主觀反應(yīng)采用熱感覺(jué)和熱舒適投票。其中熱感覺(jué)采用7級(jí)標(biāo)尺，各級(jí)標(biāo)度含義詳見表2；熱舒適采用5級(jí)標(biāo)尺，各級(jí)標(biāo)度含義詳見表3。受試者每隔10分鐘填寫一次投票問(wèn)卷，投票值精確到0.1。

表2 熱感覺(jué)（TSV）標(biāo)尺

表3 熱舒適（TCV）標(biāo)尺

2 結(jié)果與分析

2.1 生理參數(shù)

耐熱和非耐熱受試者平均皮膚熱流如圖1所示。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，環(huán)境溫度變化對(duì)耐熱和非耐熱受試者的皮膚熱流變化均有顯著性影響（<0.05）。隨著環(huán)境溫度升高，兩種體質(zhì)受試者平均皮膚熱流均降低，其中耐熱受試者皮膚熱流降低了21.18W/m2，非耐熱受試者降低了13.43W/m2。其次，在26℃、27℃、28℃環(huán)境工況下，耐熱受試者皮膚熱流均高于非耐熱受試者，兩者之間的差值分別為7.24W/m2、5.85W/m2和4.46W/m2；在29℃環(huán)境工況下，兩種體質(zhì)受試者皮膚熱流差異較小，且耐熱受試者只比非耐熱受試者低0.51W/m2。由此可知，兩種體質(zhì)受試者皮膚熱流存在一定的差異性，且環(huán)境溫度變化對(duì)整體皮膚熱流有顯著性影響，可以作為檢驗(yàn)?zāi)蜔岷头悄蜔狍w質(zhì)的生理參數(shù)。

圖1 耐熱和非耐熱受試者平均皮膚熱流

耐熱和非耐熱受試者平均皮膚溫度如圖2所示。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：環(huán)境溫度變化對(duì)耐熱和非耐熱受試者的皮膚溫度變化均有顯著性影響（<0.05）；在任意工況下，兩種體質(zhì)受試者之間皮膚溫度均有顯著性差異（<0.05）。該圖顯示，隨著環(huán)境溫度升高，兩種體質(zhì)受試者皮膚溫度均升高，其中耐熱受試者的皮膚溫度由31.72℃升高到32.86℃，非耐熱受試者由32.43℃升高到33.47℃。此外，在任意一個(gè)工況下，非耐熱受試者平均皮膚溫度均高于耐熱受試者：從26℃升高到29℃工況下，兩種體質(zhì)受試者皮溫差值分別為0.71℃、 0.79℃、0.73℃和0.58℃。由此推出：環(huán)境溫度變化對(duì)皮膚溫度有顯著性影響，且耐熱和非耐熱受試者皮膚溫度存在一定的差異性，可以作為檢驗(yàn)?zāi)蜔岷头悄蜔狍w質(zhì)的生理指標(biāo)。

圖2 耐熱和非耐熱受試者平均皮膚溫度

圖3 耐熱和非耐熱受試者LF/HF變化趨勢(shì)

耐熱和非耐熱受試者心率變異性頻域參數(shù)LF/HF變化趨勢(shì)見圖3。該圖表明，在26℃、 27℃、28℃和29℃工況下：耐熱受試者的LF/HF分別為6.67、6.08、6.63和5.9，非耐熱受試者的LF/HF分別為3.38、4.73、4.9和4.45?？梢姡S著環(huán)境溫度升高，兩種體質(zhì)受試者LF/HF增減規(guī)律不明顯。其次，從標(biāo)準(zhǔn)差上來(lái)看，耐熱受試者個(gè)體LF/HF的最大差值為3.7，而各工況下LF/HF均值的最大差值為0.77；非耐熱受試者個(gè)體LF/HF的最大差值為2.5，而各工況下LF/HF均值的最大差值為1.06。無(wú)論是耐熱還是非耐熱受試者，個(gè)體差異對(duì)LF/HF的影響，大于環(huán)境溫度改變對(duì)其的影響。此外，對(duì)于每個(gè)溫度工況下，耐熱受試者LF/HF均大于非耐熱受試者。由以上數(shù)據(jù)，可以推斷，心率變異性不能作為檢驗(yàn)?zāi)蜔崤c非耐熱體質(zhì)的生理參數(shù)。

耐熱和非耐熱受試者平均心率如圖4所示。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，環(huán)境溫度變化對(duì)耐熱和非耐熱受試者的心率變化無(wú)顯著性影響（＞0.05）；只在 26℃工況下，兩種體質(zhì)受試者平均心率存在顯著性差異（<0.05）。圖4顯示，在任意一個(gè)工況下，非耐熱受試者心率均高于耐熱受試者；從26℃逐漸變化到29℃時(shí)，兩種體質(zhì)受試者的心率差值分別為10.76bpm、9.84bpm、10.47bpm和10.78bpm。其次，從標(biāo)準(zhǔn)差上來(lái)看，耐熱受試者個(gè)體心率的最大差值為10.5bpm，而各工況下平均心率的最大差值為2bpm；非耐熱受試者個(gè)體心率的最大差值為8.3bpm，而各工況下平均心率的最大差值為0.5bpm。不管是耐熱還是非耐熱受試者，個(gè)體差異對(duì)心率的影響大于環(huán)境溫度變化對(duì)其的影響。此外，隨著環(huán)境溫度升高，非耐熱受試者心率由最初76.74bpm升高到77.27bpm，耐熱受試者心率由66bpm升高到66.5bpm?？梢?，兩種體質(zhì)受試者心率變化不明顯。由以上數(shù)據(jù)表明：受試者個(gè)體差異遠(yuǎn)大于整體差異，心率不能作為檢驗(yàn)?zāi)蜔岷头悄蜔狍w質(zhì)的生理參數(shù)。

圖4 耐熱和非耐熱受試者平均心率

2.2 主觀反應(yīng)

耐熱和非耐熱受試者熱感覺(jué)投票見圖5。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，兩種體質(zhì)受試者TSV之間無(wú)顯著性差異（>0.05）。圖5表明，隨著環(huán)境溫度升高，兩種體質(zhì)受試者TSV呈現(xiàn)增大趨勢(shì)：由26℃升高到28℃工況時(shí)，耐熱和非耐熱受試者的TSV均增加0.5；而從28℃到29℃工況，由于環(huán)境溫度變化較小，兩種體質(zhì)受試者TSV變化不明顯。其次，在每一個(gè)工況下，非耐熱受試者TSV均高于耐熱受試者，在26℃、27℃、28℃和29℃工況下，兩種體質(zhì)受試者的TSV差值分別為0.2、0.3、0.3和0.3。此外，從標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，耐熱受試者個(gè)體TSV的最大差值0.5＞各工況下TSV的最大差值0.4，非耐熱受試者個(gè)體TSV的最大差值0.9＞各工況下TSV的最大差值0.5。由此可見：耐熱和非耐熱受試者TSV存在較小差異，且兩種體質(zhì)受試者TSV個(gè)體差異大于整體差異，TSV不能作為檢驗(yàn)?zāi)蜔岷头悄蜔狍w質(zhì)的敏感心理指標(biāo)。

圖5 耐熱和非耐熱受試者熱感覺(jué)投票

圖6為耐熱和非耐熱受試者熱舒適投票。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，兩種體質(zhì)受試者TCV之間無(wú)顯著性差異（＞0.05）。該圖顯示，在任意一個(gè)工況下，非耐熱受試者TCV均高于耐熱受試者：從26℃升高到29℃工況，兩種體質(zhì)受試者TCV之間差值分別為0.1、0.6、0.3和0.1，其中在27℃環(huán)境溫度下，耐熱和非耐熱受試者之間的差異最大。其次，隨著環(huán)境溫度升高，兩種體質(zhì)受試者均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，耐熱受試者TCV從最初0增加到0.4，非耐熱受試者從最初0.1增加到0.7。除此之外，從標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，耐熱受試者個(gè)體TSV的最大差值為0.4，而各工況下TSV的最大差值為0.4；非耐熱受試者個(gè)體TSV的最大差值為1，各工況下TSV的最大差值為0.6?？梢?，兩種體質(zhì)受試者的個(gè)體差異對(duì)TCV的影響大于等于環(huán)境溫度變化對(duì)其的影響。由此推測(cè)，TCV不能作為檢驗(yàn)?zāi)蜔岱悄蜔狍w質(zhì)的敏感心理指標(biāo)。

圖6 耐熱和非耐熱受試者熱舒適投票

3 結(jié)論

（1）在26-29℃的穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，皮膚熱流和溫度測(cè)試結(jié)果表明：隨著環(huán)境溫度升高，兩種體質(zhì)受試者的皮膚熱流均降低、而皮膚溫度升高。其中耐熱受試者皮膚熱流高于非耐熱受試者，耐熱受試者皮膚溫度低于非耐熱受試者。皮膚熱流和溫度可以作為檢驗(yàn)?zāi)蜔崤c非耐熱體質(zhì)的敏感生理參數(shù)。

（2）心率變異性測(cè)試結(jié)果表明：隨著環(huán)境溫度升高，兩種體質(zhì)的心率變異性變化規(guī)律均不明顯；個(gè)體差異較大；在任意一個(gè)工況下，耐熱受試者LF/HF均大于非耐熱受試者。因此，在26-29℃的穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，心率變異性不能用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)蜔崤c非耐熱體質(zhì)，不是人體熱反應(yīng)的敏感生理參數(shù)。

（3）心率測(cè)試結(jié)果表明：在任意一個(gè)工況下，非耐熱受試者心率均高于耐熱受試者；在26℃時(shí)，兩者之間差異較明顯。此外，受試者個(gè)體差異大于整體差異。因此，在26-29℃的穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，心率不能作為檢驗(yàn)?zāi)蜔岷头悄蜔狍w質(zhì)的生理參數(shù)。

（4）主觀投票結(jié)果表明：隨著環(huán)境溫度升高，兩種體質(zhì)受試者TSV和TCV均增加；在各個(gè)溫度工況下，非耐熱受試者比耐熱受試者感覺(jué)更熱，更不舒適；此外，受試者的個(gè)體差異大于等于環(huán)境溫度變化對(duì)其的影響。因此，在26-29℃的穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，熱感覺(jué)和熱舒適投票不能為檢驗(yàn)?zāi)蜔岷头悄蜔狍w質(zhì)的敏感心理指標(biāo)。

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Experimental Study of Human Thermal Response Base on Heat-resistant and Non Heat-resistant Human Body in Steady Environment

Tian Guohua1Di Yuhui1Wang Lijuan2

( 1.School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048; 2.Xi'an Polytechnic University, the Western Green Building Key Laboratory, Xi'an, 710048 )

In order to explore different human thermal response about physiology and psychology in heat environment, this article carries out experimental study of human thermal response base on heat-resistant and non heat-resistant human body in steady environmental. Along with the change of environmental temperature, the different physical human’s heat flow of skin, skin temperature, heart rate variability, heart rate, thermal sensation and thermal comfort are analyzed. Statistical analysis shows that, as the temperature of the environment rises, the heat-resistant and non heat-resistant human’s heat flow of skin decrease, skin temperature rises, the thermal sensation and the thermal comfort increase. In any one temperature condition, the heat-resistant human’s skin temperature and heart rate variability are higher than those of non heat-resistant human, heat flow of skin and heart rate are lower than those of non heat-resistant. In the same temperatures, the non heat-resistant human feel more heat and uncomfortable than the heat-resistant. Heart rate variability, heart rate, thermal sensation and thermal comfort’s individual differences is greater than it is caused by the environment temperature. In general, in environmental temperature of 26-29℃, heat flow of skin and skin temperature can be used to test human base on heat-resistant and non heat-resistant in steady environment. Heart rate variability, heart rate, thermal sensation and thermal comfort can’t be used to test human base on heat-resistant and non heat-resistant in steady environment.

heat-resistant; non heat-resistant; physiological parameters; subjective response

TU83

A

1671-6612（2018）02-103-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51508434）；西部綠色建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地開放課題資助項(xiàng)目（LSKF201701）

田國(guó)華（1990.09-），女，在讀研究生，E-mail：491727027@qq.com

狄育慧（1964-），女，教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail：470836165@qq.com

2017-09-07