運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下基于性別差異的人體熱舒適研究

高云飛，余佳寧，宋文馨，倪 紅，劉 琳，翟永超

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510090；3. 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010；4. 西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055）

近年來(lái)，我國(guó)相繼出臺(tái)了《體育發(fā)展十三五規(guī)劃》和《“健康中國(guó)”2020規(guī)劃綱要》等文件，進(jìn)一步推動(dòng)了健身人群規(guī)模的擴(kuò)大和健身產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)熱舒適基礎(chǔ)研究相對(duì)滯后，目前，運(yùn)動(dòng)類建筑室內(nèi)熱舒適環(huán)境參數(shù)的設(shè)置大多參考人體在靜坐狀態(tài)下的研究成果；此外，因男女生理構(gòu)造的差異導(dǎo)致的不同熱舒適需求也經(jīng)常被忽略，并產(chǎn)生一系列“空調(diào)戰(zhàn)”等性別矛盾問題。相較于室外熱舒適性大多受自然環(huán)境等不可控因素的影響[1-2]，既有建筑的室內(nèi)熱舒適性已被證明能通過(guò)改變室內(nèi)環(huán)境參數(shù)獲得較好的改善，并產(chǎn)生良好的節(jié)能效益[3-4]。為此，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下男女在生理和心理上的熱響應(yīng)差異所導(dǎo)致的室內(nèi)熱舒適特性具有深入研究的意義和價(jià)值。

關(guān)于不同性別對(duì)室內(nèi)環(huán)境的熱響應(yīng)問題，國(guó)內(nèi)外已有若干研究。20世紀(jì)40年代，Hardy[5]對(duì)男女在冷熱環(huán)境下的熱響應(yīng)研究顯示了女性通過(guò)皮膚溫度可以更好地適應(yīng)環(huán)境參數(shù)變化，她們?cè)诤洵h(huán)境下的熱感覺比男性更舒適。隨后Fanger[6]和Olesen[7]研究發(fā)現(xiàn)男女在偏好溫度上沒有顯著差異，但女性擁有更低的皮膚溫度和蒸發(fā)散熱量；還有研究表示女性對(duì)非舒適溫度更為敏感[8-10]。Beshir[11]通過(guò)對(duì)男女在23.3～43.3 ℃下的主觀反應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)女性普遍偏好更高的溫度，這與Griefahn[12]和Karjalainen[9]的研究結(jié)果一致。此外，其他研究也發(fā)現(xiàn)女性在寒冷環(huán)境下的不滿意率和中性溫度都更高[13-16]，而在炎熱環(huán)境下這種差異則不明顯[17-18]。

以上研究雖著眼于男女在熱響應(yīng)上的性別特征，卻缺乏對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體生理和心理熱響應(yīng)的關(guān)注，其針對(duì)舒適溫度的求解往往是基于固定的、非連續(xù)設(shè)置的環(huán)境參數(shù)，而未考慮受試者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中基于自身熱舒適狀態(tài)的環(huán)境參數(shù)需求，這會(huì)帶來(lái)一定的誤差且缺乏更為直觀的動(dòng)態(tài)變化認(rèn)識(shí)。因此，針對(duì)以往研究的不足，本文采用受試者在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)溫度自主調(diào)控的方法，分別針對(duì)3種不同活動(dòng)強(qiáng)度下男女的生理和心理反應(yīng)特性進(jìn)行分析，探討運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下性別因素驅(qū)動(dòng)的熱舒適特性，為營(yíng)造運(yùn)動(dòng)類建筑的室內(nèi)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)概述

本文選取了不同性別的受試者，通過(guò)在人工氣候室3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下自主調(diào)控溫度的實(shí)驗(yàn)，對(duì)室內(nèi)溫度、人體生理參數(shù)、熱舒適主觀問卷等方面進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，討論并對(duì)比不同性別熱響應(yīng)下的熱舒適特性及熱偏好溫度設(shè)置，實(shí)驗(yàn)研究流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)研究流程圖Fig.1 Chart of experimental study

本實(shí)驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)的人工環(huán)境氣候室中進(jìn)行。如圖2所示，該氣候室包括兩相鄰房間，A室尺寸為3 m(長(zhǎng))×2.1 m(寬)×2.4 m(高)，室內(nèi)溫度的控制精度在0.2 ℃以內(nèi)，相對(duì)濕度的控制精度為5%，風(fēng)速在0.1 m/s以下。B室尺寸為4.5 m(長(zhǎng))×3.9 m(寬)×2.7 m(高)，室內(nèi)初始設(shè)定溫度為26 ℃。A室的布置參照健身房?jī)?nèi)部形式，以降低實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)受試者心理的影響。圖中紅色圓點(diǎn)為室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速的測(cè)試點(diǎn)。

圖2 氣候室平面圖和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 The climate chamber and experimental site

參與實(shí)驗(yàn)的受試者為男女各10名，表1統(tǒng)計(jì)了受試者的基本信息。本實(shí)驗(yàn)的受試者均為在校學(xué)生，無(wú)嚴(yán)重疾患病史。在參加實(shí)驗(yàn)前正常作息，無(wú)主觀不適，未服用藥物，測(cè)試前24 h內(nèi)禁止飲酒、吸煙以及飲用茶、咖啡等刺激性飲料。實(shí)驗(yàn)期間受試者統(tǒng)一服裝熱阻為為0.0465m2·K/W(棉質(zhì)短袖上衣、棉質(zhì)短褲、短襪以及運(yùn)動(dòng)鞋)。每位受試者參加3次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置如表2所示。每次實(shí)驗(yàn)有1名受試者參加，受試者可獨(dú)立調(diào)控環(huán)境溫度以保持運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的熱舒適度。實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)受試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)流程的講解并使其熟悉實(shí)驗(yàn)操作，以確保正式實(shí)驗(yàn)的流暢進(jìn)行。

表1 受試者身體測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 1 Statistics of anthropometric information of participants (mean ± SD)

表2 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 2 Test conditions under three activity levels (mean ± SD)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用空氣溫濕度記錄儀(TD/TR-72ui，精度±0.3 ℃)分別記錄室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度，同時(shí)保證輻射溫度(天建華儀/HQZY-1，精度±0.3 ℃)、風(fēng)速(天建華儀/WFWZY-1，精度±0.05 m/s)的連續(xù)測(cè)量與記錄。

實(shí)驗(yàn)開始前將A、B室溫度均設(shè)定為26 ℃，為預(yù)測(cè)平均投票值(Predicted Mean Vote，PMV)對(duì)應(yīng)為0時(shí)的中性溫度。單次實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為2 h，受試者提前30 min到達(dá)實(shí)驗(yàn)室并佩戴好儀器。在B室靜坐20 min以消除先前活動(dòng)的影響，隨后進(jìn)入A室進(jìn)行調(diào)溫實(shí)驗(yàn)，在走步機(jī)上以預(yù)設(shè)步速(4，5，6 km/h)走步60 min，全程每10 min進(jìn)行一次主觀問卷投票。走步過(guò)程中可隨時(shí)根據(jù)自身感受對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)控，控制器面板為觸控屏，標(biāo)注著“熱一點(diǎn)” “不變”“冷一點(diǎn)”3個(gè)選項(xiàng)，其中“熱一點(diǎn)”“冷一點(diǎn)”選項(xiàng)單次觸控可使室內(nèi)溫度升高或降低0.5 ℃。在走步階段的第50、60 min時(shí)分別稱量體重一次，計(jì)算二次測(cè)量的體重差，二次稱量之間保持原步速行走并不得擦汗。最后一次稱量結(jié)束后進(jìn)行至少10 min新陳代謝率的測(cè)量，測(cè)量新陳代謝率時(shí)走步步速不變。圖3為實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)控制圖。

圖3 實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)控制圖Fig.3 The experimental procedure

1.2 生理參數(shù)測(cè)量

新陳代謝率在實(shí)驗(yàn)階段的最后10 min內(nèi)利用便攜式新陳代謝測(cè)量?jī)xCosmed K5(精度VCO2± 0.01%，VO2± 0.02%)進(jìn)行測(cè)試。每次測(cè)試前對(duì)K5進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)儀器的呼吸面罩采集受試者呼出氣體并進(jìn)行混合室分析，得出氧氣消耗量 (VO2)、二氧化碳產(chǎn)生量(VCO2)，并根據(jù)式(1～3)計(jì)算得出新陳代謝率為

其中，M為人體新陳代謝率，W/m2(其中1 met = 58.2 W/m2)；RQ為呼吸商，無(wú)量綱；VCO2為二氧化碳產(chǎn)生量，W/L；VO2為氧氣消耗量，W/L；EE為代謝當(dāng)量；ADu為人體體表面積，m2。

蒸發(fā)散熱量的測(cè)量采用高精度電子秤(PESA CB 2.2-100，量程0～100 kg，精度±2 g)稱取受試者達(dá)到平衡狀態(tài)后10 min內(nèi)的體重變化。并根據(jù)公式(4)進(jìn)行計(jì)算：

利用皮膚溫度傳感器(Ibutton DS1923-F5#，Wdsen，-20～85 ℃，±0.5 ℃)和皮膚濕度傳感器(Ibutton DS1923，Wdsen，0～100%，±5%)，以30 s為時(shí)間間隔，保持實(shí)驗(yàn)全程數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄。實(shí)驗(yàn)人員于預(yù)暴露前10 min將傳感器用醫(yī)用膠布粘貼在受試者前胸、上臂、大腿前方與小腿側(cè)面，同時(shí)利用皮筋將其固定在身體另一側(cè)相應(yīng)位置。通過(guò)式(5)計(jì)算得到平均皮膚溫度：

其中，tsk為平均皮膚溫度，℃；t1，t2，t3，t4分別代表胸部、上臂、大腿和小腿的皮膚溫度，℃。

使用心率帶(Polar H10)對(duì)受試者心率進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備階段為受試者佩戴心率帶，通過(guò)手機(jī)控制軟件對(duì)心率帶進(jìn)行設(shè)定，保證實(shí)驗(yàn)全程數(shù)據(jù)的記錄。

1.3 主觀問卷投票

主觀問卷設(shè)置為每10 min自動(dòng)彈出，受試者在平板電腦上點(diǎn)觸答案。熱感覺投票設(shè)置為連續(xù)滑動(dòng)標(biāo)尺，共分9級(jí)。熱舒適投票采用斷裂標(biāo)尺，正值段代表受試者滿意程度，負(fù)值段代表受試者不滿意程度，同時(shí)受試者對(duì)熱期望值進(jìn)行了投票。問卷設(shè)置如圖4所示。

圖4 主觀問卷投票電子版截圖Fig.4 Electronic screenshot of subjective questionnaire voting

2 結(jié)果與分析

2.1 不同運(yùn)動(dòng)工況下的男女調(diào)控溫度與偏好溫度

本實(shí)驗(yàn)由受試者根據(jù)自身熱舒適需求實(shí)時(shí)自主調(diào)溫，圖5展示了人工氣候室所有受試者在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下自主溫度調(diào)控后的瞬時(shí)室溫變化情況。表3顯示了運(yùn)動(dòng)開始后人工氣候室內(nèi)溫度的均值分布。

表3 不同運(yùn)動(dòng)工況下男女調(diào)控溫度(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 3 Ambient temperature under three walking speeds (mean ±SD)

圖5 不同運(yùn)動(dòng)工況下男女瞬時(shí)自主調(diào)溫控制下的室內(nèi)溫度變化圖Fig.5 Ambient temperature variations over time under three walking speeds

圖5結(jié)果顯示，在3種工況下，運(yùn)動(dòng)開始后，男女自主調(diào)控的室內(nèi)溫度都在逐漸下降，說(shuō)明隨著活動(dòng)的持續(xù)男女都更偏好較低的溫度；其中女性的調(diào)控溫度值基本都比男性高。走步速度為4 km/h時(shí)，女性調(diào)控溫度比男性平均高出0.72 ℃，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的最大差值達(dá)到1.83 ℃；5 km/h工況時(shí)女性比男性平均高出0.51 ℃，最大差值為0.98 ℃；6 km/h工況時(shí)女性比男性平均高出0.4 ℃，最大差值為1.44 ℃。

本文將受試者最后5 min的調(diào)控溫度取均值，定義為受試者的偏好溫度。在走步速度為4，5，6 km/h工況下，男性的偏好溫度分別是22.4，22.6，21.7 ℃，女性為24.0，22.9，22.6 ℃。從結(jié)果看，女性的偏好溫度均高于男性，且隨活動(dòng)強(qiáng)度的增大而變低，這與以往的文獻(xiàn)結(jié)果一致。本文中6 km/h工況下的代謝率為2.9 met，而其他文獻(xiàn)在對(duì)應(yīng)代謝率下的研究結(jié)果均顯著低于本文的偏好溫度，如Jaax[19]得到的人體中性溫度為16 ℃，Nielsen等[20]得到的為19 ℃，王海英等[21]得到的為14.3 ℃。不同于本文中受試者的自主調(diào)溫，以上研究結(jié)果均是通過(guò)熱感覺與設(shè)定的固定非連續(xù)室內(nèi)溫度值和活動(dòng)量之間的關(guān)系分析得出，從而可能導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果存在偏差。本實(shí)驗(yàn)中的自主調(diào)溫方法能夠較為直接地反應(yīng)受試者對(duì)環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)熱需求，這可能是本文結(jié)果與其他研究結(jié)果不一致的原因。

2.2 不同運(yùn)動(dòng)工況下的男女生理參數(shù)特性

本文對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下男女的平均皮膚溫度、心率、新陳代謝率、蒸發(fā)散熱量這4個(gè)生理參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，具體如下。

2.2.1 心率

實(shí)驗(yàn)中各工況下男女心率隨時(shí)間變化情況如圖6所示。在各工況下，女性的心率都高于男性。隨著活動(dòng)的持續(xù)，男女的心率都能在10 min左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，男性的心率比女性更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。對(duì)心率進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果顯示相同步速下，男女心率分布基本都出現(xiàn)了顯著的差異(P＜0.05)，在6 km/h工況下差異尤為明顯(P＜0.0001)。4km/h工況下，男性和女性的心率均值為(88.68 ± 1.81)和(101.76 ± 1.93) 次/min，5 km/h時(shí)男性和女性的心率均值為(97.58 ±2.32)和(108.16 ± 2.38) 次/min，6 km/h時(shí)男性和女性的心率均值為(101.62 ± 3.24) 和(126.52 ± 5.33) 次/min。心率本質(zhì)上反映了活動(dòng)的劇烈程度和人身體的血液需求量，同等步速下女性心率高于男性，說(shuō)明女性的身體素質(zhì)普遍低于男性，心臟負(fù)荷大于男性，在活動(dòng)量增加時(shí)這種差異更為明顯。

圖6 不同運(yùn)動(dòng)工況下男女瞬時(shí)心率變化Fig.6 Heart rate variations over time under three walking speeds

2.2.2 平均皮膚溫度

實(shí)驗(yàn)中平均皮膚溫度隨時(shí)間的變化情況如圖7所示。在預(yù)暴露過(guò)程中，男女之間的平均皮膚溫度都在32～34 ℃之間。運(yùn)動(dòng)開始后，隨著周圍溫度的降低，3個(gè)工況下男女的平均皮膚溫度都隨之下降。雙因素方差分析顯示，3種工況下男女之間的平均皮膚溫度并無(wú)顯著差異。

圖7 不同運(yùn)動(dòng)工況下男女平均皮膚溫度變化Fig.7 Mean skin temperature variations over time under three walking speeds

如圖8所示，4 km/h工況下最終平均皮膚溫度為(32.64 ± 0.65) ℃(男)，(32.64 ± 0.61) ℃(女)；5 km/h工況下最終平均皮膚溫度為(32.64 ± 0.65) ℃(男)，(32.57 ± 0.74) ℃(女)；6 km/h工況下最終平均皮膚溫度為(32.77 ± 0.82) ℃(男)，(32.59 ± 0.56) ℃(女)。雙因素方差分析結(jié)果顯示，在走步速度相同時(shí)，不同性別的平均皮膚溫度分布都無(wú)顯著差異(P＞0.9)。這與以往針對(duì)靜坐狀態(tài)下關(guān)于男女平均皮膚溫度不同的結(jié)論有所區(qū)別。

圖8 不同運(yùn)動(dòng)工況下男女平均皮膚溫度對(duì)比Fig.8 Mean skin temperature under three walking speeds

2.2.3 新陳代謝率

新陳代謝率表征著人體的產(chǎn)熱量。不同活動(dòng)水平下男女之間的新陳代謝率分布情況如圖9所示。

圖9 不同運(yùn)動(dòng)工況下男女新陳代謝率對(duì)比Fig.9 Mean metabolic rate under three walking speeds

可以看出，隨著活動(dòng)量的增加，男女的代謝率都隨之增長(zhǎng)。然而雙因素方差分析顯示，相同活動(dòng)量下的男女之間的新陳代謝率并無(wú)明顯差異(P＞0.8)，說(shuō)明在活動(dòng)量相同時(shí)，男女之間都有著相似的新陳代謝率。4 km/h工況下，男性和女性的新陳代謝率均值為(3.08 ± 0.30)和(2.89 ± 0.37) met，5 km/h工況時(shí)男性和女性的新陳代謝率均值為(3.65 ± 0.32)和(3.63 ±0.62) met，6 km/h工況時(shí)男性和女性的新陳代謝率均值為(4.88 ± 0.57)和(4.86 ± 0.71) met。根據(jù)以往研究[22-23]，男性的基礎(chǔ)代謝率高于女性，這是由女性更高的體脂率和不同激素水平造成的。而在本實(shí)驗(yàn)中活動(dòng)量增加后，男女的代謝率都處在了相同水平，可能是因?yàn)榧∪饣顒?dòng)成為了主要的產(chǎn)熱源，男女之間生理上的差異影響被削弱了。

2.2.4 蒸發(fā)散熱量

不同活動(dòng)水平下蒸發(fā)散熱量的分布情況如圖10所示?？梢钥闯?，在3種活動(dòng)量都相同時(shí)，男女之間的蒸發(fā)散熱量并無(wú)顯著差異(P＞0.05)。

圖10顯示了4 km/h工況下，男性和女性的蒸發(fā)散熱量均值分別為(59.44 ± 29.28)和(34.32 ± 18.82) W/m2，5 km/h工況時(shí)男性和女性的蒸發(fā)散熱量均值分別為(79.69 ±2 1.95)和(63.16 ± 12.76) W/m2，6 km/h工況時(shí)男性和女性的蒸發(fā)散熱量均值分別為(109.89 ±20.61)和(94.18 ± 25.13) W/m2。汗液在人體皮膚表面吸收汽化潛熱而轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，水蒸氣分子由此擴(kuò)散到空氣中，本質(zhì)上可看成是溫差造成的熱傳遞過(guò)程；男女之間蒸發(fā)散熱量的無(wú)差異結(jié)果可能與皮膚和空氣之間的水蒸氣壓力差相近有關(guān)。

圖10 不同運(yùn)動(dòng)工況下男女蒸發(fā)散熱量對(duì)比Fig.10 Mean evaporative heat loss under three walking speeds

2.3 不同運(yùn)動(dòng)工況下的男女主觀反應(yīng)分析

本文對(duì)不同運(yùn)動(dòng)工況下男女的主觀熱感覺、熱舒適、熱期望進(jìn)行了對(duì)比分析，具體如下。

2.3.1 熱感覺投票

各個(gè)工況下的熱感覺投票變化曲線如圖11所示。預(yù)暴露時(shí)，3種走步速度下男女的熱感覺投票均處于0(不冷不熱)～1(稍暖)之間，活動(dòng)開始后，4 km/h工況下的男女熱感覺依舊分布在0(不冷不熱)～1(稍暖)之間，5 km/h和6 km/h的熱感覺變化也不大，處在0(不冷不熱)～2(暖)之間，男女之間無(wú)顯著差異(P＞0.5)。說(shuō)明受試者通過(guò)調(diào)控溫度可以使自己始終保持在不冷不熱和暖的熱感覺之間。

圖11 不同運(yùn)動(dòng)工況下男女瞬時(shí)熱感覺投票變化圖Fig.11 Thermal sensation variations over time under three walking speeds

2.3.2 熱舒適投票

圖12顯示了各個(gè)工況下的熱舒適投票(Thermal Comfort Votes，TCV)變化曲線。預(yù)暴露期間的男女熱舒適投票均處于1(比較舒服)～3(舒服)之間，隨著活動(dòng)的持續(xù)，其整體熱舒適投票稍有下降，但仍然穩(wěn)定在1(比較舒服)～3(舒服)之間，男女之間無(wú)顯著差異(P＞0.5)。

圖12 不同運(yùn)動(dòng)工況下男女瞬時(shí)熱舒適投票變化圖Fig.12 Thermal comfort variations over time under three walking speeds

將運(yùn)動(dòng)開始后(t≥0)的熱感覺(Thermal Sensation Votes，TSV)和熱舒適取均值并進(jìn)行回歸，結(jié)果如圖13所示，并得到回歸方程為

圖13 男女熱感覺與熱舒適投票關(guān)系圖Fig.13 The relationship between thermal comfort and thermal sensation

從回歸方程結(jié)果可知，熱感覺與熱舒適投票之間具有良好的線性關(guān)系。熱感覺相同時(shí)，女性的熱舒適投票低于男性，說(shuō)明同等熱感覺下女性熱舒適性更低，這與以往研究結(jié)果類似[13,17,20]。另外，女性的斜率大于男性，說(shuō)明在熱感覺變化時(shí)，女性對(duì)熱舒適的感受更敏感。受試者通過(guò)自主調(diào)溫使自己始終保持在舒適狀態(tài)中，故熱舒適和熱感覺在大于0的區(qū)間內(nèi)呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，此時(shí)熱感覺越高，熱舒適投票越低。當(dāng)熱感覺在0.5附近時(shí)，男女的熱舒適性相似。

2.3.3 溫度熱期望投票

各工況下男女熱期望百分比隨時(shí)間變化如圖14所示。按照步速由小到大(4 km/h→5 km/h→6 km/h)進(jìn)行排序，男性期望溫度不變的占比為72.9%→74.3%→47.1%，女性期望溫度不變的占比為68.6%→70%→70%；男性期望溫度低一些的占比為27.1%→25.7%→52.9%，女性期望溫度低一些的占比為31.4%→30%→30%。值得注意的是，3種步速下女性的熱期望投票變化都很小，而男性在6 km/h工況下期望產(chǎn)生了較大變化，說(shuō)明女性對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性相對(duì)較強(qiáng)。

圖14 不同運(yùn)動(dòng)工況下男女瞬時(shí)熱期望投票變化圖(上區(qū)間代表男性，下區(qū)間代表女性)Fig.14 Percentage of thermal preference variations over time under three walking speeds (The upper area represents males and the lower area represents females)

3 討論與分析

國(guó)際健身協(xié)會(huì)(International Fitness Association，IFA)[24]曾根據(jù)美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局(Occupational Safety and Health Administration，OSHA)和美國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)學(xué)院的的標(biāo)準(zhǔn)，提出有氧運(yùn)動(dòng)和舉重區(qū)域(約2.6～4.6 met)的溫度應(yīng)控制在18.3～20 ℃之間，瑜伽區(qū)(約2.1 met)的溫度應(yīng)不高于26.7 ℃。該標(biāo)準(zhǔn)存在3個(gè)問題：(1) 運(yùn)動(dòng)區(qū)域的劃分不夠合理，同區(qū)域涵蓋的代謝率范圍較為寬泛；(2) 設(shè)定溫度顯著低于本研究所得的偏好溫度，造成能源浪費(fèi)；(3) 忽視性別因素驅(qū)動(dòng)的熱舒適差異，未能關(guān)注不同人群的熱需求。

針對(duì)以上規(guī)范的不足，結(jié)合Ainsworth的《身體活動(dòng)綱要》[25]和本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果，對(duì)相關(guān)規(guī)范作出修正和完善：2.9 met活動(dòng)區(qū)域(有氧運(yùn)動(dòng)、抗阻訓(xùn)練、韻律操)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行性別分區(qū)，男性區(qū)域溫度可設(shè)置為22 ℃左右，女性區(qū)域?yàn)?4 ℃左右；3.6 met活動(dòng)區(qū)域(功率車、橢圓機(jī))可以不用考慮性別差異，溫度設(shè)置為22.5～23 ℃左右；4.8 met(跑步機(jī)、健美操、有氧舞蹈、舉重)活動(dòng)區(qū)域中男性區(qū)可設(shè)置溫度為21.7 ℃左右，女性區(qū)設(shè)置為22.6 ℃左右。條件有限的情況下則應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同活動(dòng)的主要參與人群進(jìn)行設(shè)置以滿足主體的熱需求。

綜上可知，盡管運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的男女有著相似的生理和心理熱響應(yīng)特征，兩者的偏好溫度卻仍然存在一定的差異。在運(yùn)動(dòng)類建筑中針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行男女偏好溫度的設(shè)置有利于滿足不同人群的熱需求并且降低建筑的能耗，同時(shí)還能對(duì)尚不完善的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行合理建議和補(bǔ)充。因此，針對(duì)性別因素驅(qū)動(dòng)的熱舒適差異進(jìn)行合理的溫度分區(qū)設(shè)置具有重要的節(jié)能意義。

4 結(jié)論

本文選取了3種活動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)讓受試者依據(jù)主觀熱舒適需求進(jìn)行自主調(diào)控溫度的方式，結(jié)合生理參數(shù)測(cè)量和主觀問卷投票的方法，對(duì)不同性別人群的生理和心理熱響應(yīng)特征進(jìn)行分析，討論了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下性別因素驅(qū)動(dòng)的熱舒適差異，得到如下結(jié)論。

(1) 除心率外，平均皮膚溫度、新陳代謝率、蒸發(fā)散熱量、熱感覺、熱舒適等參數(shù)中均未觀察到明顯的性別差異。其中，女性在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的熱期望基本不變；相同熱感覺下，女性的熱舒適度更低，她們對(duì)熱舒適的變化也更加敏感。

(2) 走步速度為4，5，6 km/h工況下，女性偏好溫度分別比男性高出1.6，0.3，0.9 ℃。而在2.9 met左右活動(dòng)強(qiáng)度下，男性和女性的偏好溫度分別為22.4 ℃和24 ℃，均顯著高于以往研究的中性溫度。

(3) 通過(guò)與當(dāng)前相關(guān)規(guī)范的對(duì)比可知，根據(jù)不同性別針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)運(yùn)動(dòng)類建筑進(jìn)行室內(nèi)溫度的分區(qū)設(shè)置，可顯著提高室內(nèi)設(shè)置溫度，在滿足不同性別人群的熱需求基礎(chǔ)上也能減小建筑能耗，最終為當(dāng)前規(guī)范提供借鑒和參考。