嚴(yán)寒環(huán)境下的人體冷耐受特性實驗

張 宇，陳 超，藺 潔，張思琦，小島昌一，嚴(yán)志剛

(1.綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室(北京工業(yè)大學(xué))，北京 100124；2.日本佐賀大學(xué) 理工學(xué)系，佐賀市 840-8502，日本； 3.北京二商東方食品集團有限公司，北京 100070)

2022年冬季奧運會主要雪上賽事將于2月4日～2月20日在河北崇禮地區(qū)舉行。根據(jù)崇禮地區(qū)過去10年(2009―2018年)的氣象數(shù)據(jù)，冬奧會期間室外環(huán)境日平均氣溫大約為-17 ℃～-2 ℃；根據(jù)過去兩年(2017―2018年)的氣象數(shù)據(jù)，冬奧會期間戶外開放區(qū)域的平均風(fēng)速約為1.9 m/s。據(jù)悉，崇禮賽區(qū)的雪上賽事多以戶外觀賽為主，戶外開放觀賽區(qū)域分別設(shè)立站席和坐席；為減少室外風(fēng)環(huán)境對觀眾熱舒適的影響，在觀賽區(qū)域四周設(shè)置擋風(fēng)板等。但冬奧會期間嚴(yán)寒的環(huán)境條件，對觀賽者的冷耐受性將是極大的考驗和挑戰(zhàn)。

以往關(guān)于人體直接暴露于嚴(yán)寒環(huán)境條件下的冷耐受研究很少，大部分是關(guān)注低溫環(huán)境下規(guī)定時間段內(nèi)局部供暖方式對受試者熱舒適提升效果的分析研究[1-3]；雖然也有一些關(guān)于受試者全身直接冷暴露于低溫環(huán)境下的基礎(chǔ)生理、心理反應(yīng)特征研究，但大多集中在5 ℃～16 ℃的環(huán)境條件下[4-6]。即使有一些關(guān)于0 ℃以下的研究，也大多是采用規(guī)定冷暴露時長的方式進行分析，鮮見關(guān)于人體冷耐受極限的探究。所謂冷暴露，是指人體直接暴露在低于常溫(20 ℃)的環(huán)境中[7]。如蘇鍥等[8]利用現(xiàn)場實測的方法，對在-5 ℃的室外環(huán)境中，受試者在持續(xù)冷暴露30 min下的熱反應(yīng)特征進行了研究；Tochihara等[9]利用人工氣候室，研究了受試者在-25 ℃環(huán)境溫度下5、10、20 min的冷暴露時間下分別重復(fù)12次、6次和3次的熱反應(yīng)特征。

為此，本文結(jié)合冬奧會期間主賽區(qū)在河北崇禮地區(qū)的氣候特點，利用北京地區(qū)某商業(yè)冷庫的-14 ℃～-16 ℃人工環(huán)境條件，結(jié)合實驗方法，重點開展關(guān)于人體各部位熱反應(yīng)特征、冷耐受極限時間、以及人體不可忍受時的生理極限閾值等問題研究，以期為嚴(yán)寒環(huán)境下人體冷耐受特性及其改善人體熱舒適性的局部供暖方法研究，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1 實驗方法

冷環(huán)境中影響人體散熱量的主要環(huán)境因素有環(huán)境溫度與濕度、風(fēng)速、太陽輻射強度[3]。通常，崇禮地區(qū)的一些重要觀演賽事主要在傍晚(17∶00～20∶00)舉行，太陽輻射的有利作用無法利用；另外，冬季環(huán)境含濕量相對較低，可以不考慮冷環(huán)境中相對濕度對人體散熱量的影響[10]。圖1所示為2018年2月4日到2月20日崇禮地區(qū)傍晚時段(17∶00～20∶00)的主要氣象參數(shù)，室外空氣溫度主要集中在-14 ℃～-16 ℃，風(fēng)速主要集中在0.5～1.0 m/s(考慮到觀賽區(qū)四周設(shè)有擋風(fēng)板等防風(fēng)措施，可以忽略風(fēng)速對人體熱舒適的影響)。

圖1 2018年崇禮地區(qū)傍晚時段氣象參數(shù)

根據(jù)上述分析，本文利用北京地區(qū)某商業(yè)冷庫的-14 ℃～-16 ℃人工環(huán)境條件，重點開展人體各部位熱反應(yīng)特征、冷耐受極限時間、以及人體不可忍受時的生理極限閾值等問題的實驗研究。圖2為實驗場地平面布置示意圖。實驗場地包括中性環(huán)境區(qū)的房間A和冷環(huán)境區(qū)的房間B。其中，房間A通過空調(diào)系統(tǒng)將環(huán)境溫度控制在15 ℃～16 ℃；房間B層高為4.5 m，利用人工冷艙控制環(huán)境溫度為-14 ℃～-16 ℃、相對濕度為65%～75%、平均風(fēng)速約為0.1～0.2 m/s。房間B分為貨物區(qū)與通道區(qū)，通過鐵絲網(wǎng)隔開；照明主要設(shè)置在貨物區(qū)，且貨物區(qū)的食品均包裝完好，無明顯氣味。為了避免燈光暗淡與空氣質(zhì)量對受試者的影響，受試者的實驗活動區(qū)域主要集中在圖2的灰色區(qū)域。所有實驗均安排在下午14∶00～18∶00進行，實驗期間為2018年和2019年的10月～12月。

圖2 實驗房間布局

冷環(huán)境下，手部暴露將對人體熱舒適產(chǎn)生直接影響[11]。為此，實驗分兩個工況進行:1)站姿，帶有手套的手放在外部(簡稱“手暴露”)；2)站姿，帶有手套的手插入外衣口袋(簡稱“手插兜”)。每個實驗工況都由兩個階段組成：1)實驗開始之前，受試者進入房間A更換實驗服裝，并將測量人體皮膚表面溫度的溫度傳感器粘貼于皮膚表面，然后靜坐20 min(圖3(a))，以減少實驗前熱環(huán)境對受試者熱感覺的影響；2)受試者從房間A進入實驗房間B，依據(jù)預(yù)定的實驗條件進行冷耐受實驗(圖3(b))，直至無法繼續(xù)忍受實驗環(huán)境的冷刺激并強烈要求返回休息區(qū)為止。8名在校學(xué)生(4男，4女)被招募參與所有工況實驗[3,12]，其生理參數(shù)見表1，且所有受試者均在北京生活過1 a以上，已基本適應(yīng)了寒冷地區(qū)的氣候。每次實驗時，2名受試者(1男，1女)參加；為了減少其他潛在因素的影響，實驗之前24 h以內(nèi)，所有受試者均不可有疾病、喝酒、抽煙等情況。為了保障受試者身體健康以及消除前實驗工況的熱經(jīng)歷對后實驗工況的影響，每個實驗工況相隔5 d。

圖3 實驗場景

表1 受試者生理參數(shù)

根據(jù)已有研究成果[13-17]，受試者的服裝熱阻考慮為2.1 clo，分別由秋衣、秋褲、薄毛衣、厚毛衣、長款厚羽絨服、圍巾、厚手套、保暖褲、羽絨褲、厚棉襪、雪地靴等構(gòu)成。實驗過程中，受試者可交談、輕微走動，包括跺腳等正常生理反應(yīng)，但不允許交流實驗相關(guān)內(nèi)容和劇烈運動。

環(huán)境參數(shù)根據(jù)GB/T50785―2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進行測量。房間A在靠近人體處布置測點(圖3(a))，在距地面0.6 m處測量環(huán)境溫度。房間B在鐵絲網(wǎng)區(qū)域的中心布置測點(圖2)，在距地面1.1 m處測量環(huán)境溫度、相對濕度、空氣流速、黑球溫度。環(huán)境溫度和相對濕度采用RR002溫濕度自記儀，每1 min自動采集一次數(shù)據(jù)；空氣流速采用testo-435熱線風(fēng)速儀，黑球溫度采用TR-52S黑球溫度計，均每10 min手動采集一次數(shù)據(jù)；根據(jù)下式計算平均輻射溫度[16]：

Tr=[(tg+273)4+0.4×108(tg-ta)5/4]1/4-273

(1)

式中：Tr為平均輻射溫度，℃；tg為黑球溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃。

受試者的皮膚溫度采用iButtonDS1923溫度傳感器進行測量，在整個實驗過程對皮膚溫度每隔1 min自動采樣一次。為了防止受試者在實驗期間由于出汗以及走動等因素導(dǎo)致測點脫落，使用防水醫(yī)用膠帶將iButton貼附到皮膚表面，且均位在身體左側(cè)，其中全身11個部位的溫度測點布置如圖4所示。實驗前各測試儀器均進行標(biāo)定，測量精度見表2。

圖4 不同部位皮膚溫度測點分布

表2 測量儀器主要技術(shù)參數(shù)

受試者的主觀評價調(diào)查使用兩種類型的熱感受調(diào)查問卷，一種是用于評估整體熱感覺，另一種是用于評價局部熱感覺。采用ASHRAE11點尺度表進行量化[16]，分別為極冷(-5)、很冷(-4)、冷(-3)、涼(-2)、微涼(-1)、中性(0)、微暖(+ 1)、暖(+ 2)、熱(+3)、很熱(+4)、極熱(+5)。問卷調(diào)查通過對講機進行記錄，時間間隔為6 min，包括實驗開始與結(jié)束時受試者熱感覺投票。

需要說明的是，為了營造中性溫度熱感覺，房間A的環(huán)境溫度通常稍低于一般中性溫度需求，以便受試者在實驗著裝狀態(tài)下調(diào)整好他們的中性狀態(tài)。所謂中性溫度，是指人體整體熱感覺為中性時所對應(yīng)的皮膚溫度[11]。

本文選擇獨立樣本T檢驗進行統(tǒng)計分析，P<0.05時認(rèn)為具有顯著性統(tǒng)計學(xué)差異(用“*”表示)，P<0.01時認(rèn)為具有高度顯著性統(tǒng)計學(xué)差異(用“**”表示)，所有統(tǒng)計分析均由IBM SPSS Statistics軟件執(zhí)行。

2 實測結(jié)果及討論

2.1 皮膚溫度

2.1.1 中性環(huán)境

圖5反映了受試者在中性環(huán)境的房間A持續(xù)停留20 min過程中身體各部位皮膚溫度(平均值)隨時間的變化。相比其他部位，手指具有易活動的特點，使受試者除手指皮膚溫度變化較大以外，其他部位相對較穩(wěn)定[11]；另外，受試者從頭到腳出現(xiàn)了明顯的溫度分層現(xiàn)象，上軀干(胸部、背部)的皮膚溫度最高、約為35 ℃，頭部及四肢部位(大臂、小臂、大腿、小腿)的皮膚溫度其次、約為33 ℃～35 ℃，末端部位的皮膚溫度最低、約為31 ℃～32 ℃。

圖5 中性環(huán)境下受試者各部位皮膚溫度的逐時變化

圖6反映了在冷環(huán)境的房間A持續(xù)停留20 min結(jié)束時，所有受試者各部位皮膚溫度。從圖中可知，上軀干部位(胸部、背部)的皮膚溫度波動幅度最小、約為2 ℃；頭部及四肢(大臂、小臂、大腿、小腿)的皮膚溫度波動幅度其次、約為3 ℃～4 ℃不等；末端部位(手部、腳部)的皮膚溫度相對最低且波動幅度最大、約為7 ℃～10 ℃不等，特別是手指、腳趾的波動幅度最大，其波動范圍約為10 ℃。分析其原因，一方面是由于為冬季實驗，中性環(huán)境下受試者的皮膚溫度會受之前環(huán)境的影響；另一方面是由于服裝熱阻與生理結(jié)構(gòu)的不均勻性，使得人體不同部位皮膚溫度對熱環(huán)境改變的敏感度不同，其中手部、腳部的敏感度最高，頭部及四肢部位(大臂、小臂、大腿、小腿)其次，上軀干部位(胸部、背部)最低[18]。

圖6 休息階段結(jié)束時受試者的各部位皮膚溫度

2.1.2 冷環(huán)境

圖7反映了受試者分別在中性環(huán)境、冷環(huán)境實驗條件下，手暴露(工況1)和手插兜(工況2)實驗結(jié)束時身體各部位皮膚溫度均值。其中受試者的中性皮膚溫度，為兩個工況的中性環(huán)境實驗過程結(jié)束時受試者皮膚溫度的平均值。

圖7 不同階段結(jié)束時受試者的平均皮膚溫度分布

手暴露的工況1，相對于中性皮膚溫度，受試者上軀干(胸部、背部)的皮膚溫度下降幅度最小、約為2 ℃～3 ℃不等；頭部及四肢(大臂、小臂、大腿、小腿)的皮膚溫度居中且下降幅度其次、約為3 ℃～5 ℃不等，末端部位(手部、腳部)的皮膚溫度下降幅度最大、約為5 ℃～19 ℃不等。分析其原因:1)在冷暴露過程中，人體為了保持核心溫度的穩(wěn)定，會采取自我調(diào)節(jié)機制，減少四肢與末端(尤其是手指與腳趾)部位的供血量[19]；2)受試者各部位的表面積與體積的比值不同，其中手指、腳趾最大[20]；3)受試者服裝熱阻分布不均[21]。

需要指出的是，手暴露(工況1)的冷耐受階段實驗結(jié)束時，手指的皮膚溫度下降到了約11 ℃，下降幅度高達19 ℃；腳趾的皮膚溫度則下降到了約18 ℃，下降幅度達到了13 ℃；此時，手指與手背的溫差約為13 ℃，腳趾與腳背的溫差約為9 ℃。手暴露的工況1條件，受試者在冷環(huán)境區(qū)持續(xù)停留時間平均為51 min。由此可認(rèn)為，手暴露的工況1下影響受試者熱舒適的關(guān)鍵部位為手指，此時的手指皮膚溫度11 ℃可視為對應(yīng)工況下人體生理極限閾值。

手插兜的工況2，冷耐受階段結(jié)束時受試者身體各部位皮膚溫度下降趨勢同手暴露的工況1；所不同的是，手部皮膚溫度下降幅度明顯減少了。其中，手指皮膚溫度的下降幅度減少了約12 ℃、手背減少了3 ℃，且手部始終維持在正常工作的溫度(20 ℃)以上[22]；而此時腳趾皮膚溫度卻下降到了16 ℃，下降幅度高達15 ℃；余下的其他部位皮膚溫度的下降幅度也有所增大、約為0～2 ℃。手插兜的工況2下，受試者在冷環(huán)境區(qū)持續(xù)停留時間平均為67 min。由此可認(rèn)為，手插兜的工況2下影響受試者熱舒適的關(guān)鍵部位為腳趾，此時的腳趾皮膚溫度16 ℃可視為對應(yīng)工況下人體生理極限閾值。

圖8反映了手暴露的工況1和手插兜的工況2實驗結(jié)束時，受試者身體各部位皮膚溫度比較結(jié)果。兩個工況條件下，受試者除手部的皮膚溫度具有顯著性差異(其中:手背，P<0.05；手指，P<0.01)外，其余部位無顯著性影響(P>0.05)；其中，手指的生理極限閾值主要集中在9 ℃～12 ℃，腳趾的生理極限閾值主要集中在15 ℃～18 ℃。說明不同受試者之間關(guān)于冷耐受階段關(guān)鍵部位的生理極限閾值差異不大。

圖8 實驗結(jié)束時受試者各部位的皮膚溫度

2.2 皮膚溫度下降速率

圖9反映了整個冷耐受階段，受試者身體各部位平均皮膚溫度下降速率。其定義為皮膚溫度的下降值與可持續(xù)停留時間的比值。手暴露的工況1下，上軀干部位(胸部、背部)的皮膚溫度下降速率最小，約為0.03～0.04 ℃/min，頭部及四肢部位(大臂、小臂、大腿、小腿)其次，約為0.04～0.08 ℃/min；末端部位(手部、腳部)的皮膚溫度下降速率相對最大，約0.09～0.32 ℃/min。其變化趨勢與冷環(huán)境下皮膚溫度下降幅度相同。分析其原因，也是由于內(nèi)部產(chǎn)熱量和服裝熱阻分布不均以及不同部位表面積與體積比值不同所導(dǎo)致。特別是在冷環(huán)境下，低的產(chǎn)熱量以及高的表面積與體積比使得手指、腳趾的皮膚溫度迅速下降，其中手指、腳趾皮膚溫度下降速率分別達到了0.32、0.21 ℃/min，此時，手指約為手背的2.7倍，腳趾約為腳背的2.3倍。與手暴露的工況1比較，手插兜的工況2，受試者除手背、手指皮膚溫度下降速率均有高度顯著性下降(P<0.01)以外，其余部位皮膚溫度的下降速率基本相同，無顯著性差異(P>0.05)；其中，手指的下降幅度為0.19 ℃/min、達到了0.15 ℃/min，手背的下降幅度為0.05 ℃/min、達到了0.07 ℃/min。

圖9 受試者身體各部位平均皮膚溫度下降速率

圖中結(jié)果表明，由于受試者活動水平的差異性，致使手指、腳趾的標(biāo)準(zhǔn)差相對大一些，其中手指的標(biāo)準(zhǔn)差約為0.06～0.08 ℃/min，腳趾的標(biāo)準(zhǔn)差約為0.02～0.04 ℃/min；其余部位的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.03 ℃/min。說明在-14 ℃～-16 ℃的冷暴露條件下，當(dāng)受試者統(tǒng)一著裝且身體質(zhì)量指數(shù)值基本相同時，受試者之間的皮膚溫度下降速率差異性較小。

2.3 受試者熱感覺

圖10反映了受試者分別在中性環(huán)境、冷環(huán)境條件下，手暴露的工況1與手插兜的工況2實驗結(jié)束時受試者的最后一次熱感覺投票均值，將中性環(huán)境實驗結(jié)束時的熱感覺投票均值作為受試者的初始熱感覺。

在中性環(huán)境中，頭部、手部(手背，手指)與整體初始熱感覺投票基本處于“中性”狀態(tài)，其余部位處在“中性”以上。這是因為在15 ℃～16 ℃的中性環(huán)境中，受試者為保持整體熱中性，采取了行為調(diào)節(jié)方式，如不穿戴手套與帽子、敞開外套等，但軀干與腳部的服裝熱阻相對較大且不易有效調(diào)節(jié)，所以感到較暖。與初始熱感覺相比，手暴露的工況1，受試者除了頭部、胸部、背部、大腿、小腿以外，其余部位的熱感覺投票均有較大幅度的下降，其中手指的下降幅度最大，實驗終止時下降了約5個熱感覺尺度、達到-5，為極冷狀態(tài)；其次是腳趾，下降了約4個熱感覺尺度、達到-4，為很冷狀態(tài)。此時，手指與手背相差約4個熱感覺尺度，腳背與腳趾相差約3個熱感覺尺度。說明手暴露的工況1條件，受試者冷感最強烈部位為手指，其次為腳趾；與手暴露的工況1相比，手插兜的工況2下受試者手指與腳部(腳背、腳趾)的最后一次熱感覺投票具有顯著性差異(P<0.05)，而其余部位和整體均無顯著性差異(P>0.05)；其中，手指的最后一次熱感覺投票有了高度顯著性的提升(P<0.01)，其達到了“中性”狀態(tài)；而腳部最后一次熱感覺投票則出現(xiàn)了高度顯著性的下降(P<0.01)，此時腳趾熱感覺投票最低、達到了-5(極冷)。說明手插兜的行為調(diào)節(jié)方式能有效改善手部熱感覺，使得腳趾變成了受試者冷感最強烈部位，但這兩個工況對受試者整體熱感覺無顯著性影響(P>0.05)。

圖10 受試者熱感覺投票均值比較

與其他部位相比，手指、腳趾為人體四肢的末梢部位，其內(nèi)含有豐富的痛覺神經(jīng)末梢，使其對于冷刺激所產(chǎn)生的疼痛感更加敏感[20]。同時，其皮膚溫度下降速率最大，會使其較其他部位先達到生理極限閾值和出現(xiàn)不可忍受的痛感，所以冷感最強烈。此時，不同部位熱感覺出現(xiàn)較大差異，整體熱感覺遵循“抱怨模式”，即受試者最冷部位熱感覺主導(dǎo)整體熱感覺[23]。所以其整體熱感覺被冷感最明顯的手指(工況1)、腳趾(工況2)的局部熱感覺所主導(dǎo)。

2.4 男女受試者差異性

圖11、12分別反映了手暴露的工況1、手插兜的工況2下，男性與女性受試者在冷環(huán)境區(qū)持續(xù)停留時間的比較結(jié)果和對應(yīng)關(guān)鍵部位(手指、腳趾)的生理極限閾值的比較結(jié)果。實驗結(jié)果表明，男性與女性的的生理極限閾值均無顯著性差異(P>0.05)；略有區(qū)別的是，男性的冷耐受極限時間均值略大于女性、手指的生理極限閾值均值略低于女性、腳趾的生理閾值均值略高于女性。

圖11 受試者可持續(xù)停留時間比較

圖12 手指、腳趾的生理極限閾值的比較

3 結(jié) 論

1)手暴露工況1與手插兜的工況2下，受試者的平均可持續(xù)停留時間分別為51、67 min；相應(yīng)冷感最強烈、皮膚溫度下降速率最大且溫度最低的部位分別為手指和腳趾。其中，手指、腳趾的平均皮膚溫度下降速率均值分別為0.32、0.21 ℃/min；生理極限閾值均值分別為11 ℃、16 ℃。

2)手插兜的行為調(diào)節(jié)方式對提高手指的熱感覺與皮膚溫度、以及降低手指皮膚溫度下降速率，均具有高度顯著性(P<0.01)。

3)整個實驗過程中，男性與女性的可持續(xù)停留時間、關(guān)鍵部位的生理極限閾值均無顯著性差異(P>0.05)。