熱環(huán)境下運動人體熱感覺研究進展

季 泰 ，袁偉琪 ，王 坤 ，季 瀏

熱環(huán)境由環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度及環(huán)境風(fēng)速3個環(huán)境要素共同組成（吳志豐等，2016）。多年來在各類體育比賽中，出現(xiàn)有關(guān)于高溫環(huán)境影響運動員運動表現(xiàn)、甚至對人體健康造成傷害的報道。據(jù)報道，在羽毛球世錦賽和美國網(wǎng)球公開賽中，李宗偉、德約科維奇以及費德勒等頂尖運動員都曾表示環(huán)境溫度過高嚴重影響了他們的運動表現(xiàn)。清華大學(xué)、浙江大學(xué)、蘇州大學(xué)等校園馬拉松比賽中，都曾出現(xiàn)由于高溫導(dǎo)致多名學(xué)生不同程度熱中暑的案例。因此，對熱環(huán)境下運動中的人體進行研究具有重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用價值。

人體熱感覺是人體對于自身熱狀態(tài)的本體感覺，分為非常熱、比較熱、有點熱、不冷不熱、有點冷、比較冷和非常冷共7個等級（Fanger，1967）。有研究表明，熱感覺可有效反映熱環(huán)境下人體的熱應(yīng)激程度（Casa et al.，2007；Toner et al.，1986）。目前在體育學(xué)領(lǐng)域，有關(guān)熱環(huán)境下運動中人體的研究主要關(guān)注生理生化指標的變化和運動表現(xiàn)的改變，對人體熱感覺的研究鮮有涉及。而在人體工效學(xué)領(lǐng)域，盡管有關(guān)熱環(huán)境下人體熱感覺的研究已有半個世紀之久，但多數(shù)研究關(guān)注人體日?；顒訝顟B(tài)下或宇航員在航天狀態(tài)下的熱感覺，鮮有研究關(guān)注熱環(huán)境下運動中人體的熱感覺。然而，研究熱環(huán)境下運動中人體的熱感覺對熱環(huán)境下競技體育賽事組織、群眾體育指南制定、學(xué)校體育運動負荷設(shè)計都有著重要的指導(dǎo)作用。因此，本研究基于國內(nèi)外相關(guān)研究，從熱環(huán)境下運動中人體熱感覺的相關(guān)概念、影響因素、評價方法及預(yù)測模型4個方面進行梳理。

1 概念辨析

目前體育學(xué)領(lǐng)域關(guān)于熱環(huán)境下運動中人體的研究主要包括熱應(yīng)激和熱適應(yīng)2個方面。而熱應(yīng)激、熱適應(yīng)和熱感覺之間有一定差異，但彼此也存在關(guān)聯(lián)（圖1）。

圖1 熱環(huán)境、熱應(yīng)激、熱適應(yīng)、熱感覺之間的關(guān)系Figure 1.The Relationship among Thermal Environment，Heat Stress，HeatAdaption and Thermal Sensation

1.1 熱應(yīng)激

熱應(yīng)激是指人體接觸熱環(huán)境時受環(huán)境致熱因子刺激而產(chǎn)生的機體反應(yīng)，這種機體反應(yīng)表現(xiàn)在生理和心理2個方面（劉鵬等，2014）。生理方面表現(xiàn)為呼吸速率加快、心率加快、腦充血、肺水腫、體內(nèi)氧化代謝增加、水和電解質(zhì)平衡紊亂以及排尿增加等。在運動狀態(tài)下，這些非特異性的生理反應(yīng)會加劇，主要表現(xiàn)在腦部溫度過高、肌肉溫度過高以及脫水3個方面（洪長青等，2004）。而心理方面包括熱感覺、熱舒適以及出汗感等。

1.2 熱適應(yīng)

熱適應(yīng)，也稱熱習(xí)服，即機體在長期反復(fù)的熱作用下，對熱環(huán)境的一系列適應(yīng)性反應(yīng)。表現(xiàn)為機體對熱的反射性調(diào)節(jié)功能逐步完善，各種生理功能達到一個新的水平（吳衛(wèi)兵等，2013）。在運動中，熱習(xí)服是機體在熱刺激的反復(fù)作用下逐步建立的耐受高溫和抵抗熱損傷的保護性生理反應(yīng)，可緩解高溫?zé)岘h(huán)境引起的機體生理緊張，提高機體運動能力，減少訓(xùn)練傷害及過度疲勞的發(fā)生。

1.3 熱感覺

傳統(tǒng)觀念認為，熱感覺是人對周圍環(huán)境是“冷”還是“熱”的主觀描述（胡欽華等，2007）。但實際上，人體不能直接感覺到環(huán)境溫度，只能感覺到位于自己皮膚表面下的神經(jīng)末梢的刺激。因此，周圍熱環(huán)境只是影響人體熱感覺的重要因素，人體熱感覺并非只取決于周圍熱環(huán)境。如在冬天如果穿的衣服足夠多，人體主觀上還是會感到熱，但此時周圍的熱環(huán)境客觀上是冷的。綜上，熱感覺是一種人體具備的對自身熱狀態(tài)的感知覺能力。

2 影響人體熱感覺的因素

影響熱環(huán)境下運動中人體熱感覺的因素較多，主要包括熱環(huán)境、平均輻射溫度、服裝、新陳代謝率、年齡、性別、種族以及心理等。

2.1 熱環(huán)境

熱環(huán)境是影響人體熱感覺的主要因素，其中環(huán)境溫度的影響最大。Indraganti（2009）研究發(fā)現(xiàn)，在自然通風(fēng)、室內(nèi)溫度26.00℃～32.45℃的情況下，室內(nèi)溫度與預(yù)測熱感覺（PMV）以及實際熱感覺（AMV）之間均存在線性相關(guān)，其中，溫度影響占PMV 86.1%的變化，而AMV中42.1%的變化是由溫度造成的。Nicol等（2010）分別研究了歐洲自然通風(fēng)以及熱帶濕熱地區(qū)建筑內(nèi)溫度與熱感覺的關(guān)系并建立了線性回歸方程，盡管不完全相同，但都表明了溫度對熱感覺影響的重要性。此外，Kenshalo（1970）發(fā)現(xiàn)，熱感覺的變化取決于空氣溫度改變（ΔT）的速率，但具體的速率閾值在個體間存在差異。

環(huán)境相對濕度會直接影響皮膚的蒸發(fā)散熱，進而影響人體的熱感覺。關(guān)于濕度對熱感覺的影響目前存在著爭議，有研究在溫度20℃～34℃，相對濕度20%～90%的熱環(huán)境范圍內(nèi)進行了人體熱感覺的實驗研究，結(jié)果表明，在高溫環(huán)境下濕度對人體熱感覺的影響較?。↘ong et al.，2019）。而另有研究則認為，濕度對熱感覺的影響較大，如Luo等（2018）發(fā)現(xiàn)了新陳代謝率的調(diào)節(jié)效應(yīng)，即在新陳代謝率較低時，濕度對人體熱感覺的影響較小，但隨著新陳代謝率的升高，濕度對人體的影響會變大。田元媛等（2003）研究表明，當環(huán)境溫度≥28℃、空氣相對濕度≥70%時，濕度對人體熱感覺有明顯影響。

環(huán)境風(fēng)速會影響人體的對流散熱和皮膚蒸發(fā)散熱，降低皮膚表面濕潤度和皮膚表面溫度，從而對熱感覺產(chǎn)生影響（Du et al.，2019）。風(fēng)速過大會使人體感到冷而風(fēng)速過小又會影響人體降溫（Kabanshi et al.，2016）。Tucker等（2006）研究表明，大強度運動中皮膚表面的風(fēng)速會明顯改變運動員所處的實際熱環(huán)境，從而影響運動中人體的熱感覺。

2.2 平均輻射溫度

平均輻射溫度是指環(huán)境四周表面對人體輻射的平均溫度。輻射包括太陽輻射以及人體與周圍環(huán)境之間通過輻射形式的熱交換（Tucker et al.，2006）。影響人體熱感覺因素的敏感性分析表明，環(huán)境溫度對人體熱感覺的影響最為顯著，其次為平均輻射溫度和風(fēng)速，相對濕度對熱感覺的影響最弱（徐濤等，2010）。周峰等（2018）認為，在嚴寒地區(qū)，影響人體熱感覺的最有效特征變量是空氣溫度、平均輻射溫度和服裝熱阻及其交互作用的影響。Vanos等（2017）研究表明，在戶外跑步情境下對熱感覺影響最大的因素為性別、平均輻射溫度以及環(huán)境溫度。這些研究均表明了平均輻射溫度對人體熱感覺影響的重要性。

2.3 新陳代謝率

新陳代謝率是反映人體運動強度的重要指標。與安靜狀態(tài)相比，運動中人體新陳代謝率會高于平時數(shù)倍，此時人體的新陳代謝率對熱感覺的影響也會大大增強。從生理機制上看，新陳代謝率的增加會觸發(fā)身體的熱應(yīng)激以及體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)進而影響人體的熱感覺，運動中肌肉收縮會產(chǎn)生更多的熱量，從而影響熱感覺，且新陳代謝率越大，肌肉收縮產(chǎn)生的熱量越多，人體感覺越熱。Mora-Rodriguez等（2008）在高溫?zé)岘h(huán)境下比較了運動員在變化的運動強度和固定的運動強度下人體產(chǎn)熱和散熱的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，變化強度的運動中會產(chǎn)生更大的熱負荷和更高等級的熱感覺。此外在新陳代謝率較高時會導(dǎo)致人體心理發(fā)生較大變化，進而影響熱感覺。Luo等（2016）研究表明，新陳代謝率較高時人的心理會發(fā)生變化導(dǎo)致對熱接受能力的增強。

2.4 服裝因素

服裝通過保溫對人體熱感覺產(chǎn)生重要影響。Gagge等（1941）研究了服裝調(diào)節(jié)對皮膚溫度的影響并提出了服裝隔熱指標，Woodcock（1962）在紡織材料的傳濕研究中又提出了服裝透濕指標。這些研究都表明了服裝熱阻和服裝濕阻對人體熱感覺的顯著影響。此外，服裝顏色的差異也會影響人體熱感覺，Nielsen（1990）測量了太陽輻射對戶外自行車運動中身穿黑色和白色衣服的受試者熱負荷的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與白色衣服相比，穿黑色衣服受試者的平均皮膚溫度高了3℃～4℃，每分鐘心率增加了10次，出汗量每小時增加了100 g。Vanos等（2012）也發(fā)現(xiàn)，在顏色暗的表面熱負荷更大，對反射率為0.21～0.57的服裝，熱輻射的平均改變量在115～157 W/m2。

2.5 其他因素

人體AMV還受到地理位置、性別、年齡、氣候適應(yīng)、種族以及對天氣的預(yù)估等因素的共同影響（Hasan et al.，2016；Kim et al.，2015；Mora et al.，2018）。Nikolopoulou等（2006）研究表明，最近的經(jīng)歷和對天氣的預(yù)估可以造成熱感覺的顯著差異。Li等（2016）發(fā)現(xiàn)，戶外活動的熱感覺與環(huán)境溫度以及晴朗指數(shù)顯著相關(guān)，盡管在有些情況下從客觀上而言熱環(huán)境并不舒適。年齡因素可能會對人體熱感覺產(chǎn)生影響，年輕人相比老年人在相同熱環(huán)境下的熱接受程度更高（尹慧等，2016）。性別因素對人體熱感覺也會產(chǎn)生影響，Tanabe等（1987）研究表明，女性的熱中性溫度比男性高1℃，環(huán)境變化對女性熱感覺的影響大于男性。Modera（1993）也發(fā)現(xiàn)，當運動量較大時女性的最佳環(huán)境溫度比男性低1.2℃，而運動量較小時最佳環(huán)境溫度相同。

3 人體熱感覺的評價方法

人體熱感覺的評價方法主要包括熱感覺量表法、皮膚溫度法、新陳代謝率法、心率變異性法、肌電法、腦電波法以及排汗率法等。

3.1 熱感覺量表

熱感覺量表是評價人體熱感覺最直接的方法，在具體的熱感覺等級劃分上有所差異。Fanger（1967）提出的熱舒適模型中最早使用了7級熱感覺調(diào)查量表（表1）。Spagnolo（2003）在Fanger 7級熱感覺量表的基礎(chǔ)上，提出了熱中性概念，即將熱感覺劃分為5個等級更利于數(shù)據(jù)的分析，但前提是受試者能夠精確描述他們的熱感覺（表2）。美國建筑技術(shù)協(xié)會（American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）2009年提出了熱感覺（TSENS）指標，將熱感覺分為11個等級（表3）。

表1 Fanger 7級熱感覺量表Table 1 Fanger’s Grade 7 Thermal Sensation Scale

表2 Spagnolo 5級熱感覺量表Table 2 Spagnolo’s Grade 5 Thermal Sensation Scale

表3 TSENS 11級熱感覺量表Table 3 TSENS Grade 11 Thermal Sensation Scale

3.2 皮膚溫度

Mundel等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，人體熱感覺在很大程度上取決于皮膚溫度。Wang等（2007）發(fā)現(xiàn)，手指皮膚溫度或手指-前臂皮膚溫度差可以用于人體熱感覺的監(jiān)測。劉國丹等（2014）研究表明，人體在沒有顯著性出汗時平均皮膚溫度與熱感覺之間的相關(guān)性很強，但當環(huán)境溫度升高或新陳代謝率增加時人體顯性出汗，二者之間的相關(guān)性減弱。然而，人體各部分的皮膚溫度存在差異，這是由于身體各部分質(zhì)量、體積以及血流量有所不同（Metzmacher et al.，2018；Roelofsen et al.，2016）。此外男女之間的皮膚溫度也存在顯著差異，Wang等（2019）研究表明，由于男性的新陳代謝率比女性高出約11%，因此男性的局部皮膚溫度相對更高。

3.3 人體核心溫度

人體核心溫度定義為人體內(nèi)部胸腔、腹腔和中樞神經(jīng)的溫度，即醫(yī)學(xué)和臨床上所說的體溫。Flouris等（2015）研究表明，相比于皮膚溫度，人體核心溫度能夠解釋的熱感覺變異更高。Nagashima等（2019）認為，人體核心體溫和皮膚溫度對熱感覺影響的解釋幾乎相同，在熱中性之上人體核心溫度每上升1℃，血流就會由于血管擴張增加56 g/（s·m2），最終導(dǎo)致皮膚表面的對流散熱增加從而影響人體的熱感覺，因此，人體核心溫度可以作為有效評價熱感覺的指標之一。

3.4 心率變異性

人體體溫調(diào)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)）的支配，心率變異性（heart rate variability，HRV）是一種用來評價自主神經(jīng)系統(tǒng)活動情況的有效方法，因此也可以用來評價人體的熱感覺狀態(tài)（Shaffer et al.，2017）。Liu等（2008）發(fā)現(xiàn)了心率變異性與熱感覺之間的關(guān)聯(lián)，當人體處于非熱中性狀態(tài)時，低頻波段與高頻波段比值（LF/HF）顯著高于熱中性狀態(tài)。

3.5 新陳代謝率

在熱中性環(huán)境溫度下，人體的新陳代謝率最低；在高溫條件下，人體的呼吸、循環(huán)系統(tǒng)處于較高水平導(dǎo)致新陳代謝率較高；在低溫條件下，人體內(nèi)部產(chǎn)熱也會導(dǎo)致新陳代謝率增加。葉曉江（2005）比較了冷環(huán)境和熱中性環(huán)境下人體的新陳代謝率發(fā)現(xiàn)，在冷環(huán)境下人體的新陳代謝率顯著高于熱中性環(huán)境下的新陳代謝率。

3.6 腦電波

研究表明，熱感覺變化時會影響到腦電波的頻率進而對其功率密度譜造成顯著影響（Oi et al.，2017）。因此，不同類型的腦電波能反映人體的熱感覺狀態(tài)。Yao等（2008）研究發(fā)現(xiàn)，當人體熱感覺為稍涼、中性、稍暖時，α波所占的功率比率顯著高于其他熱感覺；而當人體熱感覺為熱或冷時，β波所占功率比率明顯高于其他熱感覺。

3.7 肌電

人體熱感覺等級較低時會通過加強肌肉活動產(chǎn)熱（如冷顫）以維持熱平衡，此時肌電與熱中性狀態(tài)相比有較大差異（Sin et al.，2016）。這在動物研究中已得到驗證，葉曉江（2005）研究表明：在環(huán)境溫度較低時，大鼠四肢肌和軀干肌的放電活動顯著提高；當環(huán)境溫度為26℃～28℃時，其放電活動下降到最低；當環(huán)境溫度較高時，其放電活動又有所增加，但增幅較小。

3.8 排汗率

研究表明，在熱中性和熱感覺等級較低時，人體排汗率較低；當熱感覺等級較高時，人體通過輻射和對流方式散發(fā)的熱量不足以帶走人體產(chǎn)生的熱量，此時汗腺開始分泌汗液，排汗率增大（李文強，2016）。

4 人體熱感覺預(yù)測模型的發(fā)展

由于人體熱感覺受多種因素的共同影響，因此整合多個因素建立人體熱感覺預(yù)測模型能夠大幅提高人體熱感覺的預(yù)測精確度，有效預(yù)防熱中暑的發(fā)生。對已有的人體熱感覺預(yù)測模型目前國內(nèi)外已經(jīng)提出了幾十種。這些模型大致可以分為4類：1）Fanger模型，關(guān)注人體熱負荷與熱感覺之間的對應(yīng)關(guān)系，是最早的人體熱感覺預(yù)測模型，基于該模型提出了預(yù)測平均熱感覺投票指標PMV；2）兩節(jié)點模型，將人體分為核心層和皮膚層2個節(jié)點，代表模型包括Gagge模型、MEMI模型以及COMFA模型，基于Gagge模型提出了標準有效溫度（SET）指標，基于MEMI模型提出了生理學(xué)等價溫度（PET）指標；3）多層多節(jié)點模型，將人體分為多層、多部分及多個節(jié)點，但劃分形式有所差異，因此也產(chǎn)生了不同的熱感覺模型，包括Stolwijk模型、Wissler模型、KSU模型、Tanabe模型、Berkeley模型以及Fiala模型，基于Fiala模型提出了通用熱氣候指標（UTCI）；4）綜合性模型，通過整合以上各類模型建立新的模型，如在Fanger模型和MEMI模型的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的Rayman模型。這些模型各有利弊，但對中到大強度下運動人體熱感覺的預(yù)測準確性均有待提高。

4.1 Fanger模型

為了建立一個舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，F(xiàn)anger（1967）基于人體熱平衡方程[式（1）]，利用堪薩斯州立大學(xué)對1 396名受試者熱感覺的調(diào)查研究，建立了人體熱感覺預(yù)測模型，提出了PMV評價指標，并得到了熱感覺與熱負荷、新陳代謝率以及人體表面積之間的回歸關(guān)系式[式（2）]。

式中，M為人體新陳代謝產(chǎn)生熱量；W為對外做功；R為輻射散熱；C為對流散熱；ED為體表擴散失熱；Ere為呼吸失熱；Esw為汗液蒸發(fā)失熱；L為人體熱負荷，L＜0表示散熱速率大于產(chǎn)熱速率，L＞0則表示散熱速率小于產(chǎn)熱速率。所有項的單位均為W。

式中，PMV是預(yù)測熱感覺值，A為人體表面積/m2。Fanger模型計算出的PMV值與熱感覺的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

Fanger模型是最早建立的人體熱感覺預(yù)測模型，對之后人體熱感覺模型的相關(guān)研究具有開創(chuàng)性的引導(dǎo)作用，應(yīng)用也最為廣泛。1994年國際標準化組織在Fanger熱感覺模型的基礎(chǔ)上提出了ISO 7730標準。另外，F(xiàn)anger等（2002）還針對不同的國家（或地區(qū)）和氣候區(qū)域提出了一個適用于不同國家（或地區(qū)）的PMV指標，即在原有的PMV指標基礎(chǔ)上分別乘以0.5～1.0的修正系數(shù)。

4.2 Gagge模型

Gagge（1986）提出了“兩節(jié)點模型”，將人體分為核心層和皮膚表面層，并由2個子系統(tǒng)組成，即控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)。核心層和皮膚層的熱平衡方程式分別如式（3）、（4）所示，據(jù)此可以計算出核心層及皮膚層溫度。

式中，Mcr，Msk為單位表面的核心層質(zhì)量和皮膚質(zhì)量/kg；ccr、csk為核心層和皮膚層平均比熱容（/J·kg·℃-1）；Tcr、Tsk為核心層及皮膚層溫度/℃；t為時間/s；M為新陳代謝率（/W·m-2），Msh為寒戰(zhàn)調(diào)節(jié)產(chǎn)熱量（/W·m-2）；W為對外所做的機械功（/W·m-2）；Qre為呼吸熱損失（/W·m-2）；Qdr為與環(huán)境間的顯熱換熱量（/W·m-2）；Qev為與環(huán)境間的潛熱換熱量（/W·m-2）；K為核心層與皮膚間的導(dǎo)熱系數(shù)（/W·m-2·℃-1）；mbl為核心層與皮膚層間的血流量（/m·s-1）；cp，bl為血液比熱容（/J·m-3·℃-1）]。

在利用上述公式求解出核心層及皮膚層溫度后，可計算出SET（Koelblen et al.，2017）。再根據(jù)SET與人體熱感覺之間的對應(yīng)關(guān)系（表4），可以對不同實際熱環(huán)境下人體的熱感覺做出預(yù)測（De Freitas et al.，2015）。

表4 SET評價尺度表Table 4 SET Evaluation Scale

4.3 MEMI模型

Hoppe在1984年提出的慕尼黑人體熱量平衡模型（MEMI）也是根據(jù)人體兩節(jié)點劃分法發(fā)展而來的，被應(yīng)用于建筑環(huán)境領(lǐng)域（Katavoutas et al.，2015）。MEMI模型的原理是在人體熱平衡方程的基礎(chǔ)上[（式5）]，加上另外2個傳熱方程，即：從人體核心向皮膚的傳熱方程[（式6）]以及從皮膚表面向服裝表面的傳熱方程[（式7）]，聯(lián)立上述3個方程可求解出服裝表面溫度、皮膚表面溫度以及人體核心溫度這3個決定人體熱感覺的關(guān)鍵指標，繼而預(yù)測人體的熱感覺（Krüger et al.，2017）。

式中，F(xiàn)cs為身體核心流向皮膚的熱量，vb為從身體核心流向皮膚的血流量/（l·s-1·m-2）]，ρb是血液的密度/（kg·l-1），cb是血液的比熱容/（J·K-1·kg-1），Tc為人體核心溫度/℃，Tsk為人體皮膚表面溫度/℃。

式中，F(xiàn)sc為皮膚表面流向服裝表面的熱量，Icl是服裝熱阻/（km2·W-1），Tsk為人體皮膚表面溫度/℃，Tcl為服裝表面溫度/℃。

基于MEMI模型，Hoppe進而提出了生理學(xué)等效溫度（PET）指標。其很好地將不同的實際熱環(huán)境轉(zhuǎn)化為標準環(huán)境并預(yù)測人體熱感覺（Chen et al.，2018）。PET具體的評價標準如表5所示。

表5 PET評價尺度表（Chen et al.，2018）Table 5 PET Evaluation Scale（Chen et al.，2018）

4.4 COMFA模型

Brown等（1986）在前人的基礎(chǔ)上，同時基于熱舒適滿足的4點標準，即：舒適的人體核心溫度、舒適的人體皮膚溫度、舒適的出汗率以及接近于0的熱負荷，建立了COMFA熱感覺模型。COMFA模型和MEMI模型的不同之處在于，對不同年齡、不同性別個體的新陳代謝率及出汗率的計算存在差異；此外，在身體表面積、人體核心區(qū)域到皮膚的血流密度，血液密度以及血液的熱容上也有顯著不同，這些參數(shù)的不同引起了人體核心區(qū)域到皮膚表面熱量流動計算上的差異。并且在59種不同溫度、輻射和風(fēng)速的戶外自然條件下研究了模型計算值/（W·m-2）與實測熱感覺之間的相關(guān)性，結(jié)果表明兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.91。戶外熱環(huán)境下運動中人體熱平衡方程：

式中，B為熱負荷，M為傳導(dǎo)到身體表面的新陳代謝產(chǎn)熱量，RRT為人體受短波和長波輻射吸收熱量（如太陽輻射），C為對流散熱量，E為蒸發(fā)散熱量，L為人體長波輻射散熱量。

通過上述每一項的計算，并將計算值帶入戶外環(huán)境下運動中的人體熱平衡方程，可計算出熱負荷值B（Bud-get）?；?COMFA 模型，Harlan等（2006）發(fā)明了 7點PMV量表，找出了模型計算值與PMV之間的對應(yīng)關(guān)系（表6）。Kenny評估了COMFA模型在戶外高強度體力活動中熱舒適的適用性，27名受試者在室外環(huán)境中進行了30 min的中等強度運動（步行、跑步和騎自行車）。將COMFA模型的PMV與受試者AMV進行比較，發(fā)現(xiàn)模型隨著運動強度的增加誤差逐漸變大（Kenny et al.，2009）。

表6 COMFA模型計算值與熱感覺的對應(yīng)關(guān)系（Harlan，2006）Table 6 Correspondence between Calculated Values of COMFA Model and Thermal Sensation（Harlan，2006）

4.5 多層多節(jié)點模型

多層多節(jié)點模型（multi-layered multi-node model）由Stolwijk提出，其對人體采取網(wǎng)格式劃分方法，將人體由內(nèi)向外橫向分成不同的4個層次，分別是核心層、肌肉層、脂肪層以及皮膚層，同時由上到下縱向劃分成6個不同部分，分別為頭、軀干、胳膊、手、腿和足，從而對人體進行逐層、逐部分的細化分析。有學(xué)者認為這種劃分方式較單節(jié)點和兩節(jié)點更好（Psikuta et al.，2017；Xie et al.，2018）。

Fiala模型是在Stolwijk模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種應(yīng)用較為廣泛的多節(jié)點熱感覺模型。該模型由2個相互作用的系統(tǒng)組成：被動系統(tǒng)部分模擬了人體內(nèi)的熱交換以及身體表面與周圍環(huán)境間的熱交換；主動系統(tǒng)通過血管收縮、血管舒張、寒戰(zhàn)以及出汗4種方式模擬了復(fù)雜的人體生理現(xiàn)象。國際生物氣象學(xué)會從2000年開始以Fiala模型為基礎(chǔ)，提出了通用熱氣候指數(shù)（UTCI）（Kruger et al.，2017），UTCI與熱感覺之間的對應(yīng)關(guān)系如表7所示。

表7 UTCI評價尺度表（Kruger et al.，2017）Table 7 UTCI Evaluation Scale（Kruger et al.，2017）

4.6 Rayman模型

Rayman模型近年來受到了較多關(guān)注（Froehlich et al.，2019），Matzarakis等（2007）綜合了Fanger模型和MEMI模型，建立了Rayman模型，通過PMV和PET 2個熱感覺預(yù)測指標共同反映人體的熱狀態(tài)。Lin等（2010）發(fā)現(xiàn)，Rayman模型可以精確預(yù)測每小時的PET及平均輻射溫度。Pezzoli等（2012）為了預(yù)防世界公路自行車賽比賽地點的氣候條件對運動員可能產(chǎn)生的不利影響，利用Rayman模型對自行車運動員的實地?zé)岣杏X進行了詳細分析，并憑借對整個運動過程中PMV和PET指標的分析，發(fā)現(xiàn)了運動中不同階段自行車運動員熱感覺和相關(guān)生理指標的變化規(guī)律。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

熱感覺是一種人體具備的對自身熱狀態(tài)的感知覺能力。影響運動中人體熱感覺的因素包括熱環(huán)境、新陳代謝率、服裝、年齡、種族、性別和心理等。雖然人體核心溫度、皮膚溫度、新陳代謝率、心率、腦電波、肌電以及排汗率等生理指標能間接評價人體熱感覺，但熱感覺主觀評價量表最為直觀和易于獲得。人體熱感覺預(yù)測模型種類繁多，但模型的原理均是基于人體熱量平衡，其中Fanger模型應(yīng)用最為廣泛，已有模型主要適用于低強度運動中人體熱感覺的預(yù)測，在中高強度運動中的預(yù)測準確性較差。

5.2 展望

未來應(yīng)該更加關(guān)注高溫和寒冷等極端熱環(huán)境條件下運動中人體熱感覺的研究，并在實踐中應(yīng)用以預(yù)防運動中熱中暑的發(fā)生。在競技體育中，可以利用熱感覺模型根據(jù)比賽當天的熱環(huán)境條件和具體的運動項目有效預(yù)測比賽中運動員的熱感覺，對體育館內(nèi)的比賽預(yù)先對場館的溫度、濕度進行調(diào)節(jié)，對戶外比賽根據(jù)熱感覺等級選擇比賽時間。在日常鍛煉以及學(xué)校體育活動中，可以根據(jù)具體的熱環(huán)境條件給出科學(xué)的鍛煉指導(dǎo)，如不同熱環(huán)境下進行多大強度的運動最為適宜。