冬季溫度漂移下心率變異性對(duì)人體熱舒適的影響

馬曉慧, 童力*, 李金超, 胡松濤, 張忠林, 許哲文, 馮海濤

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院, 青島 266033; 2.青島國(guó)際機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司, 青島 266033)

研究證明,室內(nèi)環(huán)境熱舒適對(duì)人的心理和生理方面有很重要的影響,營(yíng)造一個(gè)舒適的室內(nèi)環(huán)境十分必要。長(zhǎng)期處于穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境,缺乏適當(dāng)?shù)睦錈岽碳?人對(duì)熱環(huán)境的熱適應(yīng)性會(huì)被減弱[1],進(jìn)而導(dǎo)致一些心理及生理的不適反應(yīng)。并且追求高舒適性就會(huì)帶來建筑能耗的增加[2],并不利于社會(huì)資源的節(jié)約。因此,環(huán)境參數(shù)有變化的動(dòng)態(tài)熱環(huán)境也許更能滿足人對(duì)室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性要求,有益于人體健康。

動(dòng)態(tài)熱環(huán)境通常指非采暖空調(diào)環(huán)境、溫度突變環(huán)境以及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下的人工環(huán)境[3]。溫度漂移熱環(huán)境屬于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下人工環(huán)境的一種。溫度漂移指的是被動(dòng)的、不受控制的溫度變化[4-5],比如自然通風(fēng)或者室內(nèi)空調(diào)關(guān)閉導(dǎo)致的溫度變化。Ivanova等[6]通過進(jìn)行溫度漸變實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)適度的溫度坡度可以在不影響人體熱舒適的前提下,改善人的體溫調(diào)節(jié)功能;黃志超[7]研究發(fā)現(xiàn)合適的溫度變化范圍與速率,可以提高工作人員的工作效率;Zhang等[8]認(rèn)為,溫度漂移可以刺激人體調(diào)節(jié)系統(tǒng),增加葡萄糖代謝和改善心血管功能。由此可見,利用溫度漂移對(duì)人體產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拇碳?可以提高人體的適應(yīng)性,進(jìn)而維持人體健康。

環(huán)境參數(shù)的變化除了會(huì)給人們主觀感受帶來變化,也會(huì)帶來生理刺激,影響人的生理指標(biāo)。眾所周知,人體收到冷熱刺激時(shí),自主神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)控制皮膚表層血管的舒張與收縮[9],血流量隨之變化,進(jìn)而影響人體的體溫調(diào)節(jié)運(yùn)行。由此,人體的核心溫度會(huì)隨之產(chǎn)生微小的改變。周圍環(huán)境與人體之間的熱交換也會(huì)使人體皮膚溫度隨著環(huán)境參數(shù)的變化而變化。所以,皮膚溫度和人體核心溫度經(jīng)常會(huì)被選擇為研究人工環(huán)境熱舒適的重要生理指標(biāo)之一[10]。

心率變異性(heart rate variability, HRV)是指竇性心律在一定時(shí)間內(nèi)周期性改變的現(xiàn)象,是反應(yīng)自主神經(jīng)功能的重要指標(biāo)[11]。人體神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)溫度變化十分敏感[12-13],所以環(huán)境溫度的變化會(huì)影響心血管系統(tǒng)的運(yùn)作[14]。如冷空氣來襲時(shí),高血壓、心率不齊等疾病的發(fā)病率會(huì)顯著升高。近年來,部分研究證實(shí)人體熱舒適與心率變異性之間存在緊密聯(lián)系[15]。如Zhu等[16]通過對(duì)不同溫度、濕度、風(fēng)速下的人體心率變異性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的變化最容易引起交感神經(jīng)的興奮,從而引起熱不適感。Mamlouk等[17]對(duì)不同訓(xùn)練水平下健康受試者的心率變異性進(jìn)行了差異化研究,發(fā)現(xiàn)短期HRV分析可以反映受試者的生理和心理狀態(tài)。Nkurikiyeyezu等[18]發(fā)現(xiàn)在不舒適熱環(huán)境中,溫度變化對(duì)心臟功能的影響可以間接從心率變異性上表征出來。尹慧[19]對(duì)夏季溫度突變實(shí)驗(yàn)中的人體心電信號(hào)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)男性的心率變異性的低頻功率和高頻功率的比值 LF/HF 均高于女性。同時(shí),人體的自主性體溫調(diào)節(jié)受自主神經(jīng)系統(tǒng)的支配[20],而自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)異常會(huì)影響心臟傳導(dǎo)以及內(nèi)分泌系統(tǒng)的運(yùn)作[21]。所以人體收到冷熱刺激時(shí),體溫調(diào)節(jié)的運(yùn)作往往會(huì)伴隨著心臟活動(dòng)的變化。因此,也將選取心率變異性作為探究冬季溫度漂移熱環(huán)境的生理指標(biāo)之一。

現(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際空調(diào)供暖環(huán)境中因空調(diào)短暫關(guān)閉而產(chǎn)生的溫度漂移現(xiàn)象,比較冬季溫度漂移前后受試者的主觀熱評(píng)價(jià)的變化,并且結(jié)合心率變異性這一生理指標(biāo),從心理及生理兩方面證實(shí)合理的溫度漂移對(duì)冬季室內(nèi)熱舒適性研究的必要性。同時(shí),重點(diǎn)探究存在溫度漂移的動(dòng)態(tài)熱環(huán)境下主觀熱投票、皮膚溫度和HRV之間的相關(guān)關(guān)系。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 研究對(duì)象

實(shí)驗(yàn)共計(jì)招募志愿者16名,年齡在21～25歲,均體型適中,身體健康,無相關(guān)疾病史。在實(shí)驗(yàn)開始前3 d,受試者需要保證充足的睡眠時(shí)間和健康飲食。實(shí)驗(yàn)前24 h,受試者需保證無飲酒抽煙行為,且未飲用咖啡、茶等功能性飲料。受試者在實(shí)驗(yàn)開始前12 h受試者不允許有劇烈運(yùn)動(dòng)、觀看恐怖片等影響情緒劇烈波動(dòng)的行為。經(jīng)學(xué)校倫理委員會(huì)同意后,在實(shí)驗(yàn)開始前向受試者講述了將面臨的挑戰(zhàn),并簽署了實(shí)驗(yàn)知情同意書。受試者在實(shí)驗(yàn)過程中穿著統(tǒng)一為典型冬季服裝(服裝熱阻約1.3 clo)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置在中國(guó)青島的一個(gè)氣候室中進(jìn)行,氣候室裝有溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng),可控制室內(nèi)溫濕度和風(fēng)速,如圖1所示。實(shí)際生活中,由于室內(nèi)外溫差的存在,當(dāng)冬季的制熱空調(diào)關(guān)閉后,室內(nèi)熱環(huán)境會(huì)產(chǎn)生溫度逐漸降低的溫度漂移變化。本實(shí)驗(yàn)的目的是通過人工控制來模擬實(shí)際生活中的溫度漂移,并基于主觀熱投票、心率變異性等指標(biāo),探究溫度漂移熱環(huán)境下的人體熱反應(yīng)。由于18 ℃為冬季供暖環(huán)境溫度的下限值,24 ℃為冬季供暖環(huán)境的舒適中性溫度,所以溫度漂移前的初始溫度選擇為18 ℃或者24 ℃。

合理控制溫度漂移階段的時(shí)長(zhǎng),可以在不突破人體熱舒適下限的基礎(chǔ)上,節(jié)約冬季的空調(diào)能耗。因此,小室空調(diào)關(guān)停時(shí)長(zhǎng)選定0.5 h。等候室與實(shí)驗(yàn)小室處于為無供暖的房間內(nèi),等候室溫度控制在12 ℃。由于實(shí)驗(yàn)小室的密閉性較好,圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失較小,將實(shí)驗(yàn)小室的門打開來輔助模擬冬季實(shí)際建筑的空調(diào)關(guān)停之后產(chǎn)生的溫度漂移(自然降溫)階段。最后開啟空調(diào),升溫回到初始溫度。

圖1 實(shí)驗(yàn)小室示意圖Fig.1 Diagram of experiment chamber

實(shí)驗(yàn)全程的溫濕度數(shù)據(jù)由溫濕度自記儀(WSZY-1 北京天建華儀)監(jiān)測(cè),將儀器放置在受試者附近垂直高度0.8 m和1.2 m處[5]。使用熱線風(fēng)速儀(Model 6004, Japan)測(cè)量空氣流速。實(shí)驗(yàn)期間,室內(nèi)相對(duì)濕度控制在50%～60%范圍內(nèi)浮動(dòng),空氣流速<0.1 m/s。

1.3 熱投票與生理參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程受試者需填寫主觀熱舒適問卷,問卷內(nèi)容包括有熱舒適(thermal comfort vote, TCV)、熱感覺(thermal sensation vote, TSV)、熱偏好(thermal preference vote, TPV)的主觀評(píng)分。評(píng)價(jià)標(biāo)尺主要參照ASHRAE Standard 55—2020[5],評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)均采用七級(jí)標(biāo)尺,如表1所示。

受試者皮膚溫度的測(cè)量使用的是一種紐扣型皮膚溫度儲(chǔ)存器(iButton DS1923, USA)。使用無紡布貼將其分別固定在受試者的額頭、前胸(偏左)、后背(偏左)、腹部(偏左)、右大臂、左前臂、右大腿、右小腿、右手背、右腳踝。同時(shí)受試者佩戴監(jiān)測(cè)心率及心率變異性的腕表(Polar UNITE, Finland)和胸帶(Polar OH1, Finland)。

表1 熱投票評(píng)分詳情表Table 1 Table of thermal evaluation scale

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)時(shí)間選定為冬季12月中旬—1月初進(jìn)行,選定每日最高氣溫與最低氣溫的溫差在4～8 ℃范圍的日期進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以此避免室外氣溫不同對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。每?jī)蓚€(gè)受試者組成一組,共8組。每組受試者的18 ℃降溫工況與24 ℃降溫工況實(shí)驗(yàn)至少間隔一天進(jìn)行,以避免前一工況給后一工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。受試者在實(shí)驗(yàn)開始前首先在等候室(2 m×3 m×2.6 m)進(jìn)行皮膚溫度測(cè)點(diǎn)的固定和Polar腕表、Polar胸帶的佩戴,準(zhǔn)備好后進(jìn)入空調(diào)開啟并設(shè)置好穩(wěn)定溫度(18 ℃或24 ℃)的小室(4 m×3 m×2.6 m)。

受試者在實(shí)驗(yàn)期間保持靜坐(代謝率約1 met),在進(jìn)入小室之后的第30 min,進(jìn)行問卷的填寫;然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)的第二階段,關(guān)停空調(diào),打開小室門輔助模擬溫度漂移(自然降溫),在第35、45、60 min進(jìn)行主觀問卷的填寫;隨后關(guān)閉小室門開啟空調(diào),快速升溫到初始穩(wěn)定溫度,溫度穩(wěn)定5 min后進(jìn)行最后一次主觀問卷的填寫。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Experimental process diagram

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

將實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Kubios軟件進(jìn)行頻域分析,計(jì)算R-R區(qū)間序列的功率譜密度(power spectrum density, PSD)估計(jì)值,軟件對(duì)功率譜密度計(jì)算采用快速傅里葉變換算法(fast fourier transform,FFT),得到心率變異性的低頻功率和高頻功率的比值(LF/HF),利用箱線圖查看由于指標(biāo)采集不當(dāng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常值。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)的正態(tài)性檢驗(yàn)采取夏皮洛-威爾克檢驗(yàn)法,樣本間顯著差異性分析采用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)或Nemenyi檢驗(yàn)。使用Pearson相關(guān)系數(shù)法或者Spearman軼相關(guān)法來分析主觀評(píng)價(jià)和生理參數(shù)的相關(guān)性,所有顯著性檢驗(yàn)均基于雙尾檢驗(yàn),顯著性水平設(shè)定為0.05(P<0.05)。

3 研究結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過程中空氣溫度的變化

實(shí)驗(yàn)過程中小室的溫度變化如圖3所示,18 ℃降溫工況實(shí)驗(yàn)的初始穩(wěn)定溫度控制在(18.55±0.21) ℃,升溫后回到的穩(wěn)定溫度控制在(18.41±0.27) ℃,24 ℃降溫工況實(shí)驗(yàn)的初始穩(wěn)定溫度控制在(24.44±0.24) ℃,升溫后回到的穩(wěn)定溫度控制在(24.15±0.25) ℃。經(jīng)歷溫度漂移前后的穩(wěn)定溫度大致相近。

3.2 主觀熱投票結(jié)果分析

如圖4(a)所示,18 ℃降溫工況下,受試者經(jīng)歷過一個(gè)溫度漂移之后,回到相同環(huán)境溫度中,受試者的TCV、TSV數(shù)值有所上升。這說明冬季制熱空調(diào)短時(shí)間的關(guān)停可以促使受試者對(duì)相同熱環(huán)境的滿意度更高,降低了對(duì)冬季室內(nèi)熱環(huán)境的溫度設(shè)置需求。

同樣,18 ℃降溫工況下,受試者經(jīng)歷過自然降溫后的TPV會(huì)有所下降,接近于0(環(huán)境溫度不變)的程度更大。這說明經(jīng)歷室內(nèi)溫度漂移后,受試者對(duì)同一熱環(huán)境的認(rèn)可程度和接受程度更高。冬季室內(nèi)環(huán)境中,適當(dāng)?shù)臏囟绕谱屖茉囌吒苓m應(yīng)熱環(huán)境,對(duì)環(huán)境溫度的接受范圍更寬泛。

而在舒適中性溫度24 ℃工況下,訓(xùn)練前后受試者的各項(xiàng)熱投票的升高微乎其微。對(duì)兩個(gè)工況中降溫前后的各項(xiàng)熱投票結(jié)果進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)18 ℃降溫工況的兩組樣本差異顯著(P<0.05),而24 ℃差異不顯著。這說明比起中性舒適環(huán)境,冬季偏冷環(huán)境中溫度漂移對(duì)人體熱舒適的影響更明顯。

圖4 不同工況的熱評(píng)價(jià)變化圖Fig.4 Thermal evaluation variation diagram for different working conditions

將各工況降溫階段中不同時(shí)間點(diǎn)TSV和TCV的變化與實(shí)驗(yàn)過程中小室溫度的變化進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度降低的速率會(huì)影響受試者熱感覺投票和熱舒適投票的變化程度[22]。環(huán)境溫度降低速率越大,人體的冷感覺和不適感越強(qiáng)烈,TSV和TCV降低程度越大。

3.3 心率變異性結(jié)果與分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中各階段30 min內(nèi)相應(yīng)心電信號(hào)的RR間期進(jìn)行頻域分析后,得到各階段的LF/HF。LF/HF可以表示受試者自主神經(jīng)系統(tǒng)中交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)調(diào)控的均衡情況[16]。從圖5可以看到,進(jìn)入兩個(gè)實(shí)驗(yàn)工況的降溫階段時(shí),受試者的LF/HF數(shù)值比處于穩(wěn)定溫度階段時(shí)明顯升高,這說明溫度漂移造成的冷刺激會(huì)促使受試者的交感神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng),降溫帶來的生理刺激使受試者在此時(shí)的心理狀態(tài)比較緊張。24 ℃工況下,對(duì)比初始穩(wěn)定階段時(shí),降溫階段時(shí)受試者的LF/HF提高了63.6%,而18 ℃降溫工況僅提高了30.4%。由此可見,LF/HF在降溫階段的升高幅度與降溫的溫差大小也有關(guān)。

而在受試者進(jìn)入升溫階段后,回到初始溫度時(shí)受試者的LF/HF又有一個(gè)下降,此時(shí)副交感神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng),交感神經(jīng)活性減弱。進(jìn)一步說明人體心電信號(hào)的改變收到環(huán)境溫度顯著的影響。

并且,相比較溫度漂移前受試者處于初始溫度時(shí)的LF/HF,升溫回到相同溫度熱環(huán)境下,受試者的LF/HF有所下降,這也說明經(jīng)歷過短暫溫度漂移,受試者在相同熱環(huán)境下更加放松舒適,這也同步佐證了前文對(duì)受試者主觀熱投票分析的結(jié)果。

**表示在0．01級(jí)別(雙尾),相關(guān)性顯著圖5 實(shí)驗(yàn)過程中心率變異性(LF/HF)變化圖Fig.5 Variation of heart rate variability (LF/HF) in the experiment

3.4 主觀熱評(píng)價(jià)投票與HRV相關(guān)性分析

對(duì)每次填寫問卷前5 min內(nèi)的心電信號(hào)的RR間期進(jìn)行頻域分析后,得到每次主觀熱評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)的LF/HF。通過SPSS軟件對(duì)受試者TCV、TSV、TPV與心率變異性LF/HF進(jìn)行相關(guān)性分析,如表2所示。結(jié)果顯示,主觀熱投票與心率變異性之間存在顯著相關(guān)關(guān)系,尤其是LF/HF與TSV之間相關(guān)系數(shù)比較高。

繪制實(shí)驗(yàn)中受試者的TSV與LF/HF的關(guān)系圖,如圖6所示。由于本實(shí)驗(yàn)是冬季降溫實(shí)驗(yàn),小室溫度跨度在15.5～24.5 ℃,受試者的熱感覺投票不會(huì)存在“熱”的選項(xiàng),故簡(jiǎn)化受試者的投票值標(biāo)尺,簡(jiǎn)化標(biāo)尺如圖6中注釋所示。

表2 相關(guān)性分析表Table 2 Correlation analysis table

在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi),隨著TSV的增加,受試者LF/HF逐漸降低,逐漸接近于1。這說明在冬季室內(nèi)環(huán)境中,受試者熱感覺為暖時(shí),其交感神經(jīng)興奮性會(huì)降低,副交感神經(jīng)占主導(dǎo)地位,受試者感覺到放松。因此認(rèn)為,在溫度漂移實(shí)驗(yàn)中,心率變異性可以作為表征受試者熱感覺的重要生理指標(biāo)。

3.5 平均皮膚溫度結(jié)果與分析

不同身體部位的相對(duì)表面積決定了相應(yīng)部位的權(quán)重系數(shù)。平均皮膚溫度(mean skin temperature, MST)的采集使用十點(diǎn)法,計(jì)算公式[23]為

MST=0.07T右腳踝+0.13T右小腿+0.19T右大腿+

0.12T左腹部+0.12T左前胸+0.12T左后背+

0.06T左前臂+0.08T右上臂+0.05T右手背+

0.06T額頭

(1)

如圖7所示,實(shí)驗(yàn)過程中受試者的平均皮膚溫度隨著環(huán)境溫度的變化而變化?？梢钥吹浇禍亟Y(jié)束后剛進(jìn)入升溫階段時(shí),受試者的MST并沒有立即上升。所以,受試者皮膚溫度對(duì)升溫反應(yīng)并不是很敏感迅速。并且升溫回到初始環(huán)境溫度時(shí),受試者的平均皮膚溫度并沒有回升到初始值。由此可見經(jīng)歷過溫度漂移后,受試者的皮溫變化存在滯后。

圖7 平均皮膚溫度變化圖Fig.7 Diagram of mean skin temperature variation

3.6 皮膚溫度與HRV相關(guān)性分析

研究顯示,體溫變化與HRV之間存在一定聯(lián)系[24]。所以,LF/HF的變化趨勢(shì)可反映不同環(huán)境溫度下人體的自主性體溫調(diào)節(jié)活動(dòng)。

由于實(shí)驗(yàn)過程中受試者的手部和頭部均暴露在環(huán)境中,對(duì)環(huán)境溫度變化比較敏感。所以選取受試者的額頭溫度、手背溫度以及平均皮膚溫度與心率變異性指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。如表3所示,結(jié)果顯示,三者與LF/HF均顯著相關(guān),尤其MST與LF/HF的相關(guān)系數(shù)最高。

如圖8所示,冬季偏冷溫度以及中性溫度環(huán)境中,在LF/HF處于0.7～1.2范圍時(shí),人體平均皮膚溫度在33～34.5 ℃的占比最多;在LF/HF較高范圍內(nèi),低值MST所占百分比較多。由此可見,LF/HF的增大往往伴隨著MST的降低,交感神經(jīng)活動(dòng)和迷走神經(jīng)的平衡程度在某種程度上可以從皮膚溫度的變化中呈現(xiàn)出來。

表3 相關(guān)性分析表Table 3 Correlation analysis table

圖8 不同LF/HF范圍內(nèi)的平均皮膚溫度比例圖Fig.8 Diagram of the average skin temperature ratio in different LF/HF ranges

4 結(jié)論

結(jié)合人體主觀熱評(píng)價(jià)與熱舒適相關(guān)的生理指標(biāo),探究了存在溫度漂移的冬季熱環(huán)境下的人體熱反應(yīng)。通過對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,得到表征心率變異性的LF/HF指標(biāo),進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了溫度漂移熱環(huán)境中心率變異性與主觀熱評(píng)價(jià)、皮膚溫度的相關(guān)關(guān)系,得到如下結(jié)論。

(1)冬季室內(nèi)熱環(huán)境中,利用適當(dāng)?shù)臏囟绕瓶梢蕴岣呷梭w對(duì)相同環(huán)境溫度的接受度和滿意度,并且改善人體交感神經(jīng)活動(dòng)與副交感神經(jīng)活動(dòng)的均衡性。

(2)人體在受到冷刺激時(shí),心率變異性指標(biāo)LF/HF會(huì)因此升高,交感神經(jīng)活動(dòng)興奮。

(3)存在溫度漂移的冬季熱環(huán)境中,心率變異性指標(biāo)LF/HF與人體熱感覺呈現(xiàn)顯著正相關(guān),其可以作為表征冬季室內(nèi)環(huán)境下動(dòng)態(tài)熱舒適的重要生理指標(biāo)之一。

(4)在冬季偏冷及中性環(huán)境中,心率變異性與皮膚溫度的變化呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān),人體心臟活動(dòng)與體溫調(diào)節(jié)存在一定聯(lián)系。