儲(chǔ)向陽 于航*焦瑜 王梓

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

早期的國際熱舒適標(biāo)準(zhǔn)[1-2]主要通過預(yù)測平均熱感覺投票——PMV（Predicted Mean Vote）方法預(yù)測熱感覺，該方法基于Fanger在20世紀(jì)70年代提出的熱平衡模型[3]。PMV模型認(rèn)為熱感覺可作為人體活動(dòng)水平，服裝熱阻和四個(gè)經(jīng)典熱環(huán)境參數(shù)（空氣溫度，平均輻射溫度，空氣速度和濕度）的函數(shù)[4]。PMV模型在世界各地的具備暖通空調(diào)系統(tǒng)的氣候室和現(xiàn)場研究中得到了很好的應(yīng)用。近年來，許多現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明，在實(shí)際建筑中，PMV模型預(yù)測的舒適區(qū)相對(duì)較窄，在溫暖氣候區(qū)沒有暖通空調(diào)系統(tǒng)的建筑中，PMV模型預(yù)測的熱感覺比居住者實(shí)際熱感覺更暖[5]。

為了提高傳統(tǒng)熱舒適模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，提出了熱適應(yīng)模型。熱適應(yīng)模型是基于熱舒適現(xiàn)場調(diào)研得到的結(jié)果[6]，模型認(rèn)為人是與環(huán)境進(jìn)行多重反饋活動(dòng)的積極交互者。而PMV模型則將人視為特定熱環(huán)境的被動(dòng)接受者。

Humphreys[7]研究了室內(nèi)舒適溫度與室外月平均溫度之間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)自然通風(fēng)建筑和采暖空調(diào)建筑存在明顯區(qū)別。他將這種差異歸因于各種適應(yīng)性行為產(chǎn)生的微小影響的累計(jì)作用，這些行為可能是生理，心理和社會(huì)文化等等方面的[6]。但忽略了這些適應(yīng)性行為和熱舒適之間的相互作用影響，只使用室外溫度來計(jì)算舒適溫度，這屬于經(jīng)驗(yàn)性的黑箱方法。姚潤明[8]曾提出一種基于黑盒理論的熱適應(yīng)模型，提出用“適應(yīng)系數(shù)”來修正PMV模型預(yù)測結(jié)果。

Brager和de Dear[5]通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述得出三種熱適應(yīng)模式：行為，生理和心理適應(yīng)。進(jìn)一步表示，在相對(duì)溫和的建筑環(huán)境下，相較行為調(diào)節(jié)和熱期望產(chǎn)生的影響，緩慢的生理適應(yīng)過程對(duì)熱適應(yīng)產(chǎn)生的影響非常小。盡管如此，生理適應(yīng)的證據(jù)依然存在，特別是在高溫環(huán)境下，人會(huì)出現(xiàn)排汗增強(qiáng)和各種心血管反應(yīng)。Fanger和Toftum[4]同意Brager和de Dear提出的觀點(diǎn)，即認(rèn)為生理適應(yīng)對(duì)熱適應(yīng)沒有影響。他們指出，較低的熱期望是導(dǎo)致溫暖氣候下非空調(diào)建筑物中PMV預(yù)測熱感覺與實(shí)際熱感之間差異的主要原因。羅茂輝的研究支持了Fanger關(guān)于熱舒適期望的想法[9]，并提出室內(nèi)熱經(jīng)歷和室內(nèi)氣候的變化對(duì)居民的期望和舒適度評(píng)估有很大影響。

1 生理參數(shù)研究的重要性

雖然目前已有很多熱適應(yīng)相關(guān)的研究，但現(xiàn)有研究還是更多地關(guān)注行為和心理熱適應(yīng)，而忽略生理適應(yīng)。生理適應(yīng)被忽略的原因包括：1）最初熱適應(yīng)模型是為自然通風(fēng)建筑物的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)，而自然通風(fēng)建筑室內(nèi)熱環(huán)境與室外氣候密切相關(guān)[10]。2）熱適應(yīng)模型更關(guān)注能夠與熱中性溫度建立函數(shù)關(guān)系的因素[11]。3）沒有充分的關(guān)于生理適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究來揭示生理適應(yīng)對(duì)熱舒適的影響機(jī)理。然而，如果內(nèi)在機(jī)理未被揭示，熱適應(yīng)模型的推廣和發(fā)展將受到限制[12]。

余娟等人指出，只靠人們的主觀描述對(duì)健康進(jìn)行評(píng)估是不夠準(zhǔn)確的，因此需要進(jìn)行生理指標(biāo)的測試來做出更為準(zhǔn)確的判斷[13]。林宇凡等人提出通過建立生理指標(biāo)來評(píng)估熱舒適，完善氣候適應(yīng)模型，進(jìn)一步揭示熱環(huán)境與熱舒適之間的作用機(jī)理[11]。主觀問卷調(diào)查是熱舒適評(píng)價(jià)主要采用的方法之一，然而，主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果很容易受到調(diào)查對(duì)象情緒的影響。而生理參數(shù)測量較為客觀，因此使用生理指標(biāo)來預(yù)測熱舒適可以彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。

本文提出了幾個(gè)與熱舒適相關(guān)的生理參數(shù)，包括新陳代謝率，皮膚溫度，心率變異性（HRV），腦電圖（EEG）和心電圖（ECG）。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了與各生理參數(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，相關(guān)參考文獻(xiàn)如表1所示。

表1 與生理參數(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究

2 有關(guān)生理參數(shù)的熱舒適實(shí)驗(yàn)

2.1 與代謝率相關(guān)的熱舒適實(shí)驗(yàn)

代謝率是PMV方程中的參數(shù)之一，它已被視為熱舒適預(yù)測中的基本和關(guān)鍵指標(biāo)。然而，在大多數(shù)熱舒適相關(guān)的研究中，代謝率被視為恒定值，它僅取決于活動(dòng)水平而與周邊熱環(huán)境無關(guān)，這導(dǎo)致PMV預(yù)測值與實(shí)際熱感之間存在較大差異。

王海英等人[30]通過開展氣候室實(shí)驗(yàn)，收集了受試者在兩種活動(dòng)下的代謝率和皮膚溫度，研究了輕度活動(dòng)水平下人的實(shí)際熱感覺。另有實(shí)驗(yàn)研究表明，代謝率會(huì)隨周圍環(huán)境變化。羅茂輝等人[31]通過氣候室實(shí)驗(yàn)探討了室內(nèi)熱環(huán)境對(duì)居住者代謝率的影響。研究方法包括生理測量和主觀問卷調(diào)查，其結(jié)果表明，人體產(chǎn)熱量受環(huán)境溫度和服裝熱阻的顯著影響。他提出了一個(gè)二階多項(xiàng)式方程來描述代謝率的變化。修正的代謝率方程減少了PMV預(yù)測值與受試者實(shí)際熱感之間的差異，可作為未來熱舒適性研究的參考。

此外，翟永超等人[32]研究了不同活動(dòng)水平下與熱舒適度和室內(nèi)風(fēng)速與代謝率的相關(guān)性。Matsuda-Nakamura等人[33]研究了在稍冷環(huán)境下展開實(shí)驗(yàn)，通過測量皮膚溫度，人體核心溫度和代謝率，研究女性生理周期對(duì)熱感覺、熱舒適和人體體溫調(diào)節(jié)反應(yīng)的影響。翁文國等人[34]研究了高溫對(duì)代謝率和心血管系統(tǒng)的影響，并提出了一種適用于高溫環(huán)境的人體生物熱模型。以上實(shí)驗(yàn)研究均證明了代謝率與熱環(huán)境因素有關(guān)。未來相關(guān)研究在預(yù)測受試者熱感覺和熱舒適時(shí)應(yīng)充分考慮以上問題。

2.2 與皮膚溫度相關(guān)的熱舒適實(shí)驗(yàn)

人體溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)與熱環(huán)境密切相關(guān)，它通過調(diào)節(jié)皮膚溫度來維持熱平衡并保持熱舒適。因此，利用皮膚溫度作為熱感評(píng)估的生理指標(biāo)具有重要意義。Choi[35]在一個(gè)室內(nèi)溫度從20℃變?yōu)?0℃的氣候室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，用于研究數(shù)個(gè)身體部位的皮膚溫度與整體熱感之間的關(guān)系。該研究的結(jié)果表明，相較于皮膚溫度與熱感覺之間的關(guān)系，皮膚溫度變化率與熱感覺的相關(guān)性更高。

此外，杜秀媛等人[14]研究了溫度突變對(duì)人體熱感覺和皮膚溫度的影響。李百戰(zhàn)等人[15]提出了一種簡化的體溫調(diào)節(jié)模型，該模型通過對(duì)溫暖環(huán)境中平均皮膚溫度的準(zhǔn)確預(yù)測得到了驗(yàn)證。景勝藍(lán)等人[16]在實(shí)驗(yàn)中測量了受試者人體不同部位的皮膚溫度，收集了問卷調(diào)查結(jié)果，據(jù)此研究相對(duì)濕度對(duì)熱舒適和皮膚溫度的影響。李百戰(zhàn)等人[17]研究了不同的生理指標(biāo)，用于探究室內(nèi)溫度變化對(duì)人體熱舒適的影響。研究結(jié)果表明室內(nèi)環(huán)境溫度與感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度及感覺神經(jīng)測量段的皮膚溫度密切相關(guān)。劉紅等人[18]研究了瞬態(tài)熱環(huán)境中的人體熱感覺和皮膚溫度。Takada等人[20]通過開展非穩(wěn)態(tài)環(huán)境氣候室實(shí)驗(yàn)，提出了一種基于皮膚溫度及其隨時(shí)間變化率的非穩(wěn)態(tài)熱感覺預(yù)測模型。

與整體熱感覺預(yù)測相比，局部熱感覺的相關(guān)研究較少。然而，在不均勻熱環(huán)境中，身體的局部熱感覺尤為重要。張慧等人針對(duì)非均勻和瞬態(tài)環(huán)境提出了局部和全身熱感覺預(yù)測模型[36-37]。作者測量了代表身體19個(gè)部位的22個(gè)測點(diǎn)的局部皮膚溫度，并通過對(duì)熱感覺投票和皮膚及核心溫度的回歸建立預(yù)測模型。

熊靜[19]對(duì)夏季不同瞬態(tài)環(huán)境下熱感覺與皮膚溫度的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，當(dāng)溫度變化至相同水平時(shí)，溫度突降后的整體和局部實(shí)際熱感覺投票顯著大于溫度突增后的投票，這表明總體和局部熱感覺的不對(duì)稱性。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明整體和局部的熱感和皮膚溫度之間存在顯著的相關(guān)性，而最敏感的部位依次是背部、手臂和腿部。整體熱感覺和皮膚溫度之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.563。另外，頭部，胸部，手臂，手部，腿部和腳部與整體熱感覺的相關(guān)系數(shù)分別為0.546，0.414，0.537，0.546，0.576和0.460。對(duì)于穩(wěn)定的熱環(huán)境，劉蔚巍等人[38]認(rèn)為人體平均皮膚溫度可以作為反映人體熱舒適的有效生理指標(biāo)。

2.3 與心率變異性相關(guān)的熱舒適實(shí)驗(yàn)

心率變異性是反映人體心血管系統(tǒng)功能的生理參數(shù)。通常，心率變異性的功率頻譜可分為低頻率（LF，0.04～0.15Hz），較低頻率（LF，0.04～0.15Hz）和高頻率（HF，0.15～0.4Hz）。劉蔚巍等人[24]在不同空氣溫度下采集了受試者的心電圖，通過對(duì)心率變異性的分析發(fā)現(xiàn)，在不舒適條件下的LF/HF比例明顯高于舒適條件（p＜0.05）。這個(gè)研究表明了交感神經(jīng)活動(dòng)對(duì)受試者的熱舒適性有著很大的負(fù)面影響，而且LF/HF比例可以作為人體熱舒適的一個(gè)重要指標(biāo)。姚曄等人也通過實(shí)驗(yàn)證明了心率變異性與人體熱舒適相關(guān)[39]。

Choi[51]將受試者分別安排在兩個(gè)環(huán)境艙內(nèi)，目的是研究在相同活動(dòng)水平下，溫暖或寒冷的環(huán)境是否對(duì)受試者心率有影響。數(shù)據(jù)表明，在活動(dòng)量均相當(dāng)于2.5個(gè)單位代謝當(dāng)量的條件下，受試者在較為溫暖環(huán)境下的心率顯著高于較為寒冷環(huán)境。根據(jù)現(xiàn)代熱舒適理論，代謝率是影響熱舒適的重要因素。而心率與人體代謝率有很高的關(guān)聯(lián)性，因此可將其稱之為熱舒適預(yù)測的潛在參數(shù)。

除此之外，熊靜等人[21]探究了在溫度突變環(huán)境下，諸多生理參數(shù)，包括血壓，血氧飽和度，心率變異性，皮膚溫度和心電等的變化情況。劉蔚巍等人[24]分析了在不同舒適等級(jí)下的人體HRV，并且討論了人體熱舒適的機(jī)制。分別在21，24，26，28，29和30攝氏度條件下，記錄了受試者5分鐘的心電圖曲線，分析了心率變異性（低頻帶與高頻帶的絕對(duì)權(quán)值比例）。通過對(duì)皮膚溫度和HRV的持續(xù)性測量的方法，蘭麗等人[23]通過開展實(shí)驗(yàn)，研究了個(gè)性化送風(fēng)設(shè)備是否對(duì)熟睡中的人有著負(fù)面影響，探索了心率變異性，皮膚溫度（局部與平均），腦電和心電等對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)和其與熱舒適的關(guān)聯(lián)性。

3 生理參數(shù)之間的個(gè)體差異

3.1 代謝率的個(gè)體差異

實(shí)際上，代謝率不僅與活動(dòng)水平相關(guān)，即使確定了熱環(huán)境因素和服裝熱阻，代謝率也會(huì)因性別，年齡，身體狀況[33]和熱經(jīng)歷等因素的不同產(chǎn)生差異。Arciero[40]進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，研究靜息代謝率的性別差異，結(jié)果表明男性的實(shí)際靜息代謝率比女性高23%（p＜0.01）。為預(yù)測炎熱工作環(huán)境中下不同年齡段男性的靜息代謝率，Ueno[41]使用多變量分析法來預(yù)測不同環(huán)境溫度，體重和體脂率下的代謝率。結(jié)果表明，在老年組中，環(huán)境溫度與靜息代謝率呈顯著正相關(guān)，且體重和體脂率可以提高靜息代謝率預(yù)測的準(zhǔn)確性。Arciero[42]基于人體體重，身高和更年期狀態(tài)的監(jiān)測，提出了用于預(yù)測健康老年男性和女性的靜息代謝率的實(shí)用方程。

3.2 皮膚溫度的個(gè)體差異

為了更好地理解和使用熱感覺和皮膚溫度之間的相關(guān)性，應(yīng)關(guān)注到皮膚溫度在不同性別，年齡和地區(qū)人群中存在的差異。為了研究中國人在熱舒適方面的性別差異，蘭麗[43]在氣候室實(shí)驗(yàn)中測量了皮膚溫度，數(shù)據(jù)分析表明女性更喜歡中性或稍暖的環(huán)境。熊靜等人[44]研究了人類對(duì)溫度突變反應(yīng)的性別差異。結(jié)果表明，面對(duì)溫度突變環(huán)境，男性皮膚溫度的穩(wěn)定時(shí)間短于女性，平均皮膚溫度的變化幅度小于女性。

對(duì)于年齡差異，Sawatari[45]通過在桑拿環(huán)境下展開實(shí)驗(yàn)，觀察青年組（平均年齡22歲）和老年組（平均年齡68歲）的熱應(yīng)激反應(yīng)。結(jié)果顯示，兩個(gè)年齡組的平均皮膚溫度均顯著升高，而在熱環(huán)境下暴露10分鐘后，老年組的平均皮膚溫度升高幅度更大（老年組升高6.8℃，青年組升高6.0℃。p＜0.01）。Takada[46]測量了在常溫和偏熱環(huán)境條件下，兩個(gè)不同年齡段組的熱感覺。結(jié)果表明，在兩種環(huán)境下的前臂和全身熱感感知閾值，以及在常溫下前臂的皮膚冷感感測閾值會(huì)隨著年齡增長而下降。根據(jù)Garcia-Souto的研究[47]，幼兒的體溫調(diào)節(jié)反應(yīng)和熱感覺與成年人不同。該研究調(diào)查了3～24月齡兒童的核心溫度和局部皮膚溫度特征，并將其與成年人進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明兒童的核心溫度高于成年人，而額頭和四肢溫度會(huì)隨著年齡的增長而升高。

3.3 心率變異性的個(gè)體差異

不同個(gè)體之間的心率變異性也不盡相同?；谥饔^問卷調(diào)查和生理參數(shù)測量，研究表明在不同舒適度等級(jí)下女性的LF/HF比例顯著低于男性。在不舒適的溫暖條件下女性的LF/HF比例和變化量大于較為寒冷的條件下，對(duì)于男性這一點(diǎn)正好相反[43]。另外，根據(jù)Anders的研究[48]，心率變異性也與睡眠有關(guān)。在他的實(shí)驗(yàn)中，記錄了18名受試者的心率變異性模式，分析結(jié)果表明睡眠和交感迷走神經(jīng)平衡有很高的相關(guān)性（r=0.53，p＜0.05）。

4 結(jié)果與討論

本文對(duì)熱舒適領(lǐng)域與生理參數(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了綜述，涉及到的生理參數(shù)包括代謝率，皮膚溫度，心率變異性，心電和腦電。主要結(jié)論包括：

1）代謝率是 PMV 方程中的重要參數(shù)，而相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明代謝率受周圍熱環(huán)境的影響。除此之外代謝率會(huì)因個(gè)體性別，年齡和身體狀況的不同而產(chǎn)生差異。未來的熱舒適研究在預(yù)測受試者熱感覺和熱舒適時(shí)應(yīng)考慮此問題。

2）人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)通過調(diào)節(jié)體溫來維持熱平衡，提高熱舒適。許多實(shí)驗(yàn)研究已證實(shí)熱感覺和皮膚溫度之間存在顯著相關(guān)性，因此可將皮膚溫度作為熱感覺預(yù)測的一個(gè)重要生理指標(biāo)。而在使用皮膚溫度作為研究參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮不同性別，年齡或地區(qū)人群之間的個(gè)體差異。

3）除代謝率和皮膚溫度外，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究也證明了心率變異性與人體熱舒適之間存在相關(guān)關(guān)系。且心率變異性也會(huì)因性別，作息時(shí)間和其它因素的不同而存在個(gè)體差異性。

為了揭示熱適應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理和提高熱舒適預(yù)測的準(zhǔn)確性，有必要對(duì)與熱舒適相關(guān)的生理指標(biāo)進(jìn)行研究。代謝率，皮膚溫度和心率變異性在受環(huán)境影響的同時(shí)，也會(huì)對(duì)人體熱舒適產(chǎn)生影響。本文可為后續(xù)的熱舒適實(shí)驗(yàn)研究提供方向，未來的相關(guān)研究應(yīng)在熱舒適與生理參數(shù)之間的相關(guān)性方面有進(jìn)一步的探索。