宋 聰 康佳敏 王登甲△ 劉艷峰
(1.綠色建筑全國重點(diǎn)實(shí)驗室,西安;2.西安建筑科技大學(xué),西安)
在“一帶一路”建設(shè)和西部大開發(fā)政策引領(lǐng)下,近年來,商旅科考、援藏建藏人員數(shù)量爆發(fā)式增長,主要流向以拉薩為主的西藏高原城鎮(zhèn)地區(qū)[1]。外來人員已成為西藏城市人口組成的重要部分。然而,青藏高原平均海拔達(dá)4 000 m,大氣壓僅為海平面的60%[2],常年高寒、缺氧、低濕等特殊環(huán)境對進(jìn)藏人員的熱舒適構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此,為進(jìn)藏人員營造舒適的室內(nèi)熱環(huán)境是完善高原宜居環(huán)境建設(shè)的重要內(nèi)容。
當(dāng)人體從平原地區(qū)進(jìn)入高原地區(qū)后,皮膚表面對流散熱減少,蒸發(fā)散熱增強(qiáng),新陳代謝加快,人體對熱環(huán)境的敏感度降低。胡松濤等人通過氣候室模擬低壓環(huán)境,探討了無癥狀反應(yīng)域(海拔低于3 000 m)人體生理參數(shù)與主觀熱感覺隨空氣壓力變化的規(guī)律[3]。Hu等人研究了極冷環(huán)境不同壓力下人體生理反應(yīng)、整體和局部熱感覺的變化規(guī)律[4]。此類低壓環(huán)境艙實(shí)驗研究拓展了關(guān)于氣壓對人體熱舒適影響的認(rèn)知,為開展進(jìn)藏人員熱舒適研究奠定了基礎(chǔ)。但是這些研究多集中于短時的氣候室低壓環(huán)境暴露,難以體現(xiàn)進(jìn)藏人員對高原低溫低氧環(huán)境的長期適應(yīng)過程。
在高原特殊氣候環(huán)境的持續(xù)暴露下,人體熱舒適需求存在適應(yīng)性特征。Gautam等人對尼泊爾傳統(tǒng)建筑居民冬季熱舒適的現(xiàn)場調(diào)查表明,其平均舒適溫度為13.8 ℃[5]。閆海燕等人的研究表明,由于生活水平限制與生活習(xí)慣所致,拉薩住宅冬季室內(nèi)供暖措施較少,居民大多依靠增減服裝調(diào)節(jié)熱舒適度[6]。Yu等人基于現(xiàn)場研究明確了適應(yīng)性舒適模型應(yīng)用于西藏地區(qū)的自適應(yīng)系數(shù)為0.34[7]。上述現(xiàn)場研究主要關(guān)注對高原低壓低氧等特殊環(huán)境形成遺傳性適應(yīng)的世居者,進(jìn)藏人員的熱適應(yīng)特征尚不明晰。
人體熱適應(yīng)與其過往熱經(jīng)歷密不可分。Gautam等人研究了尼泊爾亞熱帶氣候中的當(dāng)?shù)厝撕鸵泼竦臒崾孢m,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鼐用竦臒峥山邮芏壬舷掭^外來人口高3 ℃[8]。Luo等人發(fā)現(xiàn)長期處于相對中性穩(wěn)定環(huán)境的受試者其生理熱反應(yīng)更強(qiáng)烈[9]。尹佳星等人[10]、周范卓等人[11]研究了寒冷地區(qū)不同氣候類型、夏熱冬冷地區(qū)過渡季人體的熱適應(yīng)問題。筆者所在團(tuán)隊對瓊海當(dāng)?shù)丶巴鈦砣藛T的現(xiàn)場調(diào)研表明,隨著居住時間的增加,外來人員熱反應(yīng)與當(dāng)?shù)鼐用裰饾u趨同[12]。上述對于熱適應(yīng)層級差異的研究多集中于平原地區(qū)不同氣候區(qū)與不同熱經(jīng)歷條件。對于進(jìn)藏人員而言,其熱適應(yīng)還應(yīng)考慮高原低壓低氧的特殊條件,進(jìn)而,其進(jìn)藏時間、來源地海拔與氣候等因素均可能對其熱適應(yīng)水平產(chǎn)生影響。
為掌握進(jìn)藏人員熱適應(yīng)水平差異及熱需求特征規(guī)律,筆者對拉薩冬季室內(nèi)人員熱舒適進(jìn)行了現(xiàn)場測試與問卷調(diào)研,使用K-prototypes聚類方法將進(jìn)藏人員熱適應(yīng)水平區(qū)分為3個層級,分別為應(yīng)激代償、適應(yīng)代償和基本適應(yīng),探究不同熱適應(yīng)水平下人員的生理、心理、行為適應(yīng)機(jī)制,獲得進(jìn)藏人員冬季熱需求差異,為高原地區(qū)援藏干部周轉(zhuǎn)房、賓館等建筑室內(nèi)熱環(huán)境營造提供參考。
本文研究選取西藏拉薩市及周邊縣域為調(diào)研地點(diǎn),分別在2020年11月和2021年12月通過現(xiàn)場測試和問卷調(diào)研分析了進(jìn)藏人員冬季熱環(huán)境現(xiàn)狀與熱適應(yīng)過程。拉薩市位于東經(jīng)91°06′、北緯29°36′,平均海拔為3 650 m,是世界海拔最高的城市之一,屬于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū),冬季寒冷干燥,晝夜溫差大,晝間太陽輻射強(qiáng)。外來進(jìn)藏人員占當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)量的一半。
本文研究的調(diào)研對象主要為進(jìn)藏人員和當(dāng)?shù)厥谰尤藛T,2次調(diào)研共獲得730個樣本,其中進(jìn)藏人員有效樣本373個,世居人員有效樣本271個。統(tǒng)計學(xué)方差分析結(jié)果顯示這兩類人員的年齡、身高、體質(zhì)量均無顯著差異(P>0.05),具體信息見表1。調(diào)研在住宅、宿舍和商場等圍合空間建筑內(nèi)開展,人員活動狀態(tài)多為靜坐或輕度活動狀態(tài)。調(diào)研前向受試者告知調(diào)研目的、問卷題目含義、測試流程等,受試者根據(jù)自身實(shí)際情況回答問題。
按投資增加10%、減少10%分析對國民經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)的影響程度。效益變化和投資變化的敏感性分析成果見下表。從敏感性分析成果看,效益、投資的變化不會使工程變?yōu)椴豢尚?,因此保證工程效益的實(shí)現(xiàn)是該工程的關(guān)鍵。分析結(jié)果還表明,該工程具有較強(qiáng)的抗風(fēng)險能力。
表1 受試者基本信息
調(diào)研期間對室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)和受試者生理參數(shù)進(jìn)行了測量,所測參數(shù)及測試儀器信息如表2、3所示。室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)測試依據(jù)ASHRAE 55-2017標(biāo)準(zhǔn),測點(diǎn)布置于受試者周圍,距地面0.6 m高(坐姿)或者1.1 m高(站立)處。測試時在室外設(shè)置溫濕度自記儀連續(xù)記錄調(diào)研期間室外空氣溫度和室外相對濕度。
表2 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)測試儀器
表3 生理參數(shù)測試儀器
本次調(diào)研采用紙質(zhì)調(diào)研問卷。問卷內(nèi)容包括四部分:受試者基本信息、熱氧經(jīng)歷、熱濕主觀評價和熱調(diào)節(jié)行為信息?;拘畔ㄊ茉囌叩男詣e、民族、年齡、身高、體質(zhì)量、健康狀況、活動水平、衣著情況等。熱氧經(jīng)歷包括受試者是否世代居住在西藏、受訪者的家鄉(xiāng)、進(jìn)藏時間。熱濕主觀評價包括受試者的熱感覺、濕感覺、熱舒適、濕舒適、熱可接受度、濕可接受度、熱期望、濕期望。熱環(huán)境評價指標(biāo)參考ASHRAE 55-2017[13]和ISO 10551:2019[14]標(biāo)準(zhǔn),如表4所示。熱感覺評估采用7級標(biāo)尺,熱舒適評估采用4級標(biāo)尺,熱期望投票采用7級標(biāo)尺,熱可接受度投票采用4級標(biāo)尺,濕環(huán)境評價標(biāo)尺與熱環(huán)境評價標(biāo)尺一致。熱調(diào)節(jié)行為信息包括受試者受訪時的室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)方式、日常調(diào)溫措施及調(diào)節(jié)意愿。
表4 熱環(huán)境評價指標(biāo)
使用SPSS 24.0進(jìn)行統(tǒng)計結(jié)果分析。不同人群間采用單因素方差分析進(jìn)行顯著性檢驗。P<0.05表示具有顯著差異;P<0.01表示差異非常顯著;P<0.001表示差異極其顯著。
調(diào)研期間連續(xù)測量了室外空氣溫度與相對濕度,結(jié)果如圖1所示。室外日平均空氣溫度為9~14 ℃,2次調(diào)研期間無顯著差異。室外日平均空氣相對濕度大多處于5%~15%,相比內(nèi)地其他地區(qū)明顯偏干。
圖1 拉薩冬季室外熱濕參數(shù)
調(diào)研期間室內(nèi)熱濕參數(shù)如圖2所示。室內(nèi)空氣溫度主要在17~23 ℃之間,處于大部分人相對舒適的溫度范圍。室內(nèi)空氣相對濕度比室外略高,集中在6%~16%,低于GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》相對濕度≥30%的要求值[15]。在此室內(nèi)相對濕度范圍內(nèi),人體會出現(xiàn)各種生理不適,例如鼻腔出血、眼睛出現(xiàn)血絲等。
圖2 拉薩冬季室內(nèi)熱濕參數(shù)
調(diào)研期間室內(nèi)外大氣壓無明顯波動,基本處于65 kPa,氧濃度主要在19%~20%之間,受試者處于典型的低壓缺氧環(huán)境。
本文研究借鑒現(xiàn)有研究的分類經(jīng)驗和相關(guān)成果,將進(jìn)藏人員的來源地海拔分為5個等級:0~800、800~1 800、1 800~2 800、2 800~3 600、3 600 m以上;將進(jìn)藏時間劃分為1周內(nèi)、1周~1月、1~3月、3~6月、6月~1年、1~5年、5年以上;選擇來源地建筑氣候分區(qū)表征其過往熱環(huán)境暴露經(jīng)歷;結(jié)合低氧環(huán)境關(guān)鍵生理評價指標(biāo)分析,選取心率與血氧飽和度2個便于測量、代表性強(qiáng)的典型生理參數(shù)。提取來源地海拔、進(jìn)藏時間、來源地建筑氣候區(qū)、心率、血氧飽和度5個指標(biāo),使用K-prototypes聚類方法進(jìn)行人群聚類。首先基于python語言對血氧飽和度和心率進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,對來源地建筑氣候分區(qū)進(jìn)行獨(dú)熱編碼,對來源地海拔和進(jìn)藏時間進(jìn)行有序編碼,使用UMAP降維算法,將數(shù)據(jù)從高維空間映射至二維空間;然后結(jié)合K-prototypes聚類結(jié)果,對人員進(jìn)行可視化分析,最終確定將進(jìn)藏人員分為3個層級,見圖3。這3個層級人員在來源地氣候、海拔、進(jìn)藏時間方面的分布情況如圖4所示。
圖3 進(jìn)藏人員熱適應(yīng)水平聚類結(jié)果
圖4 3個層級進(jìn)藏人員熱氧經(jīng)歷特征
2.3.1生理適應(yīng)與熱適應(yīng)水平界定
人體對于高原環(huán)境的適應(yīng)主要是對當(dāng)?shù)睾洵h(huán)境與缺氧環(huán)境的交叉適應(yīng),如前所述,在研究高原熱適應(yīng)問題時缺氧對人體的影響不容忽視。
然而血氧飽和度、心率、體溫等生理參數(shù)會受人員所處的環(huán)境溫度影響。對于本文調(diào)研,受試者所處的室外環(huán)境并非極端環(huán)境,且室內(nèi)空氣溫度主要在17~23 ℃之間,4類人員(進(jìn)藏人員Ⅰ、進(jìn)藏人員Ⅱ、進(jìn)藏人員Ⅲ、世居人員)在調(diào)研期間所處室內(nèi)環(huán)境的平均溫度分別為19.3、19.4、19.4、19.8 ℃,對人員所處室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行差異性檢驗,結(jié)果顯示P>0.05,人員所處室內(nèi)環(huán)境溫度無顯著差異,因此可認(rèn)為下述生理適應(yīng)的差異主要由熱適應(yīng)水平不同導(dǎo)致。
圖5顯示了3個層級進(jìn)藏人員與世居人員血氧飽和度的分布狀況。進(jìn)藏人員Ⅰ、進(jìn)藏人員Ⅱ、進(jìn)藏人員Ⅲ、世居人員的血氧飽和度主要分布范圍(取整)分別為85%~87%、91%~93%、91%~93%、90%~95%,血氧飽和度均值分別為86%、92%、92%、92%。通過顯著性分析發(fā)現(xiàn),進(jìn)藏人員Ⅰ與進(jìn)藏人員Ⅱ、進(jìn)藏人員Ⅲ、世居人員的血氧飽和度有極其顯著差異。
注:***表示統(tǒng)計學(xué)顯著性水平P<0.001。
圖6顯示了3個層級進(jìn)藏人員與世居人員心率分布狀況。進(jìn)藏人員Ⅰ、進(jìn)藏人員Ⅱ、進(jìn)藏人員Ⅲ、世居人員的心率(取整)分別為85~100、93~105、71~83、73~90次/min,心率的均值(取整)分別為90、100、79、80次/min。通過顯著性分析發(fā)現(xiàn),進(jìn)藏人員Ⅰ與進(jìn)藏人員Ⅱ、進(jìn)藏人員Ⅱ與進(jìn)藏人員Ⅲ、進(jìn)藏人員Ⅲ與世居人員的心率具有極其顯著差異。
注:***表示統(tǒng)計學(xué)顯著性水平P<0.001。
進(jìn)藏人員進(jìn)入高原后會對高原低溫低氧環(huán)境產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),打破機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[19]。從上述結(jié)果可知:進(jìn)藏人員Ⅰ的平均心率為90次/min,較在平原時有所增加;平均血氧飽和度為86%,較在平原時大幅降低。因此,可認(rèn)為進(jìn)藏人員Ⅰ處于應(yīng)激代償階段,高原低溫低氧環(huán)境的應(yīng)激反應(yīng)會幫助機(jī)體重新尋求內(nèi)部平衡,引起機(jī)體的紅細(xì)胞增加,心率上升[20];進(jìn)藏人員Ⅱ比進(jìn)藏人員Ⅰ的心率和血氧飽和度都高,因此可以認(rèn)為進(jìn)藏人員Ⅱ處于適應(yīng)代償階段;隨著熱適應(yīng)水平的增加,進(jìn)藏人群心率會有所下降,血氧飽和度逐漸上升,其生理參數(shù)會逐漸向當(dāng)?shù)厥谰尤巳嚎拷?有研究也指出熱習(xí)服形成的標(biāo)志性表現(xiàn)是心率降低、核心體溫降低等[18],由此可認(rèn)為進(jìn)藏人員Ⅲ處于基本適應(yīng)階段。雖然進(jìn)藏人員對高原環(huán)境已有所適應(yīng),但“適應(yīng)”沒有從量變達(dá)到“質(zhì)變”,身體各項機(jī)能仍不能與世居人員相提并論。
圖7顯示了3個層級進(jìn)藏人員與世居人員核心溫度與手腕溫度的分布情況。平原人員初入高原時,人體新陳代謝和呼吸功能發(fā)生適應(yīng)性變化,人體熱平衡發(fā)生改變,體溫會有些微不同,但各類人員之間無顯著差異,體溫基本在37 ℃左右。然而缺氧導(dǎo)致皮膚小動脈收縮,血流量減少,作為容量血管的皮膚小靜脈和毛細(xì)血管血容量減少,因此進(jìn)藏人員的手腕溫度比世居人員都低2 ℃左右,且其皮膚表面對環(huán)境的敏感度要比其他人群高,不同熱適應(yīng)水平進(jìn)藏人員手腕溫度無顯著差異。
圖7 不同熱適應(yīng)水平進(jìn)藏人員與世居人員體溫與手腕溫度
2.3.2熱調(diào)節(jié)行為適應(yīng)
圖8所示為調(diào)研期間受試者所在室內(nèi)的調(diào)溫設(shè)備使用狀況。在拉薩冬季,城市地區(qū)超過一半的人采用空調(diào)和散熱器保障室內(nèi)的舒適性,但是不同熱適應(yīng)水平人員其行為調(diào)節(jié)方式有所不同。熱適應(yīng)水平低的人更習(xí)慣使用空調(diào),熱適應(yīng)水平高的人習(xí)慣使用散熱器,這是因為熱適應(yīng)水平低的人大多進(jìn)藏時間較短,更多活動于賓館、民宿、商場等場所。
圖8 進(jìn)藏人員與世居人員冬季室內(nèi)調(diào)溫設(shè)備使用狀況
圖9顯示了冬季拉薩居民服裝熱阻I與操作溫度top的關(guān)系,其服裝熱阻集中分布在0.9~1.4 clo。服裝熱阻I世居人群>基本適應(yīng)階段進(jìn)藏人員>適應(yīng)代償階段進(jìn)藏人員>應(yīng)激代償階段進(jìn)藏人員。熱適應(yīng)水平越高,其服裝熱阻值越大,應(yīng)激代償階段進(jìn)藏人員服裝熱阻改變越靈活。這是因為當(dāng)?shù)爻D旰?隨著熱適應(yīng)水平的增強(qiáng),人們對寒冷的敏感度下降,內(nèi)心對溫暖環(huán)境的期望較大。
2.3.3熱環(huán)境主觀評價
圖10所示為進(jìn)藏人員與世居人員冬季熱感覺投票分布。50%的進(jìn)藏人員與世居人員認(rèn)為室內(nèi)熱感覺適中;應(yīng)激代償階段進(jìn)藏人員有22%的人感覺偏暖,有27%的人感覺偏涼,與適應(yīng)代償階段進(jìn)藏人員基本一致;基本適應(yīng)階段進(jìn)藏人員有35%的人感覺偏暖,有13%的人感覺偏涼;世居人員中,40%的人感覺偏暖,7%的人感覺偏涼。隨著熱適應(yīng)水平的增強(qiáng),進(jìn)藏人員的平均熱感覺投票值從-0.2上升到0.3,可以看出,進(jìn)藏人員對于高原熱環(huán)境的適應(yīng)主要是對偏冷環(huán)境的適應(yīng)增強(qiáng)。
圖11所示為不同熱適應(yīng)水平人員對冬季室內(nèi)熱環(huán)境的期望投票結(jié)果。隨著熱適應(yīng)水平增強(qiáng),人員平均熱感覺上升,但從熱期望總體分布來看,人員中30%~40%期望室內(nèi)溫度保持不變,超過50%期望室內(nèi)變得更暖和,僅10%~20%期望室內(nèi)更涼快一些??梢?冬季藏區(qū)人員對溫暖的室內(nèi)環(huán)境具有較為一致的強(qiáng)烈期望。
圖11 進(jìn)藏人員與世居人員冬季熱期望投票
2.4.1熱中性溫度
圖12顯示了進(jìn)藏人員與世居人員所處室內(nèi)操作溫度top與MTS(平均熱感覺投票)的擬合關(guān)系。結(jié)果表明,應(yīng)激代償階段、適應(yīng)代償階段、基本適應(yīng)階段進(jìn)藏人員的熱中性溫度分別為19.7、19.3、19.1 ℃,世居人員的熱中性溫度為18.3 ℃。隨著熱適應(yīng)水平的增強(qiáng),進(jìn)藏人員的熱中性溫度逐漸降低,進(jìn)藏人員與當(dāng)?shù)厥谰尤藛T的差異逐漸減小,同時,進(jìn)藏人員對溫度的敏感度逐漸下降。世居人員在經(jīng)過漫長的適應(yīng)后,形態(tài)、技能、體成分都發(fā)生了變化,已經(jīng)進(jìn)化出可以適應(yīng)高原低溫缺氧環(huán)境特有的生理機(jī)制。進(jìn)藏人員雖可以在一定程度上適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境,但仍然與當(dāng)?shù)厥谰尤藛T存在差異。
圖12 進(jìn)藏人員與世居人員室內(nèi)操作溫度top與 平均熱感覺投票MTS的擬合關(guān)系
2.4.2可接受溫度范圍
本文可接受溫度范圍采用間接法計算得出。MTS為-0.5~0.5時得到的空氣溫度范圍就是90%的人可以接受的空氣溫度范圍。MTS為-0.85~0.85 時得到的空氣溫度范圍就是80%的人可以接受的空氣溫度范圍。表5給出了不同熱適應(yīng)水平進(jìn)藏人員與世居人員可接受溫度的范圍。世居人員90%可接受溫度范圍較適應(yīng)代償階段進(jìn)藏人員寬4 ℃,較應(yīng)激代償階段進(jìn)藏人員寬6 ℃。熱適應(yīng)水平越高,人員的可接受空氣溫度范圍越寬,這是因為隨著熱適應(yīng)水平的增強(qiáng),人員的熱敏感度下降,可接受溫度范圍越來越接近世居人員,這也是進(jìn)藏人員熱適應(yīng)的體現(xiàn)。
表5 不同熱適應(yīng)水平進(jìn)藏人員與世居人員 可接受溫度范圍 ℃
營造適宜的室內(nèi)環(huán)境是保障大量內(nèi)地進(jìn)藏旅游、工作等人員舒適健康的前提。本研究通過現(xiàn)場調(diào)研與聚類分析,明確了進(jìn)藏人員熱適應(yīng)層級劃分與熱需求特征,主要結(jié)論如下:
1) 進(jìn)藏人員的適應(yīng)性受其熱氧環(huán)境暴露經(jīng)歷與個體差異的影響有別于平原。根據(jù)進(jìn)藏人員來源地海拔、來源地氣候、進(jìn)藏時間、血氧飽和度、心率這5個指標(biāo)的聚類分析表明,進(jìn)藏人群根據(jù)適應(yīng)演進(jìn)水平可劃分為應(yīng)激代償、適應(yīng)代償、基本適應(yīng)3個層級。在人員層級結(jié)構(gòu)上,進(jìn)藏時間是影響人體熱適應(yīng)的突出因素,適應(yīng)水平越高的人員普遍進(jìn)藏時間更久。
2) 進(jìn)藏人員在生理、心理、行為方面均反映出熱適應(yīng)的演進(jìn)過程并逐漸趨近高原世居人員。生理方面,進(jìn)藏人員血氧飽和度均值可上升到93%,心率均值可下降到79次/min;心理方面,其對偏冷環(huán)境的適應(yīng)水平明顯逐漸增強(qiáng),平均熱感覺投票從-0.2上升到0.3;行為方面,熱適應(yīng)水平越高,其服裝熱阻值越大,處于初步適應(yīng)層級的應(yīng)激代償階段人員服裝熱阻改變更靈活。
3) 處于應(yīng)激代償、適應(yīng)代償、基本適應(yīng)階段的進(jìn)藏人員,其熱中性溫度分別為19.7、19.3、19.1 ℃,均高于世居人員的熱中性溫度(18.3 ℃)??傮w可見,隨著對高原環(huán)境適應(yīng)水平的持續(xù)演進(jìn)與增強(qiáng),人體熱中性溫度逐漸降低,進(jìn)藏人員與高原世居人員的差異逐漸減小;世居人員90%可接受溫度范圍較適應(yīng)代償階段進(jìn)藏人員寬4 ℃,較應(yīng)激代償階段進(jìn)藏人員寬6 ℃,熱適應(yīng)水平越高,人群可接受的室內(nèi)溫度范圍越寬。