宋 聰 曹瑞軒 劉艷峰 王登甲

(1.綠色建筑全國重點實驗室,西安;2.西安建筑科技大學(xué),西安)

0 引言

青藏高原平均海拔達(dá)4 000 m,大氣含氧量僅為平原地區(qū)的60%。低壓、低氧環(huán)境特征嚴(yán)重降低了外來人員的工作、生活質(zhì)量和生命健康水平[1],成為高海拔邊陲地區(qū)資源開發(fā)、社會經(jīng)濟發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。高海拔地區(qū)的室內(nèi)氧環(huán)境調(diào)節(jié)與熱環(huán)境調(diào)節(jié)一樣[2-3],是提升建筑健康宜居水平、改善和保障民生的重要方面,而探究富氧環(huán)境對外來進(jìn)藏人員氧狀態(tài)的改善效果是建筑舒適氧環(huán)境精準(zhǔn)營造的關(guān)鍵。

當(dāng)人體由較低海拔地區(qū)進(jìn)入高海拔地區(qū)后,機體處于低水平、不穩(wěn)定的氧合狀態(tài)。頭痛、呼吸加快、疲勞乏力等癥狀是人體缺氧狀態(tài)的直接體現(xiàn),是人體對氧環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)干預(yù)以防止缺氧反應(yīng)進(jìn)一步加重、發(fā)生肺水腫等重型高原病的直接判斷依據(jù)[4]?？梢?癥狀對于反映人體健康水平具有重要作用。盡管目前急性高原反應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)[5]考慮了人體癥狀,但主要局限于頭痛、頭暈等部分癥狀?，F(xiàn)有研究表明,低氧環(huán)境下人體會調(diào)動全身系統(tǒng)及器官參與應(yīng)答,涉及神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等多個系統(tǒng)[6-7],同時,機體各類生理應(yīng)激代償均以相應(yīng)的癥狀進(jìn)行表征[8]。但現(xiàn)有研究大多從生理角度對人體缺氧程度進(jìn)行判定,鮮少涉及人體在缺氧環(huán)境下的主觀需求。

高原建筑增氧是一種從根本上解決人體缺氧問題的直接方式。以血氧飽和度、心率等生理參數(shù)作為監(jiān)測指標(biāo)可客觀反映人體的生理氧狀態(tài)。研究表明,在3 700 m海拔地區(qū),將室內(nèi)環(huán)境氧氣體積分?jǐn)?shù)提升至24%～25%時,血氧飽和度提升4.30%,平均心率降低20.8次/min[9]。在3 800 m海拔地區(qū),氧氣體積分?jǐn)?shù)提高3%左右后,人員睡眠過程中的周期性呼吸次數(shù)、呼吸暫停次數(shù)等睡眠指標(biāo)明顯改善[10]。以腦力、體力相關(guān)測試指標(biāo)觀察富氧后人體認(rèn)知能力和勞動效率的變化,模擬5 000 m海拔地區(qū)低氧環(huán)境并將氧氣體積分?jǐn)?shù)提高6%時,人體反應(yīng)時間縮短,手眼協(xié)調(diào)能力等顯著加強[11]。5 300 m海拔地區(qū)富氧體積分?jǐn)?shù)為27%～28%時,體力作業(yè)指標(biāo)PWC170提高140.18 kg·m/min[12]?？梢?富氧環(huán)境對人體的改善效果可通過客觀、合理的方法進(jìn)行量化,以直觀掌握富氧環(huán)境對人體的影響,但現(xiàn)有研究主要以單一富氧工況為例開展研究,尚未通過橫向?qū)Ρ雀鼮橄到y(tǒng)地反映不同氧環(huán)境對人體缺氧反應(yīng)的改善能力。

綜上可見,目前高原建筑室內(nèi)氧環(huán)境對人體的影響研究還應(yīng)關(guān)注以下兩方面:

1) 人體多系統(tǒng)參與低氧應(yīng)答,多種癥狀同時反映人員舒適性,高原室內(nèi)氧環(huán)境評價應(yīng)兼顧生理與主觀評價。

2) 高原室內(nèi)增氧可有效改善缺氧狀態(tài),基于可反映人體氧狀態(tài)的關(guān)鍵生理參數(shù)指標(biāo)和癥狀指標(biāo)量化富氧環(huán)境對人體的影響效應(yīng)有助于科學(xué)合理地指導(dǎo)建筑氧環(huán)境營造。

為了掌握高原富氧環(huán)境對人體缺氧狀態(tài)的改善效果,本文通過高海拔地區(qū)實地實驗研究,對比了不同氧環(huán)境下人體主觀及客觀氧狀態(tài)差異,并以高原世居人員為對照,基于生理參數(shù)和癥狀氧感覺,以改善率指標(biāo)量化了富氧環(huán)境對人體缺氧狀態(tài)的改善效果。研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步闡明高原建筑富氧環(huán)境對外來進(jìn)藏人員的影響規(guī)律,為適宜的建筑氧環(huán)境營造提供參考。

1 研究方法

1.1 受試者

研究共招募48名受試者,其中24名受試者在高原的居住時間短于1個月,另外24名為青藏高原世居居民,作為對照組。受試者均為健康青年,無高原疾病及其他慢性病史,無飲酒、吸煙習(xí)慣。受試者基本信息如表1所示。

表1 受試者基本信息

1.2 實驗工況及測試儀器

實驗于西藏自治區(qū)拉薩市開展,當(dāng)?shù)睾０螢? 650 m,氣壓為65.23 kPa。本文研究通過搭建富氧小室,利用制氧機進(jìn)行彌散富氧。依據(jù)GB/T 35414—2017《高原地區(qū)室內(nèi)空間彌散供氧(氧調(diào))要求》,對于進(jìn)藏人員,建議室內(nèi)彌散富氧體積分?jǐn)?shù)范圍上限大于25%[13],而根據(jù)室內(nèi)防火安全要求,3 650 m海拔地區(qū)富氧體積分?jǐn)?shù)上限為26.3%[14]。因此,實驗氧體積分?jǐn)?shù)工況設(shè)計為21%(無富氧)、23%(低富氧)和25%(高富氧)。同時,為規(guī)避溫度、相對濕度、風(fēng)速的影響,控制這些參數(shù)保持不變。各實驗工況下的實際環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)境參數(shù)

實驗過程中對受試者心率、血氧飽和度、血壓進(jìn)行了監(jiān)測。所用環(huán)境參數(shù)測試儀器及生理參數(shù)監(jiān)測儀器如表3所示。

表3 環(huán)境參數(shù)及生理參數(shù)監(jiān)測儀器

1.3 問卷設(shè)計

本文研究在測試人體生理氧反應(yīng)的基礎(chǔ)上,類比人體熱舒適的心理學(xué)分析方法[15],探究了受試者對氧環(huán)境的主觀評價,評價指標(biāo)包括氧感覺和氧偏好。氧感覺評價以受試者缺氧和過度富氧的癥狀表述,其中過度富氧癥狀是由于用氧過多而導(dǎo)致人體產(chǎn)生的一些類似于缺氧癥狀的不良反應(yīng),主要參考氧過多癥中的表述進(jìn)行評價[16]?；诟咴t(yī)學(xué)相關(guān)研究結(jié)果[8],氧感覺評價的癥狀包括大腦狀態(tài)、頭部感覺、植物神經(jīng)功能狀態(tài)和感官狀態(tài)4類。氧偏好評價表示受試者希望所處室內(nèi)氧濃度的改變情況。氧偏好、氧感覺評價均采用7級標(biāo)尺,如表4所示。

表4 氧偏好、氧感覺評價標(biāo)尺

1.4 實驗流程

研究采用隨機單盲實驗方式,為消除受試者因適應(yīng)造成的實驗工況之間的干擾,每位受試者參與的連續(xù)2個實驗工況之間間隔3天。每次實驗開始之前,受試者被告知禁止吸煙和食用咖啡等刺激神經(jīng)和心血管系統(tǒng)的飲品,并通過調(diào)整著裝,保持其處于熱舒適狀態(tài)。實驗開始后,受試者在富氧室中靜坐30 min以適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境,之后每隔10 min填寫1次主觀問卷并完成生理參數(shù)測量,重復(fù)3次后結(jié)束,每個工況持續(xù)60 min。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 24.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。若符合正態(tài)分布,同類人員不同氧濃度間采用單因素方差分析,相同氧濃度不同類人員采用組間獨立樣本t檢驗。若不服從正態(tài)分布則分別使用Friedman方差分析和Mann-WhitneyU檢驗。當(dāng)P<0.05時,認(rèn)為具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 不同富氧濃度下進(jìn)藏人員與高原世居人員氧反應(yīng)差異

2.1 不同富氧濃度下主觀評價差異

依據(jù)受試者大腦狀態(tài)、頭部感覺、植物神經(jīng)功能狀態(tài)和感官狀態(tài)對其氧感覺進(jìn)行評價。大腦狀態(tài)包括打哈欠、嗜睡等抑制癥狀和思維活躍等大腦興奮癥狀;頭部感覺包括頭暈、頭痛;植物神經(jīng)功能狀態(tài)包括循環(huán)障礙引起的惡心、心跳加快、出冷汗等;感官狀態(tài)指眼睛、四肢等感覺器官的不適癥狀。不同氧環(huán)境下的癥狀投票結(jié)果如圖1所示。隨著氧濃度的提高,進(jìn)藏人員缺氧不適癥狀比例呈現(xiàn)下降趨勢,對應(yīng)每個等級癥狀,可發(fā)現(xiàn)癥狀表征逐漸減輕,同時平均氧感覺逐漸增大,趨近于中性水平,感官狀態(tài)高富氧時平均氧感覺為-0.07,最接近中性感覺;對于世居人員,富氧在改善缺氧不適的同時,造成更大比例的過度富氧不適,低富氧和高富氧時,富氧不適比例均高于缺氧不適比例。

圖1 不同氧環(huán)境下的癥狀投票結(jié)果

通過氧偏好投票獲取受試者改變當(dāng)下室內(nèi)環(huán)境氧濃度的意愿,結(jié)果如圖2所示。無富氧工況下,77%的進(jìn)藏人員希望提高室內(nèi)氧濃度,高于世居人員。低富氧工況下,希望提高的比例稍有下降,高富氧工況下繼續(xù)下降。世居人員在低富氧工況下有較高比例的人希望降低氧濃度。

圖2 不同氧環(huán)境下的氧偏好投票結(jié)果

2.2 不同富氧濃度下客觀生理反應(yīng)差異

低氧環(huán)境刺激心臟血液輸出量及血流外周阻力發(fā)生變化,心臟血液輸出量增多及血流外周阻力增大均會引起平均動脈壓增大,因此平均動脈壓是一項良好的監(jiān)測指標(biāo)[7,17]。圖3顯示了不同氧環(huán)境下平均動脈壓的變化情況。氧濃度越大,平均動脈壓越小,其中進(jìn)藏人員最低平均動脈壓為10.91 kPa。同一富氧濃度下進(jìn)藏人員平均動脈壓始終高于世居人員。

圖3 不同氧環(huán)境下平均動脈壓變化

心率可反映低氧環(huán)境下人體循環(huán)系統(tǒng)的變化[7]。圖4顯示了不同富氧濃度下心率的變化情況。無富氧時進(jìn)藏人員心率最高,為93.4次/min,氧氣濃度提高使得心率下降,高富氧時降低為82.7次/min。高原世居者心率始終低于進(jìn)藏人員,最高為74.6次/min。

圖4 不同氧環(huán)境下心率變化

通過血氧飽和度可得到血液中血紅蛋白與氧分子的結(jié)合能力,反映了人體低氧環(huán)境下的生理適應(yīng)改變[18]。圖5顯示了室內(nèi)不同富氧濃度下血氧飽和度的變化情況。無富氧工況下,相對世居人員血氧飽和度,進(jìn)藏人員血氧飽和度分布更為離散,分布在75%～95%范圍內(nèi),個體差異性顯著。在富氧環(huán)境下,該參數(shù)離散程度明顯減小,個體差異性被削弱,進(jìn)藏人員血氧飽和度主要集中在90%左右,低于世居人員的92%。與低富氧工況相比,高富氧工況下進(jìn)藏人員血氧飽和度均值更接近世居人員,但分布較為離散。

圖5 不同氧環(huán)境下血氧飽和度變化

3 富氧環(huán)境對人體氧狀態(tài)的改善效果

3.1 富氧環(huán)境對人體主觀氧狀態(tài)的改善效果

本文研究中,將富氧環(huán)境對人體主觀氧狀態(tài)的影響以氧感覺改善率的形式進(jìn)行量化。不同氧環(huán)境下的氧感覺、氧偏好結(jié)果表明,無論進(jìn)藏人員還是世居人員,氧中性水平為心理期待的最佳水平,當(dāng)氧感覺偏離中性時,受試者總希望通過提高或降低氧濃度使得氧感覺趨近于中性。因此,以氧感覺偏離中性的程度量化主觀改善率,反映了環(huán)境氧濃度對人體向最佳狀態(tài)改進(jìn)的改善作用。計算方法見式(1)。

(1)

式中Iz為主觀改善率;ΔO為對應(yīng)氧環(huán)境下氧感覺值與氧中性值之差;下標(biāo)f表示富氧,w表示無富氧。

根據(jù)式(1)可得到平均氧感覺與氧感覺改善率的關(guān)系,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:當(dāng)-|Ow|≤Of<0(其中Ow為無富氧工況下的平均氧感覺,Of為富氧工況下的平均氧感覺)時,缺氧癥狀得到改善,富氧濃度越高,氧感覺越接近中性水平,改善率越大;當(dāng)0≤Of<|Ow|時,出現(xiàn)過度富氧癥狀,富氧濃度越高,氧感覺偏離中性水平的程度越大,因此改善率降低;當(dāng)Of≥|Ow|時,富氧導(dǎo)致的不適癥狀較無富氧工況下的缺氧癥狀更為嚴(yán)重,繼續(xù)富氧會加重不適感并增大氧感覺偏離中性水平的程度,起負(fù)改善的作用,此時定義為氧感覺負(fù)改善率。富氧濃度提高,氧感覺值增大,負(fù)改善率增大。

圖6 平均氧感覺與氧感覺改善率的關(guān)系

進(jìn)藏人員及高原世居人員不同富氧環(huán)境下的氧感覺改善率如圖7所示。低富氧工況下,進(jìn)藏人員大腦狀態(tài)、頭部感覺、植物神經(jīng)功能狀態(tài)、感官狀態(tài)的氧感覺改善率分別為28.57%、20.46%、42.86%、44.44%,高富氧工況下改善率提高,分別為56.04%、64.29%、59.18%和84.13%。對于世居人員,富氧環(huán)境較易引起過度富氧癥狀進(jìn)而降低改善率,甚至增大負(fù)改善率。高富氧工況下世居人員大腦狀態(tài)、感官狀態(tài)負(fù)改善率分別為152.94%、26.47%,表明24.97%的富氧體積分?jǐn)?shù)使得世居人員產(chǎn)生較無富氧工況下更為嚴(yán)重的不適癥狀?？梢?高富氧環(huán)境對進(jìn)藏人員氧狀態(tài)的改善更為有利。

圖7 富氧環(huán)境對人體主觀氧狀態(tài)的改善率

3.2 富氧環(huán)境對人體客觀氧狀態(tài)的改善效果

基于平均動脈壓、心率和血氧飽和度關(guān)鍵生理參數(shù)量化富氧環(huán)境對人體的客觀影響效應(yīng)。高原低氧使血氧飽和度降低,引起交感神經(jīng)興奮,從而影響心血管系統(tǒng)功能,導(dǎo)致心率增快、血壓上升[19]?？梢?對比平原不缺氧狀態(tài),高原血氧飽和度更低,平均動脈壓和心率更高。本文研究中,隨著氧濃度的升高,血氧飽和度穩(wěn)定上升,平均動脈壓和心率降低,逐漸趨近于平原不缺氧水平,高富氧工況時達(dá)到最佳水平。因此,以無富氧工況為基準(zhǔn),量化客觀氧狀態(tài)改善率,反映了富氧對偏離缺氧狀態(tài)向不缺氧狀態(tài)改進(jìn)的改善作用。計算方法見式(2)。

(2)

式中Ik為客觀改善率;P為對應(yīng)氧環(huán)境下的血氧飽和度、心率和平均動脈壓;下標(biāo)f表示富氧,w表示無富氧。

客觀氧狀態(tài)改善效果如圖8所示。低富氧工況下,進(jìn)藏人員的平均動脈壓、心率、血氧飽和度改善率分別為4.04%、0.87%、0.79%。富氧濃度越高,改善效果越明顯,相對低富氧工況,高富氧工況下平均動脈壓、心率、血氧飽和度改善率分別提高2.90%、10.59%、0.83%。對于高原世居人員,低富氧、高富氧之間改善率變化量在0.06%～2.11%范圍內(nèi),小于進(jìn)藏人員改善率變化量。高富氧對進(jìn)藏人員的改善效果明顯優(yōu)于高原世居人員。

圖8 富氧環(huán)境對人體客觀氧狀態(tài)的改善率

進(jìn)藏人員與世居人員在相同富氧環(huán)境下產(chǎn)生不同的改善效果源于生理調(diào)節(jié)差異。高原世居人員的生理優(yōu)勢較進(jìn)藏人員更加明顯,因其更加完善的氧氣傳送系統(tǒng)、心肺儲備和攝氧能力,世居人員對氧的利用更加充分有效[20]。低富氧時,高原世居人員對環(huán)境中氧氣的利用率大概率達(dá)到了高富氧水平,因此繼續(xù)提高氧濃度,改善率變化并不明顯,甚至主觀改善率因過度富氧而出現(xiàn)降低的趨勢。而進(jìn)藏人員對氧氣的利用能力差,低富氧時對氧的利用率仍然有限,環(huán)境氧濃度提高后,氧利用率提高,進(jìn)而主觀及客觀氧狀態(tài)得到明顯改善。因此,高富氧對進(jìn)藏人員的改善效果優(yōu)于高原世居人員。

4 兼顧客觀生理指標(biāo)與主觀評價的高原室內(nèi)富氧環(huán)境氧濃度上限思考

本文研究兼顧客觀生理指標(biāo)和人體癥狀學(xué)評價,通過觀察不同富氧濃度下平均氧感覺變化確定了中性氧感覺對應(yīng)的富氧體積分?jǐn)?shù),結(jié)果如圖9所示。當(dāng)大腦狀態(tài)、頭部感覺、植物神經(jīng)功能狀態(tài)、感官狀態(tài)為中性狀態(tài)時,對應(yīng)的富氧體積分?jǐn)?shù)分別為28.20%、27.60%、27.42%、25.75%。GB/T 35414—2017《高原地區(qū)室內(nèi)空間彌散供氧(氧調(diào))要求》[13]推薦了基于生理學(xué)需求的高原富氧體積分?jǐn)?shù),海拔3 500 m地區(qū),最高富氧體積分?jǐn)?shù)推薦在24.70%以上,海拔4 000 m地區(qū),最高富氧體積分?jǐn)?shù)推薦在25.00%以上,由此可確定本文研究地區(qū)的最高富氧體積分?jǐn)?shù)下限在24.70%～25.00%范圍內(nèi)。本文研究高富氧工況下的氧氣體積分?jǐn)?shù)為24.97%,與推薦富氧體積分?jǐn)?shù)接近,但結(jié)果表明該體積分?jǐn)?shù)可顯著改善進(jìn)藏人員生理氧狀態(tài),而主觀氧需求難以滿足,人體氧感覺普遍低于中性水平。可見,僅考慮生理學(xué)要求的富氧環(huán)境難以使人體改善效果達(dá)到最佳,需同時考慮主觀感受,可在滿足生理要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高富氧體積分?jǐn)?shù)上限。但本文研究海拔對應(yīng)的高度富氧防火安全氧氣體積分?jǐn)?shù)上限為26.3%,這對于營造滿足人體心理及生理需求的建筑物理安全設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。高原建筑防火安全需求是改善人體氧狀態(tài)的客觀約束條件之一。

圖9 中性氧感覺對應(yīng)的富氧體積分?jǐn)?shù)

綜上可知,在高原建筑氧環(huán)境調(diào)節(jié)中,為了滿足高海拔地區(qū)人體在舒適層面的氧環(huán)境需求,不僅要監(jiān)測人體生理狀態(tài),還應(yīng)關(guān)注人體癥狀指標(biāo),從而消除人體對缺氧環(huán)境的不舒適體驗、降低不滿意水平。本文研究明確了基于人體關(guān)鍵生理指標(biāo)及癥狀指標(biāo)判定的建筑室內(nèi)氧環(huán)境需求,可為基于個體差異和人員個性化需求的建筑氧環(huán)境設(shè)計參數(shù)提供指導(dǎo)。

5 結(jié)論

本文通過高原室內(nèi)環(huán)境彌散富氧實驗研究,探討了不同富氧環(huán)境對短期進(jìn)藏人員缺氧狀態(tài)的改善效果,得到以下結(jié)論:

1) 血氧飽和度、心率、平均動脈壓可作為反映高原富氧環(huán)境下人體缺氧狀態(tài)的客觀生理指標(biāo)。環(huán)境氧濃度與進(jìn)藏人員、世居人員的平均動脈壓和心率呈負(fù)相關(guān),與血氧飽和度呈正相關(guān),且提高氧濃度可弱化血氧飽和度個體間的差異。

2) 較高富氧濃度對進(jìn)藏人員客觀缺氧狀態(tài)具有較好改善效果。當(dāng)環(huán)境氧氣體積分?jǐn)?shù)為24.97%時,進(jìn)藏人員平均動脈壓、心率、血氧飽和度改善率分別為6.94%、11.46%和1.62%,改善率顯著高于世居人員。

3) 在高海拔地區(qū),人體氧不適癥狀是反映其氧狀態(tài)的重要指標(biāo),各類癥狀對氧環(huán)境的舒適需求并不同步。氧氣體積分?jǐn)?shù)為24.97%時,進(jìn)藏人員大腦狀態(tài)、頭部感覺、植物神經(jīng)功能狀態(tài)和感官狀態(tài)四類癥狀的氧感覺最接近中性水平,氧感覺改善率在56.04%～84.13%之間。

4) 同一環(huán)境氧濃度下,進(jìn)藏人員期望提高室內(nèi)氧濃度的意愿較世居人員更強烈。無富氧工況下,77%的進(jìn)藏人員期望提高氧濃度,較世居人員高40%;當(dāng)富氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到24.97%時,仍有28%的進(jìn)藏人員期望繼續(xù)提高,而世居人員僅占6%。