与生理参数相关的热舒适实验研究综述

2018-06-19储向阳于航焦瑜王梓

建筑热能通风空调 2018年12期

储向阳于航*焦瑜王梓

同济大学机械与能源工程学院

早期的国际热舒适标准[1-2]主要通过预测平均热感觉投票——PMV（Predicted Mean Vote）方法预测热感觉，该方法基于Fanger在20世纪70年代提出的热平衡模型[3]。PMV模型认为热感觉可作为人体活动水平，服装热阻和四个经典热环境参数（空气温度，平均辐射温度，空气速度和湿度）的函数[4]。PMV模型在世界各地的具备暖通空调系统的气候室和现场研究中得到了很好的应用。近年来，许多现场调研结果表明，在实际建筑中，PMV模型预测的舒适区相对较窄，在温暖气候区没有暖通空调系统的建筑中，PMV模型预测的热感觉比居住者实际热感觉更暖[5]。

为了提高传统热舒适模型预测的准确性，提出了热适应模型。热适应模型是基于热舒适现场调研得到的结果[6]，模型认为人是与环境进行多重反馈活动的积极交互者。而PMV模型则将人视为特定热环境的被动接受者。

Humphreys[7]研究了室内舒适温度与室外月平均温度之间的关系，并发现自然通风建筑和采暖空调建筑存在明显区别。他将这种差异归因于各种适应性行为产生的微小影响的累计作用，这些行为可能是生理，心理和社会文化等等方面的[6]。但忽略了这些适应性行为和热舒适之间的相互作用影响，只使用室外温度来计算舒适温度，这属于经验性的黑箱方法。姚润明[8]曾提出一种基于黑盒理论的热适应模型，提出用“适应系数”来修正PMV模型预测结果。

Brager和de Dear[5]通过对相关文献进行综述得出三种热适应模式：行为，生理和心理适应。进一步表示，在相对温和的建筑环境下，相较行为调节和热期望产生的影响，缓慢的生理适应过程对热适应产生的影响非常小。尽管如此，生理适应的证据依然存在，特别是在高温环境下，人会出现排汗增强和各种心血管反应。Fanger和Toftum[4]同意Brager和de Dear提出的观点，即认为生理适应对热适应没有影响。他们指出，较低的热期望是导致温暖气候下非空调建筑物中PMV预测热感觉与实际热感之间差异的主要原因。罗茂辉的研究支持了Fanger关于热舒适期望的想法[9]，并提出室内热经历和室内气候的变化对居民的期望和舒适度评估有很大影响。

1 生理参数研究的重要性

虽然目前已有很多热适应相关的研究，但现有研究还是更多地关注行为和心理热适应，而忽略生理适应。生理适应被忽略的原因包括：1）最初热适应模型是为自然通风建筑物的设计提供指导依据，而自然通风建筑室内热环境与室外气候密切相关[10]。2）热适应模型更关注能够与热中性温度建立函数关系的因素[11]。3）没有充分的关于生理适应的实验研究来揭示生理适应对热舒适的影响机理。然而，如果内在机理未被揭示，热适应模型的推广和发展将受到限制[12]。

余娟等人指出，只靠人们的主观描述对健康进行评估是不够准确的，因此需要进行生理指标的测试来做出更为准确的判断[13]。林宇凡等人提出通过建立生理指标来评估热舒适，完善气候适应模型，进一步揭示热环境与热舒适之间的作用机理[11]。主观问卷调查是热舒适评价主要采用的方法之一，然而，主观评价的结果很容易受到调查对象情绪的影响。而生理参数测量较为客观，因此使用生理指标来预测热舒适可以弥补上述缺点。

本文提出了几个与热舒适相关的生理参数，包括新陈代谢率，皮肤温度，心率变异性（HRV），脑电图（EEG）和心电图（ECG）。在此基础上，总结了与各生理参数相关的实验研究，相关参考文献如表1所示。

表1 与生理参数相关的实验研究

2 有关生理参数的热舒适实验

2.1 与代谢率相关的热舒适实验

代谢率是PMV方程中的参数之一，它已被视为热舒适预测中的基本和关键指标。然而，在大多数热舒适相关的研究中，代谢率被视为恒定值，它仅取决于活动水平而与周边热环境无关，这导致PMV预测值与实际热感之间存在较大差异。

王海英等人[30]通过开展气候室实验，收集了受试者在两种活动下的代谢率和皮肤温度，研究了轻度活动水平下人的实际热感觉。另有实验研究表明，代谢率会随周围环境变化。罗茂辉等人[31]通过气候室实验探讨了室内热环境对居住者代谢率的影响。研究方法包括生理测量和主观问卷调查，其结果表明，人体产热量受环境温度和服装热阻的显著影响。他提出了一个二阶多项式方程来描述代谢率的变化。修正的代谢率方程减少了PMV预测值与受试者实际热感之间的差异，可作为未来热舒适性研究的参考。

此外，翟永超等人[32]研究了不同活动水平下与热舒适度和室内风速与代谢率的相关性。Matsuda-Nakamura等人[33]研究了在稍冷环境下展开实验，通过测量皮肤温度，人体核心温度和代谢率，研究女性生理周期对热感觉、热舒适和人体体温调节反应的影响。翁文国等人[34]研究了高温对代谢率和心血管系统的影响，并提出了一种适用于高温环境的人体生物热模型。以上实验研究均证明了代谢率与热环境因素有关。未来相关研究在预测受试者热感觉和热舒适时应充分考虑以上问题。

2.2 与皮肤温度相关的热舒适实验

人体温度调节系统与热环境密切相关，它通过调节皮肤温度来维持热平衡并保持热舒适。因此，利用皮肤温度作为热感评估的生理指标具有重要意义。Choi[35]在一个室内温度从20℃变为30℃的气候室内进行了实验，用于研究数个身体部位的皮肤温度与整体热感之间的关系。该研究的结果表明，相较于皮肤温度与热感觉之间的关系，皮肤温度变化率与热感觉的相关性更高。

此外，杜秀媛等人[14]研究了温度突变对人体热感觉和皮肤温度的影响。李百战等人[15]提出了一种简化的体温调节模型，该模型通过对温暖环境中平均皮肤温度的准确预测得到了验证。景胜蓝等人[16]在实验中测量了受试者人体不同部位的皮肤温度，收集了问卷调查结果，据此研究相对湿度对热舒适和皮肤温度的影响。李百战等人[17]研究了不同的生理指标，用于探究室内温度变化对人体热舒适的影响。研究结果表明室内环境温度与感觉神经传导速度及感觉神经测量段的皮肤温度密切相关。刘红等人[18]研究了瞬态热环境中的人体热感觉和皮肤温度。Takada等人[20]通过开展非稳态环境气候室实验，提出了一种基于皮肤温度及其随时间变化率的非稳态热感觉预测模型。

与整体热感觉预测相比，局部热感觉的相关研究较少。然而，在不均匀热环境中，身体的局部热感觉尤为重要。张慧等人针对非均匀和瞬态环境提出了局部和全身热感觉预测模型[36-37]。作者测量了代表身体19个部位的22个测点的局部皮肤温度，并通过对热感觉投票和皮肤及核心温度的回归建立预测模型。

熊静[19]对夏季不同瞬态环境下热感觉与皮肤温度的关系进行了实验研究。结果显示，当温度变化至相同水平时，温度突降后的整体和局部实际热感觉投票显著大于温度突增后的投票，这表明总体和局部热感觉的不对称性。数据分析结果表明整体和局部的热感和皮肤温度之间存在显著的相关性，而最敏感的部位依次是背部、手臂和腿部。整体热感觉和皮肤温度之间的皮尔逊相关系数为0.563。另外，头部，胸部，手臂，手部，腿部和脚部与整体热感觉的相关系数分别为0.546，0.414，0.537，0.546，0.576和0.460。对于稳定的热环境，刘蔚巍等人[38]认为人体平均皮肤温度可以作为反映人体热舒适的有效生理指标。

2.3 与心率变异性相关的热舒适实验

心率变异性是反映人体心血管系统功能的生理参数。通常，心率变异性的功率频谱可分为低频率（LF，0.04～0.15Hz），较低频率（LF，0.04～0.15Hz）和高频率（HF，0.15～0.4Hz）。刘蔚巍等人[24]在不同空气温度下采集了受试者的心电图，通过对心率变异性的分析发现，在不舒适条件下的LF/HF比例明显高于舒适条件（p＜0.05）。这个研究表明了交感神经活动对受试者的热舒适性有着很大的负面影响，而且LF/HF比例可以作为人体热舒适的一个重要指标。姚晔等人也通过实验证明了心率变异性与人体热舒适相关[39]。

Choi[51]将受试者分别安排在两个环境舱内，目的是研究在相同活动水平下，温暖或寒冷的环境是否对受试者心率有影响。数据表明，在活动量均相当于2.5个单位代谢当量的条件下，受试者在较为温暖环境下的心率显著高于较为寒冷环境。根据现代热舒适理论，代谢率是影响热舒适的重要因素。而心率与人体代谢率有很高的关联性，因此可将其称之为热舒适预测的潜在参数。

除此之外，熊静等人[21]探究了在温度突变环境下，诸多生理参数，包括血压，血氧饱和度，心率变异性，皮肤温度和心电等的变化情况。刘蔚巍等人[24]分析了在不同舒适等级下的人体HRV，并且讨论了人体热舒适的机制。分别在21，24，26，28，29和30摄氏度条件下，记录了受试者5分钟的心电图曲线，分析了心率变异性（低频带与高频带的绝对权值比例）。通过对皮肤温度和HRV的持续性测量的方法，兰丽等人[23]通过开展实验，研究了个性化送风设备是否对熟睡中的人有着负面影响，探索了心率变异性，皮肤温度（局部与平均），脑电和心电等对环境温度的响应和其与热舒适的关联性。

3 生理参数之间的个体差异

3.1 代谢率的个体差异

实际上，代谢率不仅与活动水平相关，即使确定了热环境因素和服装热阻，代谢率也会因性别，年龄，身体状况[33]和热经历等因素的不同产生差异。Arciero[40]进行了一项实验，研究静息代谢率的性别差异，结果表明男性的实际静息代谢率比女性高23%（p＜0.01）。为预测炎热工作环境中下不同年龄段男性的静息代谢率，Ueno[41]使用多变量分析法来预测不同环境温度，体重和体脂率下的代谢率。结果表明，在老年组中，环境温度与静息代谢率呈显著正相关，且体重和体脂率可以提高静息代谢率预测的准确性。Arciero[42]基于人体体重，身高和更年期状态的监测，提出了用于预测健康老年男性和女性的静息代谢率的实用方程。

3.2 皮肤温度的个体差异

为了更好地理解和使用热感觉和皮肤温度之间的相关性，应关注到皮肤温度在不同性别，年龄和地区人群中存在的差异。为了研究中国人在热舒适方面的性别差异，兰丽[43]在气候室实验中测量了皮肤温度，数据分析表明女性更喜欢中性或稍暖的环境。熊静等人[44]研究了人类对温度突变反应的性别差异。结果表明，面对温度突变环境，男性皮肤温度的稳定时间短于女性，平均皮肤温度的变化幅度小于女性。

对于年龄差异，Sawatari[45]通过在桑拿环境下展开实验，观察青年组（平均年龄22岁）和老年组（平均年龄68岁）的热应激反应。结果显示，两个年龄组的平均皮肤温度均显著升高，而在热环境下暴露10分钟后，老年组的平均皮肤温度升高幅度更大（老年组升高6.8℃，青年组升高6.0℃。p＜0.01）。Takada[46]测量了在常温和偏热环境条件下，两个不同年龄段组的热感觉。结果表明，在两种环境下的前臂和全身热感感知阈值，以及在常温下前臂的皮肤冷感感测阈值会随着年龄增长而下降。根据Garcia-Souto的研究[47]，幼儿的体温调节反应和热感觉与成年人不同。该研究调查了3～24月龄儿童的核心温度和局部皮肤温度特征，并将其与成年人进行比较。研究结果表明儿童的核心温度高于成年人，而额头和四肢温度会随着年龄的增长而升高。

3.3 心率变异性的个体差异

不同个体之间的心率变异性也不尽相同。基于主观问卷调查和生理参数测量，研究表明在不同舒适度等级下女性的LF/HF比例显著低于男性。在不舒适的温暖条件下女性的LF/HF比例和变化量大于较为寒冷的条件下，对于男性这一点正好相反[43]。另外，根据Anders的研究[48]，心率变异性也与睡眠有关。在他的实验中，记录了18名受试者的心率变异性模式，分析结果表明睡眠和交感迷走神经平衡有很高的相关性（r=0.53，p＜0.05）。