溫濕度突變對皮膚熱反應的影響范文

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《暖通空調雜志》2014年第七期

1研究方法

1．1氣候背景選擇在我國濕熱地區的典型城市廣州進行研究。廣州位于北緯23°08′、東經113°19′，7月平均氣溫為28．4℃，相對濕度為82％；夏季從5月中旬開始，至10月中旬結束［5］，長達5個月；冬季短暫，1月平均氣溫為13．3℃；全年氣溫日較差較小，為7．5℃。

1．2受試者選擇30名健康大學生作為受試者，其基本信息見表1。受試者要求出生和長期生活在珠三角地區（典型濕熱地區），已在安裝和使用分體空調的環境中生活1年以上，如此確保其在氣候適應和生活環境方面具有一定代表性。

1．3氣候室及實驗工況實驗在華南理工大學人工氣候室進行（見圖1）。氣候室包括2個相鄰小室，尺寸均為3．45m×3．25m×3．35m，其間由門相通。空氣經空調箱處理后，從孔板吊頂送入室內，由架空地板回風，形成活塞流，確保了小室內熱環境參數的均勻分布。小室內空氣溫度的控制范圍為10～40℃，控制精度達±0．2℃，相對濕度控制范圍為40％～90％，精度為±5％。實驗期間，空氣流速保持在0．1m／s左右，平均輻射溫度與空氣溫度近似相等（＜0．3℃）。實驗工況設計為中性→熱和中性→冷2種。前1種工況模擬從室內到室外、從空調區域到非空調區域的變化情況。熱工況設定2種溫度（29℃和32℃）和2種相對濕度（50％和70％）水平。后1種工況主要與前1種作對比，分析受試者在遇熱和遇冷條件下的不同反應。各工況的詳細參數見表2。根據溫濕度設定值和氣候室輻射及風速情況，對應夏季著裝（0．57clo）和靜坐狀態（1．0met），計算得到標準有效溫度和PMV，PPD等熱舒適指標，列于表2。由表2可知，所設計工況預計涵蓋了從中性→暖至中性→涼較大范圍的熱感覺變化情況。

1．4生理與心理測量測量的生理參數為皮膚溫度和心率。采用T型熱電偶測量皮膚溫度。為確保溫度探頭與皮膚表面接觸良好，避免貼附引起局部不適，將熱電偶探頭壓入2片半徑6mm的半圓光滑銅片中，并用透氣型醫用膠布將其貼附于皮膚表面。經恒溫水域標定，皮膚溫度測量的誤差為±0．2℃。采用HEM－7011型電子心率血壓計測量心率，量程為40～180min－1，精度為讀數的±5％。心理測量通過問卷進行，測量的主要心理反應為熱感覺、熱舒適、熱可接受度和潮濕感，所用投票標尺如圖2所示。其中，考慮實驗的高溫高濕工況，選用9點而非7點標尺作熱感覺投票；熱舒適和熱可接受度為常規標尺，用以測量熱感受；潮濕感投票用于考察溫濕度突變對人體潮濕感的影響。

1．5實驗步驟受試者在實驗前1天正常作息，在實驗前1h停止進食，到達實驗室后更換統一的標準服裝，包括短袖上衣、薄長褲和運動襪，考慮座椅的標準服裝熱阻為0．57clo。每次實驗時，受試者先在溫濕度適中的預備小室（對應于表2的工況0）靜坐休息，期間貼附皮膚溫度傳感器開始連續測量。30min后，測量心率，并作第一次問卷投票，而后進入突變環境的實驗小室（對應于表2的工況1～6）。以往研究顯示，人體熱反應在1h內可達穩定，據此設計實驗小室的暴露時間為1h。在實驗小室中允許小聲談話，但不能交流與實驗有關的內容。為獲取突變條件下人體熱反應的動態變化，在暴露初始的5min，以1min的密集間隔作投票；而后漸長，以3min和10min間隔投票，直至實驗結束。期間連續測試受試者的皮膚溫度，并在暴露0．5h和1h時作2次心率測量。實驗過程的心理和生理測量設計見圖3。實驗的起始時間依生理習服的變化規律而定。濕熱地區夏季漫長，溫度高，濕度大，夏季的熱習服較之冬季的冷習服更為明顯。有研究指出一般完成熱習服的平均時間為2周左右［13］。據此，選擇在室外日均氣溫超過30℃達2周后開始實驗，也即在2009年9月進行。30名受試者依不同順序參加6種突變工況的實驗，共計獲得180人次的實驗數據。

2研究結果與討論

2．1熱反應的動態變化

2．1．126→29℃工況26→29℃工況（工況1，2）下人體熱反應隨時間的變化如圖4所示。均值和標準偏差在圖中同時顯示，據此可查看30名受試者的平均狀態及其離散程度。另外，各種反應達到穩定的時間點也在圖中顯示。穩定時間按以下統計方法確定：先將突變初始時刻（也即0min）至最后時刻的反應作受試者內方差分析（within－subjectsANOVA），若結果為顯著，則將起始時刻依次向后調整，直至結果為無顯著性差異（即p＞0．05），此時對應的起始時刻即為反應達到穩定的時刻（即此時刻至最后時刻無顯著變化）。由圖4可知，26→29℃工況下，皮膚溫度呈逐漸上升趨勢，熱感覺則出現初始反應較強而后逐漸減弱的現象，也即類似于以往發現的冷感超越，出現熱感超越現象，尤其在70％相對濕度工況下更為明顯。與此對應，熱舒適和熱可接受度出現相似情況。從穩定時間看，心理反應的變化略超前于生理反應，熱感覺、熱舒適和熱可接受度均在1min內即達穩定，而皮膚溫度需3min達到穩定。潮濕感在初始時刻即達穩定，且與預備小室的中性環境相比，突變前后潮濕感的變化不顯著（p＞0．05）。比較2種濕度工況的反應，在突變的初始階段差別相對明顯，表現為高濕工況下具有較高的皮膚溫度、較強的熱和不適感以及較低的接受度，其后差別漸小。采用配對檢驗方法（pairedt－test）對比突變前后心率的變化，結果顯示，26→29℃工況下突變前后心率無顯著變化。

2．1．226→32℃工況26→32℃工況（工況3，4）下人體熱反應的逐時變化如圖5所示。26→32℃工況并未出現熱感超越現象，而心理超前現象較26→29℃工況更為明顯，熱感覺、熱舒適和熱可接受度均在第一時間，也即0時刻即達穩定，而皮膚溫度則在30～40min后才穩定。潮濕感的結果同前，即在初始時刻穩定，突變前后變化不顯著。濕度的影響在26→32℃工況更為顯著，高濕工況在初始和結束時刻均與低濕工況存在明顯差別。心率的對比檢驗顯示，低濕工況下心率未發生顯著變化，而高濕工況下突變后心率顯著提高。

2．1．326→23℃和26→20℃工況26→23℃和26→20℃工況（工況5，6）下人體熱反應的逐時變化如圖6所示。中性→冷工況下并未出現冷感超越現象，初始時刻的心理熱反應在絕對值上均接近或略低于其后時刻。心理反應的變化更為顯著地超前于生理反應，表現在心理反應在短時間內達到穩定，而皮膚溫度在60min內持續下降，直至實驗結束仍未穩定。26→23℃工況下心理反應在3min內達到穩定，26→20℃工況下熱舒適和熱可接受度的穩定時間較長，分別為11min和50min，熱感覺的穩定時間較短，在初始時刻即達穩定。潮濕感的結果同前。心率在突變后顯著降低。2．1．4與以往實驗結果的對比本文實驗結果顯示，中性→熱和中性→冷突變工況下，人體的心理熱反應變化均超前于生理熱應，體現在熱感覺、熱舒適、熱可接受度穩定較皮膚溫度快，且在中性→冷工況下更為明顯，這與以往的實驗結果一致。本文并未在中性→冷工況下觀察到冷感超越現象，而在部分中性→熱工況下觀察到相似的熱感超越現象。這說明，初始反應較為強烈而后逐漸減弱的初感超越現象，并不局限于突然遇冷的情況，突然遇熱的情況下也可能發生。與此相似，deDear等人在濕度突升的實驗中也發現了熱感超越的現象。將本文的冷熱工況相比可知，遇熱時皮膚溫度變化幅度小，穩定時間短；遇冷時不同，皮膚溫度變化幅度大，穩定時間長。這意味著人體的生理熱調節機能在遇熱時迅速有力，遇冷時遲鈍無力，這與以往的研究結果一致。潮濕感在突變初始時刻即達穩定，且不同溫濕度情況下潮濕感的區別較小，這與Tsutsumi等人在日本的實驗結果［6］一致。

2．2與兩節點模型的對比將實驗測得的平均皮膚溫度與兩節點模型的預測值相比，可以檢驗兩節點模型對我國濕熱地區人群的適用性。選用的兩節點模型以Gagge等人1986年提出的模型［14］為主要基礎，并參考ASHRAEhandbook［15］作局部調整，通過自編程序加以實現。輸入的工況參數包括所有熱環境物理參數、受試者的平均新陳代謝率、服裝熱阻、體重和表面面積。皮膚溫度調定點（也即對應最小生理熱調節反應和中性熱感覺的皮膚溫度）根據本文實驗結果，設為33．2℃（見2．3節），核心溫度調定點參考以往研究［16］設為36．6℃。對比結果如圖7所示。對比突變后40min接近穩態的反應可知，除工況3，4較為接近外，其余工況兩節點模型的預測值比實驗值高，高溫工況下偏差稍小，小于0．5℃，低溫工況下較大，超過1℃。對比突變后短時的動態反應，無論遇熱還是遇冷，兩節點模型預測得到的皮膚溫度變化都較實測情況更為遲鈍緩慢，表現在：實測得到的皮膚溫度在初始時刻隨環境突變有較大變化，而預測皮膚溫度的變化較小；遇熱工況下預測皮膚溫度的穩定時間更長。綜上可知，無論是穩態反應還是動態反應，兩節點模型均與本文實驗結果存在差別，無法直接應用。為得到適用于我國的生理反應模型，尚需以我國人群為對象，開展相應的人體傳熱和生理熱調節反應基礎研究。

2．3熱感覺與皮膚溫度的關系對所有工況下熱感覺與平均皮膚溫度逐時的均值作散點圖，查看突變前后熱感覺隨皮膚溫度的變化，結果如圖8所示。由圖8可知，突變環境下熱感覺的變化明顯超前于皮膚溫度的變化，體現在初始時刻熱感覺變化幅度較大而皮膚溫度變化幅度較小。為進一步了解它們之間的關系，將每種工況下30min后的反應視為穩態反應，對熱感覺（TS）與平均皮膚溫度（ts）的穩態值作回歸分析。由式（2）可知，對應熱感覺為中性的平均皮膚溫度，也即皮膚溫度的調定點，為33．2℃，這與以往的研究結果一致［1］。較熱時，熱感覺隨皮膚溫度上升而快速提高，較冷時，冷感覺隨皮膚溫度下降而緩慢增強，前者的變動趨勢明顯強于后者，也即皮膚溫度發生相同的變化，升溫時引起的熱感覺變化大于降溫，這也與以往的研究結果一致［1，9－10］。將動態變化曲線與穩態曲線作對比可知，中性→冷（熱）的突變工況下，熱感覺在初始時刻出現較為強烈的動態變化，顯著偏離了此時皮膚溫度對應的穩態值，而后逐漸回歸到穩態值附近。據此推斷，初始時刻皮膚溫度隨時間的變化率較大，是造成此現象的可能原因。

2．4熱感覺與皮膚溫度變化率的關系為了解熱感覺的動態變化與皮膚溫度變化率的關系，參考以往研究思路，將動態熱感覺（DTS）視為穩態項（TS）與動態項（TS′）之和。為確定動態項與皮膚溫度變化率的關系，按式（3）處理實驗數據，也即先按式（2）和逐時皮膚溫度計算熱感覺的穩態項，而后由動態熱感覺和式（3）計算得到動態項，熱感覺動態項與對應時刻的皮膚溫度變化率（此時刻的皮膚溫度減去上一時刻的皮膚溫度除以期間的時間間隔）的關系如圖9所示。由圖9可知，熱感覺的動態項隨皮膚溫度變化率的變化而變化，其中，突變初始時刻的皮膚溫度變化率較大，分散在兩邊，其后時刻的皮膚溫度變化率較小，集中在中間。將數據點分為初始反應和其后反應，分別作回歸。由式（4），（5）可知，熱感覺動態項與皮膚溫度變化率呈較好的線性關系，皮膚溫度變化率越大，動態項越大，最大可達1．3個熱感覺標尺刻度位。熱感覺動態項隨皮膚溫度變化率線性變化的趨勢在初始時刻較為平緩，在其后時刻較為陡峭，也即在其后時刻熱感覺隨皮膚溫度變化率的變化更為敏感。突冷、突熱的變化關系相近。以往研究也獲得了動態熱感覺與皮膚溫度變化率的線性關系，關系式中的斜率也即變化敏感度，要么恒定［2，8］，要么隨時間逐漸衰減［9］，均與本文得到的結果不同。另外，以往研究發現冷熱工況下敏感度不同，對突冷、突熱情況分列關系式，這也與本文的結果不同。

2．5熱感覺與熱舒適的關系有研究發現動態環境下熱舒適與熱感覺出現分離［17］，除熱感覺外，熱感覺隨時間的變化也可能影響熱舒適［18］，趨向中性的熱感覺變化率增加舒適感，遠離中性的熱感覺變化增加不適感。為分析突變環境下熱感覺與熱舒適的關系，參考2．3節方法，將突變30min后的反應視為穩態，之前的反應視為動態，穩態和動態情況下熱舒適隨熱感覺的變化如圖10所示。由式（6）可知，最為舒適的感覺并非中性，而是稍涼的感覺（－0．5），不適感的增加，隨冷感增強表現得更為強烈。

2．6熱感覺與熱可接受度的關系穩態和動態情況下熱可接受度隨熱感覺的變化如圖11所示。由圖11可知，穩態和動態情況下，熱可接受度與熱感覺呈近似關系，將所有反應匯總得其關系式由式（7）可知，稍涼的感覺（－0．5）對應于最高的接受度（0．5），接受度對冷感的變化較熱感更為敏感，可接受的熱感覺范圍為（－1．7，1．5）。

3結論

3．1中性→熱和中性→冷突變工況下，心理熱反應變化均超前于生理熱反應，也即出現心理超前現象；在部分中性→熱工況下觀察到熱感超越現象；中性→熱時皮膚溫度變化幅度小，穩定時間短，生理熱調節迅速有力，中性→冷時相反，皮膚溫度變化大，穩定時間長，生理熱調節遲鈍無力；潮濕感在突變初始時刻即達到穩定，且在突變前后變化不顯著。

3．2突變條件下的熱感覺與皮膚溫度及其隨時間的變化率有關，隨皮膚溫度呈二次多項式關系，隨皮膚溫度變化率呈線性關系，且在初始時刻與其后時刻關系有所不同。

3．3式（2）～（7）可用于預測濕熱地區人群在突變環境下的人體心理熱反應，適用于濕熱地區人群的生理反應模型尚待更多基礎研究的開展。

作者：張宇峰張軍 陳慧梅孟慶林單位：華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室中國能源建設集團廣東省電力設計研究院佛山益康置業有限公司華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室