登樓梯能量消耗的測量與統計方法研究

王 歡，鄭迎東，張彥峰，江崇民

1 前言

上下樓梯是日常生活中常見的身體活動方式。爬樓梯既可以健身，也可以成為一種有用的檢測心肺功能的手段或方式。本研究對公共高層建筑內上下樓梯的能耗進行了實際測量，為掌握登樓梯耗能狀況以及能耗測量和計算方法積累了經驗，為今后能耗測量的深入研究提供一些有益的啟示[1]。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

20～25歲大學男生9名，20～25歲大學女生10名， 50～55歲老年男性11名，樣本量共計30人。研究對象身高的范圍：女性：152～170 cm，男性：164～190 cm。體重的范圍：女性：44～66 kg，男性：50～87 kg。

表1 本研究對象的數量與分類情況一覽表

2.2 樓梯的選擇

本研究選用12層高樓，每級臺階高度16 cm，共204級臺階，垂直距離32.6 m。每個樓層間有一個平臺（約3 m2)。

2.3 實驗方法

受試者爬樓時要求步伐輕快而平穩，節奏連續，每步一級臺階，不允許跑步或者停止。通過節拍器控制受試者登樓梯的速度，每位受試者完成兩次（兩個來回)登樓梯測試，第一次為90步/min，第二次為100步/min，前一個頻率代表較慢的登樓梯速度，后一個代表普遍習慣的登樓梯速度。每完成一次上樓梯或者下樓梯休息3～5 min，待心率恢復安靜水平，再進行下一次上下樓運動。

2.4 測量儀器與指標

通過便攜式肺功能儀（德國 CORTEX MetaMax 3B)測量受試者的耗氧量、通氣量、能耗、心率、呼吸商、氧脈搏等指標。

2.5 統計方法

采用均數和標準差對測量數據的一般狀況進行描述；采用獨立樣本t檢驗均值間差異。采用多項式回歸模型建立登樓梯能耗預測方程。

3 結果與分析

3.1 登樓梯能量消耗的特征

在登12層樓的過程中，耗氧量隨時間的變化特征如下圖所示。耗氧量的時間變化曲線先是急劇上升，在爬到5～6層時（70 s)出現明顯的拐點，呈現平臺狀，進入穩定階段。

從12層樓下來的過程中，耗氧量的變化幅度明顯小于上樓梯，在下樓梯20 s左右耗氧量和心率趨于穩定水平。

國外相關研究表明，上下樓梯的能量消耗比是3∶1[5，8]，也就是說，下臺階所需的能量是上臺階的 1/3。本研究所測得的上下樓梯的能量消耗比是2.7∶1，與文獻報道接近。

圖1 登12層樓耗氧量的時間變化曲線圖

3.2 登樓頻率與能耗

氧耗值進入穩定階段的測量值見表2，以步頻100步/ min上下樓和的氧耗值顯著大于90步/min（P＜0.05)，表明運動強度越大耗氧量越大。在本研究前期的預實驗中，分別測量了80步/min、90步/min和100步/min登樓梯步頻的氧耗值，測量結果表明，隨著步頻的提高，耗氧量相應增加，兩者呈線性關系。經過實際觀察和相關文獻研究[6]，90步/min和100步/min的登樓梯步頻更能代表日常生活的典型負荷，故以其作為正式實驗的登樓梯速度。

表2 登12層樓穩態期的氧耗值一覽表 （ml/kg/min)

3.3 受試者生物性因素與能耗

受試者的年齡、性別、體重、身高、鍛煉水平等生物學特征是影響能耗大小的主要因素。本研究結果表明，在90步/min和100步/min的上樓梯活動耗氧量有明顯的年齡和性別差異。20歲組男性的耗氧量顯著高于50歲組男性和20歲組女性，在100步/min上樓頻率上具有統計學意義（P＜0.05)。下樓梯耗氧量年齡、性別間差異小于上樓梯，仍表現為男性大于女性、年輕人大于老年人的特點。

完成相同負荷的登樓梯運動時，性別和不同年齡之間的單位體重耗氧量存在明顯差異，可能與人群間的下肢肌肉力量、動作幅度差異有關。同女性和老年人相比，青年男性下肢肌肉力量大，動作幅度大，相對運動強度要高于老年人和婦女，所以氧耗要高于老年人和婦女[6]。

3.4 登樓時間的考量

在樓梯能耗測量時選擇多高的建筑，或者說讓受試者爬多長時間的樓梯也是測量方法學研究的一項任務。適合的樓層可以讓受試者在爬樓梯過程中生理機能進入穩定狀態，測量這個時期的能耗數據能夠反映該項運動的代謝水平。

本研究受試者以90步/min爬上12層樓用了2 min 40 s，以100步/min爬上12層樓用了2 min 24 s，在2 min多時間內，一些受試者的耗氧量和心率趨向于平穩，大約發生在90～120 s，但不是所有的參與者的生理指標都可以達到穩定狀態。我們知道，公認的是至少需要3 min時間，一項活動才考慮主要是有氧運動。本研究爬樓測試的時間（2 min 20 s～2 min 40 s)可能因為測試持續時間短而影響生理指標進入穩態，解決的方法有二，一是增加樓層高度，讓受試者爬很長的樓梯，直到代謝水平達到穩態水平。但是樓層過高受試者不能耐受，尤其是老年人群，到底多高的樓層適合登樓梯能量消耗測試還需要進一步研究。二是在上樓梯之前進行幾分鐘的熱身活動[6，7]，可以減少到達穩定狀態所需的時間。

3.5 登樓梯能耗預測方程的建立

從圖1可以看到，登樓梯的能耗變化主要分為兩個階段，第一階段為急劇上升期（6層以下)，第二階段為穩定階段（6層以上)。兩個階段能耗變化速率不同，需要建立不同的計算方法。目前國外的登樓梯能耗估算方法——能耗速率常數運動時間[4]，只適用于穩定階段的能耗估算，用這種方法估算6層以下的登樓梯能耗必將造成很大誤差。而第一階段（6層以下)的能耗測算特別具有現實意義，在實際生活中，多數人登樓梯運動時間很短不會超過6層。

本研究正是根據登樓梯能耗的時間變化特征采用多項式回歸建立預測方程?？梢怨浪銖?層到12層登不同樓層的能耗值，并通過引入出身高、性別、年齡因子提高了預測方程的準確性。

當登樓頻率為90/min，氧耗速率（ml/Kg/min)y（90)的擬合函數為：

其中，當組別為男20歲組，G1=1，G2=0；當組別為女20歲組，G1=0，G2=1；當組別為男50歲組，G1=0，G2=0； H為身高（cm)，t為運動時間（min)。

當登樓頻率為 100/min，氧耗速率（ml/Kg/min)y （100)的擬合函數為：

其中，當組別為男20歲組，g1=1，g2=0；當組別為女20歲組，g1=0，g2=1；當組別為男50歲組，g1=0，g2=0；H和t的涵義同上。

耗氧速率y（m l/Kg/min)可視為耗氧量 ˙VO2（ml/Kg)對時間t的微分，有

y=d˙VO2/dt=〉d˙VO2=ydt

因為y為時間t的函數（式1，式2)，記y=f（t)，對于給定運動時間t的耗氧量˙VO2（T)，有

分別將（式1)、（式2)代替（式3)中的 f（t)，即可計算各人群在不同的運動速率下，不同運動時間所對應的耗氧量。假定登樓梯是一勻速過程，可將時間t換算成樓層數，從而計算從1層到12層不同樓層耗氧量。表3為依據計算數據制作了耗能查詢表（以20歲男性為例)，使用者只需根據自己的年齡、性別、身高、體重情況查表可以知道自己登不同樓層時消耗的能量值。例如，一位20歲男性，身高170 cm，體重70 kg，登6層樓消耗的氧耗值為26.8470=1 878.8 ml，根據氧熱價估算其能耗約9.3 kcal。

表3 20歲男性登樓梯氧耗查詢一覽表（步頻：90步/m in) （ml/kg)

4 小結

上下樓梯的頻率[7]、臺階的高度[4，7]、樓層的高度、受試者的年齡、性別、身高生物性因素[2]都是影響登樓梯能耗測量結果的主要因素。在實施測試工作時，根據不同的研究目的，控制好這些影響因素，以求測試過程的規范化和標準化，測試結果的準確性和可比性。

本研究顯示，為掌握一般人群日常登樓梯的能量消耗狀況，在高層建筑物內實際測量時，樓層的選擇至少不低于12層（每個臺階16 cm)，這樣受試者爬樓時生理指標才能逐漸進入穩定狀態。上下樓梯的頻率90～100步/min可以代表日常登樓速度。此外，受試人群的選取上要保證性別、年齡段（青年、中年、老年)之間的均衡，以求樣本的代表性好。

本研究根據登樓梯能耗的時間變化特征建立了能耗預測方法，能準確反映日常爬不同樓層的能量消耗值。此外，依據擬合函數的計算數據繪制了不同樓層的能耗預測表，以方便人們根據自身情況直接查詢實際消耗能量。

[1]吸組耀.人體能量消耗的測定[J].生物學通報，1958，（9)：51-53.

[2]李潔輝，丸山仁司.不同上下臺階方式的能量消耗分析[J].中國康復理論與實踐，2003，9（10)：42-47.

[3]趙文華，叢琳.體力活動劃分：不同類型體力活動的代謝當量及體力活動的分級[J].衛生研究，2004，33（2)：15-18.

[4]周永平，沈國琴.不同高度臺階試驗后心率反應、心率下降斜率與˙VO2max、12 min跑、臺階指數關系的實驗研究[J].體育科學，2005，25（1)：21-27.

[5]ABDUL RASH ID AZIZ，KONG CHUAN TEH.Physiological responses to single versus double stepping pattern of ascending the stairs[J].Physiol Anthropol Appl Human Sci 2005.24（4)： 253-257.

[6]BASSETT DAV ID R，VACHON JOHN A，KIRKLAND ARISTOTLE O，et al.Energy cost of stair climbing and descending on the college alumnus questionnaire[J].Physical Fitness Performance，1997，29（9)：1250-1254.

[7]E ROVELL I，P AFHEMO.Physiological characteristics of the“Step”exercise[J].Int Z angew Physiol einschl A rbeitsphysiol， 1963，20：190-194.

[8]KONG CHUAN THE，ABDUL RASH ID AZIZ.Heart rate，oxygen up take，and energy cost of ascending and descending the stairs[J].Med Sci Sports Exe，2002，34（4)：695-699.