中國南北人群在中性環境下的生理適應性和主觀評價

林宇凡，楊柳，任藝梅，鄭武幸

(西安建筑科技大學 a.土木學院；b.建筑學院，西安 710055)

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中國南北人群在中性環境下的生理適應性和主觀評價

林宇凡a，b，楊柳b，任藝梅b，鄭武幸b

(西安建筑科技大學 a.土木學院；b.建筑學院，西安 710055)

研究中國南北人群在中性環境下，生理適應的自主神經調節和主觀評價差異。采用實驗設計，遴選16名南方大學生和16名北方大學生，測試生理參數，包括皮膚溫度、心率、心率變異性(HRV)、血容量(BVP)、肌電(EMG)，填寫主觀問卷。實驗結果發現：1)中性環境，北方人群感覺是舒適的，各項評價指標接近中性和適中，數據較集中；南方人群感覺稍熱，評價數據較離散，但熱舒適(TCV)(p=0.106>0.05)、可接受程度(p=0.838>0.05)等幾個主觀評價與北方人群相比沒有顯著差異，說明南方人群有較寬的熱中性溫度區和較好的環境忍耐力；2)南北人群在中性環境下，平均皮膚溫度有顯著差異(p=0.006<0.05)，且身體軀干部位的皮膚溫度顯著高于四肢皮膚溫度(p=0.009<0.05；p=0.043<0.05；p=0<0.05；p=0<0.05；p=0.002<0.05)，四肢皮膚溫度差異不顯著,肌電無顯著差異(p=0.961>0.05)。心率和心率變異性的LF/HF比值，均值有差異，但不顯著((p=0.265>0.05；p=0.618>0.05)，但BVP有顯著差異(p=0<0.05)。

地域；中性環境；生理適應性；主觀評價

基于現場研究的熱適應模型發現了室內熱中性溫度與室外氣候有緊密的聯系，但熱適應模型研究思路是關注熱中性溫度與氣候要素建立函數關系，關注的是結果，忽略了二者建立函數關系的生理適應機理的揭示。因此，有學者開始關注生理熱適應，更多地關注人體在偏冷和偏熱環境下的生理反應，包括寒冷季節體溫調節規律[1-3]；人體皮膚溫度差異與熱感覺(TSV)、熱舒適(TCV)[4-6]；人體的耐受生理指標及耐受性[7-9]；人體電生理參數研究[10-11]。上述研究雖然揭示了生理熱適應對熱舒適的影響機理，但現場熱舒適研究發現中國南北人群的熱中性溫度區有明顯差異。在中國，秦嶺淮河線是中國南北分界線，它是以氣候、溫度和降水量為劃分依據。在氣候上，秦嶺淮河線是南方亞熱帶季風氣候和北方溫帶季風氣候的分界線；在氣溫上，秦嶺淮河線是1月平均溫度南方地區0 ℃以上和北方地區0 ℃以下的分界線；在降水上，秦嶺淮河線是水量800 mm以上(南方地區)和800 mm以下(北方地區)的分界線。氣候、溫度和降水量的差異使中國南北人群的生活方式、飲食習慣等有顯著差異，這條分界線也是中國冬季采暖和非采暖的分界線，導致南北人群對氣候的適應能力有顯著差異[12-14]，但從生理適應性的角度揭示這個差異的文獻很少，特別是還沒有文獻從人體生理適應的自主性調節來解釋這個差異。人體在適應環境時，除了行為性體溫調節外，還有自主性體溫調節，即通過調節其產熱和散熱的生理活動，如寒顫、發汗、血管舒張收縮等，以保持體溫相對恒定的調節過程。這個調節過程主要由自主性神經調節完成。因此，論文以北方地區人群和南方地區人群為研究對象，采用實驗研究，目的是發現我國南北人群生理適應的自主性調節和主觀感受的差異，揭示人體在中性環境下的生理適應機理，完善熱適應模型。

1 實驗方法與材料

1.1 測試者

分別遴選16名來自北方地區的大學三年級學生和南方地區的大學一年級新生。北方地區學生全部選擇出生在北方且一直在北方地區生活學習，已適應的北方氣候環境；南方地區學生全部選擇出生在南方，在南方地區生活學習，測試時已在西安生活學習2個半月，尚未適應北方氣候環境。南北人群的體重均值、身高均值和年齡均值分別是59.18 kg、171.06 cm、18.5歲和65.56 kg、171.25 cm、20.75歲。實驗對測試者的要求有：測試者身體健康；測試者應確保實驗當天身體狀況和精神狀態均良好；實驗前保持皮膚清潔，避免干擾生理指標的正常測試；測試前，對測試者進行動員，包括閱讀實驗說明書和主觀問卷調查；按照ASHRAE標準[15], 要求測試者服裝為：內衣褲(0.04 col)、普通秋衣秋褲(0.2 col+0.15 col)、薄外衣和薄外褲(0.22 col+0.28 col)、普通短襪(0.03 col)、單鞋(0.04 clo)，測試者需衣著寬松，禁穿緊身衣服；實驗階段保持安靜，保持坐姿進行測試。

1.2 人工氣候室

氣候室平面尺寸4.2 m×2.6 m，高度3.3 m。氣候室內設空調，調節空氣溫度。空調型號KFR-26GW(26556)FNDc-3；制熱面積10～15 m2，制熱量3 500 W，制熱功率1 075 W。循環風量610 m3/h。

1.3 室內熱環境測試參數和儀器設備

室內熱環境參數(室內空氣溫度、室內空氣濕度、室內風速)的測試方法參照ISO-7726[16]標準進行，在進行測試之前，對測試儀器進行了調試和校核。測試儀器距離測試者50 cm以內處。環境參數測試儀器是溫濕度計(RT-72ui；自記式；精度±0.3 ℃；精度±5%)；微風儀(SWA03；手持式；精度±0.03 m/s)。

1.4 主觀問卷設計

問卷內容涉及測試者對室內環境參數的主觀評價、主觀感覺的評價和主觀生理感覺的評價3個方面。

1.5 生理參數及儀器設備

人體適應性的自主性調節是通過神經中樞下丘腦綜合分析后，由交感神經和迷走神經的活躍或低迷變化導致皮膚血液流量、皮膚溫度、骨骼肌放電等發生變化，調整人體的產熱和散熱，保持人體體溫相對穩定。因此，生理參數選取心率、心率變異性(HRV)(采用頻域分析法)觀察交感神經和迷走神經的變化、指尖脈搏血容量(BVP)觀察皮膚血液流量來判斷血管舒張或收縮狀態、皮膚溫度指標觀察皮膚溫度變化、肌電量(EMG)觀察骨骼肌放電。

皮膚溫度通過熱電偶測出(Pt1000精度±0.1 ℃)；心率變異性(HRV)、心率、通過生理參數檢測儀測出(天津京津醫療器械廠)，生參儀見圖1和圖2，數據通過生參儀軟件讀取；指尖脈搏血容量(BVP)、肌電(EMG)通過生理參數反饋儀測出(荷蘭Spirit-Mind生物反饋技術公司)；EMG指標選擇人體背部斜方肌，貼附一次性肌電電極片(可用一次性心電電極片代替)，然后連接肌電電極連線，與測試軟件連接測出。

圖1 生理參數記錄檢測儀Fig 1 Physiological parameters

圖2 生參儀佩帶示意圖Fig 2 A sketch of wearing physiological parameters

1.6 實驗流程

實驗在西安建筑科技大學綠色建筑研究中心氣候室進行，考慮南方人群在西安居住時間越長，對北方氣候產生生理適應性可能性會增強，雖然有文獻發現[8]居住在日本的熱帶人居住時間長達61個月，熱帶人的生理適應特點依舊有保留，但考慮到實驗的準確性，實驗在2014年12月進行，這時南方人群在西安居住較短，尚未形成對北方氣候的生理適應。實驗時間全部選擇在白天進行。實驗流程見表1。

表1 實驗流程表Table 1 Experimental process table

1.7 數據整理和分析方法

室內環境參數、測試者基本信息、主觀問卷調查、皮膚溫度數據通過人工錄入，在EXCEL里匯總成表。心率、心率變異性(HRV)通過生理參數記錄檢測儀數據分析軟件(北京保邁科技有限公司)讀取。指尖脈搏血容量(BVP)和肌電(EMG)數據通過16通道認知神經生物反饋測試儀軟件讀取。

平均皮膚溫度采用不同部位測得的皮膚溫度乘以該部位占體表面積的百分比再相加[17]，計算式為

式中:Tmsk為平均皮膚溫度,℃；Ti為各區域皮膚溫度,℃；Si為對應區域面積,m2。

皮膚各部位測點溫度采用14點，此外，再增加測試了左手指和左腳指兩點。14點平均皮膚溫度計算公式為

心率、心率變異性(HRV)數據通過生參儀分析軟件進行，可通過分析處理和結果回顧得到信號波形，分析后的數據可以導出并在EXCEL里匯總成表。指尖脈搏血容量(BVP)和肌電(EMG)數據通過生物反饋儀軟件進行，通過分析界面看到信號波形，分析數據后導出在EXCEL里成表。見圖3和圖4。

圖3 BVP波形圖Fig 3 BVP Waveform

圖4 EMG波形圖Fig 4 EMG Waveform

采用SPSS22.0版數理統計軟件對實驗數據進行統計學分析。中性環境下南北人群的差異性分析采用獨立樣本T檢驗。數據分析前，先分析數據是否符合正態分布，采用3種方法分析，分別是直方圖分析、Q-Q圖分析和非參數K-S檢驗，檢驗結果符合正態分布，采用上述方法，不符合正態分布，采用非參數秩和檢驗。上述統計分析方法均以P<0.05為差異，有統計學意義。

2 實驗結果

2.1 環境參數測試結果

室內熱環境參數的測試結果見表2。表中對中性環境的環境參數進行了描述性統計分析，包括測試數據的統計量及總和、數據極大值、極小值、平均值、標準差的統計量。通過統計分析表明，室內熱環境參數的測試均控制良好。

表2 中性環境測試結果統計表Table 2 Statistics table of neutral environment test results

2.2 主觀問卷調查結果

圖5描述了南北人群在24 ℃的中性環境下的主觀問卷調查結果。包括6個問題，分別是對24 ℃環境下的潮濕感、氣流感、熱感覺(TSV)、熱舒適(TCV)、期望溫度和對環境可接受程度的主觀評價。由圖5(a)(b)看出，南北人群對室內濕度和室內風速的評價均接近于適中，但北方人群的評價要好于南方人群；由圖5(c)看出北方人群的熱感覺(TSV)好于南方人群，評價指標約為0.2，而南方人群的評價指標約為0.6，說明這個中性環境對于南方人群來說是稍熱的；但從圖5(d)看出，雖然南北人群的熱感覺(TSV)有少許差異，但熱舒適(TCV)差異不大，評價指標均接近中性；圖5(e)看出，北方人群對這個環境溫度是滿意的，因此評價指標約為2，既希望溫度保持不變，而南方人群卻認為稍熱，評價指標約為2.4；但從圖5(f)看出，南北人群對這個環境的可接受程度評價差異不大，指標均約為1.5，這個指標介于“剛剛可接受”和“完全可接受”之間。

主觀問卷調查另外3個問題，分別是出現什么生理反應、與上次比較出現什么生理癥狀和說出環境不太舒適的原因。研究發現，北方人群在中性環境下沒有生理反應，93.75%的人沒有生理癥狀，12.5%的人表示環境舒適，提出環境不舒適的原因較多，主要集中表示空氣悶；南方人群有12.5%人出現排汗生理反應，12.5%的人出現手冷和腳冷癥狀，提出環境不舒適的原因也主要集中表示空氣悶，占68.75%。被測試人員的上述反應與實驗設計的風速有關，還有本次實驗在2014年12月進行，室外的環境溫度也會影響測試者出現局部手冷腳冷癥狀。

圖5 主觀問卷調查高低圖Fig 5 high and low figure of subjective questionnaire

綜上所述，本次實驗設計的中性環境，北方人群感覺是舒適的，各項評價指標接近中性和適中，數據較集中；南方人群感覺稍熱，評價數據較離散，但熱舒適(TCV)、可接受程度、出現的生理癥狀、評價環境不舒適的原因這幾個主觀評價與北方人群相比沒有顯著差異，數據均較集中，說明南方人群有較寬的熱中性溫度區和較好的環境忍耐力。

2.3 生理反應實驗結果

由圖6看出，南方人群平均皮溫高于北方人群。由圖7看出，除左手外，身體各部位皮溫均高于北方人群，特別是軀干部位的皮溫顯著高于北方人群。南方人群左手皮溫低于北方人群，是因為實驗在冬季進行，實驗前，作者調查發現，南方人群衣著量普遍少于北方人群，通過咨詢得知南方人群認為北方冬季不冷，故無需穿太多衣服，加之左手暴露于寒冷環境中，影響了左手溫度，作者在隨后的指尖脈搏血容量(BVP)測試中，通過對左手指的測試，也印證了這個結論。

圖6 南北人群平均皮膚溫度Fig 6 Average skin temperature between residents of southern and northern

圖7 南北人群各點皮膚溫度Fig 7 skin temperature between residents of southern and

由圖8～9看出，中性環境下，南北人群心率沒有明顯差異，心率值約為82～85次/min。南北人群的心率變異性(HRV)有少許差異。北方人群LFNU稍高，HFNU稍低，LF/HF稍高。根據心率變異性(HRV)頻域分析方法可知[18-19]，LFNU和HFNU分別反映交感神經和迷走神經對心率調控的一個相對水平，LF/HF比值反映交感神經和迷走神經活動的平衡狀態。中性環境下，南方人群的LF/HF比值稍小于北方人群，反映交感神經和迷走神經活動的平衡狀態稍弱于北方人群，實驗結果印證了前面對南北人群的主觀問卷調查得知，南方人群認為這個環境稍熱，因此，交感神經和迷走神經活動的平衡狀態稍弱于北方人群。

圖8 南北人群心率Fig 8 Heard rate between residents of southern and northern

圖9 南北人群心率變異性Fig 9 HRV between residents of southern and

生理參數反饋儀的指尖脈搏血容量通過傳感器測量指尖血液流量。每次心跳過程中，血液流過動脈和皮膚血管，血流量最大時，血容量信號最強，即波峰,見圖3。波峰的高度表示此時手指血流量與血管舒張或血管收縮之間的關系。信號波通過軟件分析裝換成數據，通過數據大小判斷手指血管的舒張和收縮。由圖10看出，北方人群的BVP顯著高于南方人群。北方人群的BVP值約為40～50 mV，南方人群的BVP值約為20 mV,作者在論述中性環境下南北人群左手及左手指皮膚溫度差異時已經闡述。由圖11看出，中性環境下，南北人群的肌電量(EMG)均值差異不大，約為16.7 uV。南北人群肌電數據離散程度差異也不大，數據中位數有少許差異，南方人群中位數稍低于北方人群。

圖10 南北人群指尖脈搏血容量Fig 10 BVP between residents of southern and northern

圖11 南北人群肌電量圖Fig 11 EMG between residents of southern and

3 中性環境下南北人群的差異性分析

3.1 主觀評價差異性分析

表3～4是南北人群在中性環境下中的TSV和TCV主觀投票差異性分析的非參數秩和檢驗結果。秩均值是秩和除以樣本量得出。南方人群的TSV秩均值大于北方人群，且差異顯著(p=0.013<0.05)。但TCV的秩均值差異不顯著(p=0.106>0.05)。

表3 秩Table3 Rank

表4 檢驗統計量Table 4 Statistic test

其它主觀評價差異性分析發現，南北人群的潮濕感評價和環境可接受程度評價無顯著差異(p=0.381>0.05；p=0.838>0.05)；氣流感評價和期望溫度評價有顯著差異(p=0.03<0.05，p=0.016<0.05)。

3.2 生理參數結果差異性分析

表5～6是南北人群的平均皮膚溫度的差異性分析結果。分析發現，中性環境下，南方人群平均皮膚溫度均高于北方人群。

表5 檢驗統計量Table 5 Statistic test

表6 獨立樣本檢驗Table 6 Independent sample test

表6是南北人群在相同環境下的平均皮膚溫度獨立樣本T檢驗分析結果。中性環境下，F=0.373，p=0.546>0.05，說明滿足假設方差相等。則t=-2.964,p=0.006<0.05；說明南北人群平均皮膚溫度有顯著性差異。

除左手和左手指外，南方人群皮膚溫度均值均高于北方人群，但只有胸、腹、腰、大腿前側、大腿后側、左手指有顯著差異(p=0.009<0.05；p=0.043<0.05；p=0<0.05；p=0<0.05；p=0.002<0.05；p=0.017<0.05)。南方人群在中性環境下心率值低于北方人群，分別為82.99次/min(南)和84.52次/min(北)，但無顯著差異(p=0.265>0.05)。北方人群的LF/HF秩和和秩均值比南方人群稍高，但差異不顯著(p=0.618>0.05)。同樣，心率變異性(HRV)的低頻(LFNU)和高頻(HFNU)也呈上述結果,中性環境下差異不顯著(p=0.365>0.05；p=0.368>0.05)。北方人群在中性環境下的BVP均值均高于南方人群，且均有顯著性差異(p=0<0.05),但南北人群在中性環境下的肌電均值有少許差異，肌電均值分別為16.7 uV和16.76 uV，但無顯著性差異(p=0.961>0.05)。

綜上所述，南北人群在中性環境下，平均皮膚溫度有顯著差異(p=0.006<0.05)，并且，身體軀干部位的皮膚溫度顯著高于四肢皮膚溫度(p=0.009<0.05；p=0.043<0.05；p=0<0.05；p=0<0.05；p=0.002<0.05)，四肢皮膚溫度差異不顯著。心率、心率變異性的LF/HF比值和肌電量均值有差異，但不顯著(p=0.265>0.05；p=0.618>0.05；p=0.961>0.05)，但BVP有顯著差異(p=0<0.05)。

4 結 論

通過對人體在中性環境的生理適應性機理實驗研究，結合實驗結果和數理統計分析，得出以下結論。

1)在中性環境中，北方人群感覺是舒適的，各項評價指標接近中性和適中，數據較集中；南方人群感覺稍熱，評價數據較離散，表現為氣流感(p=0.03<0.05)、熱感覺(TSV)(p=0.013<0.05)、期望溫度(p=0.016<0.05)有顯著差異，但熱舒適(TCV)(p=0.106>0.05)、可接受程度(p=0.838>0.05)、出現的生理癥狀、評價環境不舒適的原因這幾個主觀評價與北方人群相比沒有顯著差異，數據均較集中，說明南方人群有較寬的熱中性溫度區和較好的環境忍耐力。

2)在中性環境下，平均皮膚溫度有顯著差異(p=0.006<0.05)，并且，身體軀干部位的皮膚溫度顯著高于四肢皮膚溫度(p=0.009<0.05；p=0.043<0.05；p=0<0.05；p=0<0.05；p=0.002<0.05)，四肢皮膚溫度差異不顯著。心率、心率變異性的LF/HF比值和肌電量均值有差異，但不顯著(p=0.265>0.05；p=0.618>0.05；p=0.961>0.05)，但BVP有顯著差異(p=0<0.05)。

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(編輯 胡玲)

National Outstanding Youth Science Fund of China (No. 51325803); Soft Science Research Project of Mohurd (No. 2015-R1-007).

Physiological adaptability and subjective evaluation between different regions residents in neutral environment

Lin Yufan1,2,Yang Liu2,Ren Yimei2,Zheng Wuxing2

(a.School of Civil Engineering;b.School of Architecture,Xi'an University of Architecture and Technology University, Xi'an 710055, P.R. China)

The difference on physiological adaptation of autonomic nervous regulation and subjective evaluation between residents of southern and northern in a neutral environment in China were studied. Using the experimental design, selection of 16 south college students and 16 north of the college students, the physiological parameters test including skin temperature, heart rate, heart rate variability (HRV), blood volume pulse(BVP), electromyography(EMG), Filling in the subjective questionnaire. The results showed that: 1) the north crowd feeling was comfortable, evaluation index was near to neutral and moderate, data was relatively concentrated compared with the south people feeling was a bit hot, evaluation data was discrete in neutral environment, but thermal comfort (TCV) (p= 0.106 > 0.05), an acceptable level (p= 0.838 > 0.05) were no significant differences compared with the north people; 2) The average skin temperature had significant difference (p= 0.006 < 0.05), and the body skin temperature was significantly higher than limb skin temperature(p=0.009<0.05；p=0.043<0.05；p=0<0.05；p=0<0.05；p=0.002<0.05), limb skin temperature difference was not significant, electromyography was not significant difference (p= 0.961 > 0.05). Heart rate value and LF/HF value of heart rate variability were both differences, but not significance(p=0.265>0.05；p=0.618>0.05). But BVP was significant difference (p= 0 < 0.05).

region; neutral environment; physiological adaptability; subjective evaluation

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.05.017

2015-12-21

國家杰出青年科學基金(51325803); 住建部軟科學研究項目(2015-R1-007)

林宇凡(1974-)，女，副教授，博士生，主要從事建筑氣候與節能研究,(E-mail)376077580@qq.com。

楊柳(通信作者)，女，教授，博士生導師,(E-mail)626224056@qq.com。

TU111.3

A

1674-4764(2016)05-0130-08

Received:2015-12-21

Author brief：Lin Yufan(1974-)，associate professor, PhD condidate, main research interests: bioclimatic building and energy saving, (E-mail)376077580@qq.com.

Yang Liu(corresponding author),professor,doctoral supervisor,(E-mail)626224056@qq.com.