與生理參數相關的熱舒適實驗研究綜述

儲向陽 于航*焦瑜 王梓

同濟大學機械與能源工程學院

早期的國際熱舒適標準[1-2]主要通過預測平均熱感覺投票——PMV（Predicted Mean Vote）方法預測熱感覺，該方法基于Fanger在20世紀70年代提出的熱平衡模型[3]。PMV模型認為熱感覺可作為人體活動水平，服裝熱阻和四個經典熱環境參數（空氣溫度，平均輻射溫度，空氣速度和濕度）的函數[4]。PMV模型在世界各地的具備暖通空調系統的氣候室和現場研究中得到了很好的應用。近年來，許多現場調研結果表明，在實際建筑中，PMV模型預測的舒適區相對較窄，在溫暖氣候區沒有暖通空調系統的建筑中，PMV模型預測的熱感覺比居住者實際熱感覺更暖[5]。

為了提高傳統熱舒適模型預測的準確性，提出了熱適應模型。熱適應模型是基于熱舒適現場調研得到的結果[6]，模型認為人是與環境進行多重反饋活動的積極交互者。而PMV模型則將人視為特定熱環境的被動接受者。

Humphreys[7]研究了室內舒適溫度與室外月平均溫度之間的關系，并發現自然通風建筑和采暖空調建筑存在明顯區別。他將這種差異歸因于各種適應性行為產生的微小影響的累計作用，這些行為可能是生理，心理和社會文化等等方面的[6]。但忽略了這些適應性行為和熱舒適之間的相互作用影響，只使用室外溫度來計算舒適溫度，這屬于經驗性的黑箱方法。姚潤明[8]曾提出一種基于黑盒理論的熱適應模型，提出用“適應系數”來修正PMV模型預測結果。

Brager和de Dear[5]通過對相關文獻進行綜述得出三種熱適應模式：行為，生理和心理適應。進一步表示，在相對溫和的建筑環境下，相較行為調節和熱期望產生的影響，緩慢的生理適應過程對熱適應產生的影響非常小。盡管如此，生理適應的證據依然存在，特別是在高溫環境下，人會出現排汗增強和各種心血管反應。Fanger和Toftum[4]同意Brager和de Dear提出的觀點，即認為生理適應對熱適應沒有影響。他們指出，較低的熱期望是導致溫暖氣候下非空調建筑物中PMV預測熱感覺與實際熱感之間差異的主要原因。羅茂輝的研究支持了Fanger關于熱舒適期望的想法[9]，并提出室內熱經歷和室內氣候的變化對居民的期望和舒適度評估有很大影響。

1 生理參數研究的重要性

雖然目前已有很多熱適應相關的研究，但現有研究還是更多地關注行為和心理熱適應，而忽略生理適應。生理適應被忽略的原因包括：1）最初熱適應模型是為自然通風建筑物的設計提供指導依據，而自然通風建筑室內熱環境與室外氣候密切相關[10]。2）熱適應模型更關注能夠與熱中性溫度建立函數關系的因素[11]。3）沒有充分的關于生理適應的實驗研究來揭示生理適應對熱舒適的影響機理。然而，如果內在機理未被揭示，熱適應模型的推廣和發展將受到限制[12]。

余娟等人指出，只靠人們的主觀描述對健康進行評估是不夠準確的，因此需要進行生理指標的測試來做出更為準確的判斷[13]。林宇凡等人提出通過建立生理指標來評估熱舒適，完善氣候適應模型，進一步揭示熱環境與熱舒適之間的作用機理[11]。主觀問卷調查是熱舒適評價主要采用的方法之一，然而，主觀評價的結果很容易受到調查對象情緒的影響。而生理參數測量較為客觀，因此使用生理指標來預測熱舒適可以彌補上述缺點。

本文提出了幾個與熱舒適相關的生理參數，包括新陳代謝率，皮膚溫度，心率變異性（HRV），腦電圖（EEG）和心電圖（ECG）。在此基礎上，總結了與各生理參數相關的實驗研究，相關參考文獻如表1所示。

表1 與生理參數相關的實驗研究

2 有關生理參數的熱舒適實驗

2.1 與代謝率相關的熱舒適實驗

代謝率是PMV方程中的參數之一，它已被視為熱舒適預測中的基本和關鍵指標。然而，在大多數熱舒適相關的研究中，代謝率被視為恒定值，它僅取決于活動水平而與周邊熱環境無關，這導致PMV預測值與實際熱感之間存在較大差異。

王海英等人[30]通過開展氣候室實驗，收集了受試者在兩種活動下的代謝率和皮膚溫度，研究了輕度活動水平下人的實際熱感覺。另有實驗研究表明，代謝率會隨周圍環境變化。羅茂輝等人[31]通過氣候室實驗探討了室內熱環境對居住者代謝率的影響。研究方法包括生理測量和主觀問卷調查，其結果表明，人體產熱量受環境溫度和服裝熱阻的顯著影響。他提出了一個二階多項式方程來描述代謝率的變化。修正的代謝率方程減少了PMV預測值與受試者實際熱感之間的差異，可作為未來熱舒適性研究的參考。

此外，翟永超等人[32]研究了不同活動水平下與熱舒適度和室內風速與代謝率的相關性。Matsuda-Nakamura等人[33]研究了在稍冷環境下展開實驗，通過測量皮膚溫度，人體核心溫度和代謝率，研究女性生理周期對熱感覺、熱舒適和人體體溫調節反應的影響。翁文國等人[34]研究了高溫對代謝率和心血管系統的影響，并提出了一種適用于高溫環境的人體生物熱模型。以上實驗研究均證明了代謝率與熱環境因素有關。未來相關研究在預測受試者熱感覺和熱舒適時應充分考慮以上問題。

2.2 與皮膚溫度相關的熱舒適實驗

人體溫度調節系統與熱環境密切相關，它通過調節皮膚溫度來維持熱平衡并保持熱舒適。因此，利用皮膚溫度作為熱感評估的生理指標具有重要意義。Choi[35]在一個室內溫度從20℃變為30℃的氣候室內進行了實驗，用于研究數個身體部位的皮膚溫度與整體熱感之間的關系。該研究的結果表明，相較于皮膚溫度與熱感覺之間的關系，皮膚溫度變化率與熱感覺的相關性更高。

此外，杜秀媛等人[14]研究了溫度突變對人體熱感覺和皮膚溫度的影響。李百戰等人[15]提出了一種簡化的體溫調節模型，該模型通過對溫暖環境中平均皮膚溫度的準確預測得到了驗證。景勝藍等人[16]在實驗中測量了受試者人體不同部位的皮膚溫度，收集了問卷調查結果，據此研究相對濕度對熱舒適和皮膚溫度的影響。李百戰等人[17]研究了不同的生理指標，用于探究室內溫度變化對人體熱舒適的影響。研究結果表明室內環境溫度與感覺神經傳導速度及感覺神經測量段的皮膚溫度密切相關。劉紅等人[18]研究了瞬態熱環境中的人體熱感覺和皮膚溫度。Takada等人[20]通過開展非穩態環境氣候室實驗，提出了一種基于皮膚溫度及其隨時間變化率的非穩態熱感覺預測模型。

與整體熱感覺預測相比，局部熱感覺的相關研究較少。然而，在不均勻熱環境中，身體的局部熱感覺尤為重要。張慧等人針對非均勻和瞬態環境提出了局部和全身熱感覺預測模型[36-37]。作者測量了代表身體19個部位的22個測點的局部皮膚溫度，并通過對熱感覺投票和皮膚及核心溫度的回歸建立預測模型。

熊靜[19]對夏季不同瞬態環境下熱感覺與皮膚溫度的關系進行了實驗研究。結果顯示，當溫度變化至相同水平時，溫度突降后的整體和局部實際熱感覺投票顯著大于溫度突增后的投票，這表明總體和局部熱感覺的不對稱性。數據分析結果表明整體和局部的熱感和皮膚溫度之間存在顯著的相關性，而最敏感的部位依次是背部、手臂和腿部。整體熱感覺和皮膚溫度之間的皮爾遜相關系數為0.563。另外，頭部，胸部，手臂，手部，腿部和腳部與整體熱感覺的相關系數分別為0.546，0.414，0.537，0.546，0.576和0.460。對于穩定的熱環境，劉蔚巍等人[38]認為人體平均皮膚溫度可以作為反映人體熱舒適的有效生理指標。

2.3 與心率變異性相關的熱舒適實驗

心率變異性是反映人體心血管系統功能的生理參數。通常，心率變異性的功率頻譜可分為低頻率（LF，0.04～0.15Hz），較低頻率（LF，0.04～0.15Hz）和高頻率（HF，0.15～0.4Hz）。劉蔚巍等人[24]在不同空氣溫度下采集了受試者的心電圖，通過對心率變異性的分析發現，在不舒適條件下的LF/HF比例明顯高于舒適條件（p＜0.05）。這個研究表明了交感神經活動對受試者的熱舒適性有著很大的負面影響，而且LF/HF比例可以作為人體熱舒適的一個重要指標。姚曄等人也通過實驗證明了心率變異性與人體熱舒適相關[39]。

Choi[51]將受試者分別安排在兩個環境艙內，目的是研究在相同活動水平下，溫暖或寒冷的環境是否對受試者心率有影響。數據表明，在活動量均相當于2.5個單位代謝當量的條件下，受試者在較為溫暖環境下的心率顯著高于較為寒冷環境。根據現代熱舒適理論，代謝率是影響熱舒適的重要因素。而心率與人體代謝率有很高的關聯性，因此可將其稱之為熱舒適預測的潛在參數。

除此之外，熊靜等人[21]探究了在溫度突變環境下，諸多生理參數，包括血壓，血氧飽和度，心率變異性，皮膚溫度和心電等的變化情況。劉蔚巍等人[24]分析了在不同舒適等級下的人體HRV，并且討論了人體熱舒適的機制。分別在21，24，26，28，29和30攝氏度條件下，記錄了受試者5分鐘的心電圖曲線，分析了心率變異性（低頻帶與高頻帶的絕對權值比例）。通過對皮膚溫度和HRV的持續性測量的方法，蘭麗等人[23]通過開展實驗，研究了個性化送風設備是否對熟睡中的人有著負面影響，探索了心率變異性，皮膚溫度（局部與平均），腦電和心電等對環境溫度的響應和其與熱舒適的關聯性。

3 生理參數之間的個體差異

3.1 代謝率的個體差異

實際上，代謝率不僅與活動水平相關，即使確定了熱環境因素和服裝熱阻，代謝率也會因性別，年齡，身體狀況[33]和熱經歷等因素的不同產生差異。Arciero[40]進行了一項實驗，研究靜息代謝率的性別差異，結果表明男性的實際靜息代謝率比女性高23%（p＜0.01）。為預測炎熱工作環境中下不同年齡段男性的靜息代謝率，Ueno[41]使用多變量分析法來預測不同環境溫度，體重和體脂率下的代謝率。結果表明，在老年組中，環境溫度與靜息代謝率呈顯著正相關，且體重和體脂率可以提高靜息代謝率預測的準確性。Arciero[42]基于人體體重，身高和更年期狀態的監測，提出了用于預測健康老年男性和女性的靜息代謝率的實用方程。

3.2 皮膚溫度的個體差異

為了更好地理解和使用熱感覺和皮膚溫度之間的相關性，應關注到皮膚溫度在不同性別，年齡和地區人群中存在的差異。為了研究中國人在熱舒適方面的性別差異，蘭麗[43]在氣候室實驗中測量了皮膚溫度，數據分析表明女性更喜歡中性或稍暖的環境。熊靜等人[44]研究了人類對溫度突變反應的性別差異。結果表明，面對溫度突變環境，男性皮膚溫度的穩定時間短于女性，平均皮膚溫度的變化幅度小于女性。

對于年齡差異，Sawatari[45]通過在桑拿環境下展開實驗，觀察青年組（平均年齡22歲）和老年組（平均年齡68歲）的熱應激反應。結果顯示，兩個年齡組的平均皮膚溫度均顯著升高，而在熱環境下暴露10分鐘后，老年組的平均皮膚溫度升高幅度更大（老年組升高6.8℃，青年組升高6.0℃。p＜0.01）。Takada[46]測量了在常溫和偏熱環境條件下，兩個不同年齡段組的熱感覺。結果表明，在兩種環境下的前臂和全身熱感感知閾值，以及在常溫下前臂的皮膚冷感感測閾值會隨著年齡增長而下降。根據Garcia-Souto的研究[47]，幼兒的體溫調節反應和熱感覺與成年人不同。該研究調查了3～24月齡兒童的核心溫度和局部皮膚溫度特征，并將其與成年人進行比較。研究結果表明兒童的核心溫度高于成年人，而額頭和四肢溫度會隨著年齡的增長而升高。

3.3 心率變異性的個體差異

不同個體之間的心率變異性也不盡相同。基于主觀問卷調查和生理參數測量，研究表明在不同舒適度等級下女性的LF/HF比例顯著低于男性。在不舒適的溫暖條件下女性的LF/HF比例和變化量大于較為寒冷的條件下，對于男性這一點正好相反[43]。另外，根據Anders的研究[48]，心率變異性也與睡眠有關。在他的實驗中，記錄了18名受試者的心率變異性模式，分析結果表明睡眠和交感迷走神經平衡有很高的相關性（r=0.53，p＜0.05）。

4 結果與討論

本文對熱舒適領域與生理參數相關的實驗研究進行了綜述，涉及到的生理參數包括代謝率，皮膚溫度，心率變異性，心電和腦電。主要結論包括：

1）代謝率是 PMV 方程中的重要參數，而相關實驗研究表明代謝率受周圍熱環境的影響。除此之外代謝率會因個體性別，年齡和身體狀況的不同而產生差異。未來的熱舒適研究在預測受試者熱感覺和熱舒適時應考慮此問題。

2）人體熱調節系統會通過調節體溫來維持熱平衡，提高熱舒適。許多實驗研究已證實熱感覺和皮膚溫度之間存在顯著相關性，因此可將皮膚溫度作為熱感覺預測的一個重要生理指標。而在使用皮膚溫度作為研究參數時，應考慮不同性別，年齡或地區人群之間的個體差異。

3）除代謝率和皮膚溫度外，相關實驗研究也證明了心率變異性與人體熱舒適之間存在相關關系。且心率變異性也會因性別，作息時間和其它因素的不同而存在個體差異性。

為了揭示熱適應的內在機理和提高熱舒適預測的準確性，有必要對與熱舒適相關的生理指標進行研究。代謝率，皮膚溫度和心率變異性在受環境影響的同時，也會對人體熱舒適產生影響。本文可為后續的熱舒適實驗研究提供方向，未來的相關研究應在熱舒適與生理參數之間的相關性方面有進一步的探索。