中國南北方男性大學生在可接受冷環境區的生理適應性和主觀感受

林宇凡，楊柳，鄭武幸，任藝梅

(西安建筑科技大學 a.土木學院；b.建筑學院，西安 710055)

現場研究的熱適應模型發現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建立熱中性溫度與氣候要素函數關系，關注的是氣候要素對室內熱中性溫度的影響結果，忽略了二者建立函數關系的生理適應性。因此，學者們開始關注人體生理適應性，大都采用皮膚溫度作為生理指標[1-2]，原因是皮膚溫度隨環境參數變化最敏感，并與TSV(熱感覺投票)和TCV(熱舒適投票)相關程度較高。伯克利團隊在實驗室模擬不同熱環境(包括均勻和不均勻環境、瞬時和穩定環境)，研究人體局部熱感覺、熱舒適和人體整體熱感覺、熱舒適對環境溫度的響應反應[3-6]，發現手指溫度和手指與前臂溫度梯度差值與整體熱感覺的相關性高[6]；其他學者也發現人體的熱舒適性在很大程度上是由皮膚溫度決定的，額頭和軀干保持較高的皮膚溫度，但四肢對建筑環境的溫度變化反應敏感[7]；當長時間暴露在20 ℃時，較低的皮膚溫度會產生冷感覺，被認定為熱舒適低限[8]；人體軀干部分，尤其是腹部和中部，外側區域明顯比內側區域對環境更敏感[9]；Li等[2]發現瞬態熱環境下，TSV發生在溫度變化升高和降低階段；TSV最大變化發生在溫度降低階段，表明人體對冷更敏感，敏感部位為頭、胸、背、腿；此外，皮膚溫度的變化率更適合預測TSV，在溫度降低階段皮溫的變化率與TSV呈顯著線形相關。

但在熱環境下，人體是通過自主性調節進行生理適應，有多個生理指標參與生理適應過程。生理自主性調節是指人體皮膚溫度感受器感受到環境溫度后，神經傳入下丘腦經綜合分析后，通過神經傳出，調節人體產熱和散熱的生理活動，如寒顫、發汗、血管舒張和收縮等，以保持體溫相對恒定的調節過程[10]，皮膚溫度不能夠全面地解釋人體在不同熱環境下的生理適應過程，因此，除了關注皮膚溫度外，還將關注其他生理指標，包括心率(HR)、心率變異性(HRV)、呼吸率、血容量(BVP)、肌電(EMG)，這是研究背景之一，也是實驗設計時進行生理指標遴選依據。

中國南方和北方的地理分界線是秦嶺淮河線，其以氣候類型、氣溫和降水量為劃分依據。在氣候類型上，這是溫帶季風氣候(北方)和亞熱帶季風氣候(南方)的分界線；氣溫上，這是一月份月平均氣溫高于0 ℃(南方)和低于0 ℃(北方)的分界線；降水量上，這是年降水量大于800 mm(南方)和小于800 mm(北方)的分界線，是南方濕潤地區和北方半溫潤地區的分界線。中國政府從工程的技術經濟合理性考慮，參考秦嶺淮河線這條中國南北地理分界線作為中國南方和北方集中采暖的分界線。由于中國南方和北方顯著的氣候差異和冬季集中采暖經歷差異，導致中國南北居民對建筑熱環境的生理適應能力不同,這是研究背景之二。

針對這兩個研究背景，選取中國南北方男性大學生(簡稱南北受試者)為研究對象，采用實驗研究，人工模擬冷環境，觀察南北受試者的生理自主性調節反應和主觀感受，研究目標是：1)揭示生理自主性調節反應和主觀感受的差異點；2)揭示冷習服表現差異點；3)解釋生理自主性調節反應和主觀感受差異的原因。

1 實驗方法與材料

1.1 受試者

依據中國南北地理分界線秦嶺淮河線，分別遴選16名來自北方地區的大學三年級學生和16名來自南方地區的大學一年級新生，全部為男性。北方組招募出生在中國北方且一直在北方地區生活學習，并有集中采暖經歷的受試者；南方組招募出生在中國南方，在南方地區生活學習，目前已在西安生活學習2個半月，尚未適應北方氣候環境，并且無集中采暖經歷的受試者。受試者身體測試數據見表1。

表1 受試者統計匯總表Table 1 Statistic list of participants

實驗對受試者的要求：受試者身體健康；身體狀況和精神狀態良好；保持皮膚清潔，避免干擾生理指標數據；測試前，對受試者進行動員，包括閱讀實驗說明書和主觀問卷調查；按照ASHRAE標準[11], 要求受試者服裝為：內衣褲(0.04 clo)、普通秋衣秋褲(0.2 clo +0.15 clo)、薄外衣和薄外褲(0.22 clo+0.28 clo)、普通短襪(0.03 clo)、單鞋(0.04 clo)，受試者需衣著寬松；實驗階段保持安靜，以坐姿進行測試。

1.2 實驗方案設計以及實驗流程

圖1是環境溫度影響人體生理適應示意圖[12]。人體對熱環境的適應有3個區域，分別是舒適溫度區、可適應溫度區和不適應溫度區。在舒適溫度區邊界線(B點)與可適應溫度區邊界線(A點)之間，存在可接受的冷環境區，南北受試者因為不同的室內外熱經歷背景導致他們從B點到A點之間(可接受冷環境區)的生理適應和主觀感受表現不同，因此，實驗通過人工控制模擬處于中性環境(實驗設計為24℃)進入可接受冷環境區的熱環境(實驗設計為20℃、17℃和14℃)，實驗流程見圖2。

圖1 環境溫度影響人體生理適應示意圖Fig.1 Environment temperature on human physiological influence

圖2 實驗流程圖Fig.2 Experimental procedures

實驗在2014年11月下旬開始進行，為防止人體生理指標的晝夜生理波動，實驗時間全部選擇在白天進行。

1.3 室內熱環境測試參數和儀器設備

室內熱環境參數的測試方法參照ISO-7726[13]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)；黑球溫度儀(HQZY-1；自記式；精度±0.3 ℃)。

1.4 主觀問卷設計

問卷內容包括受試者對室內環境參數的主觀評價和主觀感覺評價兩個方面。熱舒適(TCV)、熱感覺(TSV)投票、氣流感投票和潮濕感投票均采用7級標尺，可接受程度投票采用4級標尺，期望溫度采用3級標尺。

1.5 生理指標遴選以及測試儀器

依據人體自主性生理適應理論[10]，選取皮膚溫度指標觀察皮膚溫度變化；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；選取呼吸率觀察新陳代謝；選取指尖脈搏血容量(BVP)觀察皮膚血管的舒張或收縮狀態；選取肌電量(EMG)觀察骨骼肌放電。皮膚溫度測點部位采用14點，計算式[14]為：

T左上臂+T左下臂+T左手+T左腹+T左腰+T左前大腿+

T左后大腿+T左前小腿+T左后小腿+T左腳面)

式中：Tmsk為平均皮膚溫度，℃。

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[14]，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。

皮膚溫度通過熱電偶測出(Pt1000精度為±0.1 ℃，測量范圍為-100～100 ℃)；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，型號：KF1)，生參儀佩帶前需用醫用酒精對皮膚進行擦拭，保證信號檢測的穩定性，佩帶方式見圖3，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)。其中，BVP指標通過BVP連線，夾住測試者左手食指測出；EMG指標是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，見圖4。

圖3 生理參數檢測儀佩帶示意圖Fig.3 A sketch of wearing physiological parameters detector

圖4 生理參數反饋儀Fig.4 Physiological parameter biofeedback instrument

1.6 數據整理和分析方法

采用SPSS22.0版數理統計軟件對實驗數據進行統計學分析。相同環境下南北受試者差異性分析采用獨立樣本T檢驗，觀察南北受試者兩組數據均值是否存在顯著性差異，目的是發現南北受試者的生理調節反應和主觀感受的差異；不同環境下的差異性分析采用配對樣本T檢驗，分析南北受試者從中性環境～可接受冷環境區的生理調節反應和主觀感受在不同的實驗時間段，數據的成對差分均值是否存在顯著性差異，目的是發現南北受試者的生理調節反應和主觀感受隨環境溫度變化的不同。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

室內熱環境參數測試結果見表2。表中對環境參數進行了描述性的統計分析，包括測試數據的平均值和標準差。平均輻射溫度分別是19.3、16.7、14.1 ℃，與室內空氣溫度接近。

表2 環境參數測試結果統計表Table 2 Test results of environment parameter

2.2 主觀問卷調查結果

實驗0～30 min處于中性環境，室內溫度設定為24 ℃，30～50 min處于20 ℃，65～85 min處于17℃，100～120 min處于14 ℃。50～65 min 、85～100 min是溫度調整期。

由圖5(a)、(b)看出，南方受試者的熱感覺(TSV)和熱舒適(TCV)評價均明顯好于北方受試者。南方受試者的TSV評價指標介于 “適中”和“微冷”之間；而北方受試者進入冷環境后，TSV評價下降斜率明顯高于南方受試者，介于“微冷”和“冷”之間；南北受試者的熱舒適(TCV)評價均呈下降狀態，但南方受試者的評價好于北方受試者。

南北組的TSV、TVC主觀投票差異性分析的非參數秩和檢驗結果發現，南方組的秩均值均大于北方組，TSV主觀投票在17 ℃和14 ℃環境有顯著差異(p=0.047<0.05；p=0.01<0.05)，但TCV主觀投票均無顯著性差異。

由圖5(c)、(d)看出，盡管南北受試者均期望室內環境溫度稍熱一些，但北方組的溫度期望更加強烈；同樣，南方組對環境的接受程度明顯好于北方組，評價指標介于約1.5～ 0之間，表明這個環境是可以接受的，但北方組評價一直呈下降趨勢，指標介于約1.0～-0.5之間，表明這個環境是介于“剛剛可接受”和“剛剛不可接受”之間，特別在14℃的環境下，評價指標的斜率急劇下降。

圖5 南北受試者主觀感受Fig.5 Subjective sensations between southern and northern subjects

南方受試者的期望溫度評價明顯好于北方受試者，盡管南北受試者均期望室內環境溫度稍熱一些；同樣，南方受試者對環境的接受程度明顯好于北方受試者，表明這個環境是可以接受的。

非參數秩和檢驗結果發現，環境可接受程度評價和期望溫度評價在14 ℃時有顯著性差異(p=0.034<0.05；p=0.022<0.05)。

2.3 生理反應實驗結果

由圖6和表3看出，南方受試者平均皮膚溫度高于北方受試者，且有顯著性差異(p=0<0.05)。

表3 南北組平均皮膚溫度差異性分析Table 3 Average skin temperature difference analysis

圖6 南北受試者平均皮膚溫度Fig.6 Average skin temperaturebetween southern and northern subjects

由圖7～10可知，北方受試者的心率值高于南方受試者，無顯著差異(p=0.111>0.05；p=0.709>0.05；p=0.544>0.05)；呼吸率低于南方受試者，有顯著差異(p=0.004<0.05；p=0<0.05；p=0<0.05)。

北方受試者LFNU(高頻標準化)稍高， HFNU(低頻標準化)稍低，LF/HF高于南方受試者，有顯著差異(p=0<0.05；p=0<0.05；p=0<0.05)。根據HRV頻域分析可知，環境溫度降低會導致交感神經活躍，反映為LFNU升高，LF/HF升高。HRV頻域實驗結果與主觀評價吻合。

北方受試者的BVP(脈搏血容量)均值低于南方受試者，有顯著差異(p=0.006<0.05；p=0.006<0.05；p=0.05)， BVP均值降低說明指尖血管都處于收縮狀態，北方受試者血管收縮明顯高于南方受試者。

南方受試者EMG(肌電量)均值稍高于北方受試者，分別為21.40、18.59 μV，有顯著性差異(p=0.003<0.05)。

圖7 南北受試者心率Fig.7 Heartrate between southern and northern subjects

圖8 南北受試者呼吸率Fig.8 Respirationbetween southern and northern subjects

圖9 南北受試者BVPFig.9 BVP between southern and northern subjects

圖10 南北受試者EMGFig.10 EMG between southern and northern subjects

2.4 南北受試者從24～14 ℃的主觀感受和生理指標差異性分析

由表4看出，北方受試者的主觀感受指標，其成對差分均值出現顯著性差異的實驗時間段早于或多于南方受試者，反映了北方受試者對偏冷環境的主觀感受更強烈。

表4 從24～14 ℃的主觀感受差異性分析Table 4 Difference analysis of subjective sensations from 24～14 ℃

表5 從24～14 ℃的生理反應差異性分析Table 5 Difference analysis of physiological responses from 24～14 ℃

由表5看出，北方受試者的平均皮膚溫度和左手皮膚溫度的成對差分均值出現的顯著性差異早于或多于南方組； LF/HF比值的成對差分均值出現的顯著性差異多于南方受試者。

3 討論

3.1 主觀感受差異

分析表4和表6發現，南方受試者主觀感受均好于北方受試者，熱感覺(TSV)、期望溫度、環境可接受程度有顯著性差異；主觀感受指標的成對差分均值，出現顯著性差異的時間段晚于或少于北方受試者，說明南方受試者對偏冷的環境不敏感，環境冷耐受力強。

表6 主觀感受和生理反應實驗匯總Table 6 Summary of subjective sensations and physiological responses

注：(1)為無顯著差異；(2)為有顯著差異。

3.2 生理適應性差異

分析表5～表6發現，南方受試者的皮膚溫度高于北方受試者，有顯著差異；皮膚溫度隨環境溫度下降幅度低于北方受試者，有文獻[15]發現，體溫升高1 ℃，基礎代謝水平提高13%，這表明南方受試者有較高的基礎代謝產熱，特別是夏熱冬冷地區的居民處于濕冷和濕熱的環境，冬季沒有采暖的現實條件使他們的基礎代謝水平和代謝率較高，以應對濕冷的氣候條件。張宇峰等[16]對濕熱地區的城市居民和農村居民的熱適應性分析發現，農村居民有較高的皮膚溫度，認為這與基礎代謝水平稍高有關，研究結論與本文結論吻合。

分析表5～表6發現，北方受試者HR和LF/HF值高于南方受試者，表明其交感神經活動較劇烈，其他學者也發現了類似結果[17-18]。

分析表6發現，北方受試者BVP成對差分均值下降顯著大于南方受試者，說明手指血管收縮強度高于南方受試者，呂永達[10]發現，交感神經緊張性增強，會使皮膚小動脈收縮，動-靜脈吻合支關閉，血管收縮強烈。學者Lee等[19-20]發現，熱帶人有延遲高峰血管舒張模式，特點是有明顯的第1次血管收縮和一個單一微弱的冷誘發血管舒張，再接微弱的第2次血管收縮，反映熱帶人的手指動靜脈吻合有較少響應和較弱血管舒張，與本文結論吻合。

由表6分析發現，南方受試者的肌電量(EMG)均值略高于北方受試者，有文獻[10]發現，骨骼肌肉放電可以增加代謝產熱，這表明南方受試者的基礎代謝產熱和非戰栗產熱(代謝產熱)能力較強，因此，使南方受試者的皮膚溫度高于北方受試者。

3.3 冷習服表現差異

南北受試者的冷習服表現見表7。南方受試者皮膚溫度高于北方受試者，說明其基礎代謝稍高；HR和LF/HF稍低，BVP和EMG稍高，說明北方受試者交感神經活躍導致血管收縮強烈，而南方受試者非戰栗產熱(代謝產熱)能力強于北方受試者，這些表現使南方受試者產生較小的生理調節，有較強地冷習服能力；而北方受試者冷習服弱，產生了較強的生理調節現象。

表7 冷習服表現Table 7 Cold acclimation performance summary

3.4 生理適應調節和主觀感受差異的原因

通過實驗研究以及分析，建立了生理適應調節和主觀感受影響南北受試者的熱舒適評價過程，見圖11。由圖11看出，南北受試者的生理自主性調節和主觀感受差異的原因為：南方受試者稍高的皮膚溫度導致冷覺感受器放電頻率較低，因此，熱感覺評價好于北方受試者；室內外熱經歷背景(較寬的環境忍耐力和較好的冷習服能力)導致熱舒適評價好于北方受試者；室內外熱經歷背景(較好的冷習服能力)導致有較高的非戰栗產熱和基礎代謝產熱，因此，皮膚溫度和EMG值較高；有較少的生理調節現象，表現為交感神經不活躍，手指血管收縮不強烈，因此HR、LF/HF值較低，BVP值較高。

圖11 生理適應和主觀感受對熱舒適作用框架圖Fig.11 The influence of physiological adaption and subjective sensations on thermal comfort

4 結論

通過南北方男性大學生可接受冷環境區實驗，結合實驗結果和數理統計分析，得出以下結論：

1)南方受試者主觀感受好于北方受試者。

2)南方受試者平均皮膚溫度、EMG均值稍高于北方受試者，心率值、LF/HF均值低于北方受試者。

3)從中性環境進入可接受冷環境區，南方受試者的主觀感受指標和生理指標的成對差分均值，出現顯著性差異的實驗段，少于或晚于北方受試者。

4)南方受試者有較高的非戰栗產熱(代謝產熱)。在冷環境里交感神經不活躍，手指血管收縮強度弱于北方受試者。

5)南方受試者冷習服能力強，對冷環境不敏感和有較強的冷環境耐受力。

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