人體局部皮膚的氣流敏感性及其影響因素

張昭華， 陳之瑞， 李璐瑤， 肖 平， 彭浩然， 張鈺涵

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051；2. 東華大學 現(xiàn)代服裝設計與技術教育部重點試驗室， 上海 200051)

近年來，為降低工人在工作中受熱環(huán)境的侵害，個體降溫設備越來越多地被運用在工人的工作環(huán)境中。在眾多個體降溫設備中，通風降溫服因能夠利用對流和蒸發(fā)2種方式促進人體散熱，同時提高人體的熱、濕舒適感而被廣泛應用。影響通風服降溫性能和舒適性能的因素眾多，包括通風參數(shù)，如溫度、濕度、通風流率、服裝設計因素以及環(huán)境因素等[1]。其中，通風溫度的變化可能影響人類對空氣運動的感知，從而具有不同的冷卻效果[2]。

目前，關于通風服方面的研究大都是針對降溫性能方面。學者們通過降低通風溫度[3]和濕度[4]，改變衣內(nèi)氣流方向[5]，與其他降溫手段結合[6]等方面的探索，有效改善了通風服降溫效果。較低的通風溫度、較大的風速雖然對應著更高的降溫效率，卻可能會不適于人體對于通風的敏感性范圍[7]。使皮膚產(chǎn)生氣流感覺的刺激被歸類為空氣中的非接觸刺激，氣流刺激的敏感性閾值也因身體部位而異[8-9]。由于人體不同部位間在生理特征上存在較大差異，可能會對氣流運動的敏感性不同，進而影響氣流偏好[10]。根據(jù)人體的體表溫度分布及出汗強度等特性合理安排通風服的通風流量分配，能夠有效提升通風服的降溫效果[11]。

人體對氣流會產(chǎn)生生理效應(如降低皮膚溫度)，且在不同溫度氣流影響下，人體平均皮膚溫度也會出現(xiàn)分層現(xiàn)象[12]。目前，局部皮膚的吹風敏感性影響局部降溫效果和通風服舒適性方面還沒有相關的研究；且仍缺乏從生理角度對不同身體部位吹風舒適性的探討，各部位對衣下吹風的響應規(guī)律及部位間的差異還未有系統(tǒng)的結論。本文研究目標是探究人體皮膚氣流敏感性的分布部位特征，分析通風溫度對人體皮膚氣流感覺的影響，從生理角度分析皮膚溫度變化率是否是人體皮膚產(chǎn)生氣流感受的主要原因。首先通過對比不同部位通風的降溫效果，從而確定合適的通風部位，然后通過分析人體皮膚氣流感覺的影響因素，為通風服通風參數(shù)選擇提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

1.1.1 供風系統(tǒng)

本文設計的供風裝置如圖1所示。由保溫箱、加熱裝置、調溫裝置、軸流風扇、送風設備和保溫風管組成。保溫箱尺寸為 60 cm×60 cm×40 cm，內(nèi)壁覆蓋厚度為 2 cm 的隔熱保溫棉。加熱裝置為翅片發(fā)熱管。使用ZY-D2000電子節(jié)能調壓器(中國星億電器有限公司)與DY-SMS(LCD)數(shù)顯電子控溫儀(余姚市品益電器有限公司)可將通風溫度精準控制在設定值±0.5 ℃范圍之內(nèi)。保溫箱中間設置 3 個尺寸為 8 cm×8 cm 的軸流風扇，以混合加熱氣體與環(huán)境空氣。在保溫箱內(nèi)放置 2 個鼓風機(220 V，40 W)并配置無極調速器。試驗時，鋁箔制備的自由伸縮保溫風管的兩端分別與鼓風機出風口和試驗服開口相連，以達到衣下近距離送風的目的。

試驗現(xiàn)場如圖2所示，使用HSRTD-3-100-A-40-E熱線風速儀(日本加野KANOMAX公司)測試風速，使用6006-3C鉑電阻溫度傳感器(美國Omega公司)測試皮膚溫度，測試時使用醫(yī)用膠帶(明尼蘇達礦務及制造業(yè)公司)將鉑電阻傳感器粘貼在受試者體表。

1—離心風機；2—軸流風扇；3—翅片加熱器；4—進風口；5—出風口與管道；6—保溫箱。圖1 供風裝置組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of air supplying system. (a) Front view; (b) Left view

圖2 吹風試驗現(xiàn)場實拍圖Fig.2 Physical map of airflow test site

1.1.2 試驗服裝

本文研究設計制作了3種號型的較貼體的長袖長褲試驗服裝，男款號型為170/92A，女款號型為160/84A和165/88A。若女性受試者身高大于160 cm且胸圍接近88 cm，則穿著165/88A號型試驗服；反之則穿著160/84A號型試驗服。服裝面料為100%聚酯纖維加聚氨酯(PU)覆膜面料，面密度為120 g/m2，透氣率為0 L/(m2·s)，可防止氣流從面料部分逸散。在測試部位的左右兩側各設置大小為8 cm×8 cm 的正方形開口，開口四周縫制魔術貼，從而與供風系統(tǒng)的保溫風管相連，以達到衣下近距離送風的目的。

相近體型的受試者個體之間在圍度上仍會有差異，使各受試者衣下空間大小不一致，影響衣下送風的氣流分布。為減少服裝寬松度對氣流敏感性的影響，本文研究在上裝前后中心線與下裝左右側縫處分別各安裝 2 套拉鏈。拉鏈調節(jié)系統(tǒng)可為軀干圍度上提供4 cm的調節(jié)量，腿部圍度上提供2 cm的調節(jié)量，測試時根據(jù)受試者體型需要調節(jié)松量。

1.2 試驗條件

試驗在東華大學氣候艙內(nèi)進行，環(huán)境溫度為25 ℃，相對濕度為70%，背景風速在0.4 m/s 以下。選擇氣體冷卻服常用的降溫部位作為試驗體段，即前胸部、后背上部、后背下部、大腿前部和大腿后部共 5 個體段。通風溫度的選擇基于人體皮膚溫度，試驗前的初始皮膚溫度為Tsk，通風溫度共3 種水平：低于皮膚溫度5 ℃(Tsk-5 ℃)、等于皮膚溫度(Tsk) 與高于皮膚溫度5 ℃(Tsk+5 ℃)。標準通風風速選擇3種分別為1.5、1.5和1.8 m/s，對應的比較通風風速分別為：0.7、1.1、1.5、1.9、2.3 m/s；0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m/s；0.6、1.2、1.8、2.4、3.0 m/s。

1.3 受試者選擇

受試者為 12 名在校大學生，其中女性 10 名，男性 2 名。參與試驗的受試者身體健康，基本信息如下：女性年齡(24±0.5) 歲，身高(161±3) cm，體重(50±2) kg；男性年齡(25±0.5) 歲，身高(169±2) cm， 體重(54±4) kg。

受試者在試驗前應保持健康的飲食與作息習慣，女性受試者的試驗時間不在其生理周期內(nèi)。試驗前 24 h 內(nèi)，受試者不飲用含酒精或咖啡因的飲品，試驗前 1 h 內(nèi)不進食。

1.4 試驗步驟

本文試驗為單盲試驗，試驗前不告知受試者通風溫度和風速。試驗中受試者穿著合體的內(nèi)衣褲及長袖長褲試驗服裝。腳穿短襪與薄款運動鞋。試驗全程為5 h，具體步驟如下。

適應階段，受試者穿戴試驗服裝進入氣候艙，靜坐15 min以適應環(huán)境，期間令受試者填寫基本信息，并對每位受試者進行培訓，使其熟悉試驗流程；預刺激階段，時長10 min，使受試者感受氣流刺激，選取受試者前胸部、上背部、大腿前部各施加 30 s 的吹風刺激，通風溫度為25 ℃，通風風速為 1.5 m/s，預刺激結束后受試者靜坐 7 min恢復；吹風刺激階段，先確定1種通風溫度水平，隨機選取1個測試部位，讀取Tsk以確定Tsk-5 ℃和Tsk+5 ℃，對測試部位的左側或右側施加標準通風風速10 s，再對另一側實施1種比較通風風速，詢問受試者比較通風風速相對于標準通風風速的大小并用符號記錄(小于(-)、 等于(=)、大于(+))，同時記錄刺激前后兩側的皮膚溫度以及實際刺激時長，待受試者皮膚溫度恢復至Tsk再進行下一次比較，每個通風風速都需對比 3 次，結束后待受試者皮膚溫度恢復至Tsk，更換其他部位進行測試。5 個部位都完成此溫度水平下的測試后更換通風溫度水平，直至完成3 種通風溫度水平的測試。最后，分別計算5種比較通風風速下，3種判斷結果對應的判斷次數(shù)與試驗總判斷次數(shù)的百分比值，記為判斷次數(shù)百分率。

試驗結束后，令受試者在環(huán)境艙中自由活動恢復至少20 min ，確認其無任何不適后再離開。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

本文采用SPSS 22.0對試驗數(shù)據(jù)進行處理與分析。所有數(shù)據(jù)首先測試正態(tài)分布(shapiro-wilk test)并進行方差齊性檢驗(levene′s test)，顯著性水平設定為P<0. 05。使用Origin 2017繪制數(shù)據(jù)圖形并進行曲線擬合，使用直線內(nèi)插法計算差異閾值和韋伯分數(shù)，采用(平均值±標準差)形式的報告數(shù)據(jù)；利用單因素方差分析衣下通風溫度和不同體段對皮膚吹風敏感性的影響；利用雙因素重復測量方差分析受試者皮膚溫度變化率的影響因素；利用相關分析探究韋伯分數(shù)與皮膚溫度變化率之間的關系。

2 結果與分析

2.1 差異閾值與韋伯分數(shù)

2.1.1 差異閾值

利用 Origin 2017軟件使用Boltzmann函數(shù)對判斷次數(shù)百分率和通風風速進行非線性曲線擬合。以通風溫度低于皮膚溫度5 ℃，對前胸進行吹風的數(shù)據(jù)擬合結果舉例，如圖3所示。

圖3 Tsk-5 ℃前胸部吹風刺激數(shù)據(jù)擬合結果Fig.3 Data fitting results of airflow stimulation in Tsk -5 ℃ on chest

圖3中y=50%的曲線[13]與“-” Boltzmann擬合曲線的交點對應的x值即為閾限的上限，此函數(shù)與“+” Boltzmann擬合曲線的交點對應的x值即為閾限的下限。則差異閾值DDL為

DDL=(a-b)/2

式中：DDL為差異閾值,m/s；a為閾限的上限；b為閾限的下限。計算得到不同通風溫度條件下，各部位的差異閾值如圖4所示。可知，對于不同的標準通風風速，差異閾值的大小也會有所不同，但由于各溫度條件下設定的標準通風風速不同，無法直接進行對比，所以引入韋伯分數(shù)進行分析。

圖4 差異閾值計算結果對比Fig.4 Comparison of calculation results of different threshold

2.1.2 韋伯分數(shù)

韋伯定律指出，所有刺激無論作用于何種感覺器官，其刺激強度水平與差異閾值之間都有固定的線性函數(shù)關系，其比值為一個常數(shù)，不隨刺激強度的變化而改變，即韋伯分數(shù)[13]，其計算公式為

式中：C為韋伯分數(shù)；Φ為通風風速，m/s。

分別計算在通風溫度為Tsk-5 ℃、Tsk與Tsk+5 ℃ 3種條件下，各部位的韋伯分數(shù)，結果如圖5所示。可知，除前胸部之外，其他部位在接受通風溫度等于皮膚溫度的吹風刺激時，韋伯分數(shù)明顯高于另外2組， 這表明除前胸部之外，其他4個測試區(qū)域均是在通風溫度等于皮膚溫度的情況下敏感性最差。前胸部是受通風溫度影響最小的部位，在3種通風溫度條件下其韋伯分數(shù)較為接近。在通風溫度和皮膚溫度有差異的條件下，前胸部敏感性卻略有降低，這可能是由于試驗中女性受試者較多，因為其生理特點以及穿著文胸，導致前胸部形態(tài)較為復雜，刺激氣流在衣內(nèi)的流向難以預測，所以呈現(xiàn)出了不同的規(guī)律特點。對比各部位在3種通風溫度刺激下韋伯分數(shù)的均值可知，后背上部與大腿前部區(qū)域對熱氣流最為敏感，在高于皮溫5 ℃的吹風刺激下韋伯分數(shù)最小，而后背下部與大腿后部區(qū)域對冷氣流更加敏感。對比各部位在3種通風溫度下韋伯分數(shù)的標準差可知，大腿后部是受通風溫度影響最大的部位，有溫差存在時其敏感性相比無溫差條件有明顯升高。

圖5 韋伯分數(shù)計算結果對比Fig.5 Comparison of calculation results of Weber fraction

對通風溫度進行單因素方差分析，結果顯示3種溫度之間的韋伯分數(shù)有顯著差異，F(xiàn)(2，12)=8.306，P=0.005。利用Bonferroni檢驗進一步兩兩比較，結果顯示Tsk-5 ℃、Tsk+5 ℃ 2組的韋伯分數(shù)(Tsk-5 ℃：0.127±0.022；Tsk+5 ℃：0.123±0.023)差異不顯著(P=1)，但這2組與Tsk組之間都有顯著差異(P<0.05)。Tsk組的韋伯分數(shù)為0.190±0.032。以上數(shù)據(jù)表明通風溫度對受試者感受氣流刺激的敏銳程度有較大影響，當通風溫度與人體皮膚溫度相等時，受試者最不敏感，通風溫度降低或升高都會增強受試者對氣流大小的敏感度。

對刺激部位進行單因素方差分析，結果顯示各部位的敏感性之間無顯著差異，F(xiàn)(2，12)=0.101，P>0.05。 但前胸的韋伯分數(shù)均略低于其他部位，為 0.143±0.007，表明該部位對氣流運動有較高的敏感性；其余部位的韋伯分數(shù)較為接近，范圍在(0.151±0.026)～(0.155±0.054)之間。

2.2 皮膚溫度變化率

2.2.1 皮膚溫度變化率的計算

皮膚溫度變化率θ(℃/s)的計算公式為

式中：T為受試者各部位接受通風刺激前的初始皮膚溫度，℃；T′為受試者各部位接受通風刺激后的皮膚溫度，℃；ΔT為每次刺激的實際時長，s。

當通風溫度為Tsk-5 ℃時，各部位皮膚溫度變化率計算結果如圖6所示。可知，在通風溫度為Tsk-5 ℃ 時，隨著通風風速的增大，各部位的皮膚溫度降低都很明顯，其中后背上部區(qū)域的皮膚溫度降低最為顯著，在通風風速等于2.3 m/s時，皮膚溫度變化率為(-0.136±0.054) ℃/s。對通風溫度為Tsk-5 ℃ 條件下的皮膚溫度變化率進行雙因素重復測量方差分析，結果顯示各不同的刺激部位、不同通風風速水平下的平均皮膚溫度變化率均有顯著差異(部位：F(4，44)=4.87，P=0.002；風速：F(1.8，20.2)=65.77，P<0.05)。進一步對2個變量的各水平進行兩兩比較發(fā)現(xiàn)，后背上部與后背下部之間、后背上部與大腿后部之間有顯著差異，其余部位間差異不明顯。對于不同的通風刺激水平，除風速為1.1和1.5 m/s的情況下皮膚溫度變化率差異不顯著外，其余風速條件下的數(shù)據(jù)間均有顯著差異，整體趨勢是隨著通風風速的增大，皮膚溫度變化率絕對值也逐漸升高。

圖6 Tsk-5 ℃通風溫度下各部位皮膚溫度變化率Fig.6 Rate of skin temperature change in Tsk-5 ℃

當通風溫度為Tsk時，各部位皮膚溫度變化率計算結果如圖7所示。在通風溫度為Tsk時，雖然可以近似認為沒有溫差存在，所以氣流和皮膚表面之間不存在換熱，但由圖7可知，皮膚溫度變化率并不是均衡地分布在零值周圍，而是整體處于負值，且隨著通風風速的增加，皮膚溫度變化率整體向下偏移，數(shù)值在(-0.037±0.027)～(-0.004±0.012) ℃/s之間。出現(xiàn)這一情況的原因可能是試驗服裝是由不透氣面料制作的，受試者皮膚存在非顯性出汗，而通入衣下的等溫氣流促進了這部分汗液的蒸發(fā)，導致皮膚溫度略有降低。雙因素重復測量方差分析結果顯示各部位之間在皮膚溫度變化率上無顯著差異(F(4，44)=2.29，P=0.075)，而不同通風風速下的皮膚溫度變化率具有顯著差異(F(2.3，25.0)=7.274，P=0.002)。進一步對各風速下的數(shù)據(jù)進行比較可知，僅有通風風速為0.7 m/s時，皮膚溫度變化率與其他通風風速條件下的皮膚溫度變化率有顯著差異，其余兩組間兩兩對比的結果在統(tǒng)計學上差異都不顯著。

圖7 Tsk通風溫度下各部位皮膚溫度變化率Fig.7 Rate of skin temperature change in Tsk

當通風溫度為Tsk+5 ℃時，各部位皮膚溫度變化率計算結果如圖8所示。在通風溫度為Tsk+5 ℃ 時，整體皮膚溫度變化率在(0.017±0.011)～(0.054±0.016) ℃/s之間波動。雙因素重復測量方差結果顯示，各部位之間皮膚溫度變化率差異不明顯(F(4， 44)=2.35，P=0.068)，但后背上部和大腿后部的皮膚溫度變化率較其他部位略高。不同刺激風速下，受試者的皮膚溫度變化率差異較明顯(F(4，44)=52.31，P<0.05)，在0.7和1.1 m/s、1.5和1.9 m/s這2組之間皮膚溫度變化率差異不大(P>0.05)， 其余組間兩兩對比時都有顯著差異。

圖8 Tsk+5 ℃通風溫度下各部位皮膚溫度變化率Fig.8 Rate of skin temperature change in Tsk+5 ℃

從以上分析可知，當通風溫度與皮膚溫度存在5 ℃差異時，皮膚溫度變化率絕對值隨通風風速的增大基本呈增大趨勢；但在某些相鄰風速刺激之間，由于風速差異較小，皮膚溫度變化率沒有表現(xiàn)出統(tǒng)計學上的顯著差異。而通風溫度近似等于皮膚溫度時，溫度變化率曲線波動較為混亂，無明顯線性關系，也未表現(xiàn)出規(guī)律性。

在不同部位之間的差異上，通過上述對比可看出，后背上部的皮膚溫度變化率絕對值在絕大多數(shù)通風水平下均為5個測試部位中最高。其原因在于，由于后背上部是人體主要的散熱區(qū)域，在Tsk或Tsk-5 ℃的吹風刺激下，對流和蒸發(fā)作用導致這一部位散熱量大大增加，使得皮膚溫度較之其他部位有更明顯的下降；而在Tsk+5 ℃的吹風刺激下，這一部位的正常散熱被抑制，同樣導致皮膚溫度比其他部位有更明顯的上升。

2.2.2 韋伯分數(shù)與皮膚溫度變化率的關系

人體局部部位在接受不同程度的吹風刺激時，局部的冷熱感覺是影響人體對氣流感覺判斷的重要因素之一。人體局部的冷熱感覺往往是與該局部的皮膚溫度以及皮膚溫度變化率顯著相關。取標準通風風速下刺激部位的皮膚溫度變化率絕對值為自變量，韋伯分數(shù)為因變量，探究韋伯分數(shù)與皮膚溫度變化率之間的關系。

繪制Tsk-5 ℃與Tsk、Tsk+5 ℃通風溫度條件下，各部位的皮膚溫度變化率絕對值與韋伯分數(shù)的散點圖，并進行 Pearson 相關分析，結果如圖9所示。

圖9 皮膚溫度變化率絕對值與韋伯分數(shù)相關性分析Fig.9 Correlation analysis of absolute value of skin temperature change and Weber fraction

由圖9可看出，對于Tsk-5 ℃和Tsk的通風刺激，當通風引起的皮膚溫度變化率越大時，韋伯分數(shù)相應越小，即皮膚溫度變化越大，受試者的氣流敏感性越高。相關分析結果顯示本組通風溫度條件下，各部位皮膚溫度變化率絕對值(X)與該部位的韋伯分數(shù)(Y)顯著相關(P=0.02)，回歸方程為

Y=-0.89X+0.21

其中R2=0.42。但對于Tsk+5 ℃的通風刺激，皮膚溫度變化率絕對值與韋伯分數(shù)之間沒有顯著的統(tǒng)計學差異(P=0.43)。 原因可能是對于Tsk-5 ℃和Tsk的通風刺激，受試者局部皮膚溫度變化率均小于0 ℃/s， 而皮膚溫度感受器對冷刺激較為敏感，當接收到低于皮膚溫度的刺激后，皮膚溫度感受器將外界溫度變化信息傳遞給下丘腦體溫調節(jié)中樞，從而引起自主性體溫調節(jié)。皮膚溫度感受器對于高于皮膚溫度刺激的敏感性較弱，在皮膚溫度變化率大于0 ℃/s 的情況下，受試者氣流敏感性與皮膚溫度變化率之間并未表現(xiàn)出顯著相關關系。

3 結 論

本文研究探索了人體各部位皮膚氣流敏感性的規(guī)律，以及影響皮膚氣流感覺敏感性的因素，在人體生理層面結合皮膚溫度變化率數(shù)據(jù)進行具體分析，獲得以下主要結論。

1)人體各部位的氣流感覺敏感性之間沒有顯著的統(tǒng)計學差異。后背上部相對來說敏感性優(yōu)于其他4個區(qū)域；后背上部與大腿前部區(qū)域對熱氣流最為敏感；后背下部與大腿后部區(qū)域則對冷氣流更加敏感；大腿后部是受通風溫度影響最大的部位，有溫差存在時其敏感性相比無溫差條件有明顯升高。

2)除胸部區(qū)域外，通風溫度對人體氣流敏感性有較大影響。當通風溫度與人體皮膚溫度相等時，受試者的皮膚氣流敏感性最差，當通風溫度與皮膚溫度存在5 ℃差異時，受試者對氣流大小的敏感度增強。

3)當通風溫度與皮膚溫度有溫差存在時，皮膚溫度變化率絕對值隨通風風速的增大基本呈增大趨勢，但在某些相鄰風速刺激之間，由于風速差異較小，皮膚溫度變化率沒有表現(xiàn)出統(tǒng)計學上的顯著差異；當通風溫度與皮膚溫度之間無溫差時，皮膚溫度變化率波動曲線較為混亂，未表現(xiàn)出規(guī)律性；在氣流刺激引起皮膚溫度降低時，皮膚溫度變化率絕對值與韋伯分數(shù)之間顯著相關，證明皮膚溫度感受器對人體皮膚氣流敏感性的影響程度較大。但由于皮膚溫度感受器對高于皮膚溫度的刺激敏感性較低，氣流敏感性與皮膚溫度變化率并未表現(xiàn)出顯著差異。