室內環境中口罩對人體熱反應的影響

王麗娟，左國棟，張盟盟

(西安工程大學 城市規劃與市政工程學院，陜西 西安 710048)

0 引 言

口罩是重要的個人防護設備，尤其在傳染病流行時期[1]。2019年末，新冠肺炎疫情的爆發，使得口罩在日常防護中應用更加普遍。嚴重的病毒性呼吸道傳染病對口罩及面罩的使用產生了巨大的推動作用[2]。口罩結構簡單、造價便宜且能有效阻止病毒傳播[3]，在疫情期間對民眾的生命健康起到了很好的保護作用。然而，環境溫度較高時佩戴口罩會增加人們的不舒適感。

防護性口罩總體舒適度分為熱舒適度和呼吸設計舒適度。其中呼吸設計舒適度，可以通過調整口罩表面材料以及口罩整體結構進行提高，因而防護性口罩表面材料和設計對整體舒適性有顯著影響[4]。口罩內微環境空氣溫度提高了口罩覆蓋的面部皮膚的溫度，面部熱感覺又對全身熱感覺造成影響，即口罩的熱舒適度。影響顯著的原因是來自面部到中樞神經系統的傳入沖動，可能比來自其他區域的傳入沖動權重更大[5]。口罩覆蓋下微室內空氣溫度上升的同時，二氧化碳濃度也會上升，由此帶來的窒息感增強了熱不舒適感。在溫和環境中，由于佩戴口罩導致的面部蓄熱量有限，使用口罩帶來多余熱量和溫暖感覺大部分來自于心理因素[4]。KIM等在高溫高濕環境下，評估了N95和P100型過濾口罩，探究其在生理和主觀反應方面的差異。結果表明：受試者佩戴2種類型口罩在跑步機行走時，直腸溫度、平均皮膚溫度、熱感覺均無顯著性差異[6]。MEYER等研究表明，在空氣平均溫度為18 ℃的工作環境中，佩戴呼吸保護裝置的可接受持續時間約為1 h，而且隨著空氣溫度的升高，舒適感降低[7]。環境變化引起的熱不舒適會影響工作效率[8]，同時，室溫升高會加劇病態建筑綜合癥，降低空氣品質，間接影響工作效率[9]。當代社會工作性質的變化，使得辦公人員的工作效率對整個社會生產力的影響越來越大,因而研究口罩對辦公環境下人群的熱舒適規律具有重要意義。

為了避免個體差異引起的實驗誤差，本研究采用文獻[10]提出的辦法，對不同熱偏好人群進行篩選，選擇中性熱偏好人群為受試者。環境溫度設定為中性熱環境(To1=26 ℃)以及偏熱環境(To2=32 ℃)模擬辦公環境。口罩類型有醫用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩。測試受試者核心溫度(Tc)、心率、局部皮膚溫度(Tsk)及熱感覺投票(TSV)和熱舒適投票(TCV)，探究上述3種口罩在同一操作溫度(To)下對人體整體熱反應影響的差異。

1 實 驗

1.1 熱偏好區分及受試者信息

文獻[10]研究表明，即使性別和年齡段相同，人們仍然存在涼偏好、中性偏好和暖偏好，且各偏好組之間的生理參數和心理參數存在顯著性差異。為了避免受試者自身熱偏好差異產生的誤差，本次實驗選擇中性偏好男女受試者各7名。受試者年齡、身高、體質量、體質指數(BMI)見表1。

表 1 受試者基本信息

受試者身體健康，無抽煙、飲酒、長期熬夜等習慣；參加實驗前24 h內無劇烈運動，保持正常的作息時間和飲食習慣。

1.2 實驗方案

實驗主要模擬夏季熱環境工況，在氣候室內進行。環境工況設定為中性熱環境(26 ℃)以及偏熱環境(32 ℃)等2種。人工氣候室內風速低于0.2 m/s,相對濕度(RH)約為60%。實驗選用口罩類型為醫用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩，其樣式見圖1，具體參數見表2。

圖 1 實驗選用口罩

表 2 口罩具體參數

實驗中，選取平均皮膚溫度、心率和核心溫度作為人體熱生理參數；選取熱感覺投票(見表3)和熱舒適投票(見表4)作為主觀反應指標。其中平均皮膚溫度Tsk的計算公式[11]為

Tsk=0.34t1+0.13t2+0.33t3+0.18t4

(1)

式中：t1～t4分別代表身體的胸、手臂、大腿、小腿等部位的溫度，℃。

表 3 熱感覺投票(TSV)[12]

表 4 熱舒適投票(TCV)[12]

為減少受試者生活節律對實驗數據的影響，本實驗選擇下午進行。焓差實驗室位于西安工程大學城市規劃與市政工程學院，該實驗室由控制室和人工氣候室2部分組成,能夠精確控制干球溫度、相對濕度和風速等環境參數。其中,干球溫度的控制范圍為0～40 ℃,精度為±0.3 ℃；相對濕度的控制范圍為15%～85%,精度為±4%；風速的控制范圍為 0.1～2 m/s,精度為0.3 m/s。實驗開始前4 h，要求受試者口服Coretemp傳感器，以確保傳感器測試溫度為直腸溫度。開始實驗時，為排除服裝熱阻不同引起的誤差，受試者統一穿著熱阻為0.6clo的服裝。待環境參數穩定，依次佩戴醫用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩。每個工況持續檢測45 min。當數據穩定后，記錄受試者核心溫度、皮膚溫度、心率以及受試者的主觀熱感覺和熱舒適。核心溫度采用CoreTemp膠囊裝一次性傳感器測量，皮膚溫度采用日本精度電子(KEM)生產的多通道熱流計測試，心率測試采用動態心電記錄器DMS300-4A。

2 結果與分析

采用ANOVA方法檢驗了中性環境和偏熱環境下，男性和女性佩戴3種不同類型口罩在核心溫度、平均皮膚溫度、心率、整體熱感覺和整體熱舒適方面的顯著差異，顯著性水平設置為0.05[13]，并進行配對t檢驗。比較受試者佩戴不同類型口罩各項生理參數及主觀感受差異。

2.1 生理參數

2.1.1 人體核心溫度 圖2為幾種狀態下核心溫度(Tc)測量結果。由圖2可知：2種操作溫度下(To1=26 ℃、To2=32 ℃)，男性和女性佩戴醫用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩，其核心溫度無顯著性差異(p>0.05)，且同種操作溫度下男女間也沒有顯著性差異(p>0.05)。同一工況下，女性核心溫度高于男性，且核心溫度標準差也大于男性。女性受試者佩戴不同口罩時，核心溫度變化比男性更明顯。可見，口罩對人體熱反應的影響，女性比男性更敏感。操作溫度由26 ℃升至32 ℃，無論男性或者女性，未戴口罩、戴醫用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩，核心溫度均先降低后升高。其他研究在未佩戴口罩狀態下，也發現核心溫度這種規律[14]。文獻[15]給出解釋是，受試者走到實驗室靜坐后，活動水平降低導致代謝率降低，無論實驗工況是升溫還是降溫，前 2 h受試者的核心溫度均會降低。操作溫度為32 ℃時，男性核心溫度變化幅度小于女性，這是因為女性對環境溫度更加敏感[16]，且高溫工況下差異愈發明顯。所以，佩戴不同類型口罩狀態下，女性核心溫度的變化速率快于男性。受試者未戴口罩、佩戴醫用外科口罩和普通棉布口罩時，偏熱環境(To2=32 ℃)的核心溫度均低于中性環境(To1=26 ℃)；然而，當受試者佩戴N95口罩時，偏熱環境(To2=32 ℃)的核心溫度卻高于中性環境(To1=26 ℃)。由此說明，實驗測試核心溫度先降低后升高的規律，并不適用于N95口罩工況。原因是N95口罩透氣性比其他口罩差，阻礙受試者呼吸散熱導致核心溫度升高。

圖 2 佩戴與未佩戴口罩狀態下的核心溫度

2.1.2 平均皮膚溫度 圖3為幾種狀態下平均皮膚溫度測量結果。由圖3可知：2種操作溫度(To1=26 ℃、To2=32 ℃)下，男性佩戴醫用外科口罩和普通棉布口罩時，平均皮膚溫度有顯著性差異(p<0.05)；女性佩戴醫用外科口罩(p<0.01)、普通棉布口罩(p<0.05)、N95口罩(p<0.01)時，平均皮膚溫度亦有顯著性差異。To2=32 ℃時，女性佩戴醫用外科口罩、普通棉布口罩和N95口罩與未佩戴口罩狀態的平均皮膚溫度均有顯著性差異(p<0.01)，而同種工況男女間皮膚溫度未發現顯著性差異。To2=32 ℃時，女性佩戴口罩狀態相比較于未佩戴口罩狀態，平均皮膚溫度顯著升高。表明偏熱環境下女性局部熱刺激對平均皮膚溫度的影響大于男性，女性對溫度變化、維持皮膚溫度穩定的能力弱于男性。相較于男性，女性平均皮膚溫度受是否佩戴口罩影響較大，不同類型口罩間平均皮膚溫度差異亦較大。

圖 3 佩戴與未佩戴口罩狀態下的平均皮膚溫度

2.1.3 心率 圖4為未佩戴與佩戴3種口罩狀態下心率測試結果。由圖4可知：2種操作溫度(To1=26 ℃、TO2=32 ℃)下，男性和女性佩戴3種口罩狀態的心率無顯著性差異(p>0.05)。與未佩戴口罩狀態相比，男性佩戴醫用外科口罩狀態在To1=26 ℃時，心率基本不變；男性佩戴醫用外科口罩狀態的心率在To2=32 ℃時輕度增加。女性在To1=26 ℃時，佩戴醫用外科口罩與未佩戴口罩相比，心率增加。靜坐狀態的心率變化規律，與運動狀態心率變化規律一致[17]。綜上，在中性熱環境(To1=26 ℃)的靜坐狀態，男性和女性佩戴醫用外科口罩的心率輕微增加，佩戴普通棉布口罩和N95口罩的心率輕微減小；偏熱環境(To2=32 ℃)時，男性佩戴3種口罩，心率均輕微增加，女性心率基本持平。在偏熱環境中，男性通過呼吸散熱的頻率加快，耗氧量增大，口罩帶來的呼吸阻力使受試者難以呼吸和吸收足夠的氧氣，缺氧會刺激交感神經系統，并增加心率[18]。由于男女需氧量的差別，男性心率增加較為明顯。

圖 4 佩戴與未佩戴口罩狀態下的心率

2.2 主觀反應

2.2.1 熱感覺 圖5為未佩戴與佩戴3種口罩狀態下熱感覺測試結果。由圖5可知：中性熱環境下(To1=26 ℃)，男性佩戴N95口罩與未佩戴口罩(p<0.01)、佩戴醫用外科口罩(p<0.05)狀態熱感覺有顯著性差異，女性與男性差異性一致。偏熱環境下(To2=32 ℃)，男性佩戴N95口罩與未佩戴口罩(p<0.01)、佩戴醫用外科口罩(p<0.01)狀態熱感覺有顯著性差異(p<0.05)，男性佩戴普通棉布口罩與佩戴醫用外科口罩、未佩戴口罩狀態亦有顯著性差異；女性佩戴N95口罩與佩戴普通棉布口罩(p<0.05)、醫用外科口罩(p<0.001)、未佩戴口罩狀態(p<0.001)熱感覺也有顯著性差異，女性佩戴普通棉布口罩與佩戴醫用外科口罩(p<0.05)、未佩戴口罩(p<0.05)狀態也有顯著性差異。受試者佩戴不同類型口罩主觀熱感覺差異的顯著性強于生理參數，各工況下，主觀熱感覺出現顯著性差異的次數多于生理參數。其原因是受試者佩戴口罩時吸入空氣中二氧化碳含量較高，二氧化碳水平的增加導致受試者心理恐慌。心理恐慌的一些癥狀包括潮熱和出汗，這些額外的生理變化增強了主觀熱感受，進而增加口罩佩戴帶來的熱負荷[4]。

圖 5 佩戴與未佩戴口罩狀態下的熱感覺

2.2.2 熱舒適 圖6為幾種狀態下熱舒適性測試結果。由圖6可知：中性熱環境下(To1=26 ℃)，女性佩戴N95口罩(p<0.05)與未佩戴口罩狀態熱舒適有顯著性差異。偏熱環境(To2=32 ℃)下，男性和女性佩戴N95口罩(p<0.01)、普通棉布口罩(p<0.05)與未佩戴口罩狀態熱舒適有顯著性差異。此外，女性佩戴N95口罩(p<0.05)與佩戴醫用外科口罩狀態熱舒適也有顯著性差異。女性佩戴不同類型口罩在中性熱環境中，其熱舒適有顯著性差異。在偏熱環境中，男性和女性佩戴不同類型口罩的熱舒適差異更加顯著。可見，受試者不舒適的主觀感受隨著熱應激的增加而顯著增加[19]。2種操作溫度下，受試者佩戴醫用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩熱不適感升高,而N95口罩帶來更劇烈的熱不適感[20]。不同類型口罩間，熱舒適出現顯著性差異的工況少于熱感覺出現顯著性差異的工況。

圖 6 佩戴與未佩戴口罩狀態下的熱舒適

3 結 論

1) 2種操作溫度下，未佩戴口罩、佩戴醫用外科口罩、普通棉布口罩和N95口罩4種狀態比較，受試者的核心溫度、心率沒有顯著性差異，而熱感覺、熱舒適存在有顯著性差異，平均皮膚溫度只有女性在偏熱環境下有顯著性差異。

2) 2種操作溫度(26 ℃和32 ℃)間，受試者平均皮膚溫度在女性佩戴3種口罩和男性佩戴醫用外科口罩、普通棉布口罩狀態下，存在顯著性差異，男性出現顯著性差異的工況小于女性。

3) 同一操作溫度，男性平均皮膚溫度、熱感覺和熱舒適出現差異性的工況小于女性，顯著性弱于女性。關于口罩在低活動水平對人體生理和心理的影響，女性比男性更敏感。

4) 不同類型口罩對人體熱舒適和熱感覺有影響。偏熱環境(32 ℃)下，透氣性較差的N95口罩讓受試者感覺最熱且最不舒適，然后依次是普通棉布口罩和醫用外科口罩。