中國人群代謝率數據庫的建立與應用

高斯如，李艷艷，楊柳，翟永超*

0 引言

新陳代謝率是影響人體熱舒適的重要因素之一，獲取精確的代謝率數據是計算人體熱平衡、評價人體熱舒適的前提。相較于其他影響因素，代謝率由于測量過程復雜、測量設備昂貴，一直是熱舒適研究的難點。當前的實驗與現場研究中，鮮有對代謝率進行直接測量，多采用查取標準規范的方法獲取某一活動類型下的代謝率參考值。常用的標準有ISO 8996-2004[1]、ISO 7730-2005[2]，及ASHRAE 55-2017[3]等，然而以上標準給定的代謝率取值均來自基于歐美青年人群的測量數據，忽略了不同人群、不同性別和年齡造成的代謝率差異。發表于Science期刊的一項研究發現：年齡是影響人體基礎代謝變化的重要因素[4]。近年來基于中國人群的實驗研究發現，實驗測得的代謝數據與標準給定值存在差異，但存在測試樣本較小，活動工況少，未關注年齡影響的問題[5-6]。綜上當前熱舒適領域代謝率基礎數據嚴重缺乏，建立系統的中國人群代謝率數據庫，是精確評價人體熱舒適、提升室內熱環境設計的重中之重。

1 方法

現有的代謝率測試方法可劃分為篩分法、觀測法、解析法和測量法，以上4 種測試方法精度逐級遞增，其中以測量法最為準確，被稱為代謝率測量的“金標準”。測量法中使用最為普遍的為間接測熱法，即通過測定受測者的耗氧量和CO2生成量，根據相應的氧熱價計算出單位時間的代謝產熱量。便攜式氣體代謝分析儀因具有便攜、實時、精確的特性，能夠滿足對日常活動進行長時間不間斷測量。本研究采用便攜式氣體代謝分析儀COSMED K5，測試了20～69 歲共151 名（男女比例1:1）受測者從事平躺、辦公活動（坐姿休息/閱讀/寫字/打字、站姿休息/打字/整理文件）、家庭活動（看電視、玩手機、整理衣物、擦窗戶、吸塵）、運動（走步2～6km/h）共18 項活動的實時耗氧量與CO2生成量（圖1-5），并根據公式（1）-（3）計算得出代謝率，測試過程依據ISO 8996-2004 標準[1]。

1 便攜式氣體代謝分析儀

2 受測者呼出氣體測定

3 辦公活動（坐姿閱讀、坐姿寫字）

4 辦公活動（站姿打字、站姿整理文件）

5 家庭活動（吸塵）和走步

式中：RQ 為呼吸商；VCO2為CO2的產生速率，單位ml/min；VO2為耗氧率，單位ml/min；EE 為能量當量，單位W·h/L O2；M 為代謝率，單位W/m2。

2 成果

基于間接測熱法，測試并收集代謝率數據2718 組，每組數據包括受測者的性別、年齡、身高（m）、體重（kg）和體脂率（%）等身體特征數據，耗氧率（ml/min）、CO2產生速率（ml/min）等呼吸成分數據，以及計算得出的代謝率（W/m2和met）、代謝產熱量（W）。建立了中國首個涵蓋老、中、青年人群，覆蓋辦公、家庭、運動等多種活動類型的代謝率基礎數據庫，為評價不同年齡人群熱舒適提供了精確數據，滿足了不同建筑類型室內熱環境設計的需求。對數據庫進行分類整理，得到了中國人群代謝率的年齡變化規律與性別影響規律，發現全年齡段的男性受測者的代謝產熱量及代謝率均高于女性，其差異隨活動強度提升逐漸增大。年齡對代謝率變化的影響較小，在20～69 歲范圍內基本保持穩定，該結果與以往基礎代謝率的研究結果一致。與ISO 和ASHRAE 國際標準中代謝率值（表1）對比表明中國人群代謝率測試值在低強度活動時接近標準值，在高強度活動時則高于標準給定值，因此，“一刀切”地使用基于歐美人群的代謝率標準值，在熱舒適評價中勢必引起較大的誤差。

表1 不同活動類型下國際標準給定代謝率值與中國人群代謝率測量值

3 結論

我國人群代謝率測量值與國際標準給定值之間存在較大差異，“一刀切”地使用基于歐美人群的代謝率標準值，忽略性別和年齡差異，在熱舒適評價中會造成較大誤差。本研究針對代謝率數據獲取難、缺乏中國人群代謝率基礎數據的難題，基于間接測熱法，開展大樣本不同年齡、不同活動類型的代謝率測試，獲取2718 組中國人群代謝率數據一手資料，據此建立了中國人群代謝率數據庫，成果填補了標準數據中我國不同年齡人群代謝率特征的空白。□