运动前后人体体表温度变化与主观热感觉评定

苗 苗， 鲁 虹,2， 程梦琪

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051； 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

人体整个机体温度的分布可看成双层结构，分为体壳和体核2部分。人体的外周组织即表层，包括皮肤、皮下组织和肌肉等，其温度称为表层温度。表层温度不稳定，各部位间的差异较大。人体表层最外层的温度，叫做皮肤温度，也称为体表温度。人体通过对流、辐射和汗液蒸发等形式从环境中获得或向环境散发热量[1]。体温正常是人进行正常生命活动的前提，因此，人体必须维持产热和散热之间的平衡，从而保持正常体温。体表各部位的温度差值较大，波动幅度也相差较大，受环境、衣着、皮下脂肪厚度和局部血流量等的影响。服装舒适感觉主要是指热感觉，是主观现象，是环境、人体、服装多种因素的综合，既与客观因素有关，又受明显的个体差异影响[2-3]。

本文挑选16位年龄在20～25岁的女性作为受试者，分别测试其穿着统一的紧身上衣时，在温度为15 ℃，相对湿度为50%的环境中静止、运动10、20、30 min后服装的表面温度和主观热感觉。通过红外热像仪对3位受试者上身温度分布进行测量，根据其温度分布情况将上身划分为30个区域，再通过分析其他13位受试者30个部位的温度和主观热感觉平均值，以及运动30 min后各部位温度和主观热感觉与静止状态、运动10、20 min后的温度和主观热感觉的线性相关性进行研究。

1 实验方案设计

1.1 受试者选择

选择日常运动频率相似，体型(身高为160 cm左右，体重为50 kg)相似的16位受试者(M1～M16)，其基本数据及受试情况见表1。M1～M3的 3位受试者参与预实验，通过温度测试根据其温度分布情况确定区域的划分。M4～M16为正式受试者，既参与温度测试， 又参与主观热感觉测试。

表1 受试者基本情况

1.2 实验环境

根据实验进行时外界的温度和湿度，将温度设为15 ℃，相对湿度为50%，与当时的天气情况相适应。实验在东华大学穿着评价实验室进行。

1.3 温度测量仪器

目前，人体表面温度的测量方法分为接触式和非接触式2种。接触式大都采用医用热敏电阻温度计、医用电子接触式温度计或鼓膜温度计。非接触式大都采用手持式额温计、红外体温监测仪、医用红外热成像仪等[4]。本文采用红外热像仪对人体服装表面温度进行测量。

1.4 实验步骤

受试者穿着统一的贴身服装，在环境温度为15 ℃，相对湿度为50%的实验室中静坐10 min，用红外热像仪拍摄其服装正、背面红外图像。在同一环境中，先选用3位受试者分别在跑步机上以 6 km/h匀速运动10、20、30 min后，再分别用红外热像仪拍摄其服装正、背面红外图像，根据3人的温度分布情况将人体划分为30个区域；随后再对其他13个受试者进行相同的操作，并对4种状态下 30个区域主观热感觉进行评分。

人体热舒适在美国暖气及通风工程师学会(ASHRAE)标准中定义为人对热环境表示满意的意识状态[5]。从这个角度来看，热舒适感觉是环境与人之间相互作用后，人的主观评价。热舒适主观评价方法中用于评价人体热舒适和热感觉的指标有多种：ASHRAE从1966 年开始使用热感觉 7 级指标；1936年 Bedford 提出了热舒适(包含热感觉)的 7级评价指标[6]；另外，还有只针对热舒适的 4级指标，Gagge与 Hardy 等采用了这种指标[7]。本文在前人研究的基础上综合客观实验条件，采用 5级指标，其等级评分表如表2所示。

表2 主观热感觉等级评分表Tab.2 Score of subjective thermal sensation degree

2 人体温度分布区域的划分

就人体温度分布区域划分而言：Uenatsu[8]测量了90位健康人的热像图，将人体分为40个部位；彭见曙等[9]将人体分为头、臂、前身、后身和腿5个解剖学部位,测量其体表平均温度,但测温点较少；炉庆洪等[10]对人体体表温度测量及分布特征的研究较为全面，将人体分为21个区域。几位学者对人体区域的划分主要从生理解剖学角度出发，本文从服装与人体温度角度出发，将人体上身分为30个区域，通过对每个区域的温度变化情况进行分析，为人体与服装的热舒适性提供一定的研究基础，使服装各部位的热舒适性更加贴合人体相应部位的热舒适性。

实验用的红外热像仪可根据不同温度显示出不同的色彩，因此，通过汇总分析了3位受试者运动前后人体表面红外热像图，将人体按照色彩显示(即中心温度高低情况)以及人体对称特点分为30个区域：其中区域1、2位于人体胸部；区域3、4位于人体乳房；区域5、6、7、9位于人体胁肋处；区域8位于人体腹部，区域10、11、12、13、14、15、25、26、27、28、29、30位于人体上肢处，其中区域10、13、25、28位于上肢上臂处，区域11、14、26、29位于上肢肘部，区域12、15、27、30位于上肢手腕处，区域16、17位于肩胛骨处，区域18、19、20位于人体脊椎处；区域21、23位于人体背部，区域22、24位于人体腰部。人体温度区域分布如图1所示。

图1 人体温度区域分布图Fig.1 Regional distribution map of human body temperature.(a) Front side; (b) Back side

3 实际温度与主观热感觉分析

3.1 实际温度和主观热感觉相关性分析

3.1.1实际温度相关性分析

图2示出运动前后人体各区域实际温度分布。可知，当人体处于温度为15 ℃，相对湿度为50%的环境中保持静止状态时，人体温度较低，运动10、20、30 min后温度逐渐升高。

图2 运动前后人体各区域实际温度分布Fig.2 Distribution of actual temperature of each part of human body before and after exercise

对人体静止状态各部位温度(X1)、运动10 min后各部位温度(X2)、运动20 min后各部位温度(X3)与运动30 min后温度(Y)用Origin6.0进行线性拟合分析，可知：X1与Y的显著性p值小于 0.000 1，二者具有相关性，其线性拟合方程为：

Y=8.111+0.678X1

对二者进行T检验-双总体检验可知，t=-14.821 58,p=4.571 79×10-15,二者的均值具有显著性差异，即运动30 min后各部位温度相较于静止状态各部位客观温度变化较为明显。

X2与Y的p值小于0.000 1，二者具有相关性，其线性拟合方程为：

Y=4.661+0.799X2

对二者进行T检验-双总体检验可知，t=-5.201 78,p=1.447 68×10-5,二者的均值具有显著性差异，即运动30 min后各部位温度相较于 10 min后各部位温度变化较为明显。

X3与Y的p值小于0.000 1，二者具有相关性，且呈正相关，二者的线性拟合方程为：

Y=2.878 73+0.878 01X3

对二者进行T检验-双总体检验可知，t= -4.044 72,p=3.542 72×10-4,二者的均值具有显著性差异，即运动30 min后各部位温度相较于运动 20 min后各部位温度变化较为明显。

总结可知，因变量Y与自变量X1、X2、X3均具有相关性，对Y与自变量X1、X2、X3进行多元线性回归分析可知，Y与X1、X2、X3之间的关系式为：

Y=4.443+0.252X1+0.306X2+0.266X3

3.1.2主观热感觉相关性分析

图3示出运动前后各部位主观热感觉分布曲线。可知，当人体处于温度为15 ℃，相对湿度为50%的环境中保持静态时，人体主观热感觉为冷，运动10、20、30 min后主观热感觉逐渐升高，且运动 10 min后主观热感觉升高较为明显，运动20、30 min后主观热感觉升高幅度较小。

图3 运动前后人体各部位实际主观热感觉分布图Fig.3 Distribution of actual subjective thermal sensation of each part of human body before and after exercise

通过对人体静止状态各部位主观热感觉(S1)、运动10 min后各部位主观热感觉(S2)、运动20 min后各部位主观热感觉(S3)与运动30 min后主观热感觉数值(R)用Origin6.0进行相关性分析可知：S1与R的p值为0.763 86，二者不具有相关性；对S1与R进行T检验-双总体检验可知，t=-34.337 53,p=3.079 23×10-40,二者的均值具有显著性差异，即运动 30 min后各部位主观热感觉相较于静止状态各部位主观热感觉变化较为明显；S2与R的p值为 0.002 77，二者具有相关性，其线性拟合方程为:

R=0.897+0.448S2

对S2与R进行T检验-双总体检验可知，t=-6.150 48,p=1.054 92×10-6,二者的均值具有显著性差异，即运动30 min后各部位主观热感觉相较于运动10 min后各部位主观热感觉变化较为明显。S3与R的p值为0.005 28，二者不具有相关性，对S3和R进行T检验-双总体检验可知，t=1.101 82,p=0.275 09,二者的均值不具有显著性差异，即运动30 min后各部位主观热感觉相较于运动20 min后各部位主观热感觉变化不明显。

由上述分析可知，运动30 min后的数值仅与运动10 min后各部位主观热感觉数值具有线性相关性；运动30 min后的主观人体感觉相较于静止状态、运动10 min后的数值均有显著性变化，但是相较于运动20 min后主观热感觉数值没有显著性变化，也就是在运动20 min后，各部位主观热感觉相对于运动30 min没有发生显著性变化。

3.2 实际温度和主观热感觉分布分析

3.2.1实际温度分布分析

根据4种状态下服装表面温度分布情况，本文用8种灰色梯度的颜色来进一步直观的描述。 图4～7 分别为静止状态、运动10、20、30 min后人体客观温度分布图。

图4 静止状态人体温度分布Fig.4 Distribution of temperature of human body on stationary state. (a) Front side; (b) Back side

图5 运动10 min后人体温度分布Fig.5 Distribution of temperature of human bady after 10 min of exercise. (a) Front side; (b) Back side

由图4可知：人体处于静止状态时，整个上身从上至下温度呈递减模式，其中肩胛骨处、胸部温度较高；正面温度相比于背面，温度较低的区域较多，正面温度较低的区域呈等腰梯形，其中腹部最低；背面低温区域呈等腰三角形，脊椎底部温度最低。

图6 运动20 min后人体温度分布Fig.6 Distribution of temperature of human body after 20 min of exercise. (a) Front side; (b) Back side

图7 运动30 min后人体温度分布Fig.7 Distribution of temperature of human body after 30 min of exercise. (a) Front side; (b) Back side

由图5可知，运动10 min后，整体温度相对于静止时有所上升，整个上身温度从上至下仍呈逐渐递减模式，正面低温区域比背面多，且呈等腰梯形分布，其中胸部和肩胛骨处温度较高，胁肋处、后腰处、手腕处温度最低。背面躯干部分温度升高幅度比正面大，升温幅度较大区域呈等腰三角形，其中区域18升温幅度最大，手臂和手腕处温度变化幅度较小。

由图6可知：运动20 min后人体客观温度继续上升，其中正面的胸部和肩胛骨处温度较高，此时正面区域的温度呈不对称形式；与运动10 min后温度变化幅度相比有所降低，其中手腕处、脊椎底部温度升温幅度较大，正面胸部、腹部后背肩胛骨、脊椎上中部温度几乎没有变化，背面温度变化较小区域呈倒等腰梯形形状。

由图7可知：运动30 min后整体温度虽较比静止状态高，但升温幅度相比于运动10、20 min后有所降低，温度逐渐趋于稳定；肩胛骨处的温度相比于运动10、20 min后有所下。脊椎底部的温度相比于运动20 min后亦有所下降；正背面手臂处、腹部、胁肋处温度有所上升。

通过对不同运动状态条件下人体温度分析可知：随着运动时间的延长，人体温度总体呈上升趋势，而升温幅度逐渐减小。后背肩胛骨处、后腰中部在运动20 min后温度开始下降。人体在4种状态下，正面的胸腔处、上臂处温度较高，胸部温度较低，可能与穿着文胸时其有一定的热阻有关；腹部、手腕处温度较低；背面的肩胛骨处、上臂处温度较高；脊椎底部、手腕处温度较低。

3.2.2主观热感觉分布分析

根据穿着统一服装时处于4种状态下的主观热感觉，本文用8种灰度不同的颜色来描述分布情况。图8～11为静止状态、运动10、20、30 min后客观温度分布人体主观热感觉图。

图8 静止状态人体主观热感觉分布Fig.8 Distribution of subjective thermal sensation on stationary state. (a) Front side; (b) Back side

图9 运动10 min后主观热感觉分布Fig.9 Distribution of subjective thermal sensation after 10 min exercise. (a) Front side; (b) Back side

图10 运动20 min后主观热感觉分布Fig.10 Distribution of subjective thermal sensation after 20 min exercise. (a) Front side; (b) Back side

图11 运动30 min后主观热感觉分布Fig.11 Distribution of subjective thermal sensation after 30 min of exercise. (a) Front side; (b) Back side

由图8可知：静止状态下，整体热感觉数值为-1.385，整体热感觉为冷；此时胸部、右臂后背处主观热感觉稍高；正面胁肋处、腹部主观热感觉较低，正面主观热感觉较低区域呈等腰三角形分布；后背肩胛骨处、脊椎处主观热感觉较低，背面主观热感觉较低区域呈T字型分布。

由图9可知：运动10 min后整体主观热感觉数值为1.308，整体热感觉为热，此时的热感觉较静止状态上升较为明显，且热区域分布较为集中；部位1主观热感觉最高，左右两肢上臂处、右肢手腕处温度较低；此时正面热感觉变化较为明显的区域为静止状态热感觉较低的三角形区域，背面热感觉变化较为明显的区域为静止状态热感觉较低的T字区域。

由图10可知：运动20 min后，整体主观热感觉数值为1.615,整体热感觉为热；主观热感觉高的区域增多，尤其是代表最高热感觉的区域增加数量较为明显。人体正面的左部(区域1、4、5、7、8)热感觉较高，右臂背面肘部热感觉较低。

由图11可知：运动30 min后，整体主观热感觉值为1.769，整体热感觉为热。运动30 min后整体热感觉比前面3种状态都高，此时只有2种填充效果，正面右部胸部、乳房处热感觉上升幅度较大，背部肩胛骨、后腰处热感觉变化较为明显；背面热感觉变化较为明显的区域形状呈倒L字型。但是区域7、8的热感觉相比于运动20 min后有所降低。

通过对不同运动状态下人体主观热感觉可知：随着运动时间的延长，主观热感觉逐渐增加，随后趋于稳定，运动后总体热感觉为热。其中左胸部、脊椎中下处、背面左上臂处主观热感觉数值较高；区域5、7、8主观热感觉运动10 min上升幅度较为明显，但是运动30 min后区域7、8的热感觉相比于运动20 min后有所降低。

4 结束语

通过对人体各部位在静止状态、运动10、20、30 min 后的服装表面温度和主观热感觉研究可知，随着运动时间的延长，人体各部位温度与主观热感觉整体均呈上升趋势，但上升幅度逐渐减小。

人体在4种运动状态下，胸腔、肩胛骨、上臂处客观温度较高，左胸部、脊椎中下处、背面左上臂处主观热感觉数值较高；胸部、腹部、脊椎底部、手腕处客观温度较低，右臂背面的肘部、胁肋处、腹部主观热感觉相对较低。胸部之所以温度较低，可能与穿着文胸时文胸有一定的热阻有关，因此，在设计服装热舒适性时可适当加大区域16、17、1、2、11、25的降温力度、透气性，相反，加大8、9、19、20的保暖性。

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