稳态环境耐热与非耐热人体热反应实验研究

田国华 狄育慧 王丽娟

稳态环境耐热与非耐热人体热反应实验研究

田国华1狄育慧1王丽娟2

（1.西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048； 2.西安工程大学西部绿色建筑重点实验室 西安 710048）

为了探究不同体质的人体对热环境的生理和心理热反应，开展了耐热与非耐热受试者热反应稳态实验研究。分析了不同体质受试者的皮肤热流、温度、心率变异性、心率、热感觉和热舒适投票随环境温度变化的研究。数据分析发现：随环境温度升高，耐热和非耐热受试者皮肤热流降低、皮温升高、热感觉和热舒适投票增加；在每一个工况下，耐热受试者皮肤温度和心率变异性大于非耐热受试者，热流和心率小于非耐热受试者；在相同的工况下，非耐热受试者比耐热受试者感觉更热，更不舒适。心率变异性、心率、热感觉和热舒适投票个体差异对其影响大于环境温度对其影响，由此推出，在26℃-29℃环境温度下，皮肤热流、温度可以作为区分耐热和非耐热体质的指标，但是心率有待进一步验证；心率变异性、心率、热感觉和热舒适投票不能作为区分耐热和非耐热体质的指标。

耐热；非耐热；生理参数；主观反应

0 引言

科技的快速发展和生活水平的日益提升，使得人们对舒适的室内环境要求越来越高。即使处于舒适的环境都不会让100%的人感到满意。基于这一问题，国内外学者开展了相关研究，结果表明：由于个体差异性，人们对热环境的要求有所不同。林宇凡[1]研究了中国南北人群在中性环境下的生理适应性和主观评价，指出中国南北人群存在差异性。Joo Young Lee[2]研究了热带和温带地区的人群热反应，指出两种人群的皮肤热感觉存在一定差异。张宇峰[3]研究了分体空调建筑人群与自然通风建筑人群的热反应，指出在主观上两类人群存在一定的差异性。闫海燕[4]研究了中国不同地域气候人的适应性，指出不同地域的人适应性差异。余娟[5]研究了夏季空调环境与非空调环境人群人体热反应，指出空调组和非空调组人员在生理调节反应上存在显著性差异。介于以上主要针对不同地区、环境人体热反应研究，而关于不同体质人体热反应研究甚少。因此，本文开展了稳态热环境下，耐热与非耐热体质热反应实验研究。

相关研究表明，皮肤温度[6,7]、心率[8,9]、心率变异性（HRV）[10]是与人体热反应相关的生理参数。该实验结合文献结论、以及课题组的实验经验，选择皮肤热流、温度、心率变异性和心率作为生理测试参数，选择热感觉和热舒适投票作为心理反应指标。

1 实验方案

1.1 实验室及受试者概况

本实验是在某博士办公室进行测试。该实验室西面朝阳，位于西安工程大学科2楼六楼。实验室温湿度、风速由格力幸福系列壁挂空调（型号为KFR-32GW/(32570As-2)）进行控制，其能效比为3.28。该空调的温度测量范围为18～30℃，能够较好的满足制冷和制热要求。其制冷量为3300W，制冷功率为1005W；制热量为3630W，制热功率为1010W。此外空调的风速有五个挡位，分别为一挡、二挡、三挡、四挡和五挡，本实验采用三挡风速（0.3m/s）。

为了确定受试者的耐热与非耐热性，本实验设计了关于人们的酷热夏季外出频率、生活习性和主观感受等一系列问题的调查问卷。以西安工程大学的本科生和研究生为样本来源，发放问卷380份，收回有效问卷161份，其中女性占44%，男性占56%。最终筛选出耐热受试者6名，全部为男性；非耐热受试者6名，男女生分别各为3名；基本信息如表1所示。此外，问卷结果表明，非耐热受试者多为女性，耐热受试者多为男性。

表1 受试者基本信息

1.2 实验工况

实验设定四个温度工况，分别为26℃、27℃、28℃和29℃。在每个温度工况下，相对湿度、风速和服装热阻不变，分别为50%、0.20m/s和0.35col。实验由低温向高温进行控制，受试者保持静坐姿势。待数据稳定后，记录环境参数，生理参数和主观反应。在测试期间，如果受试者不能接受较高温度环境，可以主动要求停止实验。

1.3 测试内容及方法

办公室内空气温度、黑球温度、相对湿度和风速等环境参数采用美翠（METREL德国）热舒适度仪（型号：MI6410）进行监测。其中，空气温度的控制范围为-20℃～60℃，精度为±0.2℃；黑球温度的控制范围为-20℃～60℃，精度为±0.1℃；相对湿度的控制范围为0%～100%，精度为±3%；风速的控制范围为0.1m/s～20m/s，精度为±0.05m/s。在测试时，热舒适仪置于受试者附近，约60cm，每两分钟记录一次数据。

皮肤温度和皮肤热流采用KEM多通道热流计（型号：HFM-215N）和低热流感探头（型号：KM1）进行测试。其中，温度控制范围为-40℃～750℃，精度为0.1℃；热流控制范围为0～±10000W/m2，精度为0.1W/m2。选取人体7个部位[11]作为局部热流和皮肤温度的测点，而平均热流（）和皮肤温度（）的计算公式见式（1）和式（2）[11]。为了确保探头与皮肤接触良好，采用医用透气胶带固定探头。热流计每两分钟记录一次热流和皮肤温度。

心率和心率变异性采用动态心电记录器和导联线（型号：DMS3004-A）进行测试。其中，采样率：256-4096Hz；导联数：10个；灵敏度误差≤10%；定时误差≤±30s。在测试时，导联线探头按照标准导联系统E，将其贴于人体胸部周围。心电记录器每两分钟记录一次数据。

人体主观反应采用热感觉和热舒适投票。其中热感觉采用7级标尺，各级标度含义详见表2；热舒适采用5级标尺，各级标度含义详见表3。受试者每隔10分钟填写一次投票问卷，投票值精确到0.1。

表2 热感觉（TSV）标尺

表3 热舒适（TCV）标尺

2 结果与分析

2.1 生理参数

耐热和非耐热受试者平均皮肤热流如图1所示。统计分析结果表明，环境温度变化对耐热和非耐热受试者的皮肤热流变化均有显著性影响（<0.05）。随着环境温度升高，两种体质受试者平均皮肤热流均降低，其中耐热受试者皮肤热流降低了21.18W/m2，非耐热受试者降低了13.43W/m2。其次，在26℃、27℃、28℃环境工况下，耐热受试者皮肤热流均高于非耐热受试者，两者之间的差值分别为7.24W/m2、5.85W/m2和4.46W/m2；在29℃环境工况下，两种体质受试者皮肤热流差异较小，且耐热受试者只比非耐热受试者低0.51W/m2。由此可知，两种体质受试者皮肤热流存在一定的差异性，且环境温度变化对整体皮肤热流有显著性影响，可以作为检验耐热和非耐热体质的生理参数。

图1 耐热和非耐热受试者平均皮肤热流

耐热和非耐热受试者平均皮肤温度如图2所示。统计分析结果表明：环境温度变化对耐热和非耐热受试者的皮肤温度变化均有显著性影响（<0.05）；在任意工况下，两种体质受试者之间皮肤温度均有显著性差异（<0.05）。该图显示，随着环境温度升高，两种体质受试者皮肤温度均升高，其中耐热受试者的皮肤温度由31.72℃升高到32.86℃，非耐热受试者由32.43℃升高到33.47℃。此外，在任意一个工况下，非耐热受试者平均皮肤温度均高于耐热受试者：从26℃升高到29℃工况下，两种体质受试者皮温差值分别为0.71℃、 0.79℃、0.73℃和0.58℃。由此推出：环境温度变化对皮肤温度有显著性影响，且耐热和非耐热受试者皮肤温度存在一定的差异性，可以作为检验耐热和非耐热体质的生理指标。

图2 耐热和非耐热受试者平均皮肤温度

图3 耐热和非耐热受试者LF/HF变化趋势

耐热和非耐热受试者心率变异性频域参数LF/HF变化趋势见图3。该图表明，在26℃、 27℃、28℃和29℃工况下：耐热受试者的LF/HF分别为6.67、6.08、6.63和5.9，非耐热受试者的LF/HF分别为3.38、4.73、4.9和4.45。可见，随着环境温度升高，两种体质受试者LF/HF增减规律不明显。其次，从标准差上来看，耐热受试者个体LF/HF的最大差值为3.7，而各工况下LF/HF均值的最大差值为0.77；非耐热受试者个体LF/HF的最大差值为2.5，而各工况下LF/HF均值的最大差值为1.06。无论是耐热还是非耐热受试者，个体差异对LF/HF的影响，大于环境温度改变对其的影响。此外，对于每个温度工况下，耐热受试者LF/HF均大于非耐热受试者。由以上数据，可以推断，心率变异性不能作为检验耐热与非耐热体质的生理参数。

耐热和非耐热受试者平均心率如图4所示。统计分析结果表明，环境温度变化对耐热和非耐热受试者的心率变化无显著性影响（＞0.05）；只在 26℃工况下，两种体质受试者平均心率存在显著性差异（<0.05）。图4显示，在任意一个工况下，非耐热受试者心率均高于耐热受试者；从26℃逐渐变化到29℃时，两种体质受试者的心率差值分别为10.76bpm、9.84bpm、10.47bpm和10.78bpm。其次，从标准差上来看，耐热受试者个体心率的最大差值为10.5bpm，而各工况下平均心率的最大差值为2bpm；非耐热受试者个体心率的最大差值为8.3bpm，而各工况下平均心率的最大差值为0.5bpm。不管是耐热还是非耐热受试者，个体差异对心率的影响大于环境温度变化对其的影响。此外，随着环境温度升高，非耐热受试者心率由最初76.74bpm升高到77.27bpm，耐热受试者心率由66bpm升高到66.5bpm。可见，两种体质受试者心率变化不明显。由以上数据表明：受试者个体差异远大于整体差异，心率不能作为检验耐热和非耐热体质的生理参数。

图4 耐热和非耐热受试者平均心率

2.2 主观反应

耐热和非耐热受试者热感觉投票见图5。统计分析结果表明，两种体质受试者TSV之间无显著性差异（>0.05）。图5表明，随着环境温度升高，两种体质受试者TSV呈现增大趋势：由26℃升高到28℃工况时，耐热和非耐热受试者的TSV均增加0.5；而从28℃到29℃工况，由于环境温度变化较小，两种体质受试者TSV变化不明显。其次，在每一个工况下，非耐热受试者TSV均高于耐热受试者，在26℃、27℃、28℃和29℃工况下，两种体质受试者的TSV差值分别为0.2、0.3、0.3和0.3。此外，从标准差来看，耐热受试者个体TSV的最大差值0.5＞各工况下TSV的最大差值0.4，非耐热受试者个体TSV的最大差值0.9＞各工况下TSV的最大差值0.5。由此可见：耐热和非耐热受试者TSV存在较小差异，且两种体质受试者TSV个体差异大于整体差异，TSV不能作为检验耐热和非耐热体质的敏感心理指标。

图5 耐热和非耐热受试者热感觉投票

图6为耐热和非耐热受试者热舒适投票。统计分析结果表明，两种体质受试者TCV之间无显著性差异（＞0.05）。该图显示，在任意一个工况下，非耐热受试者TCV均高于耐热受试者：从26℃升高到29℃工况，两种体质受试者TCV之间差值分别为0.1、0.6、0.3和0.1，其中在27℃环境温度下，耐热和非耐热受试者之间的差异最大。其次，随着环境温度升高，两种体质受试者均呈现增加趋势，耐热受试者TCV从最初0增加到0.4，非耐热受试者从最初0.1增加到0.7。除此之外，从标准差来看，耐热受试者个体TSV的最大差值为0.4，而各工况下TSV的最大差值为0.4；非耐热受试者个体TSV的最大差值为1，各工况下TSV的最大差值为0.6。可见，两种体质受试者的个体差异对TCV的影响大于等于环境温度变化对其的影响。由此推测，TCV不能作为检验耐热非耐热体质的敏感心理指标。

图6 耐热和非耐热受试者热舒适投票

3 结论

（1）在26-29℃的稳态环境中，皮肤热流和温度测试结果表明：随着环境温度升高，两种体质受试者的皮肤热流均降低、而皮肤温度升高。其中耐热受试者皮肤热流高于非耐热受试者，耐热受试者皮肤温度低于非耐热受试者。皮肤热流和温度可以作为检验耐热与非耐热体质的敏感生理参数。

（2）心率变异性测试结果表明：随着环境温度升高，两种体质的心率变异性变化规律均不明显；个体差异较大；在任意一个工况下，耐热受试者LF/HF均大于非耐热受试者。因此，在26-29℃的稳态环境中，心率变异性不能用来检验耐热与非耐热体质，不是人体热反应的敏感生理参数。

（3）心率测试结果表明：在任意一个工况下，非耐热受试者心率均高于耐热受试者；在26℃时，两者之间差异较明显。此外，受试者个体差异大于整体差异。因此，在26-29℃的稳态环境中，心率不能作为检验耐热和非耐热体质的生理参数。

（4）主观投票结果表明：随着环境温度升高，两种体质受试者TSV和TCV均增加；在各个温度工况下，非耐热受试者比耐热受试者感觉更热，更不舒适；此外，受试者的个体差异大于等于环境温度变化对其的影响。因此，在26-29℃的稳态环境中，热感觉和热舒适投票不能为检验耐热和非耐热体质的敏感心理指标。

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Experimental Study of Human Thermal Response Base on Heat-resistant and Non Heat-resistant Human Body in Steady Environment

Tian Guohua1Di Yuhui1Wang Lijuan2

( 1.School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048; 2.Xi'an Polytechnic University, the Western Green Building Key Laboratory, Xi'an, 710048 )

In order to explore different human thermal response about physiology and psychology in heat environment, this article carries out experimental study of human thermal response base on heat-resistant and non heat-resistant human body in steady environmental. Along with the change of environmental temperature, the different physical human’s heat flow of skin, skin temperature, heart rate variability, heart rate, thermal sensation and thermal comfort are analyzed. Statistical analysis shows that, as the temperature of the environment rises, the heat-resistant and non heat-resistant human’s heat flow of skin decrease, skin temperature rises, the thermal sensation and the thermal comfort increase. In any one temperature condition, the heat-resistant human’s skin temperature and heart rate variability are higher than those of non heat-resistant human, heat flow of skin and heart rate are lower than those of non heat-resistant. In the same temperatures, the non heat-resistant human feel more heat and uncomfortable than the heat-resistant. Heart rate variability, heart rate, thermal sensation and thermal comfort’s individual differences is greater than it is caused by the environment temperature. In general, in environmental temperature of 26-29℃, heat flow of skin and skin temperature can be used to test human base on heat-resistant and non heat-resistant in steady environment. Heart rate variability, heart rate, thermal sensation and thermal comfort can’t be used to test human base on heat-resistant and non heat-resistant in steady environment.

heat-resistant; non heat-resistant; physiological parameters; subjective response

TU83

A

1671-6612（2018）02-103-06

国家自然科学基金项目（51508434）；西部绿色建筑重点实验室培育基地开放课题资助项目（LSKF201701）

田国华（1990.09-），女，在读研究生，E-mail：491727027@qq.com

狄育慧（1964-），女，教授，硕士生导师，E-mail：470836165@qq.com

2017-09-07