环境温度突变时人体热感觉变化机制研究进展

黄倩倩， 李 俊,2

(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)

人体经常在不同环境之间转换，由于环境温度不同而带来的温度突变会影响人体热感觉，目前还没有标准规定2个环境之间可接受的突变温差。在稳态条件下，热感觉与环境温度相关性较好，ISO 7730：2005《热环境工效学：通过计算PMV和PPD指数及局部热舒适度标准对热舒适度作分析性预测和解释》推荐PMV指标(预测平均热感觉投票值)用于热感觉评价；而在环境温度突变下，PMV适用性不足[1]，现有研究仍处于对热感觉动态变化机制的探索中。

1967年，Gagge等[2]率先开展了环境温度突变下的人体实验研究，总结了2条重要规律：第一，在环境温度突变的情况下，人体产生心理超前(anticipatory)现象，表现为热感觉等心理反应变化超前于皮肤温度的变化；第二，在突变瞬间，人体出现热感觉超越(overshooting)现象，表现为环境温度突然上升或下降时，热感觉的初始反应非常强烈，而后逐渐减弱至稳态水平。随后Dear[3]、Nagano等[4]、Tsutsumi等[5]的研究也得到了相似的结论。人体通过温度感受器快速捕捉外界冷热刺激，并将刺激信号传递给下丘脑体温调节中枢获得冷热感觉，下丘脑再根据冷热感知结果进行相应的调节，包括控制血管舒缩、皮肤出汗、骨骼肌战栗等，皮肤温度产生相应变化，因此，人体能够即刻产生热感觉变化，而皮肤温度变化相对滞后，这可能是造成心理超前现象的主要原因[2]。至于热感觉超越，可能与瞬时皮肤温度变化率过大有关[2]。

为量化环境温度突变下人体热感觉的动态变化特征，学者们重点研究了热感觉与各项生理参数的关系。首先关注到的是皮肤温度，发现热感觉与皮肤温度存在一定相关性，结合皮肤温度变化率可对温度突变下的热感觉进行预测[6]。Chen等[7]发现皮肤毛细血管血流量在降温突变时也表现出了类似的超越现象，但并未进一步研究热感觉与血流量的关系。其次，核心温度也可能是影响热感觉的重要参数，在Zhang的模型[8-9]与Fiala的模型[10]中展开了讨论。此外，目前研究发现，热感觉与皮肤表面热损失之间存在线性关系(复相关系数R2=0.91)，为热感觉预测提供了新的方向[11]。

为充分理解环境温度突变特征对人体热感觉的作用规律，建立更加完善的热感觉评价体系，本文就环境温度突变研究中的热点问题进行整理与回顾，包括温度突变特征对人体热感觉的作用规律，以及温度突变引起人体热感觉动态变化的生理机制，最后总结了研究前沿并对未来的发展方向进行展望。

1 环境温度突变特征参数

人体热感觉动态变化受多种因素的影响，本文从环境温度突变这一因素，根据环境温度的大小、变化幅度与升降情况，主要归纳了初始温度、突变温差与突变方向等特征参数对热感觉动态变化的作用。

1.1 初始温度

本文将初始温度界定为突变前的环境温度，包括高温、中性温度及低温的情况。一般是研究高(低)温的室外与中性的室内之间的温度突变，且热环境与冷环境的研究通常是分开的，这可能会忽略高低温瞬间转变引起的人体热感觉特异性变化。单独分析初始环境温度的影响较少，通常是与突变温差一起，对热感觉变化幅度、达到稳定的时间进行分析[12]。

1.2 突变温差

突变温差是指2个环境的温度差值，可概括为大温差(≥20 ℃)、中温差(5～20 ℃)与小温差(≤5 ℃)。目前的研究范围集中在中小温差的环境温度突变。研究点在于探讨一个可接受突变温差的阈值，使得人体在不同环境间转换时热感觉变化符合ISO 7730：2005中80%可接受性的要求。有学者[11-12]发现从“热→中性”突变，可接受的突变温差最大为 5 ℃。文献[7]考察了温差更小的情况发现，温差突变为4 ℃，人体生理参数无显著性变化。目前研究“中性↔非中性”突变中最小温差为3 ℃，引起约0.5个单位(7级标尺)的热感觉变化，该变化仍处于热舒适范围(ISO 7730：2005推荐的-0.5～0.5区间)内[13]，并且热感觉在3 min内便达到平衡[14]，因此认为，3 ℃以内的温度突变对热感觉变化的影响较小，但是否温差小于3 ℃时就能够采用稳态环境下的PMV指标进行评价还需要进一步验证。

与小温差相比，较大温差突变会引起热感觉更大范围的变化，甚至达到热感觉极值。文献[15]发现，15 ℃的中温差突变会引起头晕、疲劳、呼吸急促、心率加快等生理应激反应。此外，室内外温差过大可能与心脑血管疾病发病率存在相关性[16]。

就大温差而言，存在于消防救援等特殊高温作业情形，比如消防员进出火场所面临的几十度温差突变。然而，目前研究鲜有考虑，为保障消防员健康安全，对大温差下人体热感觉的研究很有必要。

1.3 突变方向

突变方向分为升温与降温2个方向。热感觉对降温突变更加敏感，对升温突变更加迟钝，这可能与人体皮肤温度感受器的数量与分布位置有关。生理学研究[17]发现，人体皮肤的冷感受器数量是热感受器的4～10倍，且冷感受器在皮肤层中分布的位置较热感受器更浅(冷感受器和热感受器分别位于皮表下0.2与0.5 mm[18])，因此，皮肤温度感受器能够更迅速和更易感受环境的冷刺激，使得冷感变化更强烈。

1.4 其他特征参数

除以上基本特征参数外，突变次数与停留时长也会影响热感觉动态变化。突变次数可分为单次升降、2个环境间的往返式突变以及多次突变3种类型。Ozaki等[19]对寒冷环境(-25 ℃)进行了3次重复温度突变，结果表明，热感觉、直肠温度、皮肤温度、体内蓄热量、血压、手颤抖等热反应在不同阶段都有显著差异。为进一步探究突变次数引起热感觉变化差异的原因，Chun等[20]进行了18次温度突变实验发现，热感觉主要是受到热经历的影响，在最后一次中性环境中的热感觉是由整个过程中的温度变化所决定的。这也表明人类具有热适应能力，可根据环境的变化及时运用生理机制调节人体与外界的热交换大小，以保持体温在一个合适的范围内[21]。

就突变停留时长而言，现有研究大都将其设置在30 min以上，2 h以下，以保证人体热感觉及其他热反应能够达到稳定状态，但实际上，并非在所有温度突变下的人体热反应都会达到稳定状态，因为还受到突变温差与方向等因素的影响。另外，短时多次环境温度突变更接近实际情况，因此，有必要针对短时多次环境温度突变下人体非稳态热感觉进行研究。

2 热感觉动态变化规律

热感觉动态变化规律的研究是量化环境温度突变特征参数对热感觉影响机制的基础，也可为建立热感觉预测模型提供参考依据。根据ISO 7730：2005，热感觉采用-3～3的7级评价标尺，依次表示冷、凉、稍凉、不冷不热、稍暖、暖、热。在环境温度突变后，热感觉产生超越现象，然后逐渐减弱并趋于稳态，在往返式的温度突变中存在热感觉不对称现象。本节从热感觉超越、热感觉变化量、趋于稳态的时间、热感觉不对称4个方面进行热感觉动态变化规律的总结。

2.1 热感觉超越现象

热感觉超越的发生存在一定条件，首先可能与突变温差有关[4,7,18]。目前研究中温差大于5 ℃时通常会产生热感觉超越[7,11,18]。在5 ℃的温差突变中，Zhao等[18]发现在“25 ℃→30 ℃→25 ℃”的升温突变中未出现热感觉超越，但在降温突变中存在热感觉超越。但是，Liu等[11]研究“30 ℃→25 ℃→30 ℃”的温度突变发现，升降温突变均存在热感觉超越。2次实验研究结果存在一定差异，可能是受到突变顺序的影响。Chen等[7]对“28 ℃→24 ℃”“20 ℃→24 ℃”的2种4 ℃温差突变进行研究发现，未发生热感觉超越。

其次，突变方向也会影响热感觉超越，降温突变更易产生热感觉超越[11]。对于升温突变，一部分研究[2,22]中未发现热感觉超越，热感觉表现为随时间变化逐渐上升。但有学者[13-14]在25～32 ℃偏热环境的升温突变中发现了热感觉超越现象，且在环境相对湿度较高的情况下表现得更为明显，但随着突变温差的增大，这种现象反而减弱[14]。

此外，热感觉超越还受到服装的影响。如在 1次着装低温突变研究中发生了热感觉超越滞后效应[23]，这可能是由于所用冬季服装的热阻较大，影响了人与环境间的热交换能力，但目前大部分研究多采用轻质服装(小于0.6 clo)或不着服装，这将无法解释高温作业人员穿着厚重且不透气的防护服装时面临的大温差突变的情况。

2.2 热感觉变化量

热感觉变化量可分为突变瞬时变化量与平均变化量2个方面。瞬时变化量是指突变时刻前后的热感觉投票差值，受到突变温差与方向的影响。一般来说，突变温差越大，热感觉瞬时变化量越大。10 ℃ 温差的突变可能会引起3个单位(7级标尺)以上的热感觉瞬时变化量[24]。降温突变的热感觉瞬时变化量大约是升温突变的2倍[3]。平均变化量是指热感觉达到稳态后的投票值与突变前稳态值的差值。研究发现，“中性→非中性”“非中性→中性”突变，热感觉平均变化量与突变温差呈良好的线性关系(R2分别为0.97、0.95)[22]。

热感觉变化量是研究的重点，一方面是充分了解温度突变类型对人体热舒适影响程度的基础，另一方面为可接受突变温差研究提供依据。现有研究的中小温度突变条件，限制了热感觉变化量的研究范围，未来可结合大温差突变进行扩展。

2.3 热感觉趋于稳态的时间

环境温度突变引起热感觉超越仅发生在前 10 min，且前2 min最显著[11]，然后随着时间的推移，热感觉会在新的环境中达到平衡，但不同的温度突变条件下，热感觉达到平衡的时间不同。大部分研究发现，热感觉在突变后30 min内能够达到稳定[14,24-25]。稳定时间主要受到突变温差的影响，突变前后环境的温差越大，热感觉达到稳定所需要的时间越长[24]。另外，降温突变时的热感觉比升温突变时更快达到稳定[11]：温差同为6 ℃时，从中性环境进入冷环境，热感觉在1 min时迅速下降并快速达到稳定；但从中性到热环境时，热感觉需约20 min才能达到稳定[22]。

然而，目前研究无法定量化解释热感觉随时间的变化特性，也就不能量化突变特征参数对热感觉达稳定时间的影响。可借鉴杜等[26]引入Knothe时间函数探究皮肤温度随时间响应特性的方法，进行热感觉变化规律的定量化研究。

2.4 热感觉不对称现象

热感觉不对称是指在“中性→热(冷)→中性”往返式温度突变时，前后2次在中性环境中的热感觉投票值不同，表现为经历过低温突变后热感觉投票升高，经历过高温突变后热感觉投票降低[22]。这与著名的Weber“三碗水”实验[17]结果相吻合。Zhang等[22]对这种不对称现象进行了如下解释：在热感觉达到稳定后，皮肤温度还在继续变化，而此时的皮肤温度变化率对热感觉的影响大于皮肤温度，使得热感觉仍继续变化，而偏离中性条件下热感觉的投票值。

此外，在“热→中性→热”往返式突变中也存在热感觉不对称现象[13]，但是，对于“冷→中性/热→冷”“热→冷→热”等其他条件，是否仍存在热感觉不对称需要进一步研究，为全面探究热感觉动态变化机制提供依据。

3 环境温度突变下热感觉预测模型

预测人体热感觉的方法主要有2种：一种是直接建立环境参数与人体热感觉的关系，比如预测PMV值，这种方法多用于稳态条件，对于环境温度突变下的热感觉预测偏差较大；另一种是基于人体生理反应，重点在于量化生理指标与热感觉之间的关系，这种方法建立的热感觉预测模型适用范围更广，预测准确度更高，因此，更受学者们推崇。本文将适用于动态条件的热感觉预测模型统称为动态热感觉模型，并基于方法2总结了以下3种构建动态热感觉预测模型的方式：与皮肤温度感受器所处皮肤层的皮温建立关系，与人体表面皮肤温度及其变化率建立关系，增加核心温度的考虑。

3.1 基于脉冲频率的热感觉预测

依据人体的体温调节机制[17]可知，人体冷热感觉的产生与温度感受器的工作方式有最直接的关系。Hensel等[27]对动静态条件下皮肤温度感受器脉冲频率进行了测量，并总结了其变化规律：当皮肤温度恒定时，感受器静态放电，热感受器峰值更高，冷感受器变化范围更大；当皮肤温度由“低→高→低”时，在升温突变时热感受器脉冲频率瞬时上升至峰值，而后逐渐下降至稳态，在降温突变时冷感受器脉冲频率瞬时上升至峰值，而后逐渐下降至稳态。

根据皮肤温度感受器脉冲频率的反应特性，Ring等[6]提出了动态热感觉预测模型，该模型将皮肤温度感受器响应分为稳态和动态2个部分，稳态部分与温度感受器所在皮肤层温度有关，动态部分与温度感受器所在皮肤层温度变化率有关。温度感受器所在皮肤层温度是利用关于均匀平板热扩散的原理[28]，使用温度感受器厚度与时间计算。进一步为区别不同身体部位的温度热感受的敏感度，结合面积求和因子(ASF)，得到人体各部位的热感觉预测模型：

式中：U为动态热感觉(同ISO 7730：2005采用-3到3的7级主观评价)；i表示身体部位；R为温度感受器脉冲频率，Hz；ASF为身体部位的面积因子，脸部、颈部、手部的ASF为5，其他部位的ASF为1或2；Ks为静态脉冲的比例系数；Kd为动态脉冲的比例系数；Ts为温度感受器所在皮肤层温度，℃。

可以发现，用温度感受器脉冲频率表征人体热感觉最为直接有效，但温度感受器脉冲频率的获取具有一定难度，最终构建的热感觉模型实际是通过皮肤温度感受器所在皮肤层温度及其变化率计算得到。这使得该类模型的应用性不强，更适用于热调节机制的理论研究。

3.2 基于皮肤温度的热感觉预测

皮肤温度感受器所在皮肤层的温度测量较为困难，为简化问题，相关学者们开展了大量人体实验，探究热感觉与皮肤温度之间的关系[14,29-30]。Wang等[29]进一步提出了动态热感觉的预测模型：

U=U0+ΔU

式中：U0为稳态项；ΔU为动态项。

早期KEN等[31]认为稳态项与皮肤温度呈线性关系，但随着人体实验数据的增多，尤其是极端冷热环境条件下人体热反应的数据发现，稳态项与皮肤温度呈曲线关系。其中，Fiala等[10]对220次热暴露实验下热感觉稳态项进行分析，采用tanh双曲函数进行非线性回归，在13～48 ℃的稳态环境下热感觉预测精度较高。此外，Zhang模型[8]考虑局部皮肤温度的影响，并建立了非线性回归函数，提高了预测准确度。

如前所述，热感觉动态项受到皮肤温度变化率的影响，而对于动态项的具体计算，目前仍存在争议。Wang等[29]建立了动态项与皮肤温度变化率的线性关系式。张宇峰等[14]利用动态热感觉与稳态项的差值得到动态项发现，动态项随皮肤温度变化率的变化而变化，其中，初始时刻的皮肤温度变化率较大，其后时刻的变化率较小，进而得到2个不同的动态项与皮肤温度变化率的线性回归关系式(R2=0.97、0.77)。此外，杨宇[30]利用大量实验数据发现，动态项还受到皮肤温度变化率变化范围的影响：当皮肤温度变化率大于0时，动态项与皮肤温度变化率成对数函数关系；当皮肤温度变化率小于0时，动态项与皮肤温度变化率成二次函数关系。

一般认为在稳态条件下，热感觉与皮肤温度呈较好的相关性[31]；而在温度突变条件下，热感觉与皮肤温度具有离散性，可能的原因是皮肤温度变化率的突然增大[2]。目前关于热感觉稳态项与动态项的计算方式还未有统一定论。

3.3 考虑核心温度的热感觉预测

从生理学角度来说，热感觉是大脑对温度感受器传入信号综合分析的结果，温度感受器广泛分布于皮肤、黏膜、内脏和肌肉等各处，因而Arens等[32]认为人体热感觉除了受皮肤温度的影响外，还受到核心温度变化的影响。进而，Zhang等[8]通过5次环境温度突变实验，以及242次局部身体冷热突变，对人体13个部位分别建立了局部热感觉回归模型，该模型增加了核心温度这一因素(其中核心温度的影响体现在动态项上)，公式为

式中：Tsk,i为局部皮肤温度，℃；Tsk,i,set为热中性时的局部皮肤温度，℃；Tsk为平均皮肤温度，℃；Tsk,set为热中性时平均皮肤温度，℃；Tcr为核心温度，℃；t为时间，s；C1为稳态项系数，对于胸部或背部等部位，其皮肤温度的小幅下降就会引起较大的降温感觉，C1的经验值为1，而对于手部等肢体末端部位，皮肤温度变化范围较大，C1的经验值为0.5；K1为稳态项系数，考虑局部热感觉受全身热状态的影响；C2i、C3i为动态项系数，利用温热或中性环境下局部冷却的实验数据进行回归获得，文献[8]给出各部位的参考值。

由公式可知，C1、K1、C2i、C3i系数对模型的精度十分关键，但文献[8]未考虑偏冷环境的局部加热，以及热环境的局部冷却等情形，因此，对于此类环境突变条件，模型系数C2i与C3i可能需要进行验证与优化。另外，模型中人体热中性皮肤温度设定值Tsk,i,set与Tsk,set是根据热调节模型计算得到[33]，并非真实人体实验测量结果。再者，模型主要是基于身体局部通风方式构建的，与整体进行不同环境间的温度突变具有差异，这种差异是否影响局部热感觉占整体热感觉的权重需要进一步验证。

此外，Fiala热感觉模型[10]的动态项也考虑了核心温度的影响，采用核心温度对热中性状态的偏离量作为变量，而不是Zhang模型使用的核心温度变化率。Koelblen等[34]对比了中性条件下的小温差突变时Fiala与Zhang模型预测的精度，通过比较二者的均方根误差(RMSD)认为，前者的精度略高(RMSDFiala=0.7；RMSDZhang=0.9)，但值得注意的是，研究仅涉及到偏中性的环境温度条件(17～32 ℃)，对于大温差环境温度突变的适用性有待商榷，而且实验数据主要来源于欧美人体，针对于中国人体的适用性值得进一步探究。

4 结束语

目前研究对于环境温度突变下会发生心理超前与热感觉超越的现象已达成共识，从热舒适的角度提出5 ℃突变温差可作为2个环境温度突变的最大可接受阈值，但无法为特殊高温作业人员提供有效防护。此外，服装的热湿传递性能会影响热感觉变化规律，相比现有研究多采用的裸体或轻薄服装，厚重防护服或其他着装方式在环境温度突变下对人体热感觉的影响不可忽视。对于环境温度突变下热感觉预测模型的研究，主要是通过建立皮肤温度、核心温度与动态热感觉的回归关系的方式。目前大部分研究将动态热感觉分为稳态项与动态项分别进行计算，关于稳态项与动态项的计算方法仍需讨论与验证。综上，未来环境温度突变的研究可以考虑以下3个方面：

1)环境温度突变强度分级规则研究。目前研究以“中性↔高(低)温”的突变为主，忽略了在“高温↔低温”瞬间转变而引起的人体应激反应，无法解释高温作业人员常面临的冷热环境温度突变下人体热反应特性，例如火场高温现场与冬季户外的大温差突变，这可能带来强烈的不舒适感甚至健康问题。此外，目前主要考虑初始温度、突变温差与方向3个特征参数的影响，较少考虑突变次数与停留时长，这不利于全面探究温度突变特征对人体热感觉的影响机制，因此，有必要扩展突变温差范围，增加突变特征参数，揭示人体动态热反应变化规律，基于整体与局部热感觉、皮肤温度、核心温度等指标，建立环境温度突变强度分级规则。

2)环境温度突变下服装的热湿传递规律及其对人体热感觉的影响机制研究。服装作用于人与环境之间，其热湿传递性能会影响人体热感觉，且在环境温度突变下，人体通常会改变着装方式进行行为调节，如增减衣物或调节服装开口大小与方向，因此，探究环境温度突变下服装的热湿传递规律有利于建立环境与人体之间的量化关系，理解热感觉动态变化机制。

3)热感觉预测模型在冷热环境温度突变下的适用性研究。目前比较先进的热感觉模型是Fiala与Zhang模型，对模型的验证主要集中在温热到稍冷的范围内，对于冷热突变的适用性，需要结合中国人体实验进一步验证。此外，Zhang模型的系数、热中性局部皮肤温度设定值，以及局部热感觉占整体热感觉的权重在特定温度突变条件下的适用性也有必要通过人体实验展开讨论，以全面提高热感觉预测模型的适用范围。