热不适环境对人体生理反应和工作效率的影响

刘聪 李国建 何宇航

浙江理工大学建筑工程学院

0 引言

大部分研究发现，室内环境质量会严重影响了人们的舒适健康和工作效率[1-2]。而工作效率直接影响了经济效益，不舒适的环境会使人员工作效率降低而造成了巨大的经济损失[3]。室内环境质量主要包括室内热环境，声环境，光环境和空间布局等，空气温度是室内环境质量与工作效率研究中常用的热环境指标。目前已经有许多研究报告了空气温度和人员工作效率之间的关系。一些有研究证明，空气温度通过加剧病态建筑综合症（SBS）症状或降低人们对空气质量的满意度从而间接影响工效[4-5]。还有研究证明空气温度能够直接影响了人员的工作效率。Akimoto 等[6]通过现场调查发现，不同热环境条件对工人的工作效率有着显著影响。Niemela 等[7]研究发现，温度超过25 ℃时呼叫中心工作人员的工作表现有所下降。相比实地研究，更多的研究人员在实验室进行了研究。Witterseh[8]发现温度从中性温度（22 ℃）到稍微温暖不适温度（25 ℃）对绩效没有明显影响。Geng 等[9]通过实验研究发现，当受试者感到“中性”或“微凉”时工作的效率最佳。Jiang等[10]通过十项任务对人员工效进行了测量，研究表明高温或低温对工作效率有着负面影响。

通过上述研究可以发现，人们普遍认为热不适环境会对工作效率有着显著的影响。但个体与环境之间的相互作用是复杂的，人体不仅仅只是被动地对环境应激作出单调反应，为了维持自身内部的稳定，它会自发地进行生理调节[11]。Aleksander 等[12]发现热环境对人员核心温度及心率的影响较大。Nishihara 等[13]报告说热环境对人的脑血氧有着显著的影响。Lan 等[14]研究发现，当人员感到温暖时，他们的心率，心率变异性和呼吸末二氧化碳浓度显著增加，其动脉血氧饱和度和泪膜结晶质量有所下降。Yao 等[15]证实了空气温度会影响了人员的心率变异性和脑电图。这些研究都说明了热环境影响了人员的生理反应，但仍然缺乏对此问题的深入研究。例如，生理反应与工作效率之间有怎样的关系等还不够清楚。于娟等[16]就提出，某些生理指标可以作为定量研究人体工作效率的一种方法，与测试人员工作效率的绩效实验并重。因此，本研究从主观评价，生理测量和绩效测试三个方面出发，基于实验和相关数据，阐明热不适环境对人体生理反应和工作效率的影响，并得到空气温度，生理参数和工作效率之间的相关关系。

1 实验方法

1.1 实验设置

本次实验在模拟现场实验室中完成，该模拟现场实验室由普通、低污染、无噪音的办公室改造而成，尺寸为6 m（L）×4 m（W）×4 m（H）。室内共布置6 个工作台，室内环境参数通过空调系统智能控制，布局见图1。相比人工气候室四周金属墙面给人员心理造成的不适，模拟现场实验室与实际办公室较为接近，人员的行为表现与现实中的情况更加一致。

图1 实验室布局

1.2 受试者和实验工况

通过自主报名的方式，共招募了30 名身体健康且近期无不适症状的在校大学生，其中女生和男生各15名，平均年龄为22 岁。将所有受试者分为五组参加实验，每组3 名男生和3 名女生。要求受试者穿夏装参加实验，服装热阻约为0.5clo（包括椅子热阻）。本研究一共选取了五个温度工况，分别为25 ℃，27 ℃，29 ℃，31 ℃和33℃，每次实验受试者事先均并不知晓各个工况的环境参数。为了消除实验顺序可能对实验结果造成的影响，采用拉丁方设计方法。同时本实验采用被试内设计，每位受试者都重复参加所有工况的测试，故共有150 个样本数据，这是需要分析的大量数据，而且本文还报告了效应量，增加了实验结果的可信度。

1.3 实验流程

实验前所有参加者都要参加集体培训，让他们熟悉实验流程和实验要求，并熟练操作每个测试项目，排除了对本实验设计的不适应而产生较大误差。每次实验持续90 min，实验过程中受试者不得中途离开。实验开始后受试者先坐在座位上适应环境，可以进行阅读或静坐等轻度劳动，约60 min。之后受试者进行工作效率测试，约10 min，然后填写主观问卷，约10 min。最后进行生理测试，约10 min，完成测试后即可离开实验室。

1.4 实验测试方法

环境参数测点布置在房间前后左右靠近受试者的位置，距地面1.1 m 处。测量的环境参数包括：空气温度、相对湿度、空气流速、平均辐射温度、噪声声级、照度。使用的主要仪器包括：R-LOG 7730 热舒适仪，测量干球温度（测量范围-20～60 ℃，精度±0.5 ℃）、相对湿度（测量范围0%～100%，精度±2%）、黑球温度（测量范围-20～60 ℃，精度±0.5 ℃） 和风速（测量范围0.01～20 m/s，精度0～0.5 m/s）；AR823 数字照度计，测试 照 度（测 量 范 围1～100000 Lx，精 度±3%）；AWA5610D 积分声级计，测量噪声声级（测量范围30～130 dB(A)，精度±1 dB(A)）。

主观问卷调查主要包括：热感觉投票（Thermal Sensation Vote，TSV）采用ASHRAE 55 的7 级标尺来评价[17]，-3～3 分别表示冷、凉、稍凉、适中、稍暖、暖、热。热舒适投票（Thermal Comfort Vote，TCV）采用5 级标尺，0～-4 分别表示舒适、稍不舒适、不舒适、很不舒适、不可忍受。

测量的生理参数包括核心温度，皮肤温度，血压，心率和血氧饱和浓度。测量仪器主要有IRT6520 耳温枪，测量范围35.5 ℃～42.2 ℃，测量精度±0.2 ℃；ST60红外测温仪，测量范围0 ℃～100 ℃，测量精度±1 ℃；DB12 血氧仪，测量范围35%～100%，测量精度±2%；CH602B 数字血压计，心率测量范围30～250 bpm，测量精度±3 bpm；血压测量范围0～280 mmHg，测量精度±3 mmHg。

本实验选取了斯特鲁普字色干扰测试来评估人员的工作效率[18]，该测试反映了工作效率中的感知和思维能力。在屏幕的上方随机出现一个带有颜色但不一定与字名称相符的字，下方随机出现六个颜色名称和字名称不相符的字按键，要求受试者根据上方字的颜色快速点击下方与颜色相符的字按键。本次测试采用Java 程序编写的软件进行，软件将自动记录受试者操作任务的正确数、错误数、反应时等。与传统的纸笔测试相比，软件测试具有参数不变性、估计能力更精确等优势。

1.5 数据分析方法

实验数据采用统计软件SPSS 24.0 进行分析。首先通过Shapiro-Wilk 测试来进行数据的正态分布检验。对服从正态分布的数据采用单因素重复测量方差分析的方法进行分析，不服从正太分布的数据采用Friedman 方差分析。本文中显著性水平都设定为p＜0.05。同时采用效应量（Effect Size，ES）确定差异大小，通过计算组间和组内标准偏差的比值得到。根据之前的行为学领域研究，Cohen 提出可用方差分析的基本规则来评估ES[19]，其中小效应量ES0.1，中等效应量ES0 .25，大效应量ES0.4。

2 实验结果

2.1 环境参数测试结果

实测结果如表1 所示。实际工况与设计工况基本上保持一致，实验环境得到了很好地控制。平均辐射温度与空气温度差异较小，空气流速均低于0.1 m/s，基本感觉不到气流，相对湿度、噪音声级、照度在各个工况之间差异较小，基本保持一致，因此可忽略其他参数的影响。

表1 实验室环境参数实测结果（平均值±标准差）

2.2 主观测试结果

不同温度工况下热感觉和热舒适投票如图2 所示，热感觉和热舒适投票与空气温度均存在较为明显的线性关系。方差分析结果表明不同温度区间的热感觉投票都具有显著性差异（p＜0.05，ES=0.769），当温度从25 ℃升高到33 ℃时，热感觉投票从0.07（中性）上升2.37（暖）。热感觉与空气温度的线性关系为TSV=0.2867×T-7.1，令TSV=0，可以得到受试者的热中性温度为24.76 ℃。热舒适投票值也受到温度的显著影响（p＜0.05，ES=0.84），随着温度的升高，受试者反映的舒适性越来越差。并对数据进行了事后比较，显著性检验结果见表2。

图2 不同工况下的热感觉和热舒适投票的变化情况

表2 热感觉和热舒适投票的显著性检验结果

2.3 生理测试结果

不同温度工况下核心温度的变化情况如图3 所示，随着温度的升高，核心温度都显著升高（p＜0.05，ES=0.679），但波动范围较小，整体波动幅度小于1.1%。Ramsey[20]等人发现当暴露在暖的环境时，核心温度有持续上升的趋势，本实验也得到了类似的结果。但与皮肤温度相比较，核心温度的变化较稳定，不易受到空气温度的影响。

图3 不同工况下核心温度的变化情况

如图4 所示，人员的皮肤温度随着空气温度的升高而显著升高。其中额头温度（p＜0.05，ES=0.463）和手臂温度（p＜0.05，ES=0.805）的变化幅度较小，而中指第二指节温度（p＜0.05，ES=0.924）变化幅度较大。这是因为空气温度上升时，人体血液循环加快，流向人体末端如手指等部位的血液流量增加，导致手指皮温大幅度增加。

图4 不同工况下皮肤温度的变化情况

温度与血压的相关关系如图5 所示，随着温度的升高，收缩压（p＜0.05，ES=0.647）和舒张压（p＜0.05，ES=0.609）都显著降低。这是由于空气温度升高会导致人体血管舒张，阻力下降，血流增加，从而导致了血压降低。

图5 不同工况下血压的变化情况

如图6 所示，随着空气温度的升高，人们的心率呈现增大的趋势，具有统计学上的显著性差异（p＜0.05，ES=0.584）。Liu[21]等人研究发现心率随温度的升高而升高，当气温达到35 ℃时人体心率显著增加。本实验同样发现了心率随温度变化的趋势，同时还发现偏热环境下心率的灵敏度要比高温环境偏低。从图6可以看出，血氧饱和浓度随着温度的升高显著降低（p＜0.05，ES=0.611），但总体波动幅度小于1.5%。

图6 不同工况下心率和血氧饱和浓度的变化情况

表3 所示为各生理参数与任务绩效的相关性分析结果，表中所示相关系数为Spearman 相关系数，大部分相关系数在统计学上都较为显著。由表3 可知，核心温度和手指皮温与任务的准确度负相关，与反应时正相关，且相关度较高。血压和任务的准确度正相关，与反应时负相关。心率与任务的与反应时正相关，准确度负相关，但相关度较小。血氧饱和浓度和任务的准确度正相关，与反应时负相关。

表3 生理参数与任务绩效的相关性分析结果

2.4 工作效率测试结果

为了定量评估受试者完成测试任务的成绩，准确度和反应时间常常被当做主要的评价指标[22]。准确度越高和反应时越短都说明工作效率越好。在本研究中也以受试者完成任务的准确度和反应时来反映温度对人员工作效率的影响。由于每位受试者的测试结果有很大的差别，通过将受试者每个工况的测试成绩与他自身进行比较，然后采用式（1）对每个受试者的测试绩效进行标准化后再进行对比分析。

式中：s(xi,j)表示第i 位受试者在j 工况时标准化后的绩效，%；xi,j表示第i 位受试者在j 工况时的绩效；n 表示总工况数目。

不同工况下受试者准确度和反应时的变化情况如图7 所示，标准化评价指标大于或小于100%意味着受试者比他们平均水平表现的更好或更差。方差分析表明，不同温度工况下测试任务的准确度没有显著性差异（p＞0.05，ES=0.052），而且整体波动范围较小，从25 ℃到33 ℃，测试准确度仅下降了1.4%；而反应时具有显著性差异（p＜0.05，ES=0.39），从25 ℃到33 ℃，测试反应时增加了10.6%。由此可见，当温度升高后，受试者虽然能够保持准确度，但大量增加了测试的反应时。总体来看，在25 ℃时，受试者测试任务的准确度最高，反应时最短。随着空气温度的升高，受试者测试任务的准确度降低且反应时增加，意味着整体的工作效率得到下降。

图7 不同工况下任务的准确度和反应时的变化情况

3 结论

本研究通过在模拟办公室环境不同温度工况下对受试者进行主观评价和客观测试，研究了热不适环境对人员主观感受、生理反应和工作效率的影响。主要得出了以下结论：

1）通过回归分析发现，空气温度与热感觉投票和热舒适投票均存在较为显著的线性关系。当温度升高时，人员的热感觉增大，舒适感下降，其中热中性温度为24.76 ℃。

2）热不舒环境对人体生理反应有显著的影响，受试者在33 ℃的情况与25 ℃相比，他们的核心温度，皮肤温度和心率增大，而血压和血氧饱和浓度降低。

3）通过绩效任务对人员工作效率的感知和思维能力进行测试，发现空气温度升高会导致人员测试任务的准确度降低且反应时增加，说明热不适环境对人员工作效率有着消极的影响。

4）由相关性分析可以发现，人体的大部分生理参数与测试任务的准确度和反应时存在较为显著的相关关系，这表明人们在热不舒适环境中造成的工作效率下降是由生理机制引起的。