人体局部皮肤的气流敏感性及其影响因素

张昭华， 陈之瑞， 李璐瑶， 肖 平， 彭浩然， 张钰涵

(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试验室， 上海 200051)

近年来，为降低工人在工作中受热环境的侵害，个体降温设备越来越多地被运用在工人的工作环境中。在众多个体降温设备中，通风降温服因能够利用对流和蒸发2种方式促进人体散热，同时提高人体的热、湿舒适感而被广泛应用。影响通风服降温性能和舒适性能的因素众多，包括通风参数，如温度、湿度、通风流率、服装设计因素以及环境因素等[1]。其中，通风温度的变化可能影响人类对空气运动的感知，从而具有不同的冷却效果[2]。

目前，关于通风服方面的研究大都是针对降温性能方面。学者们通过降低通风温度[3]和湿度[4]，改变衣内气流方向[5]，与其他降温手段结合[6]等方面的探索，有效改善了通风服降温效果。较低的通风温度、较大的风速虽然对应着更高的降温效率，却可能会不适于人体对于通风的敏感性范围[7]。使皮肤产生气流感觉的刺激被归类为空气中的非接触刺激，气流刺激的敏感性阈值也因身体部位而异[8-9]。由于人体不同部位间在生理特征上存在较大差异，可能会对气流运动的敏感性不同，进而影响气流偏好[10]。根据人体的体表温度分布及出汗强度等特性合理安排通风服的通风流量分配，能够有效提升通风服的降温效果[11]。

人体对气流会产生生理效应(如降低皮肤温度)，且在不同温度气流影响下，人体平均皮肤温度也会出现分层现象[12]。目前，局部皮肤的吹风敏感性影响局部降温效果和通风服舒适性方面还没有相关的研究；且仍缺乏从生理角度对不同身体部位吹风舒适性的探讨，各部位对衣下吹风的响应规律及部位间的差异还未有系统的结论。本文研究目标是探究人体皮肤气流敏感性的分布部位特征，分析通风温度对人体皮肤气流感觉的影响，从生理角度分析皮肤温度变化率是否是人体皮肤产生气流感受的主要原因。首先通过对比不同部位通风的降温效果，从而确定合适的通风部位，然后通过分析人体皮肤气流感觉的影响因素，为通风服通风参数选择提供参考。

1 试验部分

1.1 试验装置

1.1.1 供风系统

本文设计的供风装置如图1所示。由保温箱、加热装置、调温装置、轴流风扇、送风设备和保温风管组成。保温箱尺寸为 60 cm×60 cm×40 cm，内壁覆盖厚度为 2 cm 的隔热保温棉。加热装置为翅片发热管。使用ZY-D2000电子节能调压器(中国星亿电器有限公司)与DY-SMS(LCD)数显电子控温仪(余姚市品益电器有限公司)可将通风温度精准控制在设定值±0.5 ℃范围之内。保温箱中间设置 3 个尺寸为 8 cm×8 cm 的轴流风扇，以混合加热气体与环境空气。在保温箱内放置 2 个鼓风机(220 V，40 W)并配置无极调速器。试验时，铝箔制备的自由伸缩保温风管的两端分别与鼓风机出风口和试验服开口相连，以达到衣下近距离送风的目的。

试验现场如图2所示，使用HSRTD-3-100-A-40-E热线风速仪(日本加野KANOMAX公司)测试风速，使用6006-3C铂电阻温度传感器(美国Omega公司)测试皮肤温度，测试时使用医用胶带(明尼苏达矿务及制造业公司)将铂电阻传感器粘贴在受试者体表。

1—离心风机；2—轴流风扇；3—翅片加热器；4—进风口；5—出风口与管道；6—保温箱。图1 供风装置组成示意图Fig.1 Schematic diagram of air supplying system. (a) Front view; (b) Left view

图2 吹风试验现场实拍图Fig.2 Physical map of airflow test site

1.1.2 试验服装

本文研究设计制作了3种号型的较贴体的长袖长裤试验服装，男款号型为170/92A，女款号型为160/84A和165/88A。若女性受试者身高大于160 cm且胸围接近88 cm，则穿着165/88A号型试验服；反之则穿着160/84A号型试验服。服装面料为100%聚酯纤维加聚氨酯(PU)覆膜面料，面密度为120 g/m2，透气率为0 L/(m2·s)，可防止气流从面料部分逸散。在测试部位的左右两侧各设置大小为8 cm×8 cm 的正方形开口，开口四周缝制魔术贴，从而与供风系统的保温风管相连，以达到衣下近距离送风的目的。

相近体型的受试者个体之间在围度上仍会有差异，使各受试者衣下空间大小不一致，影响衣下送风的气流分布。为减少服装宽松度对气流敏感性的影响，本文研究在上装前后中心线与下装左右侧缝处分别各安装 2 套拉链。拉链调节系统可为躯干围度上提供4 cm的调节量，腿部围度上提供2 cm的调节量，测试时根据受试者体型需要调节松量。

1.2 试验条件

试验在东华大学气候舱内进行，环境温度为25 ℃，相对湿度为70%，背景风速在0.4 m/s 以下。选择气体冷却服常用的降温部位作为试验体段，即前胸部、后背上部、后背下部、大腿前部和大腿后部共 5 个体段。通风温度的选择基于人体皮肤温度，试验前的初始皮肤温度为Tsk，通风温度共3 种水平：低于皮肤温度5 ℃(Tsk-5 ℃)、等于皮肤温度(Tsk) 与高于皮肤温度5 ℃(Tsk+5 ℃)。标准通风风速选择3种分别为1.5、1.5和1.8 m/s，对应的比较通风风速分别为：0.7、1.1、1.5、1.9、2.3 m/s；0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m/s；0.6、1.2、1.8、2.4、3.0 m/s。

1.3 受试者选择

受试者为 12 名在校大学生，其中女性 10 名，男性 2 名。参与试验的受试者身体健康，基本信息如下：女性年龄(24±0.5) 岁，身高(161±3) cm，体重(50±2) kg；男性年龄(25±0.5) 岁，身高(169±2) cm， 体重(54±4) kg。

受试者在试验前应保持健康的饮食与作息习惯，女性受试者的试验时间不在其生理周期内。试验前 24 h 内，受试者不饮用含酒精或咖啡因的饮品，试验前 1 h 内不进食。

1.4 试验步骤

本文试验为单盲试验，试验前不告知受试者通风温度和风速。试验中受试者穿着合体的内衣裤及长袖长裤试验服装。脚穿短袜与薄款运动鞋。试验全程为5 h，具体步骤如下。

适应阶段，受试者穿戴试验服装进入气候舱，静坐15 min以适应环境，期间令受试者填写基本信息，并对每位受试者进行培训，使其熟悉试验流程；预刺激阶段，时长10 min，使受试者感受气流刺激，选取受试者前胸部、上背部、大腿前部各施加 30 s 的吹风刺激，通风温度为25 ℃，通风风速为 1.5 m/s，预刺激结束后受试者静坐 7 min恢复；吹风刺激阶段，先确定1种通风温度水平，随机选取1个测试部位，读取Tsk以确定Tsk-5 ℃和Tsk+5 ℃，对测试部位的左侧或右侧施加标准通风风速10 s，再对另一侧实施1种比较通风风速，询问受试者比较通风风速相对于标准通风风速的大小并用符号记录(小于(-)、 等于(=)、大于(+))，同时记录刺激前后两侧的皮肤温度以及实际刺激时长，待受试者皮肤温度恢复至Tsk再进行下一次比较，每个通风风速都需对比 3 次，结束后待受试者皮肤温度恢复至Tsk，更换其他部位进行测试。5 个部位都完成此温度水平下的测试后更换通风温度水平，直至完成3 种通风温度水平的测试。最后，分别计算5种比较通风风速下，3种判断结果对应的判断次数与试验总判断次数的百分比值，记为判断次数百分率。

试验结束后，令受试者在环境舱中自由活动恢复至少20 min ，确认其无任何不适后再离开。

1.5 数据分析方法

本文采用SPSS 22.0对试验数据进行处理与分析。所有数据首先测试正态分布(shapiro-wilk test)并进行方差齐性检验(levene′s test)，显著性水平设定为P<0. 05。使用Origin 2017绘制数据图形并进行曲线拟合，使用直线内插法计算差异阈值和韦伯分数，采用(平均值±标准差)形式的报告数据；利用单因素方差分析衣下通风温度和不同体段对皮肤吹风敏感性的影响；利用双因素重复测量方差分析受试者皮肤温度变化率的影响因素；利用相关分析探究韦伯分数与皮肤温度变化率之间的关系。

2 结果与分析

2.1 差异阈值与韦伯分数

2.1.1 差异阈值

利用 Origin 2017软件使用Boltzmann函数对判断次数百分率和通风风速进行非线性曲线拟合。以通风温度低于皮肤温度5 ℃，对前胸进行吹风的数据拟合结果举例，如图3所示。

图3 Tsk-5 ℃前胸部吹风刺激数据拟合结果Fig.3 Data fitting results of airflow stimulation in Tsk -5 ℃ on chest

图3中y=50%的曲线[13]与“-” Boltzmann拟合曲线的交点对应的x值即为阈限的上限，此函数与“+” Boltzmann拟合曲线的交点对应的x值即为阈限的下限。则差异阈值DDL为

DDL=(a-b)/2

式中：DDL为差异阈值,m/s；a为阈限的上限；b为阈限的下限。计算得到不同通风温度条件下，各部位的差异阈值如图4所示。可知，对于不同的标准通风风速，差异阈值的大小也会有所不同，但由于各温度条件下设定的标准通风风速不同，无法直接进行对比，所以引入韦伯分数进行分析。

图4 差异阈值计算结果对比Fig.4 Comparison of calculation results of different threshold

2.1.2 韦伯分数

韦伯定律指出，所有刺激无论作用于何种感觉器官，其刺激强度水平与差异阈值之间都有固定的线性函数关系，其比值为一个常数，不随刺激强度的变化而改变，即韦伯分数[13]，其计算公式为

式中：C为韦伯分数；Φ为通风风速，m/s。

分别计算在通风温度为Tsk-5 ℃、Tsk与Tsk+5 ℃ 3种条件下，各部位的韦伯分数，结果如图5所示。可知，除前胸部之外，其他部位在接受通风温度等于皮肤温度的吹风刺激时，韦伯分数明显高于另外2组， 这表明除前胸部之外，其他4个测试区域均是在通风温度等于皮肤温度的情况下敏感性最差。前胸部是受通风温度影响最小的部位，在3种通风温度条件下其韦伯分数较为接近。在通风温度和皮肤温度有差异的条件下，前胸部敏感性却略有降低，这可能是由于试验中女性受试者较多，因为其生理特点以及穿着文胸，导致前胸部形态较为复杂，刺激气流在衣内的流向难以预测，所以呈现出了不同的规律特点。对比各部位在3种通风温度刺激下韦伯分数的均值可知，后背上部与大腿前部区域对热气流最为敏感，在高于皮温5 ℃的吹风刺激下韦伯分数最小，而后背下部与大腿后部区域对冷气流更加敏感。对比各部位在3种通风温度下韦伯分数的标准差可知，大腿后部是受通风温度影响最大的部位，有温差存在时其敏感性相比无温差条件有明显升高。

图5 韦伯分数计算结果对比Fig.5 Comparison of calculation results of Weber fraction

对通风温度进行单因素方差分析，结果显示3种温度之间的韦伯分数有显著差异，F(2，12)=8.306，P=0.005。利用Bonferroni检验进一步两两比较，结果显示Tsk-5 ℃、Tsk+5 ℃ 2组的韦伯分数(Tsk-5 ℃：0.127±0.022；Tsk+5 ℃：0.123±0.023)差异不显著(P=1)，但这2组与Tsk组之间都有显著差异(P<0.05)。Tsk组的韦伯分数为0.190±0.032。以上数据表明通风温度对受试者感受气流刺激的敏锐程度有较大影响，当通风温度与人体皮肤温度相等时，受试者最不敏感，通风温度降低或升高都会增强受试者对气流大小的敏感度。

对刺激部位进行单因素方差分析，结果显示各部位的敏感性之间无显著差异，F(2，12)=0.101，P>0.05。 但前胸的韦伯分数均略低于其他部位，为 0.143±0.007，表明该部位对气流运动有较高的敏感性；其余部位的韦伯分数较为接近，范围在(0.151±0.026)～(0.155±0.054)之间。

2.2 皮肤温度变化率

2.2.1 皮肤温度变化率的计算

皮肤温度变化率θ(℃/s)的计算公式为

式中：T为受试者各部位接受通风刺激前的初始皮肤温度，℃；T′为受试者各部位接受通风刺激后的皮肤温度，℃；ΔT为每次刺激的实际时长，s。

当通风温度为Tsk-5 ℃时，各部位皮肤温度变化率计算结果如图6所示。可知，在通风温度为Tsk-5 ℃ 时，随着通风风速的增大，各部位的皮肤温度降低都很明显，其中后背上部区域的皮肤温度降低最为显著，在通风风速等于2.3 m/s时，皮肤温度变化率为(-0.136±0.054) ℃/s。对通风温度为Tsk-5 ℃ 条件下的皮肤温度变化率进行双因素重复测量方差分析，结果显示各不同的刺激部位、不同通风风速水平下的平均皮肤温度变化率均有显著差异(部位：F(4，44)=4.87，P=0.002；风速：F(1.8，20.2)=65.77，P<0.05)。进一步对2个变量的各水平进行两两比较发现，后背上部与后背下部之间、后背上部与大腿后部之间有显著差异，其余部位间差异不明显。对于不同的通风刺激水平，除风速为1.1和1.5 m/s的情况下皮肤温度变化率差异不显著外，其余风速条件下的数据间均有显著差异，整体趋势是随着通风风速的增大，皮肤温度变化率绝对值也逐渐升高。

图6 Tsk-5 ℃通风温度下各部位皮肤温度变化率Fig.6 Rate of skin temperature change in Tsk-5 ℃

当通风温度为Tsk时，各部位皮肤温度变化率计算结果如图7所示。在通风温度为Tsk时，虽然可以近似认为没有温差存在，所以气流和皮肤表面之间不存在换热，但由图7可知，皮肤温度变化率并不是均衡地分布在零值周围，而是整体处于负值，且随着通风风速的增加，皮肤温度变化率整体向下偏移，数值在(-0.037±0.027)～(-0.004±0.012) ℃/s之间。出现这一情况的原因可能是试验服装是由不透气面料制作的，受试者皮肤存在非显性出汗，而通入衣下的等温气流促进了这部分汗液的蒸发，导致皮肤温度略有降低。双因素重复测量方差分析结果显示各部位之间在皮肤温度变化率上无显著差异(F(4，44)=2.29，P=0.075)，而不同通风风速下的皮肤温度变化率具有显著差异(F(2.3，25.0)=7.274，P=0.002)。进一步对各风速下的数据进行比较可知，仅有通风风速为0.7 m/s时，皮肤温度变化率与其他通风风速条件下的皮肤温度变化率有显著差异，其余两组间两两对比的结果在统计学上差异都不显著。

图7 Tsk通风温度下各部位皮肤温度变化率Fig.7 Rate of skin temperature change in Tsk

当通风温度为Tsk+5 ℃时，各部位皮肤温度变化率计算结果如图8所示。在通风温度为Tsk+5 ℃ 时，整体皮肤温度变化率在(0.017±0.011)～(0.054±0.016) ℃/s之间波动。双因素重复测量方差结果显示，各部位之间皮肤温度变化率差异不明显(F(4， 44)=2.35，P=0.068)，但后背上部和大腿后部的皮肤温度变化率较其他部位略高。不同刺激风速下，受试者的皮肤温度变化率差异较明显(F(4，44)=52.31，P<0.05)，在0.7和1.1 m/s、1.5和1.9 m/s这2组之间皮肤温度变化率差异不大(P>0.05)， 其余组间两两对比时都有显著差异。

图8 Tsk+5 ℃通风温度下各部位皮肤温度变化率Fig.8 Rate of skin temperature change in Tsk+5 ℃

从以上分析可知，当通风温度与皮肤温度存在5 ℃差异时，皮肤温度变化率绝对值随通风风速的增大基本呈增大趋势；但在某些相邻风速刺激之间，由于风速差异较小，皮肤温度变化率没有表现出统计学上的显著差异。而通风温度近似等于皮肤温度时，温度变化率曲线波动较为混乱，无明显线性关系，也未表现出规律性。

在不同部位之间的差异上，通过上述对比可看出，后背上部的皮肤温度变化率绝对值在绝大多数通风水平下均为5个测试部位中最高。其原因在于，由于后背上部是人体主要的散热区域，在Tsk或Tsk-5 ℃的吹风刺激下，对流和蒸发作用导致这一部位散热量大大增加，使得皮肤温度较之其他部位有更明显的下降；而在Tsk+5 ℃的吹风刺激下，这一部位的正常散热被抑制，同样导致皮肤温度比其他部位有更明显的上升。

2.2.2 韦伯分数与皮肤温度变化率的关系

人体局部部位在接受不同程度的吹风刺激时，局部的冷热感觉是影响人体对气流感觉判断的重要因素之一。人体局部的冷热感觉往往是与该局部的皮肤温度以及皮肤温度变化率显著相关。取标准通风风速下刺激部位的皮肤温度变化率绝对值为自变量，韦伯分数为因变量，探究韦伯分数与皮肤温度变化率之间的关系。

绘制Tsk-5 ℃与Tsk、Tsk+5 ℃通风温度条件下，各部位的皮肤温度变化率绝对值与韦伯分数的散点图，并进行 Pearson 相关分析，结果如图9所示。

图9 皮肤温度变化率绝对值与韦伯分数相关性分析Fig.9 Correlation analysis of absolute value of skin temperature change and Weber fraction

由图9可看出，对于Tsk-5 ℃和Tsk的通风刺激，当通风引起的皮肤温度变化率越大时，韦伯分数相应越小，即皮肤温度变化越大，受试者的气流敏感性越高。相关分析结果显示本组通风温度条件下，各部位皮肤温度变化率绝对值(X)与该部位的韦伯分数(Y)显著相关(P=0.02)，回归方程为

Y=-0.89X+0.21

其中R2=0.42。但对于Tsk+5 ℃的通风刺激，皮肤温度变化率绝对值与韦伯分数之间没有显著的统计学差异(P=0.43)。 原因可能是对于Tsk-5 ℃和Tsk的通风刺激，受试者局部皮肤温度变化率均小于0 ℃/s， 而皮肤温度感受器对冷刺激较为敏感，当接收到低于皮肤温度的刺激后，皮肤温度感受器将外界温度变化信息传递给下丘脑体温调节中枢，从而引起自主性体温调节。皮肤温度感受器对于高于皮肤温度刺激的敏感性较弱，在皮肤温度变化率大于0 ℃/s 的情况下，受试者气流敏感性与皮肤温度变化率之间并未表现出显著相关关系。

3 结 论

本文研究探索了人体各部位皮肤气流敏感性的规律，以及影响皮肤气流感觉敏感性的因素，在人体生理层面结合皮肤温度变化率数据进行具体分析，获得以下主要结论。

1)人体各部位的气流感觉敏感性之间没有显著的统计学差异。后背上部相对来说敏感性优于其他4个区域；后背上部与大腿前部区域对热气流最为敏感；后背下部与大腿后部区域则对冷气流更加敏感；大腿后部是受通风温度影响最大的部位，有温差存在时其敏感性相比无温差条件有明显升高。

2)除胸部区域外，通风温度对人体气流敏感性有较大影响。当通风温度与人体皮肤温度相等时，受试者的皮肤气流敏感性最差，当通风温度与皮肤温度存在5 ℃差异时，受试者对气流大小的敏感度增强。

3)当通风温度与皮肤温度有温差存在时，皮肤温度变化率绝对值随通风风速的增大基本呈增大趋势，但在某些相邻风速刺激之间，由于风速差异较小，皮肤温度变化率没有表现出统计学上的显著差异；当通风温度与皮肤温度之间无温差时，皮肤温度变化率波动曲线较为混乱，未表现出规律性；在气流刺激引起皮肤温度降低时，皮肤温度变化率绝对值与韦伯分数之间显著相关，证明皮肤温度感受器对人体皮肤气流敏感性的影响程度较大。但由于皮肤温度感受器对高于皮肤温度的刺激敏感性较低，气流敏感性与皮肤温度变化率并未表现出显著差异。