室内环境中口罩对人体热反应的影响

2022-01-10王丽娟左国栋张盟盟

西安工程大学学报 2021年6期

王丽娟，左国栋，张盟盟

(西安工程大学城市规划与市政工程学院，陕西西安 710048)

0 引言

口罩是重要的个人防护设备，尤其在传染病流行时期[1]。2019年末，新冠肺炎疫情的爆发，使得口罩在日常防护中应用更加普遍。严重的病毒性呼吸道传染病对口罩及面罩的使用产生了巨大的推动作用[2]。口罩结构简单、造价便宜且能有效阻止病毒传播[3]，在疫情期间对民众的生命健康起到了很好的保护作用。然而，环境温度较高时佩戴口罩会增加人们的不舒适感。

防护性口罩总体舒适度分为热舒适度和呼吸设计舒适度。其中呼吸设计舒适度，可以通过调整口罩表面材料以及口罩整体结构进行提高，因而防护性口罩表面材料和设计对整体舒适性有显著影响[4]。口罩内微环境空气温度提高了口罩覆盖的面部皮肤的温度，面部热感觉又对全身热感觉造成影响，即口罩的热舒适度。影响显著的原因是来自面部到中枢神经系统的传入冲动，可能比来自其他区域的传入冲动权重更大[5]。口罩覆盖下微室内空气温度上升的同时，二氧化碳浓度也会上升，由此带来的窒息感增强了热不舒适感。在温和环境中，由于佩戴口罩导致的面部蓄热量有限，使用口罩带来多余热量和温暖感觉大部分来自于心理因素[4]。KIM等在高温高湿环境下，评估了N95和P100型过滤口罩，探究其在生理和主观反应方面的差异。结果表明：受试者佩戴2种类型口罩在跑步机行走时，直肠温度、平均皮肤温度、热感觉均无显著性差异[6]。MEYER等研究表明，在空气平均温度为18 ℃的工作环境中，佩戴呼吸保护装置的可接受持续时间约为1 h，而且随着空气温度的升高，舒适感降低[7]。环境变化引起的热不舒适会影响工作效率[8]，同时，室温升高会加剧病态建筑综合症，降低空气品质，间接影响工作效率[9]。当代社会工作性质的变化，使得办公人员的工作效率对整个社会生产力的影响越来越大,因而研究口罩对办公环境下人群的热舒适规律具有重要意义。

为了避免个体差异引起的实验误差，本研究采用文献[10]提出的办法，对不同热偏好人群进行筛选，选择中性热偏好人群为受试者。环境温度设定为中性热环境(To1=26 ℃)以及偏热环境(To2=32 ℃)模拟办公环境。口罩类型有医用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩。测试受试者核心温度(Tc)、心率、局部皮肤温度(Tsk)及热感觉投票(TSV)和热舒适投票(TCV)，探究上述3种口罩在同一操作温度(To)下对人体整体热反应影响的差异。

1 实验

1.1 热偏好区分及受试者信息

文献[10]研究表明，即使性别和年龄段相同，人们仍然存在凉偏好、中性偏好和暖偏好，且各偏好组之间的生理参数和心理参数存在显著性差异。为了避免受试者自身热偏好差异产生的误差，本次实验选择中性偏好男女受试者各7名。受试者年龄、身高、体质量、体质指数(BMI)见表1。

表 1 受试者基本信息

受试者身体健康，无抽烟、饮酒、长期熬夜等习惯；参加实验前24 h内无剧烈运动，保持正常的作息时间和饮食习惯。

1.2 实验方案

实验主要模拟夏季热环境工况，在气候室内进行。环境工况设定为中性热环境(26 ℃)以及偏热环境(32 ℃)等2种。人工气候室内风速低于0.2 m/s,相对湿度(RH)约为60%。实验选用口罩类型为医用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩，其样式见图1，具体参数见表2。

图 1 实验选用口罩

表 2 口罩具体参数

实验中，选取平均皮肤温度、心率和核心温度作为人体热生理参数；选取热感觉投票(见表3)和热舒适投票(见表4)作为主观反应指标。其中平均皮肤温度Tsk的计算公式[11]为

Tsk=0.34t1+0.13t2+0.33t3+0.18t4

(1)

式中：t1～t4分别代表身体的胸、手臂、大腿、小腿等部位的温度，℃。

表 3 热感觉投票(TSV)[12]

表 4 热舒适投票(TCV)[12]

为减少受试者生活节律对实验数据的影响，本实验选择下午进行。焓差实验室位于西安工程大学城市规划与市政工程学院，该实验室由控制室和人工气候室2部分组成,能够精确控制干球温度、相对湿度和风速等环境参数。其中,干球温度的控制范围为0～40 ℃,精度为±0.3 ℃；相对湿度的控制范围为15%～85%,精度为±4%；风速的控制范围为 0.1～2 m/s,精度为0.3 m/s。实验开始前4 h，要求受试者口服Coretemp传感器，以确保传感器测试温度为直肠温度。开始实验时，为排除服装热阻不同引起的误差，受试者统一穿着热阻为0.6clo的服装。待环境参数稳定，依次佩戴医用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩。每个工况持续检测45 min。当数据稳定后，记录受试者核心温度、皮肤温度、心率以及受试者的主观热感觉和热舒适。核心温度采用CoreTemp胶囊装一次性传感器测量，皮肤温度采用日本精度电子(KEM)生产的多通道热流计测试，心率测试采用动态心电记录器DMS300-4A。

2 结果与分析

采用ANOVA方法检验了中性环境和偏热环境下，男性和女性佩戴3种不同类型口罩在核心温度、平均皮肤温度、心率、整体热感觉和整体热舒适方面的显著差异，显著性水平设置为0.05[13]，并进行配对t检验。比较受试者佩戴不同类型口罩各项生理参数及主观感受差异。

2.1 生理参数

2.1.1 人体核心温度图2为几种状态下核心温度(Tc)测量结果。由图2可知：2种操作温度下(To1=26 ℃、To2=32 ℃)，男性和女性佩戴医用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩，其核心温度无显著性差异(p>0.05)，且同种操作温度下男女间也没有显著性差异(p>0.05)。同一工况下，女性核心温度高于男性，且核心温度标准差也大于男性。女性受试者佩戴不同口罩时，核心温度变化比男性更明显。可见，口罩对人体热反应的影响，女性比男性更敏感。操作温度由26 ℃升至32 ℃，无论男性或者女性，未戴口罩、戴医用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩，核心温度均先降低后升高。其他研究在未佩戴口罩状态下，也发现核心温度这种规律[14]。文献[15]给出解释是，受试者走到实验室静坐后，活动水平降低导致代谢率降低，无论实验工况是升温还是降温，前 2 h受试者的核心温度均会降低。操作温度为32 ℃时，男性核心温度变化幅度小于女性，这是因为女性对环境温度更加敏感[16]，且高温工况下差异愈发明显。所以，佩戴不同类型口罩状态下，女性核心温度的变化速率快于男性。受试者未戴口罩、佩戴医用外科口罩和普通棉布口罩时，偏热环境(To2=32 ℃)的核心温度均低于中性环境(To1=26 ℃)；然而，当受试者佩戴N95口罩时，偏热环境(To2=32 ℃)的核心温度却高于中性环境(To1=26 ℃)。由此说明，实验测试核心温度先降低后升高的规律，并不适用于N95口罩工况。原因是N95口罩透气性比其他口罩差，阻碍受试者呼吸散热导致核心温度升高。

图 2 佩戴与未佩戴口罩状态下的核心温度

2.1.2 平均皮肤温度图3为几种状态下平均皮肤温度测量结果。由图3可知：2种操作温度(To1=26 ℃、To2=32 ℃)下，男性佩戴医用外科口罩和普通棉布口罩时，平均皮肤温度有显著性差异(p<0.05)；女性佩戴医用外科口罩(p<0.01)、普通棉布口罩(p<0.05)、N95口罩(p<0.01)时，平均皮肤温度亦有显著性差异。To2=32 ℃时，女性佩戴医用外科口罩、普通棉布口罩和N95口罩与未佩戴口罩状态的平均皮肤温度均有显著性差异(p<0.01)，而同种工况男女间皮肤温度未发现显著性差异。To2=32 ℃时，女性佩戴口罩状态相比较于未佩戴口罩状态，平均皮肤温度显著升高。表明偏热环境下女性局部热刺激对平均皮肤温度的影响大于男性，女性对温度变化、维持皮肤温度稳定的能力弱于男性。相较于男性，女性平均皮肤温度受是否佩戴口罩影响较大，不同类型口罩间平均皮肤温度差异亦较大。

图 3 佩戴与未佩戴口罩状态下的平均皮肤温度

2.1.3 心率图4为未佩戴与佩戴3种口罩状态下心率测试结果。由图4可知：2种操作温度(To1=26 ℃、TO2=32 ℃)下，男性和女性佩戴3种口罩状态的心率无显著性差异(p>0.05)。与未佩戴口罩状态相比，男性佩戴医用外科口罩状态在To1=26 ℃时，心率基本不变；男性佩戴医用外科口罩状态的心率在To2=32 ℃时轻度增加。女性在To1=26 ℃时，佩戴医用外科口罩与未佩戴口罩相比，心率增加。静坐状态的心率变化规律，与运动状态心率变化规律一致[17]。综上，在中性热环境(To1=26 ℃)的静坐状态，男性和女性佩戴医用外科口罩的心率轻微增加，佩戴普通棉布口罩和N95口罩的心率轻微减小；偏热环境(To2=32 ℃)时，男性佩戴3种口罩，心率均轻微增加，女性心率基本持平。在偏热环境中，男性通过呼吸散热的频率加快，耗氧量增大，口罩带来的呼吸阻力使受试者难以呼吸和吸收足够的氧气，缺氧会刺激交感神经系统，并增加心率[18]。由于男女需氧量的差别，男性心率增加较为明显。

图 4 佩戴与未佩戴口罩状态下的心率

2.2 主观反应

2.2.1 热感觉图5为未佩戴与佩戴3种口罩状态下热感觉测试结果。由图5可知：中性热环境下(To1=26 ℃)，男性佩戴N95口罩与未佩戴口罩(p<0.01)、佩戴医用外科口罩(p<0.05)状态热感觉有显著性差异，女性与男性差异性一致。偏热环境下(To2=32 ℃)，男性佩戴N95口罩与未佩戴口罩(p<0.01)、佩戴医用外科口罩(p<0.01)状态热感觉有显著性差异(p<0.05)，男性佩戴普通棉布口罩与佩戴医用外科口罩、未佩戴口罩状态亦有显著性差异；女性佩戴N95口罩与佩戴普通棉布口罩(p<0.05)、医用外科口罩(p<0.001)、未佩戴口罩状态(p<0.001)热感觉也有显著性差异，女性佩戴普通棉布口罩与佩戴医用外科口罩(p<0.05)、未佩戴口罩(p<0.05)状态也有显著性差异。受试者佩戴不同类型口罩主观热感觉差异的显著性强于生理参数，各工况下，主观热感觉出现显著性差异的次数多于生理参数。其原因是受试者佩戴口罩时吸入空气中二氧化碳含量较高，二氧化碳水平的增加导致受试者心理恐慌。心理恐慌的一些症状包括潮热和出汗，这些额外的生理变化增强了主观热感受，进而增加口罩佩戴带来的热负荷[4]。

图 5 佩戴与未佩戴口罩状态下的热感觉

2.2.2 热舒适图6为几种状态下热舒适性测试结果。由图6可知：中性热环境下(To1=26 ℃)，女性佩戴N95口罩(p<0.05)与未佩戴口罩状态热舒适有显著性差异。偏热环境(To2=32 ℃)下，男性和女性佩戴N95口罩(p<0.01)、普通棉布口罩(p<0.05)与未佩戴口罩状态热舒适有显著性差异。此外，女性佩戴N95口罩(p<0.05)与佩戴医用外科口罩状态热舒适也有显著性差异。女性佩戴不同类型口罩在中性热环境中，其热舒适有显著性差异。在偏热环境中，男性和女性佩戴不同类型口罩的热舒适差异更加显著。可见，受试者不舒适的主观感受随着热应激的增加而显著增加[19]。2种操作温度下，受试者佩戴医用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩热不适感升高,而N95口罩带来更剧烈的热不适感[20]。不同类型口罩间，热舒适出现显著性差异的工况少于热感觉出现显著性差异的工况。