(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400045)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境的要求更多地聚焦在熱舒適性上。ASHRAE 55—2004[1]中將熱舒適定義“人們對(duì)熱環(huán)境表示滿意的意識(shí)狀態(tài)”。它是一種基于生理和心理以及一系列神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)的感覺，并可以使人們對(duì)這種心理感受感到愉悅[2]。換一句話說，正確地評(píng)價(jià)熱舒適性，不僅要依靠主觀判斷，而且是一個(gè)涉及人體生理，心理和其他條件的認(rèn)知過程[3]。目前，國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)環(huán)境下的熱舒適研究大多集中在主觀熱感覺反應(yīng)方面的研究[4?8]，對(duì)人體客觀生理反應(yīng)的研究較少[9?10]。然而，舒適的熱環(huán)境不僅要滿足人體熱舒適的需求，而且要滿足人體健康要求，同時(shí)兼顧室內(nèi)人員的工作效率，并且人體自身的熱舒適性也是對(duì)冷應(yīng)力或熱應(yīng)力所引起的生理機(jī)能變化的主觀描述。因此，基于生理指標(biāo)的熱舒適性研究將更具有客觀性和科學(xué)性。早在1990年，Li[11]提出了人體生理、心理與外界生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)關(guān)系及動(dòng)態(tài)舒適需求。隨后，陳良等[12?14]通過選取感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)傳導(dǎo)速度、測(cè)點(diǎn)皮膚溫度等對(duì)熱環(huán)境反映敏感的生理指標(biāo)，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明：室內(nèi)操作溫度對(duì)人體生理指標(biāo)和主觀熱感覺均有顯著影響。但是，這些研究?jī)H針對(duì)人體熱反應(yīng)的溫變特征，而忽略了時(shí)變特征，即自然環(huán)境與自然著裝條件下，人體熱反應(yīng)隨停留時(shí)間延長(zhǎng)的變化過程。Fanger[15]提出，人體與其周圍環(huán)境之間的熱平衡是熱舒適最基本和最重要的條件。而人體本身是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它與環(huán)境之間的換熱也是一個(gè)逐漸趨于穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程。當(dāng)人體進(jìn)入到一個(gè)新的環(huán)境，即使該熱環(huán)境不變(或者僅有微小的波動(dòng))，人體與環(huán)境之間的換熱仍需要一定的時(shí)間，即人員在室內(nèi)的停留時(shí)間，才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)人體未處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，生理系統(tǒng)必將發(fā)揮作用，產(chǎn)生一系列適應(yīng)性變化。在全年不同季節(jié)，人體與環(huán)境之間的換熱狀況不同，生理系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制也會(huì)有所不同。為了分析全年不同季節(jié)里的非采暖空調(diào)環(huán)境下人體熱反應(yīng)隨停留時(shí)間變化的特點(diǎn)，本文作者選擇感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)和測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)作為主要生理指標(biāo)，熱感覺投票作為主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析冬季、過渡季節(jié)和夏季典型溫度下隨停留時(shí)間的延長(zhǎng)這些指標(biāo)的變化特征；并得出各季節(jié)典型溫度下生理、心理指標(biāo)的穩(wěn)定時(shí)間，以便為生理指標(biāo)的測(cè)試時(shí)間點(diǎn)提供依據(jù)；同時(shí)還分析了各季節(jié)人體各部位局部熱感覺的時(shí)變特征，以便為個(gè)性化熱舒適設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 理論基礎(chǔ)

皮膚溫度是綜合反映人體冷、熱或舒適感覺的 1個(gè)重要指標(biāo)，而人體皮膚在人體和周圍環(huán)境之間的熱交換研究中具有十分重要的意義[16?17]。人體受到冷熱刺激時(shí)，皮膚溫度的變化率會(huì)對(duì)大腦產(chǎn)生刺激信號(hào)[12]來反饋環(huán)境溫度的變化，導(dǎo)致人體對(duì)熱舒適的一系列生理反應(yīng)，這也是人體之所以能感受到外界溫度變化的原因所在。因此，可認(rèn)為皮膚溫度是熱舒適的生理基礎(chǔ)。

感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)可以作為表征人體熱舒適的生理指標(biāo)之一。由于神經(jīng)具有高度的興奮性和傳導(dǎo)性，當(dāng)神經(jīng)受到有效刺激產(chǎn)生興奮時(shí)，產(chǎn)生的動(dòng)作電位將會(huì)沿著神經(jīng)以一定的速度傳導(dǎo)。這是人體的生理調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分之一。醫(yī)學(xué)研究表明[18]：人體對(duì)冷熱刺激產(chǎn)生的一系列生理反應(yīng)中，感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度所受的影響較為顯著。因此，感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)和測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)對(duì)研究人體熱反應(yīng)時(shí)變特征的季節(jié)差異性有很好的價(jià)值。

1.2 受試者

本實(shí)驗(yàn)在一個(gè)門窗開啟的非采暖空調(diào)的室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行。所有受試者均為在校大學(xué)生，男女比例為1:1，健康狀況良好，在重慶平均生活時(shí)間4 a以上，均已基本適應(yīng)該地區(qū)的氣候條件。受試者根據(jù)季節(jié)穿著自認(rèn)為舒適的服裝，并在實(shí)驗(yàn)前30 min進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)環(huán)境，以盡量避免環(huán)境變化以及運(yùn)動(dòng)代謝對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。實(shí)驗(yàn)期間受試者保持坐姿，新陳代謝率取1.0 met(1 met=58.2 W/m2)。所有的受試者信息如表1所示。

表1 受試者信息Table 1 Information of subjects

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過前期探索實(shí)驗(yàn)，根據(jù)季節(jié)的不同將實(shí)驗(yàn)時(shí)間定為60～120 min(夏季和冬季為120 min；過渡季節(jié)為60 min)。為了考察人體熱舒適性及生理指標(biāo)隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)所產(chǎn)生的適應(yīng)性變化，將測(cè)試時(shí)間間隔定為10 min，即每隔10 min實(shí)驗(yàn)人員測(cè)試受試者感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)、測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)，并記錄環(huán)境參數(shù)；同時(shí)，受試者填寫熱舒適問卷，問卷包括整體熱感覺、局部熱感覺(ASHRAE 7級(jí)標(biāo)尺，如表2所示)。

表2 熱感覺標(biāo)尺Table 2 Scales for thermal sensation

考慮實(shí)驗(yàn)的方便可行性，選擇右手正中神經(jīng)進(jìn)行神經(jīng)傳導(dǎo)速度測(cè)試。感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度測(cè)試選取在掌長(zhǎng)肌腱和橈側(cè)腕屈肌腱之間、腕褶皺線上方刺激正中神經(jīng)，記錄的活動(dòng)電極置于近端指－指關(guān)節(jié)，參考電極置于遠(yuǎn)端，手背接地，用表面電極粘貼于拇指記錄，采用逆向檢測(cè)法。刺激部位和參考電極放置位置如圖1所示。

圖1 正中感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度測(cè)試位置示意圖Fig.1 Measurement sites of median nerve sensory conduction

感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)由Neuropack肌電誘發(fā)電位儀 (MEB?9104，日本) 記錄，測(cè)點(diǎn)皮膚溫度采用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量 (Raytek，美國(guó)；測(cè)量精度為±1%)。受試者附近的環(huán)境參數(shù)，包括室內(nèi)空氣溫度(ta)、相對(duì)濕度、黑球溫度(tg)、空氣流速(v)采用熱舒適儀(LSI，意大利)監(jiān)測(cè)。測(cè)試位置取坐姿人體附近距離地面 0.6 m高度處，儀器精度要求符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7726[19]。

考慮到自然環(huán)境中輻射溫度的影響，本文采用操作溫度(top)來表征環(huán)境溫度。根據(jù)ASHRAE 55—2004標(biāo)準(zhǔn)[1]：當(dāng)空氣流速較小(＜0.2 m/s)或者平均輻射溫度與空氣溫度之間的差值較小(＜4 ℃)時(shí)，用平均輻射溫度和空氣干球溫度的平均值近似表示操作溫度具有足夠的精度。輻射溫度(tr)的計(jì)算方法如下：

式中：tr為平均輻射溫度，℃；tg為黑球溫度，℃；ta為室內(nèi)空氣溫度，℃；v為室內(nèi)空氣流速，m/s。

操作溫度的計(jì)算方法如下：

式中：top為操作溫度，℃.

環(huán)境參數(shù)值如表3所示。

表3 環(huán)境參數(shù)Table 3 Environmental parameters

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

為了分析不同季節(jié)里感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)，測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)、整體熱感覺投票(TSV)以及局部熱感覺投票(TSVlocal)隨停留時(shí)間的變化特征，本文通過顯著性分析，篩選出各季節(jié)具有代表性的操作溫度范圍。夏季高溫段為(29.8±0.4) ℃，冬季低溫段為(9.0±0.3) ℃，過渡季節(jié)(春季和秋季)為(21.0±0.5) ℃。根據(jù)所選定的溫度段，計(jì)算出受試者的感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)、測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)和整體熱感覺投票(TSV)、局部熱感覺投票(TSVlocal)在相同溫度下各樣本的平均值。統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2007和SPSS 16.0輔助軟件完成；并運(yùn)用Spearman相關(guān)分析對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，顯著性水平取0.01。

2 結(jié)果與討論

2.1 感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)和測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)的時(shí)變特征

感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)和測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)隨停留時(shí)間的變化分別如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出：在同一季節(jié)里，vSC和tskin的時(shí)變特征具有很好的一致性。實(shí)驗(yàn)期間，vSC在冬季、夏季和過渡季節(jié)的典型操作溫度段下的下降量分別為 11.00，3.25和0.10 m/s；相應(yīng)的tskin的下降量分別為5.8，1.5和0.1 ℃。在冬季和過渡季節(jié)，vSC和tskin均與停留時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，并且由于人體的生理適應(yīng)性而趨于平穩(wěn)。而在夏季，兩者均僅僅在一定范圍內(nèi)存在微小波動(dòng)。對(duì)各典型操作溫度段下的vSC，tskin與停留時(shí)間進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，由表4和表5中的相關(guān)系數(shù)可知：夏季vSC和tskin與停留時(shí)間的相關(guān)性不顯著，也就是說，人員在室內(nèi)的停留時(shí)間不會(huì)影響人體與外界環(huán)境之間的換熱；而在冬季和過渡季節(jié)，vCV和tskin與停留時(shí)間的相

圖2 感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)隨停留時(shí)間變化的特征曲線Fig.2 Characteristic curves of vSC responding to time

圖3 測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)隨停留時(shí)間變化的特征曲線Fig.3 Characteristic curves of tskin responding to time

表4 感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)與停留時(shí)間的相關(guān)性Table 4 Correlation between vSC and time

表5 測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)與停留時(shí)間的相關(guān)性Table 5 Correlations between tskin and time

關(guān)性十分顯著。為了更近一步分析這種顯著性變化趨勢(shì)，運(yùn)用指數(shù)衰減模型對(duì)其進(jìn)行擬合，指數(shù)衰減模型方程如下：

式中：y0為擬合曲線的終值；b為衰減常數(shù)；A為擬合曲線的振幅；x為響應(yīng)時(shí)間，即本文中所指的停留時(shí)間。

在冬季典型操作溫度段((9.0±0.3) ℃)下，擬合后指數(shù)衰減方程如下：vSC=28.56+12.43e?x/52.06，R2=0.989；tskin=20.88+5.87e?x/37.18，R2=0.987。而在過渡季節(jié)典型操作溫度段((21.0±0.5) ℃)下，擬合后指數(shù)衰減方程如下：vSC=47.03+3.70e?x/35.67，R2=0.985；tskin=28.23+1.51e?x/27.78，R2=0.974。

由擬合方程可知：溫度越低，生理指標(biāo)隨停留時(shí)間的衰減幅度越大，即衰減越劇烈。

如前所述，人體與其周圍環(huán)境之間的熱平衡是熱舒適最基本和最重要的條件，這也是各季節(jié)生理指標(biāo)時(shí)變特征不同的原因所在。從熱交換的角度來看，在夏季和過渡季節(jié)，皮膚溫度和環(huán)境溫度之間的差值較小，人體和環(huán)境之間的熱交換很快達(dá)到熱平衡。而在冬季，皮膚溫度和環(huán)境溫度之間的差值是最大的，這使得人體與環(huán)境很難達(dá)到熱平衡；隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)，人體不斷地向外界環(huán)境傳熱，從而增加了人體冷感覺。當(dāng)人體還未處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，生理系統(tǒng)如體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)便發(fā)揮作用，進(jìn)行生理調(diào)控。但是，這2種生理調(diào)控系統(tǒng)均存在一定的極限，使得生理指標(biāo)在一定程度的衰減之后趨于穩(wěn)定值。

通過組內(nèi)重復(fù)測(cè)量方差分析可以得出：在操作溫度段((9.0±0.3) ℃)下，感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)和測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)直到 120 min才穩(wěn)定；在操作溫度段((21.5±0.5) ℃)，兩者的穩(wěn)定時(shí)間為40 min。vSC和tskin的時(shí)變特征中趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象正是由于環(huán)境對(duì)人體持續(xù)的冷應(yīng)力使人體的自主生理調(diào)控達(dá)到了極限。此外，在冬季，隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)，部分受試者甚至出現(xiàn)流鼻涕的現(xiàn)象，這也說明了這一點(diǎn)。

從上述結(jié)果可知：在冬季和過渡季節(jié)，人體生理指標(biāo)的時(shí)變特征顯著，尤其是在冬季。因此，基于生理指標(biāo)的熱舒適研究，例如環(huán)境溫度對(duì)人體生理指標(biāo)的影響，就需要確保人員在室內(nèi)的合理停留時(shí)間(生理指標(biāo)達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間)，且要區(qū)分停留時(shí)間和其他變量對(duì)生理指標(biāo)的影響，區(qū)別對(duì)待人體生理指標(biāo)的時(shí)變特征和溫變特征。

2.2 整體熱感覺投票(TSV)的時(shí)變特征

圖 4所示為整體熱感覺投票(TSV)隨停留時(shí)間的變化趨勢(shì)。從圖4可以看出：在任何季節(jié)，整體熱感覺投票(TSV)都逐漸趨于穩(wěn)定。在夏季、過渡季節(jié)和冬季，實(shí)驗(yàn)初始時(shí)的整體熱感覺投票(TSV)為0.6，?0.4和?0.2(由于服裝隔熱性能的影響，冬季的 TSV 甚至稍微大于過渡季節(jié)的TSV)，而實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別穩(wěn)定在0.9，?0.6和?1.7。人體整體熱感覺(TSV)的最大變化率顯示，停留時(shí)間對(duì)人體熱舒適的影響在冬季是最強(qiáng)烈的；而過渡季節(jié)雖然生理指標(biāo)產(chǎn)生衰減變化，但由于衰減量較小未能引起主觀熱感覺上的明顯變化。人體整體熱感覺(TSV)穩(wěn)定時(shí)間在冬季、過渡季節(jié)和夏季分別為100，40和70 min。

圖4 熱感覺投票(TSV)隨停留時(shí)間變化的曲線Fig.4 Characteristic curves of local TSV responding to time

2.3 局部熱感覺投票(TSVlocal)的時(shí)變特征

由于人體各個(gè)部位的生理結(jié)構(gòu)之間存在差異，其對(duì)冷或熱刺激的敏感程度也不盡相同[20?21]，即使在均勻的熱環(huán)境中，各個(gè)身體部位和外界環(huán)境之間傳熱的不同，造成皮膚溫度不同，這反映在人體的主觀熱感覺上即為局部熱感覺。圖5(a)和 5(b)所示分別為冬季和夏季各個(gè)身體部位的局部熱感覺投票(TSVlocal)在典型溫度下隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。在過渡季節(jié)，盡管感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)和測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)隨停留時(shí)間按指數(shù)衰減變化，但所有部位的局部熱感覺(TSVlocal)仍在熱舒適范圍(?1，+1)內(nèi)波動(dòng)。

從圖5(a)可以看出：在低操作溫度段((9.0±0.3) ℃)下，身體軀干部位(頭部、頸部、胸部、背部)的局部熱感覺(TSVlocal)一直穩(wěn)定在±0.5的范圍內(nèi)，且隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)無顯著變化。但是，針對(duì)四肢而言，按局部冷感覺增強(qiáng)的程度由大到小排序如下：腳和小腿(1.4)，大腿(1.3)，手臂(1.2)，手(0.9)。從圖 5(b)可以看出：在高操作溫度段((29.8±0.4) ℃)下，軀干部位的局部熱感覺(TSVlocal)明顯高于四肢的局部熱感覺(腳和手除外)。

圖5 冬季和夏季的局部熱感覺投票(TSVlocal)隨停留時(shí)間變化的曲線Fig. 5 Characteristic curves of local TSVlocal responding to time in winter and summer

軀干部位是人體的產(chǎn)熱中心，也是保持恒定體溫的主要身體部位，無論任何季節(jié)里都有服裝遮蓋。因此，在冬季低溫環(huán)境下，軀干部位的局部熱感覺能夠保持熱舒適狀態(tài)。而在夏季高溫環(huán)境下，它們的局部熱感覺甚至比其他部位還要高，這是因?yàn)榉b的遮蓋使人體產(chǎn)熱無法及時(shí)散出。

整體熱感覺是所有身體部位局部熱感覺的一個(gè)綜合效應(yīng)。在冬季，四肢的局部熱感覺達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間分別為110 min，軀干部位的局部熱感覺僅存在微小波動(dòng)，整體熱感覺的穩(wěn)定時(shí)間則為100 min；然而，在夏季，整體熱感覺和局部熱感覺往往是在基本相同的時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定。這意味著在冬季四肢的局部熱感覺對(duì)整體熱感覺(TSV)影響較明顯，而在夏季軀干部位的局部熱感覺對(duì)整體熱感覺(TSV)的影響更大。因此，在冬季，應(yīng)該更加重視手、腳、胳膊和腿的熱舒適；而在夏季，應(yīng)考慮軀干部位的散熱。在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)各季節(jié)局部熱感覺的時(shí)變特征的差異性，個(gè)性化空調(diào)設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)也應(yīng)有所不同，從而減少均一化造成的不必要的能耗。

3 結(jié)論

(1) 在同一季節(jié)里，感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)和測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)的時(shí)變特征具有一致性。在冬季和過渡季節(jié)，隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)，它們首先呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，隨之趨于穩(wěn)定，并符合指數(shù)衰減的特征；而在夏季則無顯著變化，僅在微小范圍內(nèi)波動(dòng)。

(2) 操作溫度越低，人們對(duì)熱環(huán)境的反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)。在冬季典型操作溫度段((9.0±0.3)℃)下，感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度(vSC)和測(cè)點(diǎn)皮膚溫度(tskin)直到120 min才達(dá)到穩(wěn)定值；在過渡季節(jié)典型操作溫度段((21.9±0.3) ℃)下，兩者的穩(wěn)定時(shí)間僅為40 min；在夏季典型操作溫度段((29.8±0.4) ℃)下，兩者則僅在微小范圍內(nèi)波動(dòng)。因此，在研究其他環(huán)境變量對(duì)生理指標(biāo)的影響時(shí)，應(yīng)考慮生理指標(biāo)的測(cè)量延遲時(shí)間即生理指標(biāo)穩(wěn)定所需的時(shí)間。

(3) 整體熱感覺(TSV)的時(shí)變特征在冬季最顯著；而在過渡季節(jié)，雖然生理指標(biāo)產(chǎn)生衰減變化，但由于衰減量較小未能引起主觀熱感覺上的明顯變化；在夏季，整體熱感覺(TSV)與生理指標(biāo)一致，未呈現(xiàn)明顯的時(shí)變特征，僅在微小范圍內(nèi)波動(dòng)。

(4) 在冬季，肢體部位的局部熱感覺(TSVlocal)的時(shí)變特征對(duì)整體熱感覺(TSV)影響較明顯，而在夏季，軀干部位的局部熱感覺(TSVlocal)的時(shí)變特征對(duì)整體熱感覺(TSV)影響較明顯。因此，在低溫環(huán)境下應(yīng)注意加強(qiáng)手部、腳部、手臂及腿部的保暖；在高溫環(huán)境下要多考慮軀干部位的散熱。這一結(jié)果為個(gè)性化熱舒適的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了參考。

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