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China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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室內溫度對人體熱耐受和熱健康的影響研究

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-09-02

西安建筑科技大學建筑學院  薛文靜 劉大龍 宋慶雨

       【摘  要】以在校大學生為受試對象,在人工氣候室展開人體生理和心理測試,研究室內環境溫度對人體的熱耐受和熱健康的影響,實驗期間記錄人體熱感覺的主觀投票和核心溫度、心率、血壓等客觀生理參數。研究發現,受試者的體溫隨空氣溫度升高而升高,但整體變化幅度不大;心率、血壓的個體差異較大,沒有明顯規律。通過滿意度投票可知,受試者的熱耐受溫度為 29℃。隨著室內空氣溫度的升高,受試者的病態建筑綜合癥癥狀隨空氣溫度的升高而增大。

       【關鍵詞】空氣溫度;熱耐受;熱健康;生理參數

       【基金項目】國家自然科學基金資助項目(51878536)

Abstract: Taking college students as subjects, conducting human physiological and psychological tests in an artificial climate room , To study the effect of indoor environmental temperature on the human body’s thermal tolerance and thermal health, and record the subjective vote of human thermal sensation and objective physiological parameters such as core temperature, heart rate, blood pressure and so on during the experiment. The study found that the body temperature of the subjects increased with the increase in air temperature, but the overall change was not large; the individual differences in heart rate and blood pressure were large, and there was no obvious pattern. According to the satisfaction voting, the subject’s thermal tolerance temperature is 29°C. With the increase of indoor air temperature, the symptoms of Sick Building Syndrome of the subjects increased with the increase of air temperature. 
Keywords: Air temperature; Thermal tolerance; Thermal health; Physiological parameters

1 概述

       隨著社會的進步和社會生產力的飛速發展,室內熱環境問題引起了全世界居住者和輿論界越來越廣泛的關注。美國環保署的研究結果表明,人類90%的時間都在室內度過。據有關研究表明,適宜的熱環境可使生產率提高18%[1],不僅使人身心愉快,還大大提高人的生產效率,利于人體健康。這不僅是因為室內環境直接影響人的熱舒適感和工作效率,并且還與人的心理、生理健康緊密相關。在住宅中,如果室內熱環境發生變化引起不適,人們會以開啟空調等各種方式做出反應,以適應熱環境[2]??照{啟動溫度包括供暖啟動溫度和空調啟動溫度,是指供暖、空調設備開啟時的室內溫度,在 DeST 軟件中稱為容忍溫度。容忍溫度體現了人們對熱環境的耐受力[3]。

       國內外許多學者在室內熱環境對人體生理、心理的影響方面進行了大量研究。何子安、程素琦[4]研究得出人體在熱環境下進行勞動時,因出汗丟失大量水鹽,若不及時合理補充,將引起水鹽代謝紊亂失水缺鹽,使體溫迅速升高、心率加快、勞動效率降低,甚至發生熱致疾病。Tham K W等人[5]選擇分別將20℃、23℃和26℃作為室內空氣溫度進行一系列實驗,探討室內空氣溫度和精神警覺性的可能機制,研究表明,涼爽的感覺會激活大腦并激發控制溫度調節的神經系統,增強精神警覺性或喚醒性。Xiong J等人[6]通過實驗研究了不同溫度變化對主觀健康癥狀和熱感覺的影響,研究證明汗液、眼疲勞、頭昏眼花、呼吸加快和心率加快是隨溫度變化而敏感的自我報告癥狀。冉茂宇[7]統計分析了空調啟用室溫、空調同時使用及室內人員作息情況。結果表明:廈門住戶一般在室內氣溫高于 28℃用空調,室內氣溫低于 28℃時,可以利用自然通風實現室內“熱舒適”。Jihye Ryu[8]對室內熱環境參數、居住者的熱舒適主觀評價和空調運行方式進行了監測,側重分析使用空調之前和之后的節奏維度和刺激強度,提出建構不適能力和舒適恢復這兩個多維指標,量化住戶在使用空調前對熱不適事件的耐受性。

       根據以上綜述表明,室內溫度過高會對人體健康狀況產生十分不利的影響,甚至威脅生命。因此,本研究在不同室內環境溫度的條件下,記錄和測量人體的主觀感受和生理參數,探討核心溫度、心率、血壓等生理參數隨環境溫度的變化規律,以及室內環境溫度對人體熱耐受和熱健康的影響。以便今后最大可能地為人們創造健康、舒適、安全、高效的室內熱環境。

2 實驗設計與方法

       2.1 實驗工況及受試者概況

       實驗在人工氣候室內進行,人工氣候室溫度分為28℃~36℃九個工況,相對溫度在45%~65%的范圍內。室內空氣溫度、空氣流速由空調控制。環境艙外的房間溫度較適宜,實驗前所有受試者在環境艙外進行30~40min的預暴露,使受試者的心率及其他生理指標趨于穩定,以減小因環境改變以及運動代謝對測試結果的影響。

       本實驗共招募身體狀況良好的20名志愿者,其中男性 10 名,女性 10 名,基本信息如表 1所示。參加實驗的受試者在西安居住時間均為 1 年以上,即已基本適應了西安地區的氣候特征,且身體健康,經常參加體育活動。實驗過程中受試人員5人一組,統一衣著,身著短袖、短褲和涼鞋(clo=0.3)。在此期間,受試者被允許執行只有輕微的體力活動,新陳代謝率(M)為 1 met。

表1 受試人員基本信息

       注:表中的數值表示(平均值±標準差)。

       2.2 測試內容及方法

       在環境艙中,以地面為相對垂直標高零點,在0.1 m、0.6 m、1.1 m處安置溫濕度儀、風速儀,測定人體坐姿時的頭、胸、腳踝處的溫度、濕度、風速。由于環境艙面積小于16m2,測點布置于房間中心。

       在實驗中,采用了客觀評價和主觀評價相結合的方法。測量人體對熱環境響應的生理指標包括核心溫度、心率和血壓。其中核心溫度是關于體溫調節系統的生理參數,心率和血壓均屬于心血管系統調節的生理指標,是人體對環境刺激進行調節的重要反映參數。實驗問卷包括基本信息問卷及主觀問題問卷兩部分?;拘畔柧碇饕y計受試者的姓名、年齡、身高、體重等客觀問題。而主觀問題問卷則由受試者在實驗期間填寫,根據自己對環境的主觀評價,評價內容主要包括受試者的對室內環境參數的主觀評價與期望、整體環境滿意度、忍耐感和病態建筑綜合癥癥狀。其中受試者的對室內環境參數的主觀評價采用7級標尺,期望采用3級標尺,各級標度含義見表 2和表 3;滿意度采用5級標尺,各級標度含義見表 3。

       參照病態建筑綜合癥(SBS)癥狀,本實驗從中共遴選出 8 項癥狀用于調查不同室內溫度工況下受試者的健康狀況:困倦、反應遲鈍、難以集中注意力、眼睛干澀、頭疼、氣短、口干和鼻塞。其評分劃分為 5 級:0 為“一點也無”,1 為“略有一點”,2 為“有一些”,3 為“相當”,4 為“非常”。每項的分數越高表明該項癥狀的程度越明顯,總分在一定意義上反映了人的總體健康水平。

       “熱耐受”,定義為在非極端熱環境中,人的生理調節系統能夠正常調節下的舒適度極限。因此,滿意度評價小于2(基本滿意)時,認為人體已超出了熱耐受范圍[9]。

表2 對環境溫度、氣流速度、相對濕度的主觀評價投票標尺

表3 對環境溫度、氣流速度、相對濕度的期望投票標尺

表4 滿意度標尺

       2.3 實驗過程

       實驗開始前對受試者進行服裝統一,即受試者被要求穿著西安夏季典型著裝(上裝短袖T恤,下裝短褲+涼拖鞋,服裝熱阻為 0.3clo)。受試者更換好衣服后,按要求在氣候室外相對適宜的環境中靜坐,進入為期 30 min的環境適應期,以盡量避免環境變化以及運動代謝對實驗結果的影響。在此期間,受試者按要求填寫個人基本信息問卷,且同時由實驗人員向受試者講解實驗過程中的注意事項以及問卷的填寫方法,以保證數據的準確性。隨后,受試者進入設置好工況的氣候室中。為保證受試者的熱健康,每個溫度工況持續時間為40 min,期間每10 min進行一次主觀問卷填寫和生理參數、環境參數測量記錄。實驗過程中受試者可以聊天,但不能走動或談論與實驗有關的內容。若實驗過程中,受試者若有不適,可主動要求停止實驗。

3 結果與分析

       相關文獻[10]表明,當環境溫度變化小于10℃時,受試者的熱感覺會在40min內穩定,因此選取每 40 min 實驗階段的最后一組投票為穩態投票,考慮每個工況下不同行為模式對生理參數的影響,組內對比采用單因素方差分析??山邮芩剑鹬稻?.05。

       受試者在不同工況下的穩態平均生理參數如圖 1所示。統計分析表明,整體上,受試者的穩態平均體溫隨空氣溫度升高而升高,但在測試的工況區間內,整體變化幅度不大。因為體溫降低表示機體散熱大于產熱,此時體內有熱量損失。但是,由于機體具有很大的熱調節的能力,因此,除了在很熱或很冷的情況下,機體的熱平衡一般是不容易受到破壞的,體溫一般不會有大幅度的改變。

       由實驗結果可知,受試者的心率值、舒張壓值和收縮壓值均處于正常范圍內,隨空氣溫度升高并無顯著性的變化(P>0.05)。表明溫度的改變沒有影響到血管壁的側壓力。已有研究表明[11],心率與代謝率有關,在冷環境中,人體寒顫時,代謝率會突然增加。本實驗表明,在熱環境中,心率沒有顯著性變化,人體代謝率變化較小。


圖1 不同工況下的穩態平均生理參數

       受試者在不同溫度工況下的主觀評價及期望投票見圖 2。結果表明,受試者的熱感覺投票值隨空氣溫度升高而顯著升高,僅在空氣溫度為28℃、29℃的工況下,人體的冷熱感投票值小于1(稍熱)。平均氣流感投票值均為負值,且隨空氣溫度的升高而降低。當空氣溫度大于31℃時,平均冷熱感投票值顯著升高,平均氣流感投票值顯著降低。而熱期望和風期望投票值在大于32℃之后顯著增大。因此,表明受試者的對熱環境的期望稍稍滯后于人體的熱感覺。整體上,受試者的濕度感隨空氣溫度的升高變化趨勢不顯著 (P>0.05),不同溫度下濕度感覺投票比較集中,介于 -1(有點干燥)~ 0(適中)之間,普遍感覺比較適中,符合實驗方案的設計,即熱環境中的濕度參數不在控制對象之列,室內濕度變化不大,各工況下的濕度測試值維持在舒適范圍45%~65%以內。但由于溫度較高時,人體的出汗量較大,導致35℃、36℃時人體的潮濕感增大,濕期望降低。


圖2 不同工況下的主觀評價及期望投票值

       受試者在不同溫度工況下的滿意度和忍耐度投票值見圖 3。整體上,受試者的滿意度投票值隨空氣溫度的升高而降低,忍耐度隨空氣溫度的升高而升高。當室內溫度大于等于34℃時,受試者平均忍耐度顯著增大。室內溫度大于32℃時,滿意度接近于1,說明人體對此時的熱環境已非常不滿意。在各溫度工況下,除了28、29℃時,受試者的滿意度能達到2(基本滿意),其余各工況下都無法達到基本滿意。由此可知,人體的熱耐受溫度為29℃。


圖3 不同工況下的滿意度和忍耐度投票值

       受試者在不同溫度工況下的SBS病態建筑綜合癥評價值見圖 4。在SBS 病態建筑綜合癥問卷結果中,除空氣溫度為36℃工況外,所有受試者對所有問題的投票主要集中在“0一點也無”和“1 稍有一點”兩項,說明受試者在實驗期間沒有或略有一點上述癥狀,整體的健康狀態十分良好。除36℃外,受試者的眼睛干澀、頭疼、鼻塞癥狀幾乎沒有,投票值都低于0.5,隨著室內溫度升高,反應遲鈍、難以集中注意力、眼睛干澀、頭疼、氣短、鼻塞等癥狀投票值逐漸增大。其中,受試者在室內溫度為28℃的環境中健康狀態最佳,在環境溫度為36℃的環境中健康狀況最差。整體上,受試者的病態建筑綜合癥癥狀隨空氣溫度的升高變化趨勢顯著 (P<0.05)。


圖4 不同工況下的病態建筑綜合癥評價值

4  結論

       (1)在本研究中,人體的體溫隨空氣溫度升高而升高,但在測試的工況區間內,整體變化幅度不大。受試者的心率和血壓值隨空氣溫度升高并無顯著性的變化。

       (2)隨著室內環境溫度的升高,受試者的平均熱感覺投票值顯著增大,平均氣流感投票值顯著降低。濕度感隨溫度的升高變化不顯著,而35℃、36℃時,由于溫度較高時,人體的出汗量較大,導致人體的潮濕感增大,濕期望降低。

       (3)通過滿意度投票可知,受試者的熱耐受為 29℃。當環境溫度過高時,熱負荷的增大將會引起人體排汗量及心臟負荷增加,使得人體對環境應激的耐力降低。

       (4)隨著室內空氣溫度的升高,受試者的病態建筑綜合癥癥狀隨空氣溫度的升高而增大。其中,受試者在室內溫度為28℃的環境中健康狀態最佳,在環境溫度為36℃的環境中健康狀況最差。

參考文獻

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       [8] Jihye Ryu, Jungsoo Kim, Wonhwa Hong, et al. Quantifying householder tolerance of thermal discomfort before turning on air-conditioner. 2020, 211
       [9] 王渝東. “生理可調區”評價指標研究[D].西安工程大學,2018.
       [10] Zhao R. Investigation of transient thermal environments[J]. Building and Environment, 2007, 42(12): 3926-3932.
       [11] Choi J H, Loftness V, Lee D W. Investigation of the possibility of the use of heart rate as a human factor for thermal sensation models[J]. Building and Environment, 2012, 50: 165-175.

       備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期(第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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