温湿度突变对皮肤热反应的影响

温湿度突变对皮肤热反应的影响温湿度突变对皮肤热反应的影响 2014/10/09 暖通空调杂志2014年第七期研究方法气候背景选择在我国湿热地区的典型城市广州进行研究。广州位于北纬、东经，月平均气温为，相对湿度为；夏季从月中旬开始，至月中旬结束，长达个月；冬季短暂，月平均气温为；全年气温日较差较小，为。受试者选择名健康大学生作为受试者，其基本信息见表。受试者要求出生和长期生活在珠三角地区（典型湿热地区），已在安装和使用分体空调的环境中生活年以上，如此确保其在气候适应和生活环境方面具有一定代表性。气候室及实验工况实验在华南理工大学人工气候室进行（见图）。气候室包括个相邻小室，尺寸均为，其间由门相通。空气经空调箱处理后，从孔板吊顶送入室内，由架空地板回风，形成活塞流，确保了小室内热环境参数的均匀分布。小室内空气温度的控制范围为，控制精度达，相对湿度控制范围为，精度为。实验期间，空气流速保持在左右，平均辐射温度与空气温度近似相等（）。实验工况设计为中性热和中性冷种。前种工况模拟从室内到室外、从空调区域到非空调区域的变化情况。热工况设定种温度（和）和种相对湿度（和）水平。后种工况主要与前种作对比，分析受试者在遇热和遇冷条件下的不同反应。各工况的详细参数见表。根据温湿度设定值和气候室辐射及风速情况，对应夏季着装（）和静坐状态（），计算得到标准有效温度和，等热舒适指标，列于表。由表可知，所设计工况预计涵盖了从中性暖至中性凉较大范围的热感觉变化情况。生理与心理测量测量的生理参数为皮肤温度和心率。采用型热电偶测量皮肤温度。为确保温度探头与皮肤表面接触良好，避免贴附引起局部不适，将热电偶探头压入片半径的半圆光滑铜片中，并用透气型医用胶布将其贴附于皮肤表面。经恒温水域标定，皮肤温度测量的误差为。采用型电子心率血压计测量心率，量程为，精度为读数的。心理测量通过问卷进行，测量的主要心理反应为热感觉、热舒适、热可接受度和潮湿感，所用投票标尺如图所示。其中，考虑实验的高温高湿工况，选用点而非点标尺作热感觉投票；热舒适和热可接受度为常规标尺，用以测量热感受；潮湿感投票用于考察温湿度突变对人体潮湿感的影响。实验步骤受试者在实验前天正常作息，在实验前停止进食，到达实验室后更换统一的标准服装，包括短袖上衣、薄长裤和运动袜，考虑座椅的标准服装热阻为。每次实验时，受试者先在温湿度适中的预备小室（对应于表的工况）静坐休息，期间贴附皮肤温度传感器开始连续测量。后，测量心率，并作第一次问卷投票，而后进入突变环境的实验小室（对应于表的工况）。以往研究显示，人体热反应在内可达稳定，据此设计实验小室的暴露时间为。在实验小室中允许小声谈话，但不能交流与实验有关的内容。为获取突变条件下人体热反应的动态变化，在暴露初始的，以的密集间隔作投票；而后渐长，以和间隔投票，直至实验结束。期间连续测试受试者的皮肤温度，并在暴露和时作次心率测量。实验过程的心理和生理测量设计见图。实验的起始时间依生理习服的变化规律而定。湿热地区夏季漫长，温度高，湿度大，夏季的热习服较之冬季的冷习服更为明显。有研究指出一般完成热习服的平均时间为周左右。据此，选择在室外日均气温超过达周后开始实验，也即在年月进行。名受试者依不同顺序参加种突变工况的实验，共计获得人次的实验数据。研究结果与讨论热反应的动态变化工况工况（工况，）下人体热反应随时间的变化如图所示。均值和标准偏差在图中同时显示，据此可查看名受试者的平均状态及其离散程度。另外，各种反应达到稳定的时间点也在图中显示。稳定时间按以下统计方法确定：先将突变初始时刻（也即）至最后时刻的反应作受试者内方差分析（），若结果为显著，则将起始时刻依次向后调整，直至结果为无显著性差异（即），此时对应的起始时刻即为反应达到稳定的时刻（即此时刻至最后时刻无显著变化）。由图可知，工况下，皮肤温度呈逐渐上升趋势，热感觉则出现初始反应较强而后逐渐减弱的现象，也即类似于以往发现的冷感超越，出现热感超越现象，尤其在相对湿度工况下更为明显。与此对应，热舒适和热可接受度出现相似情况。从稳定时间看，心理反应的变化略超前于生理反应，热感觉、热舒适和热可接受度均在内即达稳定，而皮肤温度需达到稳定。潮湿感在初始时刻即达稳定，且与预备小室的中性环境相比，突变前后潮湿感的变化不显著（）。比较种湿度工况的反应，在突变的初始阶段差别相对明显，表现为高湿工况下具有较高的皮肤温度、较强的热和不适感以及较低的接受度，其后差别渐小。采用配对检验方法（）对比突变前后心率的变化，结果显示，工况下突变前后心率无显著变化。工况工况（工况，）下人体热反应的逐时变化如图所示。工况并未出现热感超越现象，而心理超前现象较工况更为明显，热感觉、热舒适和热可接受度均在第一时间，也即时刻即达稳定，而皮肤温度则在后才稳定。潮湿感的结果同前，即在初始时刻稳定，突变前后变化不显著。湿度的影响在工况更为显著，高湿工况在初始和结束时刻均与低湿工况存在明显差别。心率的对比检验显示，低湿工况下心率未发生显著变化，而高湿工况下突变后心率显著提高。和工况和工况（工况，）下人体热反应的逐时变化如图所示。中性冷工况下并未出现冷感超越现象，初始时刻的心理热反应在绝对值上均接近或略低于其后时刻。心理反应的变化更为显著地超前于生理反应，表现在心理反应在短时间内达到稳定，而皮肤温度在内持续下降，直至实验结束仍未稳定。工况下心理反应在内达到稳定，工况下热舒适和热可接受度的稳定时间较长，分别为和，热感觉的稳定时间较短，在初始时刻即达稳定。潮湿感的结果同前。心率在突变后显著降低。与以往实验结果的对比本文实验结果显示，中性热和中性冷突变工况下，人体的心理热反应变化均超前于生理热应，体现在热感觉、热舒适、热可接受度稳定较皮肤温度快，且在中性冷工况下更为明显，这与以往的实验结果一致。本文并未在中性冷工况下观察到冷感超越现象，而在部分中性热工况下观察到相似的热感超越现象。这说明，初始反应较为强烈而后逐渐减弱的初感超越现象，并不局限于突然遇冷的情况，突然遇热的情况下也可能发生。与此相似，等人在湿度突升的实验中也发现了热感超越的现象。将本文的冷热工况相比可知，遇热时皮肤温度变化幅度小，稳定时间短；遇冷时不同，皮肤温度变化幅度大，稳定时间长。这意味着人体的生理热调节机能在遇热时迅速有力，遇冷时迟钝无力，这与以往的研究结果一致。潮湿感在突变初始时刻即达稳定，且不同温湿度情况下潮湿感的区别较小，这与等人在日本的实验结果一致。与两节点模型的对比将实验测得的平均皮肤温度与两节点模型的预测值相比，可以检验两节点模型对我国湿热地区人群的适用性。选用的两节点模型以等人年提出的模型为主要基础，并参考作局部调整，通过自编程序加以实现。输入的工况参数包括所有热环境物理参数、受试者的平均新陈代谢率、服装热阻、体重和表面面积。皮肤温度调定点（也即对应最小生理热调节反应和中性热感觉的皮肤温度）根据本文实验结果，设为（见节），核心温度调定点参考以往研究设为。对比结果如图所示。对比突变后接近稳态的反应可知，除工况，较为接近外，其余工况两节点模型的预测值比实验值高，高温工况下偏差稍小，小于，低温工况下较大，超过。对比突变后短时的动态反应，无论遇热还是遇冷，两节点模型预测得到的皮肤温度变化都较实测情况更为迟钝缓慢，表现在：实测得到的皮肤温度在初始时刻随环境突变有较大变化，而预测皮肤温度的变化较小；遇热工况下预测皮肤温度的稳定时间更长。综上可知，无论是稳态反应还是动态反应，两节点模型均与本文实验结果存在差别，无法直接应用。为得到适用于我国的生理反应模型，尚需以我国人群为对象，开展相应的人体传热和生理热调节反应基础研究。热感觉与皮肤温度的关系对所有工况下热感觉与平均皮肤温度逐时的均值作散点图，查看突变前后热感觉随皮肤温度的变化，结果如图所示。由图可知，突变环境下热感觉的变化明显超前于皮肤温度的变化，体现在初始时刻热感觉变化幅度较大而皮肤温度变化幅度较小。为进一步了解它们之间的关系，将每种工况下后的反应视为稳态反应，对热感觉（）与平均皮肤温度（）的稳态值作回归分析。由式（）可知，对应热感觉为中性的平均皮肤温度，也即皮肤温度的调定点，为，这与以往的研究结果一致。较热时，热感觉随皮肤温度上升而快速提高，较冷时，冷感觉随皮肤温度下降而缓慢增强，前者的变动趋势明显强于后者，也即皮肤温度发生相同的变化，升温时引起的热感觉变化大于降温，这也与以往的研究结果一致，。将动态变化曲线与稳态曲线作对比可知，中性冷（热）的突变工况下，热感觉在初始时刻出现较为强烈的动态变化，显著偏离了此时皮肤温度对应的稳态值，而后逐渐回归到稳态值附近。据此推断，初始时刻皮肤温度随时间的变化率较大，是造成此现象的可能原因。热感觉与皮肤温度变化率的关系为了解热感觉的动态变化与皮肤温度变化率的关系，参考以往研究思路，将动态热感觉（）视为稳态项（）与动态项（）之和。为确定动态项与皮肤温度变化率的关系，按式（）处理实验数据，也即先按式（）和逐时皮肤温度计算热感觉的稳态项，而后由动态热感觉和式（）计算得到动态项，热感觉动态项与对应时刻的皮肤温度变化率（此时刻的皮肤温度减去上一时刻的皮肤温度除以期间的时间间隔）的关系如图所示。由图可知，热感觉的动态项随皮肤温度变化率的变化而变化，其中，突变初始时刻的皮肤温度变化率较大，分散在两边，其后时刻的皮肤温度变化率较小，集中在中间。将数据点分为初始反应和其后反应，分别作回归。由式（），（）可知，热感觉动态项与皮肤温度变化率呈较好的线性关系，皮肤温度变化率越大，动态项越大，最大可达个热感觉标尺刻度位。热感觉动态项随皮肤温度变化率线性变化的趋势在初始时刻较为平缓，在其后时刻较为陡峭，也即在其后时刻热感觉随皮肤温度变化率的变化更为敏感。突冷、突热的变化关系相近。以往研究也获得了动态热感觉与皮肤温度变化率的线性关系，关系式中的斜率也即变化敏感度，要么恒定，要么随时间逐渐衰减，均与本文得到的结果不同。另外，以往研究发现冷热工况下敏感度不同，对突冷、突热情况分列关系式，这也与本文的结果不同。热感觉与热舒适的关系有研究发现动态环境下热舒适与热感觉出现分离，除热感觉外，热感觉随时间的变化也可能影响热舒适，趋向中性的热感觉变化率增加舒适感，远离中性的热感觉变化增加不适感。为分析突变环境下热感觉与热舒适的关系，参考节方法，将突变后的反应视为稳态，之前的反应视为动态，稳态和动态情况下热舒适随热感觉的变化如图所示。由式（）可知，最为舒适的感觉并非中性，而是稍凉的感觉（），不适感的增加，随冷感增强表现得更为强烈。热感觉与热可接受度的关系稳态和动态情况下热可接受度随热感觉的变化如图所示。由图可知，稳态和动态情况下，热可接受度与热感觉呈近似关系，将所有反应汇总得其关系式由式（）可知，稍凉的感觉（）对应于最高的接受度（），接受度对冷感的变化较热感更为敏感，可接受的热感觉范围为（，）。结论中性热和中性冷突变工况下，心理热反应变化均超前于生理热反应，也即出现心理超前现象；在部分中性热工况下观察到热感超越现象；中性热时皮肤温度变化幅度小，稳定时间短，生理热调节迅速有力，中性冷时相反，皮肤温度变化大，稳定时间长，生理热调节迟钝无力；潮湿感在突变初始时刻即达到稳定，且在突变前后变化不显著。突变条件下的热感觉与皮肤温度及其随时间的变化率有关，随皮肤温度呈二次多项式关系，随皮肤温度变化率呈线性关系，且在初始时刻与其后时刻关系有所不同。式（）（）可用于预测湿热地区人群在突变环境下的人体心理热反应，适用于湿热地区人群的生理反应模型尚待更多基础研究的开展。作者：张宇峰张军陈慧梅孟庆林单位：华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室中国能源建设集团广东省电力设计研究院佛山益康置业有限公司华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室 上一个文章： 建筑空调能耗的对比下一个文章： 自然冷却技术的应用