人体热舒适客观评价指标
刘蔚巍1，连之伟2，邓启红1，戎伟芳3
(1. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 中原工学院 能源与环境学院，河南 郑州，450007；
3. 上海交通大学 医学院，上海，200025)
摘要：在人体、动物实验基础上，对有可能作为人体热舒适客观评价指标的重要生理参数进行探讨。人体热反应实验在人工气候室内进行，对不同环境温度下受试者的生理参数和主观感觉同时进行测量。研究结果表明：受自主性体温调节活动影响的生理参数如人体皮肤温度、心率变异性、新陈代谢率、脑电波、肌电、排汗率与人体热舒适具有较好的生理相关性，并且在人体处于热舒适与不舒适状态时差异显著，具备作为人体热舒适客观评价指标的生理基础；平均皮肤温度反映热舒适程度的灵敏性较高，具备较高的可靠性，而且其测量与计算较为简单，可作为一个有效的客观指标来评价稳态热环境下的人体热舒适程度。
关键词：
中图分类号：TU119+.5 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)02-0521-06
Objective evaluation indices of human thermal comfort
LIU Wei-wei1, LIAN Zhi-wei2, DENG Qi-hong1, RONG Wei-fang3
(1. School of Energy Science & Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. School of Energy & Environment Engineering, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China;
3. College of Basic Medicine, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200025, China)
Abstract: Based on the human and animal experiments, several potential physiological indices were discussed. The experiments were carried out at different air temperatures, and the physiological response associated with thermoregulation was measured. And subjects’ thermal comfort and sensation were investigated. The results indicate that skin temperature, heart rate variability, metabolism rate, brain wave, discharge frequency of muscle and sweating rate have favorable physiological relationship with thermal comfort. They can reflect thermal comfort in specific thermal environment. Among these physiological parameters, mean skin temperature has higher sensitivity and reliability, with easy measurement and calculation. Therefore it can be used as an effective objective index to evaluate thermal comfort in steady thermal environment.
Key words: thermal comfort; thermoregulation; physiological index; mean skin temperature
人体热舒适评价一直是人体热舒适研究中相当重要的内容，对人体的热舒适状态进行准确评价是深入开展热舒适研究的基础，同时也直接影响到实际应用中对热舒适环境的评判与创造。到目前为止，对人体热舒适程度进行评价的方法相当有限，基本上都是采用热舒适主观评价方法，即采用热舒适问卷调查的形式直接询问人们在某热环境下的热感觉与热舒适程 度[1-3]。热舒适主观评价方法是一种较为可靠、简便的评价方法，然而，热舒适主观评价方法评价结果的准确性在很大程度上会受到受试者自身对热舒适是否能合理判断的影响，或者说热舒适主观评价的结果具有较大的主观性。人体热舒适虽然是一种主观感觉，但从生理学角度看，当人体处于热舒适或热不舒适时，受自主性体温调节活动的影响，其生理状态也是不同的[4]。根据不同热舒适程度间人体热生理状态的差异来评价热舒适程度，也就是热舒适客观评价方法，评价结果将不完全依赖于受试者对热舒适状态的主观判断，更客观，同时由于引入了人体生理参数，评价结果还具有生理学意义，可为进一步人体热舒适生理机理研究提供理论依据。与人体热舒适有关的生理参数较多，而生理指标的合理选择对热舒适客观评价结果的准确性有重要影响。在此，本文作者对有可能 作为人体热舒适客观评价指标的重要生理参数进行 探讨。
1 人体体温调节活动与热舒适
人体对热环境的反应有2个方面：主观感觉反应和客观生理反应。主观感觉反应即热舒适感觉，ASHRAE Standard 55将其定义为：人对热环境感到满意的意识状态[5]。客观生理反应即人体的自主性体温调节活动，是人体在热环境中为维持体温稳定而产生的一种非意识性的生理调节反应。
1.1 自主性体温调节活动的方式
人体自主性体温调节具有3种重要生理调 节方式：皮肤血管收缩(Vasoconstriction)与扩张(Vasodilation)、冷颤(Shivering)、发汗(Sweating)[4]。
(1) 皮肤血管收缩与扩张。当人体内的温度高于体温调定点时，皮肤血管扩张，导致皮肤血流量增加，将人体内更多的热量通过皮肤交换到外界环境；而当人体内的温度低于体温调定点时，皮肤血管收缩，使皮肤血流量减少，导致人体向外界环境的散热也减少。
(2) 冷颤。当人体内的温度降低到一定程度，而皮肤血管的收缩不足以维持体内热平衡时，人体肌肉会通过冷颤的方式产生热量，从而使体温恢复到正常范围内。
(3) 发汗。当皮肤血流量的增加还不足以将体内多余的热量充分交换至体外时，人体开始发汗，汗腺将汗液排至皮肤表面蒸发。这是冷却皮肤、增加体内散热的一种非常有效的手段。
1.2 体温调节活动对热舒适的影响
虽然人体热舒适感觉是一种主观心理意识，而体温调节活动是人体客观的生理反应，但是，二者之间有着密切的关系。研究表明：通常当来自于人体热感受器的神经信号强度最弱、体温调节活动最小时，人就会处于热舒适的状态[4, 6-7]；而较强的体温调节活动对热不舒适的形成起了重要的作用，如冷环境下人体皮肤血管的收缩和冷颤会引起人冷不舒适，而热环境下人体皮肤血管的扩张和发汗会导致人热不舒适[6,8]。图1给出了人体体温调节活动与热舒适的关系。
图1 人体自主性体温调节活动对热舒适的影响
Fig.1 Effect of human psychological on physiological response in thermal environment
另一方面，从人体体温调节的方式来看，体温调节活动会引起人体相关生理参数发生相应的变化。因此，这些生理参数与热舒适之间也应该存在着相关性，具备可作为人体热舒适客观评价指标的生理基础。
2 人体热舒适客观评价指标
在进行大量人体热生理反应与热舒适实验、动物热反应实验以及阅读相关文献研究工作的基础上，发现皮肤温度、心率变异性、新陈代谢率、脑电波、肌电、排汗率与热舒适感觉有紧密联系，有可能作为热舒适客观评价的生理指标。
2.1 人体皮肤温度
人体皮肤血管的收缩或扩张会导致皮肤温度降低或升高，因此，皮肤温度是反映人体冷热应激程度以及人体与环境之间热交换状态的1个重要生理参数。现有的研究基本上都将皮肤温度作为1个与热舒适以及热感觉密切相关的人体生理参数。Fanger[9]提出的人体热舒适的3个条件之一就是人体平均皮肤温度应满足给定的舒适要求。Bulcao等[10]研究了皮肤温度与体温对人体热舒适程度的影响，认为人体热舒适在很大程度上取决于皮肤温度。Huizenga等[11]对受试者在局部与整体受冷/热时的21个部位的局部皮肤温度进行测量，发现当人体处于热中性状态时，手部以及手指的皮肤温度有显著性波动。Wang等[12]通过实验研究认为手指温度或手指－前臂温度差也许可用来监测和预测人的热舒适状态。
Lan等[13]测量了受试人员在不同空调温度下(21，24，26和29 ℃)的局部皮肤温度，并对平均皮肤温度进行计算。图2所示为实验中受试者平均皮肤温度与热舒适程度的关系。
图2 平均皮肤温度与热舒适的关系
Fig.2 Relationship between mean skin temperature and thermal comfort
图2表明：与舒适状态时相比，人体在感到冷不舒适时平均皮肤温度较低，而在感到暖不舒适时平均皮肤温度较高。这3种热舒适状态下的平均皮肤温度均具有显著性差异。
2.2 心率变异性
在应用动态心电图的过程中，人们发现心跳的脉搏之间的时间间期不一致，这种心跳间期有节律的波动称为心率变异性。人体体温调节活动受自主神经系统(交感神经与副交感神经系统)支配，心率变异性(Heart rate variability，HRV)分析正是医学上一种用来评价自主神经系统功能和平衡性的有效方法[14]。
在心率变异性频域分析中，低频段与高频段的功率比值FL/FH是1个很重要的指标。它反映了交感神经与迷走神经的相对均衡性。FL/FH增加表明交感神经活动增强，迷走神经活动受到抑制；其值减少则表明交感神经活动减弱，迷走神经活动增强。而交感神经兴奋会引起体温调节活动(发汗、皮肤血管收缩)的产生。Liu等[6]对受试人员在不同热舒适状态下的心率变异性进行分析，结果如图3所示(其中，“★”表示有显著性差异；n表示符合成对T检验要求的受试者的人数)。
图3 人体处于热舒适与不舒适时心率变异性指标FL/FH的比较
Fig.3 Heart rate variability (FL/FH) at thermal comfort and discomfort
由图3可知：当人体处于不舒适状态时，其FL/FH显著高于处于舒适状态时的值，表明较强的交感神经活动(导致体温调节活动增强)对人体热不舒适感觉的产生起重要作用。可见：FL/FH可为评判人体热舒适与不舒适提供有效的生理依据。
2.3 新陈代谢率
人体新陈代谢率是影响人体热舒适的1个重要的因素。在Fanger热舒适方程、PMV-PPD指标中，人体的新陈代谢率被作为影响人体热舒适的人为因素。
在热中性环境温度下，人体的新陈代谢率最低，基本保持稳定；在冷环境温度中，为保持人体热平衡，人体内产热，新陈代谢率会增加；而在热环境中，人体也会通过体温调节活动来维持热平衡，这时人体的呼吸、循环等生理功能处于较高水平，新陈代谢率也较高。叶晓江[15]对冷环境(自然通风)和热舒适环境(空调环境)下受试者在静坐时的新陈代谢率分别进行测量计算，结果如图4所示。图4表明：在冷环境温度下，受试者的新陈代谢率显著高于舒适温度下的新陈代谢率。
2.4 脑电波
人体脑电波产生的原理，目前较公认的观点是突触后电位学说，即认为脑电波是皮层内神经细胞群同步活动时突触后电位的综合反映[16]。
图4 不同温度环境下受试者的新陈代谢率
Fig.4 Metabolic rate in cold and comfortable environment
脑电波包含4个周期性节律：δ波(频率＜4 Hz，电压20~200 μV)，θ波(4~8 Hz，10 μV)，α波(8~14 Hz，20~200 μV)和β波(14~35 Hz，5~10 μV)。有研究表明：人体脑部温度的变化可能会影响到脑电波的频率，从而对脑电波的功率密度谱造成显著影响[17]。
脑电波能反映人体精神状态的变化[18]。热舒适是人对热环境的一种主观反应，也属于精神状态，因此，脑电波也许可反映人体的热舒适程度。对受试者在不同热感觉时的脑电波进行测量与分析，结果如图5 所示[19]。
图5 不同热感觉下脑电波各波段功率比例
Fig.5 Relationship between the global relative EEG power and thermal sensation
从图5可见：α波和β波与人体热感觉有较明显的关系；当实验中受试者热感觉为稍凉、中性、稍暖时，α波所占的功率比率明显比其他热感觉时的高，而β波在热感觉为热或冷时具有较高的功率比率。结合受试者的热舒适状态，可以得出脑电中α波的功率在人体感到热舒适时增加，而β波的功率在人体感到不舒适时较高。
2.5 肌电
肌电是神经-肌肉兴奋发放生物电的结果。肌电能在一定程度上反映神经肌肉的活动，因而在神经肌肉疾病诊断、康复医学领域的肌肉功能评价、体育科学中的疲劳评定等方面都具有实用价值[20]。
有关肌电与人体精神状态之间的联系研究很少。叶晓江[15]对大鼠在不同环境温度中的肌电(四肢肌与躯干肌)进行测量，统计分析结果如图6所示。图6表明：环境温度对大鼠的肌肉放电频率有影响；在环境温度较低时，大鼠四肢肌和躯干肌的放电活动明显较多；当环境温度为26.0~28.0 ℃时，其放电活动下降到最低；当环境温度继续上升时，其放电活动又有所增加，但是增加的幅度很小(变化不显著)。
人体感到寒冷时，会通过加强肌肉活动产热(如冷颤)，维持体内热平衡[14]。与大鼠相似，此时肌电可能与舒适状态下的肌电有较大差异；因此，肌电也有可能作为反映人体的冷不舒适状态的生理指标。
图6 不同环境温度下大鼠肌肉放电情况
Fig.6 Frequency of muscle discharge for rats under different indoor temperatures
2.6 排汗率
人体出汗有2种：一种是不显性出汗，另一种是显性出汗。正常人体的组织间液直接渗出皮肤或者是体内水分通过皮肤角质层扩散到体表继而蒸发后散发到大气中，这种排汗方式为不显性出汗。
当环境温度升高或活动强度增大时，人体通过辐射和对流途径散发的热量不足以带走代谢产生的热量，为维持体热平衡，汗腺开始分泌汗液，即显性出汗。一般认为皮肤温度达到34 ℃时，人体开始启动出汗机制[21]。
研究表明：人体在热舒适时，应有最佳的排汗 率[9]。通常，当人体显性出汗时会感到热不舒适，因此，排汗率可作为判断舒适与热不舒适的指标。
3 讨论
考察1个人体生理参数是否适合作为热舒适客观评价指标，应重点考虑以下3个方面：
(1) 生理相关性，即热环境中生理参数与热舒适之间内在的生理联系；
(2) 灵敏性，即生理参数在不同热舒适程度之间差异的显著性；
(3) 可靠性，即生理参数用来评价热舒适的准确程度。
人体的热舒适感觉在很大程度上受到自身自主性体温调节活动的影响。本文给出的这6个生理参数中，人体平均皮肤温度、新陈代谢率、肌电、排汗率直接受自主性体温调节活动的影响，心率变异性反映的是控制自主性体温调节活动的神经系统的兴奋状态，脑电波与自主性体温调节活动间接相关，因此，这些生理参数与热舒适具有生理相关性。
在人体与动物实验的基础上，可以得到各生理参数的灵敏性。平均皮肤温度随着热舒适程度从暖不舒适向冷不舒适变化时呈逐渐减小的趋势，且在不同热舒适程度下均具有显著差异性；心率变异性(FL/FH)、新陈代谢率在人感到舒适时显著较低，而在暖或冷不舒适时均较高；脑电波的不同节律在舒适与不舒适程度时表现出不同的差异性；肌电在冷不舒适时会显著增加，而排汗率在暖不舒适时显著增加。自主性体温调节活动的变化是这些生理参数在不同热舒适程度下具有显著性差异的主要原因。
上述生理参数各自的灵敏性特点决定了它们不同的应用范围。皮肤温度可用来评价人体热舒适与不舒适程度，同时可反映不同的热感觉；心率变异性能从自主性神经系统活动角度反映人体的热舒适与不舒适状态；新陈代谢率基于人体内的能量消耗来判断人的热舒适与不舒适状态；脑电波从人脑部活动角度区别人的热舒适与不舒适状态；肌电可评价人的冷不舒适与舒适状态；排汗率能区分暖不舒适与舒适状态。
对6个生理参数的特点进行比较，结果如表1所示。从表1可见：总体来看，平均皮肤温度反映热舒适程度的灵敏性要高于其他生理指标，而且其测量与计算较简单，实用性较强。为此，建立了基于平均皮肤温度的稳态热环境下人体热舒适评价模型[22]，对绝大多数人员的热舒适程度进行了准确的评价，表明其具备较高的可靠性。
本文没有对其他生理指标的可靠性进行探讨，因此，下一步工作还需要在进行大样本实验的基础上，建立基于单个生理指标的评价模型，通过实验验证考察其可靠性。
表1 6个生理参数应用于热舒适评价的特点比较
Table 1 Comparison of characteristics between six psychological parameters
4 结论
(1) 热舒适的形成在很大程度上受到人体自主性体温调节活动的影响，因此，由体温调节活动引起的生理参数的变化可反映人体的热舒适程度。
(2) 人体皮肤温度、心率变异性、新陈代谢率、脑电波、肌电、排汗率与人体热舒适具有较好的生理相关性，具备作为人体热舒适客观评价指标的生理 基础。
(3) 心率变异性指标FL/FH在人感到舒适时显著较低，而在暖或冷不舒适时均较高，因此，自主性神经系统活动反映人体的热舒适与不舒适状态。
(4) 平均皮肤温度反映热舒适程度的灵敏性较高，具备较高的可靠性，而且其测量与计算较简单，可作为1个有效的客观指标来评价稳态热环境下的人体热舒适程度。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2009-12-11；修回日期：2010-03-10
基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(50838009)
通信作者：刘蔚巍(1980-)，男，湖南湘阴人，博士，副教授，从事热环境与人体热舒适及健康的研究；电话：13786187290；E-mail：wliu@mail.csu.edu.cn
