您的浏览器不支持JavaScript,请开启后继续

China Heating,Ventilation and Air Conditioning
联系热线:010-64693287 / 010-64693285

室内温度对人体热耐受和热健康的影响研究

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2021-09-02

西安建筑科技大学建筑学院  薛文静 刘大龙 宋庆雨

       【摘  要】以在校大学生为受试对象,在人工气候室展开人体生理和心理测试,研究室内环境温度对人体的热耐受和热健康的影响,实验期间记录人体热感觉的主观投票和核心温度、心率、血压等客观生理参数。研究发现,受试者的体温随空气温度升高而升高,但整体变化幅度不大;心率、血压的个体差异较大,没有明显规律。通过满意度投票可知,受试者的热耐受温度为 29℃。随着室内空气温度的升高,受试者的病态建筑综合症症状随空气温度的升高而增大。

       【关键词】空气温度;热耐受;热健康;生理参数

       【基金项目】国家自然科学基金资助项目(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

       随着社会的进步和社会生产力的飞速发展,室内热环境问题引起了全世界居住者和舆论界越来越广泛的关注。美国环保署的研究结果表明,人类90%的时间都在室内度过。据有关研究表明,适宜的热环境可使生产率提高18%[1],不仅使人身心愉快,还大大提高人的生产效率,利于人体健康。这不仅是因为室内环境直接影响人的热舒适感和工作效率,并且还与人的心理、生理健康紧密相关。在住宅中,如果室内热环境发生变化引起不适,人们会以开启空调等各种方式做出反应,以适应热环境[2]。空调启动温度包括供暖启动温度和空调启动温度,是指供暖、空调设备开启时的室内温度,在 DeST 软件中称为容忍温度。容忍温度体现了人们对热环境的耐受力[3]

       国内外许多学者在室内热环境对人体生理、心理的影响方面进行了大量研究。何子安、程素琦[4]研究得出人体在热环境下进行劳动时,因出汗丢失大量水盐,若不及时合理补充,将引起水盐代谢紊乱失水缺盐,使体温迅速升高、心率加快、劳动效率降低,甚至发生热致疾病。Tham K W等人[5]选择分别将20℃、23℃和26℃作为室内空气温度进行一系列实验,探讨室内空气温度和精神警觉性的可能机制,研究表明,凉爽的感觉会激活大脑并激发控制温度调节的神经系统,增强精神警觉性或唤醒性。Xiong J等人[6]通过实验研究了不同温度变化对主观健康症状和热感觉的影响,研究证明汗液、眼疲劳、头昏眼花、呼吸加快和心率加快是随温度变化而敏感的自我报告症状。冉茂宇[7]统计分析了空调启用室温、空调同时使用及室内人员作息情况。结果表明:厦门住户一般在室内气温高于 28℃用空调,室内气温低于 28℃时,可以利用自然通风实现室内“热舒适”。Jihye Ryu[8]对室内热环境参数、居住者的热舒适主观评价和空调运行方式进行了监测,侧重分析使用空调之前和之后的节奏维度和刺激强度,提出建构不适能力和舒适恢复这两个多维指标,量化住户在使用空调前对热不适事件的耐受性。

       根据以上综述表明,室内温度过高会对人体健康状况产生十分不利的影响,甚至威胁生命。因此,本研究在不同室内环境温度的条件下,记录和测量人体的主观感受和生理参数,探讨核心温度、心率、血压等生理参数随环境温度的变化规律,以及室内环境温度对人体热耐受和热健康的影响。以便今后最大可能地为人们创造健康、舒适、安全、高效的室内热环境。

2 实验设计与方法

       2.1 实验工况及受试者概况

       实验在人工气候室内进行,人工气候室温度分为28℃~36℃九个工况,相对温度在45%~65%的范围内。室内空气温度、空气流速由空调控制。环境舱外的房间温度较适宜,实验前所有受试者在环境舱外进行30~40min的预暴露,使受试者的心率及其他生理指标趋于稳定,以减小因环境改变以及运动代谢对测试结果的影响。

       本实验共招募身体状况良好的20名志愿者,其中男性 10 名,女性 10 名,基本信息如表 1所示。参加实验的受试者在西安居住时间均为 1 年以上,即已基本适应了西安地区的气候特征,且身体健康,经常参加体育活动。实验过程中受试人员5人一组,统一衣着,身着短袖、短裤和凉鞋(clo=0.3)。在此期间,受试者被允许执行只有轻微的体力活动,新陈代谢率(M)为 1 met。

表1 受试人员基本信息

       注:表中的数值表示(平均值±标准差)。

       2.2 测试内容及方法

       在环境舱中,以地面为相对垂直标高零点,在0.1 m、0.6 m、1.1 m处安置温湿度仪、风速仪,测定人体坐姿时的头、胸、脚踝处的温度、湿度、风速。由于环境舱面积小于16m2,测点布置于房间中心。

       在实验中,采用了客观评价和主观评价相结合的方法。测量人体对热环境响应的生理指标包括核心温度、心率和血压。其中核心温度是关于体温调节系统的生理参数,心率和血压均属于心血管系统调节的生理指标,是人体对环境刺激进行调节的重要反映参数。实验问卷包括基本信息问卷及主观问题问卷两部分。基本信息问卷主要统计受试者的姓名、年龄、身高、体重等客观问题。而主观问题问卷则由受试者在实验期间填写,根据自己对环境的主观评价,评价内容主要包括受试者的对室内环境参数的主观评价与期望、整体环境满意度、忍耐感和病态建筑综合症症状。其中受试者的对室内环境参数的主观评价采用7级标尺,期望采用3级标尺,各级标度含义见表 2和表 3;满意度采用5级标尺,各级标度含义见表 3。

       参照病态建筑综合症(SBS)症状,本实验从中共遴选出 8 项症状用于调查不同室内温度工况下受试者的健康状况:困倦、反应迟钝、难以集中注意力、眼睛干涩、头疼、气短、口干和鼻塞。其评分划分为 5 级:0 为“一点也无”,1 为“略有一点”,2 为“有一些”,3 为“相当”,4 为“非常”。每项的分数越高表明该项症状的程度越明显,总分在一定意义上反映了人的总体健康水平。

       “热耐受”,定义为在非极端热环境中,人的生理调节系统能够正常调节下的舒适度极限。因此,满意度评价小于2(基本满意)时,认为人体已超出了热耐受范围[9]

表2 对环境温度、气流速度、相对湿度的主观评价投票标尺

表3 对环境温度、气流速度、相对湿度的期望投票标尺

表4 满意度标尺

       2.3 实验过程

       实验开始前对受试者进行服装统一,即受试者被要求穿着西安夏季典型着装(上装短袖T恤,下装短裤+凉拖鞋,服装热阻为 0.3clo)。受试者更换好衣服后,按要求在气候室外相对适宜的环境中静坐,进入为期 30 min的环境适应期,以尽量避免环境变化以及运动代谢对实验结果的影响。在此期间,受试者按要求填写个人基本信息问卷,且同时由实验人员向受试者讲解实验过程中的注意事项以及问卷的填写方法,以保证数据的准确性。随后,受试者进入设置好工况的气候室中。为保证受试者的热健康,每个温度工况持续时间为40 min,期间每10 min进行一次主观问卷填写和生理参数、环境参数测量记录。实验过程中受试者可以聊天,但不能走动或谈论与实验有关的内容。若实验过程中,受试者若有不适,可主动要求停止实验。

3 结果与分析

       相关文献[10]表明,当环境温度变化小于10℃时,受试者的热感觉会在40min内稳定,因此选取每 40 min 实验阶段的最后一组投票为稳态投票,考虑每个工况下不同行为模式对生理参数的影响,组内对比采用单因素方差分析。可接受水平p值均取0.05。

       受试者在不同工况下的稳态平均生理参数如图 1所示。统计分析表明,整体上,受试者的稳态平均体温随空气温度升高而升高,但在测试的工况区间内,整体变化幅度不大。因为体温降低表示机体散热大于产热,此时体内有热量损失。但是,由于机体具有很大的热调节的能力,因此,除了在很热或很冷的情况下,机体的热平衡一般是不容易受到破坏的,体温一般不会有大幅度的改变。

       由实验结果可知,受试者的心率值、舒张压值和收缩压值均处于正常范围内,随空气温度升高并无显著性的变化(P>0.05)。表明温度的改变没有影响到血管壁的侧压力。已有研究表明[11],心率与代谢率有关,在冷环境中,人体寒颤时,代谢率会突然增加。本实验表明,在热环境中,心率没有显著性变化,人体代谢率变化较小。


图1 不同工况下的稳态平均生理参数

       受试者在不同温度工况下的主观评价及期望投票见图 2。结果表明,受试者的热感觉投票值随空气温度升高而显著升高,仅在空气温度为28℃、29℃的工况下,人体的冷热感投票值小于1(稍热)。平均气流感投票值均为负值,且随空气温度的升高而降低。当空气温度大于31℃时,平均冷热感投票值显著升高,平均气流感投票值显著降低。而热期望和风期望投票值在大于32℃之后显著增大。因此,表明受试者的对热环境的期望稍稍滞后于人体的热感觉。整体上,受试者的湿度感随空气温度的升高变化趋势不显著 (P>0.05),不同温度下湿度感觉投票比较集中,介于 -1(有点干燥)~ 0(适中)之间,普遍感觉比较适中,符合实验方案的设计,即热环境中的湿度参数不在控制对象之列,室内湿度变化不大,各工况下的湿度测试值维持在舒适范围45%~65%以内。但由于温度较高时,人体的出汗量较大,导致35℃、36℃时人体的潮湿感增大,湿期望降低。


图2 不同工况下的主观评价及期望投票值

       受试者在不同温度工况下的满意度和忍耐度投票值见图 3。整体上,受试者的满意度投票值随空气温度的升高而降低,忍耐度随空气温度的升高而升高。当室内温度大于等于34℃时,受试者平均忍耐度显著增大。室内温度大于32℃时,满意度接近于1,说明人体对此时的热环境已非常不满意。在各温度工况下,除了28、29℃时,受试者的满意度能达到2(基本满意),其余各工况下都无法达到基本满意。由此可知,人体的热耐受温度为29℃。


图3 不同工况下的满意度和忍耐度投票值

       受试者在不同温度工况下的SBS病态建筑综合症评价值见图 4。在SBS 病态建筑综合症问卷结果中,除空气温度为36℃工况外,所有受试者对所有问题的投票主要集中在“0一点也无”和“1 稍有一点”两项,说明受试者在实验期间没有或略有一点上述症状,整体的健康状态十分良好。除36℃外,受试者的眼睛干涩、头疼、鼻塞症状几乎没有,投票值都低于0.5,随着室内温度升高,反应迟钝、难以集中注意力、眼睛干涩、头疼、气短、鼻塞等症状投票值逐渐增大。其中,受试者在室内温度为28℃的环境中健康状态最佳,在环境温度为36℃的环境中健康状况最差。整体上,受试者的病态建筑综合症症状随空气温度的升高变化趋势显著 (P<0.05)。


图4 不同工况下的病态建筑综合症评价值

4  结论

       (1)在本研究中,人体的体温随空气温度升高而升高,但在测试的工况区间内,整体变化幅度不大。受试者的心率和血压值随空气温度升高并无显著性的变化。

       (2)随着室内环境温度的升高,受试者的平均热感觉投票值显著增大,平均气流感投票值显著降低。湿度感随温度的升高变化不显著,而35℃、36℃时,由于温度较高时,人体的出汗量较大,导致人体的潮湿感增大,湿期望降低。

       (3)通过满意度投票可知,受试者的热耐受为 29℃。当环境温度过高时,热负荷的增大将会引起人体排汗量及心脏负荷增加,使得人体对环境应激的耐力降低。

       (4)随着室内空气温度的升高,受试者的病态建筑综合症症状随空气温度的升高而增大。其中,受试者在室内温度为28℃的环境中健康状态最佳,在环境温度为36℃的环境中健康状况最差。

参考文献

       [1] 李文杰,刘红,许孟楠. 热环境与热健康的分类探讨[J]. 制冷与空调(四川), 2009, 23(2): 17-20.
       [2] Nicol J F, Humphreys M. Understanding the adaptive approach to thermal comfort[J]. ASHRAE transactions, 1998, 104: 991-1004.
       [3] 张文宇,范洪武,徐强.上海地区居住建筑能耗指标限值分析[J].建设科技,2014(22):37-39.
       [4] 何子安,程素琦.热环境军事劳动人员的水盐补给量[J].解放军预防医学杂志,1996(05):313-316.
       [5] Tham K W, Willem H C. Room air temperature affects occupants’ physiology, perceptions and mental alertness[J]. Building and Environment, 2010, 45(1): 40-44.
       [6] Xiong J, Lian Z, Zhou X. Investigation of subjectively assessed health symptoms and human thermal perceptions in transient thermal environments[J]. Procedia Engineering, 2015, 121: 212-216.
       [7] 冉茂宇,刘晓迅,胡深,吴扬.厦门住宅夏季空调运行实测及其相关分析[J].建筑热能通风空调,2011,30(01):39-43.
       [8] Jihye Ryu, Jungsoo Kim, Wonhwa Hong, et al. Quantifying householder tolerance of thermal discomfort before turning on air-conditioner. 2020, 211
       [9] 王渝东. “生理可调区”评价指标研究[D].西安工程大学,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.

       备注:本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期(第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。