185寒冷环境下人体热反应特征的研究

寒冷环境下人体热反应特征的研究

湖南大学 苏锲, 李念平

摘 要：在新疆某地寒冷冬季里，采用数据现场实测和问卷调查表的方式，对人们在室内暖气环境和室外寒冷自然环境中的热反应特征进行了调查和对比，分析了人们在寒冷气候自然环境中的热反应规律和生理及心理上的表现特征，结论显示人体生理反应呈现一定规律的变化,对冷感觉比对热感觉反应敏感，证实了Gagge的皮肤温度与热感觉存在分离现象的结论。为研究人体在寒冷环境下热反应特征提供一定的资料。 关键词：寒冷自然环境；现场实测；问卷调查；热反应

0 引言

越来越多的人关注于不同环境下人体热反应特征的研究，但大量的研究工作都是以高温高湿环境为背景[1-3]，由于在人类的活动中冷环境普遍存在，因此在涉及可能使人体皮肤温度或体温下降的温度环境时，必须考虑寒冷对人体工作能力和工作效率的影响。冷环境对人体的影响相当复杂，而且个体差异的影响也很大，要对其做出综合评价并非易事。评价与估计冷环境对人体的影响主要是确定人体在冷应激作用下的生理反应和人体对冷应激的耐受能力。本文以新疆冬季自然环境为背景，究了人们在这一环境下的热反应特征，并与室内暖气环境下人体热感觉相比较，总结归纳了这一极端环境下人体表现特征，为北方冬季寒冷气候地区在室外活动的人员提供相关建议和措施。 1 冷环境对人体的影响

冷环境对人体的影响主要有两种类型：第一类是局部性影响，主要表现为对组织产生冻痛、冻伤和冻僵，例如冷金属与皮肤接触时产生的粘皮伤害；第二类是冷环境对人体全身 性生理所造成的低温不舒适症状。第一类影响主要发生在温度极低的情况下，这时即使暴露时间不长，伤害也会发生；第二类影响主要发生在全身性的低温暴露时间较长的情况下，有时温度虽未低到足以引起冻痛和冻伤的程度，但是由于长时间冷暴露，人体热损失过多，深部体温下降到生理可耐限度以下，从而产生了低温的不舒适症状。本文主要研究第二类情况下的冷环境影响。 2 实验条件和过程 2.1实验地点

地点选取在新疆乌鲁木齐市郊区，此地海拔一千六百多米，冬季室外最低温度-25℃，最高温度5℃。

2.2实验时间和气候条件

2007年11月底，调查时室内环境较稳定，温度17~18℃，相对湿度44%~45%，风速0.01m/s；室外温度-5.3~-2℃，湿度63%~75%，风速0.2~2.4 m/s。调查时刻室外温湿度具体变化如图1，2所示：

图1 室外温度变化 图2室外相对湿度变化

2.3 实验仪器

采用TES1360数字温湿度计（湿度测量范围10%~95%R.H.，温度测量范围-20℃~60℃）对温度和湿度进行了测量；非接触红外线测温仪DT-8810测定皮肤温度（量程：-20℃~270℃）；用CDF—2A型热球风速仪测量风速（测量范围为0.05~10m/s）。 2.4实验过程

实验选取了此郊区某个水暖电维修单位的人员为调查对象，共20人。其中女性5人，男性15人。年龄从20到32岁不等。女性均从事办公文职工作，大部分工作时间处于室内。男性在室内外进行水管、暖气、电力方面的检查和维修。调查对象在此地居住时间也各不相同，从5年到8年不等。具体人员背景资料见表1。

表1 受试者背景资料

男 女 总体

年龄/岁 最大 最小 32 20 25 23 32 20 体重/kg

最大 最小 145 126 105 100 145 100 身高/m

最大 最小 1.81 1.68 1.63 1.58 1.81 1.58

由于房间内有供暖系统，室温保持18℃左右的适中温度，人们衣着量普遍不是很多。按照ASHRAE55-1992标准，计算出受试者所穿衣服的热阻值，以单位clo[5]表示（1clo=0.155m2·K/W）。夏季服装一般为0.5clo，工作服装一般为0.7clo，正常室外穿的冬季服装一般为1.5~2.0clo，在北极地区的服装可达到4.0clo。计算得出调查人员服装热阻从1.5clo到1.9clo不等。

先让调查对象在室内呆一个小时，完全适应室内暖气环境后填写问卷调查表，同时记录下室内的温度和湿度；再让调查对象来到室外呆一分钟后填写问卷表，同时记录下室外温湿度；根据调查对象情况，每隔一定时间（设为2~5分钟），让其填写调查表，直至调查对象无法忍受室外环境并强烈要求进入室内为止（出于对人身体健康的考虑和调查对象工作的考虑，没有在室外坚持到无法呆下去，只到觉得十分寒冷特别不想呆下去为止）；对进入室内的调查对象继续进行追踪，将其从室外寒冷状态恢复到自己认为完全正常的时间记录下来。 2.5 主观问卷调查内容

在测试过程的同时, 对20 名工作人员进行问卷调查主观评价, 内容包括：热感觉评价、湿感觉评价、热舒适评价、空气流速评价、手感觉评价、脚感觉评价、眼睛感觉评价、鼻子感觉评价、耳朵感觉评价、身体状态评价等。 3 调查结果和分析

3.1平均热感觉投票值MTSV（mean thermal sensation vote）

不同空气温度和相对湿度情况下，平均热感觉投票值随风速的变化如图3所示。由图可知，平均热感觉投票值由温度、湿度、风速等因素综合决定。单一因素的改变不一定能引起热感觉投票值的变化。在低温环境下，湿度和风速能增加冷作用强度。湿度越大，冷感越强；风速越大，冷感也越强。当室外温度处在-4.3℃~-5.0℃之间时，MTSV的值介于-1.5（冷）和-3（很冷）之间。

图3 不同空气温度和相对湿度时平均热感觉投票值随风速的变化

3.2平均热舒适投票MTCV（mean thermal comfort vote）

不同温度和相对湿度工况下，平均热舒适投票随风速的变化如图4所示。平均热舒适投票也是受温度、湿度、风速等综合影响。从图可见，温度-4.3℃~-5.0℃，湿度65.2%~66.7%时，无论风速多少，MTCV大多分布在-3（很不舒服）附近。

图4 不同空气温度和相对湿度时平均热舒适投票值随风速的变化

3.3人体生理现象

随着在室外时间的延长，每个调查人员都出现不同程度的手脚发凉，鼻子耳朵略微发红，耳朵鼻子感到疼痛，有的眼睛出现干涩感，流泪，身体都由最开始的肌肉紧缩发展为轻微寒颤，身体活动不能完全正常发挥，如手脚笨拙。随着在室外时间的延长，人们手、脚、耳朵等生理器官均很快有不舒适感。 3.4冷耐受能力

人体对应激环境的耐受能力问题长期以来一直受到人们的重视。它指人体对应激环境伤害的承受能力 ，是人体处于应激环境中特定和非特定反应（如人的热舒适感、生理反应等）的总和。人体对冷应激的耐受程度主要取决于周身循环的减慢或热损失减少和寒颤以及非寒颤产热能力。因此人体的耐受能力除了受环境参数和服装特性的影响外，还表现出很大的个体差异。人体的形状和尺寸影响人体的热量散失，皮下脂肪层影响人体热量的保存，身体活动影响人体的代谢产热等等，影响因素很多，因而确定人体的耐受能力就变得很复杂。 在做实验过程中，人们的衣着量不多（衣服热阻为1.5clo~1.9clo），考虑到对人体健康安全的保证，以及不影响调查人员自己的工作，实验只进行到人体出现轻度体温过低（测得平均手表皮温度为15.3℃），无法进行到身体出现中深度体温过低，因而在室外呆到30分钟时，应调查人员强烈要求进入室内。

调查发现，脚底暖和的人产生冷感稍慢些，长期在室外干活的人比长期坐在室内办公的人耐冷能力强。男性比女性的耐冷能力强。此外，无论耐冷能力多强，到达室外的一瞬间，心理上都产生想进入室内的想法，在室外忍受寒冷时，即使身边有取暖器材，最想采取的取暖措施是进入室内，可见人们对暖气的依赖性很大。

3.5人体对阶跃温度变化的反应

实验开始时，调查人员从室内中性环境来到室外寒冷环境的瞬间，身体马上感到强烈的冷刺激感。热感觉评价都由室内的适中选择为较冷（占70%）或冷（占30%）。经测量发现平均手表皮温度未发生变化，仍为室内时的30.2℃。实验结束时，由室外寒冷环境进入室内中性环境的瞬间，热感觉评价仍然是很冷。10秒后，热感觉评价由很冷选择为适中（占80%）或较热（占20%），但身体还没有马上从寒冷状态恢复为正常状态，测得平均手表皮温度为15.4℃。

人体对冷感觉的反应比对热感觉的反应更敏感。人从室内中性环境进入室外寒冷环境立即产生冷感，但从室外寒冷环境进入室内中性环境，热感觉的变化有一个滞后。两种情况下都出现了热感觉的“超越”（图5），即热感觉的变化比体温的变化要快得多。这也证实了Gagge的皮肤温度与热感觉存在分离现象的结论[5]。

图5 平均手表皮温度与平均热感觉投票值

调查人员进入室内后身体状态完全恢复为初始舒适状态时间为4~10分钟不等。调查发现，在室外呆的时间越长，寒感越强，进入室内后恢复时间越长。 4 结论

(1) 平均热感觉投票值和平均热舒适投票值均受温度、湿度、风速等综合影响，无法由单一因素确定。在低温环境下，湿度和风速能增加冷作用强度。当室外温度处在-4.3℃~-5.0℃之间，湿度65.2%~66.7%时，MTSV的值介于-1.5（冷）和-3（很冷）之间。MTCV大多分布在-3（很不舒服）附近。

(2) 人体对冷感觉的反应比对热感觉的反应更敏感。人从室内中性环境进入室外寒冷环境立即产生冷感，但从室外寒冷环境进入室内中性环境，热感觉的变化有一个滞后。环境温度急剧变化时，热感觉已发生改变，皮肤温度还保持原状态，皮肤温度与热感觉存在分离。 (3) 人体在冷环境中会出现不同程度的冷紧张感和身体不自主寒颤，产热来抵御外界寒冷。鼻子耳朵以及手也会出现不同程度的玫瑰红色，在外时间过长，眼睛开始有些干涩，流泪。皮肤敏感的有瘙痒症状，更有甚者出现荨麻疹。 (4) “寒气从脚生”，脚底暖和则较慢产生冷感，耐冷力也强些。经常在室外寒冷环境中活动的人比常在室内活动的人耐冷能力强，常在外干活的人普遍衣着量偏少，身体活动量大不容易产生强烈的冷感，因而能在寒冷环境中长时间呆下去。办公室人员普遍穿的多，常在室内静坐办公，完全依赖暖气，若暖气效果不好，则很容易产生冷感。因此要尽量保持脚部的暖和，加强身体锻炼，增强身体抵抗力。

(5) 无论人的冷耐受能力有多强，心理上都不想身处寒冷环境里，在冷环境里即使有其他取暖方式，如喝热水、烤暖等，最希望采取的取暖方式是赶快进入室内，对暖气环境存在很大依赖性。

参考文献

[1] 田元媛,许为全. 热湿环境下人体热反应的实验研究[J]. 暖通空调，2003，33(4):27~30

[2] 戴自祝，刘颖，卫正. 特殊热环境下人体热反应预测的实验研究[J]. 卫生研究，1997，26(1)：68~71

[3] 吕石磊,朱能,孙丽婧. 极端热环境热应力研究指标及评价[J]. 制冷学报，2006，27(4)：45~49

[4] Bedford T. The warmth factor in comfort at work [J ] . Pep Industr Health Res ,1936 ,76 (5) :45 ~60

[5]金招芬,朱颖心. 建筑环境学[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2001

[6]袁修干. 人体热调节系统的数学模拟[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005

作者简介：苏锲（1983- ），女（汉），硕士研究生，就读于湖南大学土木工程学院，从事热湿环境与人体热舒适性研究。 手机：[1**********]

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