0 引言

　　2022年我国举办了第24届冬奥会和第13届冬残奥会，多项冰雪赛事在北京赛区、延庆赛区和张家口赛区同步开展。其中，张家口赛区承办了大部分雪上项目比赛，赛时产生了60%以上的雪上项目奖牌。

　　根据调查得到的过去6届冬奥会举办地的气象数据，赛时最低气温在-11～1 ℃之间，而北京冬奥会赛事期间，张家口赛区的最低气温达到了-19 ℃。对于雪上项目而言，观赛区通常处于寒冷多风的露天场地，且观众在观赛期间需长时间保持静坐或站立，处于低代谢率、低产热量状态，室外的低温和高风速会导致观赛人员体感温度过低，产生明显的不舒适感，进而影响观赛体验。因此，如何采取有效的技术措施营造良好的观赛环境，保障观赛区人员的热舒适非常重要。

　　从20世纪40年代开始，国内外陆续开展关于低温环境的热舒适研究^[1]。但在这些研究中，多为冬季严寒地区的室外热舒适调研，收集的是受试者经历短时冷暴露的整体热评价^[2,3]。而对于少数的低温环境实验室研究，大多以特殊职业人群为研究对象，如南极露天煤矿矿工^[4]、制冷及食品加工工人^[5]、寒区卫勤部队官兵^[6]等。这些研究对象的服装类型并不常见，且在这些生产活动中人员代谢率很高，与上述观赛情景差异较大。在这些研究中，更多关注于人体长期在低温环境下作业时机体生理功能的下降^[7]、可能产生的慢性疾病风险^[5,7]、对冻伤的预防及药物治疗^[8,9],以及如何选择服装^[4,10]等，而对人员热舒适需求的关注甚少，缺乏从整体和局部对低温环境下人体热舒适特征的系统性描述。

　　本文以冰雪运动观赛人群为研究对象，采用问卷调研、现场测试及受试者实验相结合的方法，明确了我国冰雪运动的群众认知及参与度和观赛区的热舒适现状，在实验中模拟了实际的观赛情景，探究了人体在寒冷环境下的热舒适改善需求。同时考虑工程应用可行性，提出了几种可能的热舒适改善措施，并对其在低温环境中对人体热舒适的提升效果进行了评估。

　　1 我国冰雪运动群众认知及参与度

　　1.1 样本特征

　　为了解目前我国冰雪运动的群众认知和参与情况，在全国范围内开展了网络问卷调研，回收有效问卷1 020份。样本来源于30个省份，覆盖各个年龄段的人群，样本的年龄及性别特征分布见图1。

　　

　　图1 样本的年龄及性别特征分布   

　　 

　　1.2 冰雪运动参与度

　　调研结果显示，虽然80%的受访者表示对冰雪运动感兴趣，但48%的受访者从未参与过冰雪运动，大多数受访者通常以收看转播方式关注冰雪赛事，仅有12%的受访者有过现场观赛经历，群众普遍缺乏亲身参与和现场观赛的经验。

　　1.3 影响观赛体验的环境因素

　　在曾有过现场观赛经历的人群中，集中反映环境寒冷、风速过高，这2个因素是影响其自身体验的关键因素(见图2)。相对而言，观赛人员对空气湿度、太阳辐射、光照强度、噪声、空气品质等环境因素的要求较低。室外热舒适研究结果也表明，空气温度和环境风速对人体与环境之间换热的影响尤为显著^[11],而在低温环境下，空气湿度的变化对皮肤的冷却速率影响不大^[12],太阳辐射则由于对热舒适产生的正向提升^[2,13],常被作为“安全系数”来考虑。在本次调研中，56%的受访者认为，营造良好的场馆环境应成为冰雪运动产业的重要发展方向。

　　

　　图2 影响冰雪运动观赛体验的环境因素   

　　 

　　综上，受限于场馆设施匮乏、冰雪运动普及度有限等诸多因素，绝大多数人群缺乏对冰雪运动的亲身参与及现场观赛体验，但大部分受访者表现出对冰雪运动感兴趣。完善冰雪运动场馆设施建设，为民众提供良好的体验环境是我国发展冰雪运动的重要举措。

　　2 雪上场馆观赛区热舒适现场调研

　　为了解在国内举办冰雪运动赛事时的观赛人群特征及观赛区热舒适现状，在2019年沸雪北京国际雪联单板及自由式滑雪大跳台世界杯期间，对首钢滑雪大跳台的观赛人群进行了热舒适现场调研，回收有效问卷234份，并对观众区的气象参数进行了实时监测。

　　2.1 环境参数

　　采用风速仪、温湿度自记仪和黑球温度自记仪监测观众区的风速v_a、空气温度t_a,相对湿度和黑球温度t_g,各仪器的测试精度见表1。

　　表1 环境测试仪器性能参数 

　　 

　　 

测试仪器	测试范围	测试精度	分辨率
Swema-03万向风速仪	0.05～3.00 m/s	±0.04 m/s	0.01 m/s
WSZY-1温湿度自记仪	-40～100 ℃,0～100%	±0.5 ℃,±3%	0.1 ℃,0.1%
HQZY-1黑球温度自记仪	-40～60 ℃	±0.3 ℃	0.1 ℃

　　 

　　 

　　 

　　比赛期间(16:00—21:00)的逐时平均气象参数变化如图3所示。随着时间推移，空气温度从3.5 ℃持续下降至1.8 ℃,晚间无太阳辐射时，黑球温度略低于空气温度，差值约为2 ℃。20:00—21:00期间，将黑球温度自记仪移至人群密集区，黑球温度升高约2 ℃。由于比赛期间观众区人员密集，相对湿度随时间有小幅度上升，逐时平均风速均小于0.5 m/s。

　　

　　图3 观众区环境参数变化   

　　 

　　2.2 观赛人群特征

　　正式比赛期间，对观赛区观众进行热舒适现场调查，共有234名现场观众参与本次调研，性别及年龄分布情况如图4所示，观赛人群中女性所占比例略高于男性，85%以上的观众为40岁以下的中青年。

　　

　　图4 现场观赛人群性别及年龄分布   

　　 

　　2.3 观赛人群着装情况

　　通过调研现场观赛人群的着装情况发现，75%的观众上衣穿着毛衣/卫衣+羽绒服，50%以上的观众下装穿着保暖裤/打底裤+长裤，脚部穿着运动鞋及短袜，该成套服装为占比最高的着装搭配。此外，30%的观众未穿戴任何用于保暖的配饰(帽子、围巾、手套等),而在穿戴有保暖配饰的人群中，超过半数仅穿戴一件。总体而言，由于缺乏在室外寒冷环境中的观赛经验，观众的整体衣着偏薄，保暖意识较弱。

　　2.4 主观热评价

　　比赛期间观众的全身及9个部位的热感觉投票、热舒适投票分布情况如图5所示。受室外寒冷观赛环境的影响，超过80%的观众全身有明确的冷感和明显的冷不舒适。就局部而言，观众9个部位均有超过60%的投票反映出有冷的感觉，有超过55%的投票反映存在冷不舒适。其中，手部、小腿及脚部呈现的冷感和不舒适感最强。

　　

　　图5 现场观众整体及局部热感觉及热舒适投票   

　　 

　　在以上所处的热状态下，仅有1%的观众对观赛环境表示满意，55%的观众表示基本可以接受，44%的观众表示不满意或完全无法接受。对于观赛期间的热舒适现状，观众认为脚部是最亟需改善的身体部位，投票比例占总样本数的56%;手部次之，占总样本数的34%。而就期望的改善措施形式而言，投票比例最高的为作用于臀部的座椅加热，在设计观赛区热舒适改善方案时应予以考虑。

　　3 低温环境舱受试者实验

　　为进一步探究观众在所处观赛环境下的热反应特征和采用热舒适改善措施后的效果，在低温实验舱内开展了受试者实验，收集受试者在冷暴露期间的主观热评价，作为观众热舒适现状的判定基准。针对亟需改善的身体部位，设计多种局部加热工况，对比热量以不同形式作用于人体时的改善效果。

　　3.1 实验台搭建

　　实验台位于天津商业大学制冷实验室，如图6所示，为了模拟实际的坐席和站席观赛场景，在低温实验舱的一侧搭建了可容纳4名受试者的看台和站席，另一侧布置了投影屏幕，实验期间播放滑雪比赛视频供受试者观看。

　　

　　图6 实验台示意图   

　　 

　　3.2 环境参数设置

　　实验设置3个温度工况：-5 ℃、-10.6 ℃和-13.8 ℃,分别为过去10年(2011—2020年)冬残奥会和冬奥会赛时同期平均气温，以及该低温环境舱所能达到的最低温度工况。实验舱内受试者所处位置的平均风速设定为0.9 m/s。

　　3.3 受试者及着装

　　实验共招募8名身心健康的男性受试者，年龄范围为(23.0±2.8)岁，身体质量指数范围为(21.5±0.8) kg/m²。要求受试者在实验前至少12 h内不接触酒精、咖啡因或进行剧烈的体力活动，实验期间保持静坐或站立。实验中向受试者提供统一的成套服装，通过使用暖体假人对成套服装进行测试，服装的总热阻为2.21 clo。

　　3.4 实验流程

　　对于-13.8 ℃的环境温度工况，除不采取改善措施的对照组之外，针对观赛区坐席和站席2种观赛场景分别设置局部加热工况。坐席工况中，采用与坐席相结合的电加热坐垫、可穿戴的电加热手套和自发热鞋垫对人体进行局部加热(见图7a)。站席工况中，采用与站席相结合的电加热靠背和电加热扶手、可穿戴的自发热鞋垫对人体进行局部加热(见图7b),实验期间受试者可自行调节加热功率，以满足不同部位的取暖需求。

　　

　　图7 加热工况设置   

　　 

　　每种工况的正式实验时长为1 h, 分别在正式实验开始后的第20、40、60 min收集受试者的主观热评价，包括：整体热感觉OTSV、局部热感觉LTSV、整体热舒适OTCV、局部热舒适LTCV、热可接受率TAR和局部热期望。

　　3.5 不同冷暴露强度下的整体热评价

　　实验期间受试者整体热感觉OTSV、整体热舒适OTCV和热可接受率TAR平均值的变化如图8所示。3种温度工况下，随着冷暴露时间的增加，受试者的OTSV、OTCV和TAR均显著降低；-5 ℃工况下，受试者经历1 h冷暴露后，OTSV和OTCV维持在-1以上(OTSV介于“不冷不热”和“有点冷”之间，OTCV介于“基本舒适”和“有点不舒适”之间);而在-10.6 ℃和-13.8 ℃工况下，OTSV降低至-2以下(介于“冷”和“非常冷”之间),OTCV降低至-1.5以下(介于“有点不舒适”和“不舒适”之间);在-13.8 ℃工况中，经历1 h 冷暴露后，所有受试者均表示当前环境不可接受。

　　3.6 不同冷暴露强度下的局部热评价

　　实验期间受试者局部热感觉LTSV和局部热舒适LTCV的变化见表2。随着冷暴露时间的增加，受试者不同部位的LTSV均呈现不同程度的下降；头部、呼吸道、躯干和手臂的保暖效果较好，LTSV在1 h冷暴露期间均维持在较高水平；较强烈的冷感主要出现在下肢、手部和脚部，其中，手部和脚部的LTSV在冷暴露期间下降最为显著，经历1 h冷暴露后LTSV降低至-2以下(介于“冷”和“非常冷”之间);LTCV的结果与LTSV相符，下肢、手部和脚部的LTCV随冷暴露时间均出现显著下降，最强烈的不舒适感呈现在手部和脚部。综上，在经历长时间的冷暴露时，当前的服装热阻水平能满足头部、躯干、手臂等部位的热舒适需求，但在肢端部位(手部、脚部)和下肢仍存在较强烈的冷感和不舒适感。

　　

　　图8 不同冷暴露强度下受试者的整体热评价(无加热措施)   

　　 

　　表2 不同冷暴露强度下的局部热感觉和局部热舒适 

　　 

　　 

工况		部位
		头部	呼吸道	胸部	手臂	手部	大腿	臀部	小腿	脚部
-5 ℃	20 min	0.1 0.1	0.1 0	0 0.1	0 0.1	0 0.1	0 0.1	-0.1 0	-0.3 -0.1	-0.3 -0.3
	40 min	0 0	0 -0.1	0 0	0 0	-0.4 -0.5	-0.1 -0.3	-0.3 -0.3	-0.5 -0.3	-0.5 -0.4
	60 min	0 0	-0.1 -0.1	-0.1 0	-0.1 -0.1	-0.8 -1.1	-0.6 -0.6	-0.4 -0.4	-0.9 -0.8	-1.0 -0.8
-10.6 ℃	20 min	0 -0.1	-0.1 -0.1	-0.3 0	0 -0.1	-0.5 -0.4	-0.8 -0.8	-0.9 -0.8	-0.9 -0.8	-0.6 -0.6
	40 min	-0.3 0	-0.1 -0.1	-0.5 -0.1	-0.4 -0.4	-1.3 -0.9	-1.1 -1.1	-0.9 -1.0	-1.0 -1.4	-1.4 -1.1
	60 min	-0.4 -0.1	-0.3 0	-0.5 0	-0.4 -0.3	-2.0 -1.1	-1.3 -1.1	-1.0 -1.0	-1.3 -1.4	-1.6 -1.4
-13.8 ℃	20 min	-0.3 -0.2	0 0	0 0	0 -0.1	-0.7 -0.9	-0.4 -0.5	-0.6 -0.4	-0.6 -0.7	-1.0 -1.0
	40 min	-0.3 -0.3	-0.1 0	0 0	-0.4 -0.4	-1.6 -1.5	-0.7 -0.9	-0.8 -0.7	-0.9 -0.9	-1.7 -1.5
	60 min	-0.4 -0.4	-0.1 -0.2	-0.1 -0.2	-0.7 -0.7	-2.4 -2.2	-0.9 -1.0	-1.1 -0.9	-1.3 -1.1	-2.7 -2.4

　　 

　　注：每个工况数据第1行表示LTSV,第2行表示LTCV。

　　 

　　3.7 局部加热的热舒适改善效果

　　图9、10显示了受试者在坐席和站席局部加热工况中经历1 h冷暴露后的局部热评价变化。在坐席工况下，采用加热坐垫、加热手套和加热鞋垫对臀部、手部和脚部进行局部加热。在站席工况下，采用加热扶手、加热靠背和加热鞋垫对手部、背部和脚部进行局部加热。与对照组相比，直接被加热的身体部位的LTSV和LTCV显著提升，基本达到热中性状态。对于未被直接加热的部位，如小腿和大腿等，也可通过部位间的横向热传导和血液循环被间接加热，从而实现LTSV和LTCV的提升。对于坐席和站席工况，局部加热措施的使用能够使受试者在1 h冷暴露期间各部位的局部热评价维持在-1以上，基本消除手部、脚部和下肢的冷感和不舒适感。

　　3.8 各部位热舒适改善期望

　　在表3中，对无加热措施的对照组和坐席、站席加热工况中的局部热舒适改善期望分别进行了对比。当受试者选择“无需改善”时，表示他们对当前所处的热状态感到满意。在对照组中，受试者9个身体部位均有不同程度的调整期望。脚部、手部和下肢有超过50%的投票表现出增加服装热阻或增大加热功率的期望，且更多的受试者倾向于对手部和脚部进行局部加热，而不是增加两部位处的服装热阻。在坐席和站席加热工况中，手部、脚部的热满意率显著增加，其他各部位的热满意率也均有所上升。相较于站席加热工况，使用加热坐垫对下肢部位有更好的热舒适提升效果。整体而言，坐席和站席工况中局部加热措施的组合使用能满足各部位的热舒适改善需求。

　　

　　图9 对照组与坐席局部加热的局部热评价对比   

　　 

　　

　　图10 对照组与站席局部加热的局部热评价对比   

　　 

　　4 讨论

　　在本次实验中，记录了受试者在使用不同局部加热措施时自行调节的加热功率(见表4)。对于手部而言，手套加热和扶手加热2种形式均能满足受试者在所处低温环境中的取暖需求。但扶手加热的需求功率(55 W)显著高于手套加热的需求功率(12 W),这是由于较大的手套热阻所导致。因此，在对手部加热时，优先考虑从手套内部局部加热，以降低热量在低温环境中的对流热损失。Brajkovic等人在-25 ℃环境下开展的实验研究表明，在佩戴北极手套的基础上，14 W的加热功率能将手部皮肤温度维持在34.1 ℃^[14],环境温度和风速的补偿作用使得加热功率与本次实验中手套加热的所需功率基本一致。

　　表3 对照组与坐、站席局部加热受试者热舒适改善期望对比 

　　 

　　%

身体	对照组			坐席局部加热			站席局部加热
部位	增大加热强度	增加衣物保暖	无需改善	增大加热强度	增加衣物保暖	无需改善	增大加热强度	增加衣物保暖	无需改善
头部	0	13	87	0	8	92	0	4	96
胸部	0	8	92	0	0	100	0	0	100
背部	13	13	74	13	0	87	0	0	100
腹部	0	13	87	4	0	96	0	4	96
腰部	13	21	66	0	8	92	0	0	100
上肢	8	38	54	0	8	92	0	8	92
下肢	17	58	25	0	4	96	4	17	79
手部	58	17	25	8	4	88	0	0	100
脚部	63	25	12	8	0	92	8	0	92

　　 

　　 

　　 

　　表4 局部加热措施能耗对比 

　　 

　　 

作用部位	局部加热 形式	环境温度/ ℃	环境风速/ (m/s)	加热功率/ 表面温度
手部	手套加热	-13.8	0.9	12 W
	扶手加热	-13.8	0.9	55 W
	手套加热	-25.0	<0.1	14 W[14]
脚部	鞋垫加热	-13.8	0.9	45 ℃
	鞋垫加热	-32.0	<0.1	12 W[15]
躯干	靠背加热	-13.8	0.9	82 W
	坐垫加热	-13.8	0.9	69 W
	背心加热	-15.0	<0.2	108 W[16]

　　 

　　 

　　 

　　对于脚部而言，表面温度为45 ℃的加热鞋垫能在-13.8 ℃、0.9 m/s的环境中维持脚部的舒适状态。在Haisman的研究中，受试者在-32 ℃的冷库中使用加热功率为12 W/双的加热鞋垫，经历3 h冷暴露后脚趾温度下降到了20 ℃,而未使用加热鞋垫时，受试者在第75 min就因无法忍受寒冷退出了实验^[15]。在本实验的躯干加热工况中，靠背加热和坐垫加热功率分别为82 W和69 W,此时能抵御低温环境造成的整体冷不适感。Brajkovic等人在相似温度的环境中使用电加热背心对受试者进行躯干加热，所需加热功率为108 W,受试者的手指和脚趾均能维持在舒适的温度范围(22～25 ℃)^[16]。

　　5 结论

　　1) 冰雪运动群众认知及参与度问卷调研结果表明，我国民众相对缺乏对冰雪运动的亲身参与及现场观赛体验。曾有过现场观赛经历的人群集中反映环境寒冷、风速过高，是对观赛体验产生不良影响的2个主要因素。

　　2) 雪上项目场馆观赛区热舒适现场调研结果表明，由于缺乏冰雪运动的参与经验，观赛人群的整体衣着偏薄，比赛期间超过80%的观众全身有明确的冷感和不舒适感。就局部而言，手部、小腿及脚部均有超过70%的投票反映存在冷不舒适。

　　3) 低温环境舱受试者实验中，受试者分别在-5 ℃、-10.6 ℃和-13.8 ℃温度工况下经历了1 h冷暴露，整体和局部主观热评价均随冷暴露时间的增加出现显著降低。-5 ℃工况下，受试者在冷暴露期间OTSV和OTCV维持在-1以上。而对于-10.6 ℃和-13.8 ℃工况，OTSV降低至-2以下，OTCV降低至-1.5以下。实验中服装热阻2.21 clo时能满足受试者头部、躯干、手臂等部位的热舒适需求，但在肢端部位(手部、脚部)和下肢仍存在强烈的冷感和不舒适感。其中，手部和脚部的局部热评价在冷暴露期间的下降最为显著，在-13.8 ℃温度工况，LTSV和LTCV均降低至-2以下。

　　4) 针对坐席和站席2种观赛场景设计，采用了不同的热舒适改善方案，能满足手部、脚部和躯干在冷暴露期间的加热需求，消除冷感和不舒适感，各部位LTSV和LTCV均维持在-1以上。在坐席工况下，手套加热的需求功率为12 W,坐垫加热的需求功率为69 W,鞋垫的表面温度应维持在45 ℃;在站席工况下，靠背加热的需求功率为82 W,扶手加热的需求功率为55 W,鞋垫的表面温度应维持在45 ℃,为观赛区热舒适改善方案的参数设计提供了理论依据。

本文引用格式：邓悦，曹彬．寒冷环境下冰雪运动观赛人员热舒适需求分析［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：17-23．