基于现场研究的热适应模型,建立了热中性温度与气候要素的函数关系式,关注的是气候要素对室内热中性温度的影响结果,提出了人的行为、生理、心理调节方式以适应建筑环境,从而使热舒适成为一个动态系统过程。近年来,有学者关注不同建筑环境下的人体生理适应性。在生理指标遴选方面,不仅发现有些生理指标,例如感觉神经传导速度和运动神经传导速度 ^[1]、心率变异性 ^[2]、血氧饱和浓度、指尖血流量等 ^[3]及脑电波中的α,β和δ波 ^[4],与环境参数和热舒适有一定的相关性,而且发现皮肤温度与环境参数和热舒适有较强相关性。例如:在偏热环境下,Wang等人发现前额温度梯度可以预测热感觉指标 ^[5];Charlie和Zhang等人发现稳态均匀热环境下,身体局部皮肤温度对热反应强烈,皮肤温度的变化率更能有效评价热环境 ^[6,7,8];Zhang等人发现手指温度(30 ℃)是判断整体热感觉的重要阈值 ^[9],高于这些值,整体热感觉在0.5以上;Garcia-Souto等人发现热环境下,四肢对房间温度的变化更敏感,额头和鼻子保持较高温度,躯干敏感度小,特别是头和胸部 ^[10];Rina发现中性到暖环境下,TSV反应滞后,温度的升高阶段和下降阶段热感觉的变化快于皮肤温度的变化 ^[11];而Liu等人也有类似结果,发现由暖到中性和中性到暖的瞬态环境下,TSV发生不对称现象,并与温度变化速率显著相关 ^[12];李百战研究了热环境下,出汗感和体表电抗阻的对应关系,提出平均体表电抗阻,并建立它与热不舒适的关系 ^[13]。面对不同地域受试者,Lee等人发现温带地区和热带地区2种人群的皮肤热感觉存在差异,热带人对温暖、凉爽、热、冷的敏感性较低,皮肤热阈值在温暖、凉爽、热、冷状态下比温带人要宽 ^[14,15,16];余娟发现不同室内热经历的人群对热不舒适的耐受有差异,表现在皮温调节速度、胸足温差、出汗量、血液中的热应激蛋白HSP₇₀的差异 ^[2];Wang等人发现不同气候区人群对于偏热环境适应性存在差异,室外温度对人体生理适应性有重要影响 ^[17,18];Zhang等人 ^[8]和Luo等人 ^[19]发现我国南北方人和湿热地区城市和农村居民的生理适应性存在差异。

　　 虽然皮肤温度变化对人体热感觉、热舒适有重要影响,是生理适应的重要生理指标,但人体对建筑环境的生理适应性,有多个生理指标参与适应过程。其过程是:人体皮肤温度感受器感受到环境温度后,通过神经传入下丘脑,经综合分析后,通过神经传出,调节人体产热和散热的生理活动,如寒战、发汗、血管舒张和收缩等,以保持体温相对恒定的调节过程 ^[20]。在这个过程中,皮肤温度不能全面反映人体在热环境下的生理适应过程,因此,除了关注皮肤温度外,本文还将关注其他生理指标,包括心率、心率变异性、呼吸率、血容量,这是本文研究背景之一,也是实验设计时进行生理指标遴选的依据。

　　 中国南方和北方的地理分界线是秦岭—淮河线,以气候类型、气温和降水量为划分依据。由于中国南方和北方显著的气候差异,导致南北方人群有不同的室内外热经历背景。因此,本文关注有不同热经历背景的南北方健康青年男性群体(简称为南北受试者)的生理调节反应和主观感受,这是本文研究背景之二。

　　 依据生理学文献 ^[21],由于南北受试者的热经历背景差异,导致可适应温度区的边界线(A,D)位置不同,出现了冷热适应阈值区,见图1。本文关注从舒适温度区边界线到热适应阈值区(C→D)南北受试者的生理调节反应特性和主观感受,这是本文研究背景之三。

　　 鉴于上述研究背景,本文研究目标为:1) 揭示生理调节反应和主观感受的差异点;2) 揭示热习服表现差异点;3) 解释生理调节反应和主观感受差异的原因。

　　 生理实验的受试者遴选人数多在10～30人之间 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]},结合统计学对样本数量的要求,最终确定受试者为32人。考虑到人体体温调节波动受性别影响 ^[21],受试者性别差异会影响实验数据的组内差异,因此受试者全部为男性。

　　 依据秦岭—淮河地理分界线,分别遴选16名北方组受试者和16名南方组受试者。北方组招募的受试者长期生活在中国北方(18年以上);南方组招募的受试者长期生活在中国南方(18年以上),目前已在西安生活学习2个半月,尚未适应北方气候环境。受试者身体测量数据见表1。

　　 实验对受试者的要求为:身体健康;身体状况和精神状态良好;保持皮肤清洁,避免干扰生理指标数据;测试前,对受试者进行动员,包括阅读实验说明书和主观问卷调查;按照ASHRAE标准 ^[22],要求受试者的服装为内衣裤(0.04 clo)、短袖T恤(0.08 clo)、单裤(0.24 clo)、单鞋(0.04 clo),受试者需衣着宽松,禁止穿紧身服。

　　 参考现场热舒适研究成果和GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》 ^[23],实验流程见图2。室内相对湿度和风速因实验条件所限,分别设计为35%和0.02 m/s,实验历时约2.5 h。

　　 热适应阈值区实验流程如下:受试者进入A房间(4.2 m×3.0 m×3.3 m(长×宽×高)),通过人工控制使房间处于中性环境(温度设定为24 ℃),受试者适应20 min后,更换服装,佩带生理参数检测仪,按下生理参数检测仪按键,开始记录心率、心率变异性、呼吸率指标,直至实验结束;随后,填写主观问卷1次,测试8点皮肤温度,测试指尖脉搏血容量,全程30 min,测试结束后,受试者进入B房间。

　　 B房间(4.2 m×2.6 m×3.3 m(长×宽×高))通过人工控制室内温度(设定为29 ℃),受试者每10 min填写主观问卷1次,每10 min测试8点皮肤温度,测试指尖脉搏血容量1次,全程40 min。

　　 随后,通过人工控制调节B房间室内温度(设定为31 ℃),受试者每10 min填写主观问卷1次,每10 min测试8点皮肤温度,测试指尖脉搏血容量1次,全程40 min,实验结束。

　　 室内热环境参数的测试参照ISO 7726:1998标准 ^[24]进行。测试前,对测试仪器进行了调试和校核,测试仪器距离测试者50 cm以内。环境参数测试仪器是温湿度计(RT-72ui,自记式,精度±0.3 ℃,±5%)、微风仪(SWA03,手持式,精度±0.03 m/s)、黑球温度仪(HQZY-1,自记式,精度±0.3 ℃)。

　　 问卷内容包括受试者对室内环境参数的主观评价和主观感觉评价2个方面。热感觉投票(TSV)采用7级标尺(-3冷、-2凉、-1稍凉、0中性、1稍暖、2暖、3热),热舒适投票(TCV)、气流感投票和潮湿感投票也采用7级标尺,可接受程度投票采用4级断裂标尺,期望温度的3个选项分别为希望环境暖一些、保持不变和凉一些。

　　 依据生理学文献 ^[21],选取皮肤温度指标观察皮肤温度变化;选取心率、心率变异性(采用频域分析法)观察交感神经和迷走神经的变化;选取呼吸率观察新陈代谢;选取指尖脉搏血容量观察皮肤血管的舒张状态;皮肤温度测点部位为8个,平均皮肤温度计算公式如下 ^[25]:

　　 $\begin{array}{l}t=0.07t{}_1+0.175t{}_2+0.175t{}_3+0.07t{}_4+\\ 0.07t{}_5+0.05t{}_6+0.19t{}_7+0.2t{}_8(1)\end{array}$

　　 式中 t,t₁,t₂,t₃,t₄,t₅,t₆,t₇,t₈分别为平均皮肤温度和前额、左肩胛、左上胸、左上臂、左前臂、左手、左前大腿、左后小腿的温度,℃。

　　 皮肤温度通过热电偶测量(Pt1000,精度±0.1 ℃,测量范围-100～100 ℃);心率变异性、心率通过生理参数检测仪测量,生理参数检测仪佩带前需用医用酒精对皮肤进行擦拭,保证信号检测的稳定性;指尖脉搏血容量通过生理参数反馈仪测量。

　　 采用SPSS22.0版数理统计软件对实验数据进行统计学分析。相同环境下南北受试者差异性分析采用独立样本t检验,目的是发现南北受试者的生理调节反应和主观感受是否存在显著性差异;从中性环境到热适应阈值区的差异性分析采用配对样本t检验,分析南方组和北方组在不同实验时间段的差异性,是否存在显著性差异,目的是发现南北受试者的生理调节反应和主观感受随环境温度变化的不同。先分析数据是否符合正态分布,检验结果若符合正态分布,采用上述方法,不符合正态分布,采用非参数秩和检验。上述统计分析方法均以P<0.05为差异,有统计学意义。

　　 室内环境参数的测试结果见表2。表2对环境参数进行了描述性统计分析,包括测试数据的平均值和标准偏差。

　　 南北受试者的潮湿感评价均接近于适中;气流感评价由适中快速进入介于稍闷与闷的评价;热感觉评价差异不大,但实验后半段,南方受试者的热感觉评价好于北方受试者;热舒适评价、可接受程度评价和期望温度评价差异不大,见图3。非参数秩和检验发现南北受试者的秩均值有一定差异,但都无显著差异。

　　 生理反应实验结果如图4所示。由图4可以看出:南北受试者平均皮肤温度均快速升高并接近,但南方受试者平均皮肤温度(34.90 ℃)稍高于北方受试者(34.74 ℃),在31 ℃有显著差异(P<0.05);南方受试者的呼吸率稍高,有显著差异(P<0.05),心率值稍低,无显著差异;心率变异性频域分析发现,南方受试者迷走神经活跃,心率变异性的低频与高频比率秩均值低于北方受试者,29 ℃有显著差异(P<0.05);南北受试者的血容量值升高,均表现为血管舒张状态,29 ℃有显著差异(P<0.05)。

　　 表3给出了南北受试者主观感受指标和生理反应指标配对差异性分析。由表3可以看出:北方受试者的气流感、热感觉、热舒适和可接受程度评价的成对差分均值出现显著差异多于或早于南方受试者;北方受试者在0～70 min,85～95 min时间段,平均皮肤温度成对差分均值差异显著;南方受试者在0～40 min,70～85 min,105～115 min时间段,平均皮肤温度成对差分均值差异显著;南北受试者呼吸率、心率、血容量的成对差分均值均有显著性差异(P<0.05);南北受试者心率变异性的低频与高频比率成对差分均值分别在70～95 min和30～40 min时间段有显著差异。

　　 实验发现,南北受试者的主观感受趋于接近,但TSV、可接受程度和不舒适原因的主观感受,南方受试者的评价还是稍好于北方受试者,这不仅与实验设计的干热环境有关,还与热感觉的传导速度有关。Xiong等人认为,即使环境温度变化幅度相同,人体主观反应变化也是不对称的,温度瞬变升高后TSV,TCV和可接受程度、忍耐力显著小于温度渐变下降阶段 ^[26],这是因为热感受器传入纤维无髓鞘C纤维的传导速度慢于冷感受器传入纤维有髓鞘A_δ纤维 ^[21]。实验还发现,北方受试者主观感受成对差分均值出现显著差异多于或早于南方受试者,表明北方受试者对热环境的主观感受更强烈,对热环境的忍耐力较弱。

　　 实验发现南方受试者的平均皮肤温度和身体大部分各点皮肤温度均稍高于北方受试者,但多无显著差异。原因是热适应阈值区,因交感神经紧张性降低,皮肤血管舒张,动静脉吻合支开张,皮肤血流量增大使皮肤温度升高,皮肤的散热量增大,这使南北受试者的皮肤温度保持在较高且较接近范围内。南方受试者的皮肤温度稍高于北方受试者,表明人体皮肤温度可能与地域气候和人的热经历背景有关 ^{[14,15,16,17,18,19]}。此外,南北受试者四肢对环境温度变化更敏感,这与文献[10]的结论吻合。

　　 实验还发现,南北受试者生理反应的成对差分均值的显著差异性接近,说明两组受试者生理调节反应接近,但南方受试者的心率变异性的低频与高频比率小,高频归一化值高于北方受试者,表明迷走神经比较活跃,神经调节促进指尖脉搏血容量增大和血管舒张,使南方受试者的指尖血管舒张稍好于北方受试者。

　　 表4显示了平均皮肤温度与主观感受的相关性分析。相关性为弱相关或不相关,原因是热感觉的产生源于皮肤外周围温度感受器的兴奋,感受器兴奋程度与皮肤温度变化有关。在热适应阈值区,皮肤敏感性不及冷适应阈值区,导致相关性较弱,因此,可能单一的平均皮肤温度不能很好预测热感觉和热舒适,皮肤温度的变化率或人体局部的皮肤温度或几个部位皮肤温度的耦合能更好地预测热感觉和热舒适。

　　 人体在热环境里会产生应激反应,热习服在受到应激刺激后形成3个阶段:1) 应激反应阶段,机体对热环境非特异性反射反应;2) 代偿适应阶段,人体长时间在热环境下建立了新的热代偿适应机制,表现为心血管系统稳定性提高,汗腺分泌机制加强,皮肤蒸发冷却率增大,皮肤温度降低,心率增加幅度降低;3) 巩固阶段,热习服机制形成使热适应阈值显著增大。有热习服者,对热有较好的耐受力和较低的出汗阈值。

　　 实验发现,虽然南北受试者自主性生理调节接近,但南方受试者迷走神经比较活跃,指尖血管比较舒张,皮肤温度稍高。而且,南方受试者在主观感受方面,27 ℃环境的出汗比例稍高于北方受试者,但在29 ℃和31 ℃环境下,南方受试者的出汗比例变化不大;北方受试者虽然27 ℃环境下的出汗比例稍低于南方受试者,但在29 ℃和31 ℃环境下,出汗比例大幅升高,甚至出现汗流不止的情况,说明南方受试者有较好的热习服。

　　 通过实验研究及分析,建立了生理反应和主观感受影响南北受试者的热舒适评价过程,见图5。由图5可以看出,南北受试者的生理反应和主观感受存在差异的原因如下:1) 南北受试者因为生理反应接近导致皮肤温度接近;2) 南北受试者因为皮肤温度接近导致热感受器放电频率接近,因此主观感受接近;3) 南方受试者因为室内外热经历背景,形成较宽的环境忍耐力和较好的热习服能力,导致主观出汗评价和对环境接受程度评价好于北方受试者。

　　 后续的研究中还需补充不同性别、不同年龄等群体的样本量。我国南北方地区空气湿度有较大差异,后续还需研究空气湿度对受试者的影响。本次实验对南北受试者的出汗状况采用主观问卷调查获得,在后续研究中还需通过测试人体出汗量,量化分析测试者的出汗状况。

　　 1) 南北受试者的主观感受趋于接近,但在热感觉、可接受程度和不舒适原因的主观感受方面,南方受试者稍好于北方受试者,表明南方受试者有较好的热环境忍耐力。

　　 2) 南方受试者的平均皮肤温度、呼吸率、血容量稍高于北方受试者,但心率、心率变异性的低频与高频比率稍低。

　　 3) 热习服表现:生理反应方面,南北受试者生理调节反应接近,但南方受试者迷走神经比较活跃,指尖血管舒张好于北方受试者;主观感受方面,南方受试者的出汗比例变化不大,表明有较好的热习服。

　　 4) 主观感受与平均皮肤温度有弱相关性,与相关文献比较,可能单一的平均皮肤温度不能很好预测热感觉和热舒适。

　　 5) 生理反应和主观感受差异的原因如下:南北受试者因为生理反应接近导致皮肤温度接近;皮肤温度接近导致热感受器放电频率接近,因此主观感受接近;但南方受试者因为室内外热经历背景,形成较好的环境忍耐力和热习服能力,导致主观出汗评价和对环境接受程度评价好于北方受试者。