寒冷环境下人体热舒适提升策略对比

范宇宸 ^1,2   曹彬 ^1,2

（1.清华大学；2.生态规划与绿色建筑教育部重点实验室）

在一些行业中，工作人员需要在寒冷环境下长时间作业。长时间的冷暴露可能对人体造成伤害，轻至裸露部位冻伤，严重的会引起神经麻痹等问题。在针对寒冷环境从业人员的已有研究中，Jussila等人对北极露天矿场工人穿戴的防寒服热阻进行了调研；Anttonen等人分析了矿工在低温作业下容易引发的安全健康问题，并对冻伤程度做了分级评估；邓悦等人通过在冰雪运动竞赛场馆开展调研发现，观众因衣着量不足而导致了明显的不舒适感；Enander对受试者进行了简单的反应测试，发现冷暴露会降低精神注意力；Ellis的研究发现冷暴露会弱化人员的信息处理能力。这些研究更多关注人体在低温环境下的神经反应能力，以及对于冻伤的评估和服装的选择，而较少围绕人体的整体和局部热感觉与热舒适进行分析。

目前，在寒冷环境下主要有2种提升人员热舒适的方法：一是短时间、间歇性地进出暖房，其本质是对人员所处空间的温度进行阶跃性提升；二是穿加热服（如图1所示），其本质是对人员身体进行局部接触式加热。前者一般作为大型比赛场馆或一些特殊工作场所的配套设施使用，如露天的冬季运动场馆等；后者一般为有需要的作业人员提供保障，如冷库工人等。

暖房的工作原理是让人员经历从低温环境到正常室温环境的阶跃变化，以快速提升人员的热评价。目前已有一些研究着重于分析人体热评价和环境温度阶跃变化之间的关系，工况设计大多是以中性温度为中心的小幅度变化，风速多考虑在0.1 m/s或以下。Zhang等人通过对受试者热感觉投票的分析发现，温度阶跃变化过程中会产生热感过冲和冷感过冲的现象，这一点在Du等人的研究中得到了证实。在体温调节方面，热调节反应对加热比对冷却更敏感，从非中性向中性阶跃比从中性向非中性阶跃更敏感，受试者在短时间内热舒适提升幅度更大。张军通过实验发现，从中性热环境瞬变到非中性环境中，人体的生理和心理反应均存在不同程度的滞后，二者相比，心理反应更加迅速；Wu等人对这种瞬态的变化进行了回归分析，发现变化前后2个环境中的热舒适差异和温差呈现良好的线性关系；Ji等人通过对皮肤温度的监测，发现短时间内皮肤温度变化幅度在环境温度降低时比温度升高时大，同时实验中还发现，温度的变化会对人体产生冷或热的刺激，从而增加愉悦感，引起短暂的舒适，这一结论在杜晨秋等人的研究中也得到了佐证。

穿加热服主要是通过对人体局部的持续性加热，使得人员在寒冷环境下热感觉和热舒适的下降速度减缓。目前已有一些研究分析了加热不同部位对整体热舒适的影响，大多是在小幅度低于中性温度的环境下开展的。王昭俊等人研究发现，在室温下满足脚踝部位感觉为热中性时，全身能够达到热舒适状态；于国清等人探究了加热地板和座椅的组合对人体整体热感觉的提升效果；Wang等人研究了穿戴加热设备对工厂工人舒适度提升的效果，发现对躯干部位加热能够显著改善人员的热舒适度；Zhang等人发现，在偏冷环境下利用暖脚器对脚部进行加热，能够显著提升人员的热舒适度；在Zhang的另一项研究中，通过分析偏冷环境下受试者整体和局部的热舒适投票，发现整体热感觉和最冷的局部热感觉接近，通过回归分析，进一步发现整体热感觉可以用最冷及第三冷的局部热感觉线性表示。与传统加热方式相比，局部加热能够有效降低建筑能耗。宋磊等人通过建筑环境模拟分析，发现使用局部加热装置能够降低25%~40%的供暖能耗；于国清等人发现使用加热地板和保温座椅相比分体式空调能够节能63.1%。

综上，以往关于瞬变环境及非均匀热暴露下的热舒适研究，大多在中性温度附近开展，而对于寒冷环境（0 ℃以下）的人员热舒适鲜有研究。本研究以寒冷环境下提升人体热舒适的策略为研究目标，通过实验收集人员主观热评价及皮肤温度等生理参数，采用相关性分析等统计方法，比较了2种不同的热舒适提升策略，可为解决寒冷环境下人员热舒适需求的设备开发和实际工程问题提供数据支撑。

本研究开展受试者实验，通过对比寒冷环境下人员热感觉（thermal sensation vote，TSV）、热舒适（thermal comfort vote，TCV）等主观投票及皮肤温度等生理参数的差异，对2种热舒适改善措施（间歇性环境温度提升、持续性局部接触式加热）的效果进行对比分析。前者类似于在实际生活中从户外寒冷环境进入暖房作间歇性停留的过程，后者通过穿戴一件对上身躯干部位进行加热的加热服来实现。为了表述直观，在后文中对上述2个实验组分别记为“暖房实验组”和“加热服实验组”。具体的技术路线如图2所示。

1.1 实验环境及受试者

实验在天津商业大学的低温实验舱内进行，实验舱的尺寸（长×宽×高）为3.6 m×2.7 m×2.3 m。实验舱内的风机可通过旋钮改变其功率，实现无级调节。分别在实验舱内0.5、0.8、1.2 m高度处布置温湿度自记仪测量实时温度；在距风机2 m处（受试者实验所处位置）放置万向风速仪测量风速，调节旋钮使得风速仪读数在（1.5±0.3） m/s范围内。

本次实验共招募9名身心健康的男性受试者，均为在校学生，平均年龄为（24±2）岁，身体质量指数（BMI）在18.5~23.9 kg/m ² 之间。在实验过程中，受试者统一穿戴实验要求的服装（包括羊绒帽、棉手套、羽绒服、加绒上衣、棉外裤、保暖长袖内衣裤、棉袜、厚鞋子），以保证受试者的服装热阻相同。实验中受试者穿着的加热服样式如图3所示，4片加热片（图中虚线标记，位于衣服内侧）利用移动电源供能，可对受试者的腹部和背部进行加热。进行空白对 照组及暖房实验组实验过程中，受试者同样穿着加热服，但不开启加热功能，以保证3组实验中服装热阻相同。在实验开始前，受试者需要在身体的7个部位（额头、小臂、手部、腹部、大腿、小腿、脚部）贴纽扣式温度记录仪（ibutton），用来测量实验过程中各个部位的皮肤温度，其精度为±0.1 ℃，设置时间步长为30 s。

1.2 实验设计

在实验过程中，受试者需要按照要求多次填写热评价问卷。问卷分为2种：问卷A包括全身的热感觉和热舒适投票，以及对下一时刻的热偏好和较上一时刻的热感觉变化；问卷B在问卷A的基础上，添加了局部热感觉和热舒适的投票。

每位受试者均需要参加3组实验，分别为空白对照组、暖房实验组和加热服实验组，每组实验都包括-10 ℃和-20 ℃ 2个温度工况。对于空白对照组，在-10 ℃工况下，受试者需要在低温舱内停留110 min，每间隔5 min填写一次实验问卷，问卷A和问卷B交替填写；在-20 ℃工况下，受试者需要在低温舱内停留至少60 min，填写问卷的要求与-10 ℃工况相同。对于加热服实验组，在-10 ℃和-20 ℃ 2种工况下，受试者需要在低温舱内停留110 min，填写问卷要求与空白对照组相同。对于暖房实验组，在-10 ℃和-20 ℃ 2种工况下，受试者需要交替在低温和室温环境下停留3次和2次，每次在低温环境下停留30 min（在-20 ℃工况下，最后一次在低温环境下停留10 min）、在室温环境下停留10 min，-10 ℃工况下共计110 min，-20 ℃工况下共计90 min。在低温环境下，每隔5 min填写一次问卷，问卷A和问卷B交替填写；在室温环境下，每隔2 min填写一次问卷B。3组实验的过程如图4所示。

问卷中的热感觉投票为7级标尺（3—“非常热”，2—“热”，1—“有点热”，0—“不冷不热”，-1—“有点冷”，-2—“冷”，-3—“非常冷”）。热舒适投票同样采用7级标尺（3—“非常舒适”，2—“舒适”，1—“有点舒适”，0—“一般”，-1—“有点不舒适”，-2—“不舒适”，-3—“非常不舒适”）。

1.3 回归分析

在回归分析中，变量之间存在的共线性会影响回归分析的结果。Lasso回归模型通过构建罚函数识别出变量中不重要的元素，从而简化得到解释力较强的模型。在本研究中，为揭示局部热感觉和热舒适对整体热感觉和热舒适的影响，采用Lasso回归模型进行分析，以消除各局部热评价的共线性影响，从而发现对整体热评价影响最显著的身体部位。

2.1 整体热评价分析

对于-10 ℃工况的实验结果（见图5a、b），3个实验组的TSV与TCV随时间的变化趋势基本相同。TSV、TCV数值在加热服实验组和空白对照组之间没有明显差异，这反映了受试者在-10 ℃环境中并没有明显感受到持续性局部接触加热带来的热感觉的提升；而对于暖房实验组，在每一次环境温度跃升后，TSV和TCV会明显上升，在回到低温环境后30 min内基本回落到另外2组的水平。进一步地，通过对比2次回到室温环境后的投票可以发现，后一次进入暖房的TSV和TCV峰值低于前一次，这种差异具有统计学意义（显著性水平 P ＜0.05）。可见，间歇性环境温度提升可以很大程度上提高人的热感觉，但提升幅度会逐渐衰减。

对于-20 ℃的实验工况结果（见图5c、d），加热服实验组的TSV和TCV均高于空白对照组，这说明持续性局部接触加热在-20 ℃工况下对受试者的热感觉和热舒适度有一定的提升作用。间歇性环境温度提升对受试者热评价的提升效果与-10 ℃工况相似。

由于在-10 ℃工况下，加热服实验组与空白对照组的整体TSV和TCV并没有明显区别，这表明在该温度下持续性局部接触加热并没能提升受试者的热舒适和热感觉。后续将结合对局部皮肤温度和热投票的分析，尝试对该问题做进一步解释。

2.2 局部热评价分析

实验过程中收集了受试者10个部位（头部、胸部、腹部、背部、大臂、小臂、手、大腿、小腿、脚）的热感觉和热舒适度进行分析，主要探讨身体各个部位的热评价的变化。

2.2.1 -10 ℃工况下局部热评价

根据3个组别对10个部位热评价变化的影响，将10个部位分为3组：上身躯干部位（包括头部、胸部、腹部、背部），四肢部位（包括大臂、小臂、大腿、小腿）及末端部位（包括手、脚）。同属一组的身体部位热评价变化趋势相近，因此不再单独分析。

图6显示了-10 ℃工况下3组实验中受试者腹部的TSV和TCV随时间变化的情况。可以明显看出加热服实验组的TSV相比空白对照组高，但TCV的结果却基本相近。这说明持续性局部接触加热对于上身躯干部位有比较明显的加热效果，但并没有提高该部位的舒适性。和腹部相同，其他的上身躯干部位，包括胸部和背部，也呈现出相同的趋势。暖房实验组的变化趋势和整体热评价变化趋势相同，在受试者进入室温环境后，腹部的热评价和热舒适度迅速攀升，回到寒冷环境后迅速下降，尽管热感觉在30 min时段内和空白对照组一致，但由于之前短时间的热体验，拉低了热舒适的评价。

与上肢躯干部位不同的是，加热服对于四肢的热舒适有着相反作用，受试者小腿的TSV和TCV如图7所示。可以发现：与空白对照组相比，加热服实验组在热感觉提升上并没有作用，反而拉低了热舒适度；暖房实验组则呈现出了对四肢热评价提升明显的效果，在30 min的冷暴露情况下，TSV和TCV相比空白对照组略高或持平。这样的结果在大腿、小臂和大臂部位也有所体现。

对于末端部位（即手部和脚部），加热服实验组与空白对照组的TSV和TCV均没有明显差异，而短时间的热体验能够极大提升末端部位的热评价，这也使得暖房实验组在实验的绝大部分时间内，热感觉和热舒适水平均高于另外2组。手部的TSV和TCV如图8所示。

根据上述分析，在-10 ℃工况下，持续性局部接触加热对上身躯干部位的热感觉提升有一定效果，对四肢及末端部位没有明显作用，且对四肢的热舒适维持有一定的反作用。分析其原因，可能是因为其提升了上身部位的热感觉，从而加大了四肢冷热不均的体验，因此在不能提升整体热舒适的情况下，四肢还出现了相比空白对照组更严重的冷不适感。相比之下，间歇性环境温度提升对于各个局部的热评价都有明显的提升效果，且在重新回到寒冷环境后，尽管热感觉和热舒适度下降速度变快，但在30 min的冷暴露后仍能够达到持平或略高于空白对照组的水平。

2.2.2 -20 ℃工况下局部热评价

图9显示了-20 ℃工况下受试者背部的TSV和TCV随时间的变化。与-10 ℃工况不同的是，持续性局部接触加热在提高受试者背部热感觉的同时，对热舒适度也有一定的提升；对于暖房实验组，短时间的热体验迅速提高了受试者背部的热评价，并且在回到低温环境30 min后，热评价仍然高于空白对照组，低于加热服实验组。胸部和腹部同样呈现出了相同的实验规律。

加热服实验组在-20 ℃工况下，对于四肢和末端部位的作用相比-10 ℃工况有所提升。对于末端部位，图10显示了脚部的TSV和TCV变化，可以发现持续性局部接触加热对于热感觉和热舒适的提升有一定作用，但间歇性环境温度提升的效果更加显著；对于四肢部位，持续性局部接触加热有一定的热感觉提升效果，但热舒适度的提升并不显著，图11和图12分别显示了小臂和小腿的TSV和TCV变化，可以发现暖房实验组在绝大多数时间内，两指标的水平均高于另外2组，说明其对四肢的加热效果更加明显。

根据以上结果可以发现，在-20 ℃工况下，持续性局部接触加热显示出了一定的加热作用，特别是对末端部位的热舒适提升，相比空白对照组有一定的效果；而对于间歇性环境温度提升，短时间的环境温度提升能够显著提高身体各部位的热感觉和热舒适度，并且能够在30 min的冷暴露后持平或略低于持续性局部接触加热的水平。

2.3 皮肤温度变化

2.3.1 -10 ℃工况下的皮肤温度变化

空白对照组（如图13a所示）的皮肤温度在110 min的实验内，各个部位均处于下降状态，其中以手部和脚部的下降速率最快，大腿和小腿的皮肤温度虽在40 min后有趋于平稳的态势，但在90 min之后又开始以较快的速度下降。加热服实验组（如图13b所示）中，额头和腹部的皮肤温度在110 min内呈现“先下降后趋于平稳”的趋势，但手部和脚部温度下降明显，直至结束实验时，这2个部位的皮肤温度均低于同工况下的空白对照组，这说明持续性局部接触加热并没有能够起到提升或缓解身体末梢部位温度的作用。这也和上一小节中所发现的热舒适评价低于空白对照组一致。

对比空白对照组和加热服实验组，发现大腿和小腿的皮肤温度变化在110 min内没有明显的差异，但由于空白对照组的初始温度较加热服实验组高约1 ℃，而110 min后2组之间的结束温度没有差异，因此持续性局部接触加热对于缓解大腿和小腿的温度下降有一定的帮助。同时进一步观察加热服实验组，可以发现40 min之后，大腿和小腿的皮肤温度趋近于平稳且不再下降，而空白对照组的皮肤温度一直处于下降状态，直至实验结束。

2.3.2 -20 ℃工况下的皮肤温度变化

在-20 ℃工况下，收集到的皮肤温度变化如图14所示。各个组别的变化趋势与-10 ℃工况下趋势基本相同，但下降速度更快。在3个组别中，手部和脚部的皮肤温度下降最快，额头的皮肤温度下降速度较慢。同时，在受试者所处环境温度提升后，各部位的皮肤温度提升较明显，但后一次提升幅度变小。

2.4 局部对整体热评价的影响

在对整体热感觉作分析和评价时，发现持续性局部接触加热并不会对受试者在寒冷环境下的热感觉有所提升；但是在对局部热感觉进行分析时，发现其对上肢有较为明显的热感觉提升作用，而对下肢的提升作用不明显，因此对局部热感觉与整体热感觉之间的关系进行分析，以验证下肢的局部热感觉对于整体热感觉的影响程度是否比较大。选择-10 ℃工况下3组实验的所有整体热感觉和局部热感觉的数据。考虑到各个局部之间的共线性，因此利用Lasso回归分析消除这部分影响，结果如表1所示。

从表1可以看出 ， 脚部和手部对于整体热感觉的影响显著，而头部、大臂、小臂、胸部、腹部、背部、大腿和小腿则对整体热感觉影响不大。根据前面对局部热感觉的横向对比分析，可以发现持续性局部接触加热对于下肢及手部的提升效果并不显著，因而会出现整体热感觉提升效果不显著的情况。

进一步对手部和脚部对整体热感觉的影响作Lasso回归分析，结果如表2所示。

同样地，对手部和脚部对整体热舒适的影响进行Lasso回归分析，结果如表3所示。

由表3可以看出，该回归的 R ² 只有0.504，相比热感觉，整体热舒适的影响因素更加复杂。通过回归分析发现，除手部、脚部之外的其他部位的热舒适度对整体热舒适度的影响并不显著，但较低的 R ² 说明手部和脚部的热舒适并不是影响整体热舒适的全部因素，因此其他部位对整体的影响是不可忽略的，需要进一步考量。

而在-20 ℃的工况下，加热服实验组的整体热感觉与热舒适度要高于空白对照组，这和-10 ℃工况发现的规律是不同的。因此同样做上述分析，结果如表4所示。

结合上述回归分析结果，可以解释在2个工况下持续性局部接触加热所呈现的不同的作用。由于整体热感觉与手部和脚部有非常显著的正相关性，因此在-20 ℃的实验工况下，持续性局部接触加热提高了手部和脚部的热感觉，进而对整体热感觉有一定的提升。而在-10 ℃工况下，持续性局部接触加热提升了上身躯干部位的热感觉的同时，加大了冷热不均的感觉，如图5和图6所示，上身躯干部位在实验期间的TSV在0以上，而末端和四肢部位则在实验开始20 min后降到了0以下，末端部位和上身躯干部位的冷热感觉不均降低了受试者的热舒适，因此在该温度工况下，持续性局部接触加热并没有显著提升受试者的热舒适；在-20 ℃工况下，上身躯干部位的TSV在30 min后降低至0以下，冷热不均的感觉减弱，因此持续性局部接触加热在该工况下能够提升受试者的热舒适。

本研究旨在探究低温环境下提升人体热舒适的方法，通过设立空白对照组、暖房实验组和加热服实验组，在不同温度工况下，结合客观生理参数与主观问卷评价进行对比分析，最终得到结论如下：

1） 探究了人体在寒冷环境下的热评价与体温规律。

① 在-20 ℃的工况下，随着在寒冷环境停留的时间变长，人体局部部位的皮肤温度均明显下降。其中，手部和脚部皮肤温度的下降速度最快，额头和腹部下降速度较慢。间歇性环境温度提升可以迅速提高人体的皮肤温度，但第二次的提高幅度明显低于第一次。持续性局部接触加热在-20 ℃的工况下可以明显地减缓各部位皮肤温度的降低，在一段时间后可以维持大腿和小腿部位皮肤温度稳定。

② 在2种温度工况下，间歇性环境温度提升都可以改善整体热评价，并且在人员回到寒冷环境后30 min内，仍可以维持略高于空白对照组而略低于加热服实验组的水平。持续性局部接触加热在-10 ℃工况下对整体热评价的提升效果并不明显，这可能和身体各部位冷热不均有关；而在-20 ℃工况下对整体热评价有一定的提升效果。

③ 对于局部热评价，间歇性环境温度提升能够很好地改善手、脚部位的热感觉与热舒适，在-20 ℃的工况下会更快回落。持续性局部接触加热对于身体躯干部位的热评价有明显的改善作用，这种作用在-20 ℃的工况下更加明显。

2） 分析了不同工况下人体局部与整体热评价之间的影响关系。

① 在-10 ℃的工况下，手部、脚部、大腿和背部的热感觉对整体热感觉的影响较大；而在-20 ℃的工况下，只有手部和脚部对整体热感觉有显著影响。

② 在-10 ℃工况下，手部、脚部及小臂的热舒适对整体热舒适的影响较大；在-20 ℃工况下，手部、脚部和背部对整体热舒适有显著影响，背部的影响也证明了持续性局部接触加热在更低温度的环境下有显著作用。

3） 对比了不同加热措施在不同温度工况下的作用。

在-10 ℃的工况下，持续性局部接触加热对热舒适的改善作用不显著，而间歇性环境温度提升可以明显地提高热舒适性；在-20 ℃的工况下，持续性局部接触加热有明显的作用，间歇性环境温度提升的作用相比持续性局部接触加热更为显著。

本研究提出的2种人体热舒适提升策略，对于人体热舒适的调节机理存在本质区别，未来可针对2种策略的评价方法和适用场景进行更为深入的比较研究。关于持续性局部接触加热，可以围绕加热部位分布、加热部位温度、加热与不加热部位的温差等因素对热舒适提升效果的影响作进一步分析。关于间歇性环境温度提升，本文仅针对-10 ℃和-20 ℃ 2种低温工况开展研究，后续可设置更多温度工况，缩小各工况之间的温差，以进一步分析不同温度条件下间歇性环境温度提升的作用。