对非静态情况中人体皮肤温度与热感觉的研究

       摘要：分析在不同运动水平下人体生理参数（皮肤温度、皮肤导热热流量）以及对应主观热感受（人体热感觉、满意度）的变化情况。
　　
　　分别在静坐、散步、慢跑和快跑等不同运动状态下测试相同比例的男性与女性青年前臂的部分生理参数，并对其人体主观感受进行问卷调查。
　　
　　结果表明，皮肤温度和皮肤导热热流量变化趋势与国外研究理论一致。
　　
　　但在活动量较小时，皮肤温度与人体热感觉会出现一定的偏离，在活动量较大时才会表现出相关性。
　　
　　此外，不同性别的人体生理参数与主观感受变化速率存在差异。
　　
　　关键词：不同运动水平；皮肤温度；皮肤导热热流量；人体热感觉。
　　
　　0引言

       人体在运动与安静状态下有着很大的差别，这是因为运动人体具备以下特点：（1）新陈代谢率大；（2）衣着热阻小；（3）排汗量大；（4）辐射环境复杂[1].在不同的运动水平下，人体会通过血管的收缩和舒张、排汗以及寒颤使人体达到平衡状态。因此，不同的运动水平下，人体的生理机能以及舒适度都会发生较大的变化。Merla[2]等人通过使用红外热像仪，测试田径运动员在逐渐增加运动负荷后，运动员在运动和恢复期内皮肤温度的变化情况，结果表明，在运动开始时，人体皮肤温度会下降；运动结束后，皮肤温度会下降3~5℃，随后皮肤温度又会出现回升。魏洋[3]提出了衣物增重法的出汗率测定方法，并用此方法研究了活动强度对人体出汗率的影响。杨海兰[4]研究了运动过程中人体皮肤温度的变化情况。周伯罡[5]对热舒适条件下的人体代谢率的允许变化范围进行了研究，发现在不同的天气状况下，运动强度对人体的舒适性会存在较大的影响。李百战等[6]研究了不同情况下出汗与热舒适的关系。但是目前的研究多集中在对人体生理参数的研究，而对于不同运动水平下的人体主观感受较少，且在生理参数方面的研究也多以测试皮肤温度为主，很少涉及皮肤导热热流量的测试。本文通过实验测试、问卷调查的方式，测定并分析不同运动水平下的皮肤温度、皮肤导热热流量以及人体的主观感受，对非静态情况下人体热舒适研究具有指导意义。
　　
　　1实验
   
       1.1实验条件测试时间为2015年秋季，选取西安工程大学某办公室作为测试室，该测试室位于一南北朝向的五层建筑的三楼，房间面积6.9m×3.9m,北面墙外窗面积2.4m×2.1m,南面墙内门面积为2.0m×1.0m.受试者均为健康在校大学生；在西安生活学习超过2年，已适应该地气候；无不良嗜好、生活习惯；实验前受试者保证充足的睡眠；为避免服装热阻影响，测试时统一着装。测试总人数为175人次，其中在静坐、散步、慢跑、快跑的男性受试者均为25人次，女性受试者由于受体力限制，仅做了静坐、散步和慢跑运动，每种运动水平受试者为25人次。受试者的基本信息见表1.
　　

　　在非空调环境下分别测试了人们在不同运动水平下的生理参数和人体主观感受以及对应的室内环境参数温度、湿度以及风速。在不同的运动水平下，人体通过血管的舒张、收缩以及排汗和寒颤等进行身体机能的调节，人体的生理指标也会因此发生改变。文献[7]认为皮肤温度与周围环境温度、热感觉以及热舒适投票有较高的相关性，且在人体热舒适生理参数研究方面，皮肤温度的应用最为广泛。而皮肤导热系数则能用来判断皮肤血管的舒张和收缩的生理调节机能。因此，本实验选用的生理参数为皮肤温度和皮肤导热热流量。由于人体上肢前臂脂肪层最薄，此处皮肤温度以及热流量的反应最为灵敏[8],因此选用人体上肢前臂作为测试点。
　　
　　生理参数的测试采用日本KEM多通道热流仪HFM-215M,可以同时测得人体皮肤温度和皮肤导热热流量，其中温度测量显示范围为-40~150℃；热流量的测试显示范围为0~±99 999 W/m2.环境参数的测试选用自记式温湿度仪testo175H1,可以同时测量温湿度值，其中空气温度测量范围为-20~+55℃，精度为±0.4℃；相对湿度测量范围为0%~100%,精度为±2%RH.风速测试选用热线风速仪（swema3000+SWA03），风速测量范围为0.05~3.0m/s,精度为±3%读数值，最小误差为±0.03m/s.
　　
　　1.2问卷调查

       本研究在实验过程中需结合问卷调查进行，主要是进行热感觉和满意度的投票，以便于分析人体在不同运动状态下的热舒适性，为更准确地描述人体的热感觉，描述精度可精确到0.1,热感觉投票标准见文献[9],满意度标度为0,1,2,3,4,满意度为：非常满意，满意，较为满意，不太满意，不满意。
　　
　　1.3实验方法

       本文采用实验参数测试与问卷相结合的形式进行。实验测试时间为早上8∶30~11∶30,下午测试时间为1∶30~5∶30.人体整体的热感觉在过渡季节稳定的时间约为40min[10],受试者在每种运动状态下停留50min,待各项生理参数以及人体的主观感受稳定后开始进行测试，测试时每隔3s记录1次生理参数数据，共记录10组数据，同时进行主观投票。环境参数由测试仪器自动记录，测得室内环境温度为23.7℃，室内相对湿度为70%,室内空气风速为0.15m/s.
　　
　　2结果与讨论

       2.1生理参数本实验分别测试了男性女性在不同活动（男性：静坐、散步、慢跑、快跑；女性：静坐、散步、慢跑，由于女性体力有限故仅测试3种运动状态）水平下的皮肤温度以及导热热流量，将所获得数据剔除坏值后平均值计算，人体在不同运动水平下的皮肤温度如图1所示。
　　
　　从图1可以看出，在不同的运动水平下，男性和女性的皮肤温度都发生了显著的变化。男性在静坐时的皮肤温度是31.36℃，随后进行散步运动后，人体的皮肤温度下降到30.53 ℃，在进行慢跑和快跑运动后，人体的皮肤温度分别为30.78℃和31.50℃，相较于散步状态出现上升趋势。女性在静坐时的皮肤温度为30.83℃，随后进行散步和慢跑运动后，皮肤温度分别降至29.48℃，28.82℃。关于上肢皮肤温度在不同运动水平下的变化趋势，文献[11-12]研究了一定运动负荷下机体皮肤温度的变化情况，发现当运动负荷较大时，皮肤温度出现先下降后上升的变化趋势，将这种现象归因于运动开始阶段，为了满足工作肌对能量的需求，血液流向运动肌肉，皮肤血管开始收缩，致使皮肤温度下降。在运动后期，机体产生大量热量，为了维持正常的体温，皮肤血管开始舒张，以增加热量的散失。在运动量较小时，人体状态与上述的运动开始时是一致的，而在运动量加大后，其对应的人体状态与运动一段时间后是一致的。由此可知，本实验关于不同运动水平下上肢前臂皮肤温度的变化趋势及结论与国外研究一致。
　　

　　与男性皮肤温度的变化趋势有所不同，女性慢跑后皮肤温度并没有出现上升趋势。因为女性体力原因，在每种运动水平下速度均低于男性，则皮肤温度的变化相对较慢。且在每种运动状态时，男性上肢前臂的温度均高于女性，造成此现象的原因是因为男性与女性身体构造的不同，女性的新陈代谢率要低于男性，从而导致了男性在各运动水平下的皮肤温度均高于女性。
　　
　　人体在不同运动水平下的皮肤导热热流量如图2所示。 从图2可以看出，在进行不同负荷的运动后，人体的皮肤导热热流量先是有所下降，随后逐渐趋于平衡。男性静坐时皮肤导热热流量最大，为73.63W/m2,散步后降至63.73W/m2,在进行慢跑后急剧降至30.78W/m2,进行快跑运动后又缓升至31.50W/m2,趋于平衡。女性热流量变化与男性相比没有那么明显，静坐时的热流量为77.00W/m2,散步后降至60.92W/m2,在进行慢跑运动后又升至62.83W/m2.因为随着活动量的增加，人体体内温度与皮肤温度的温差逐渐减小，导热热流量逐渐减低，由于温差逐渐减小以及受到人体调节机能的限制，导热热流量则开始趋于平衡。
　　
　　此外，女性导热热流量的变化趋势较男性更为平缓，因为在每种运动水平下，男性的运动量均大于女性，且运动状态多于女性，因而身体自身调节力度大于女性，则变化趋势更加明显。
　　
　　2.2人体主观感受