溫度突變環(huán)境下老年人熱反應的實驗研究
李暢 于航 焦瑜 石翔宇 易志明
同濟大學機械與能源工程學院
摘要：本文以生活在上海地區(qū)的13名老年人和16名年輕人為受試對象，在2015年1月進行了溫度突變的動態(tài)環(huán)境下老年人和年輕人熱反應變化的對比實驗研究，獲取了熱感覺、熱舒適和皮膚溫度的實驗數(shù)據(jù)。實驗結果發(fā)現(xiàn)，溫度突變時，老年人和年輕人的熱感覺與熱舒適穩(wěn)定時間均超前于皮膚溫度調節(jié)；遇冷時生理調節(jié)速度比遇熱時緩慢；當溫度突降時，年輕人出現(xiàn)明顯的冷感超越現(xiàn)象而老年人則未表現(xiàn)出此特征。
關鍵詞：老年人溫度突變熱感覺熱舒適皮膚溫度
0 引言
據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的信息，截至2014年底，全國60周歲及以上人口比例上升為15.5%，社會老齡化程度進一步加深。隨著年齡增長伴隨的感覺功能衰老，老年人對環(huán)境變化的敏感性降低；同時，由于體溫調節(jié)機制的衰退，老年人對熱環(huán)境的適應能力減弱。
日常生活中經常遇到在不同溫度區(qū)域間穿梭的情況，如進出房間、出入不同建筑物的過渡空間等。在養(yǎng)老機構中，老人為了鍛煉身體及緩解心理上的孤獨感，更加頻繁地出入房間進行日�；顒印Ａ私鉁囟韧蛔兿吕先诵睦砗蜕矸磻淖兓�，是為老人提供安全舒適過渡空間溫度環(huán)境控制基礎。溫度突變環(huán)境下人體熱反應變化最早由Gagge教授于1967年展開實驗研究，隨后de Dear，Zhang H，Nagano，Parsons，敖順榮，王良海，端木琳，張宇峰等人進行了進一步研究，得到了一些基本共識：溫度突降時，熱感覺變化強烈，出現(xiàn)冷感超越現(xiàn)象；溫度突變時，心理反應超前于生理反應達到平衡，皮膚溫度并不能獨立地作為熱感覺評價尺度。但是，以上實驗的受試對象均為年輕人，關于老年人在溫度突變環(huán)境下熱反應變化的研究尚未見報道。
本文以老年人和年輕人作為受試對象，進行了空間轉換下溫度突降與突升的實驗，并對熱感覺、熱舒適和皮膚溫度變化結果進行了統(tǒng)計對比分析，探索老年人在溫度突變的動態(tài)環(huán)境下心理及生理熱反應的變化特點。期望日后利用本實驗及更多工況下實驗的結果，最終為將來養(yǎng)老建筑內過度環(huán)境空調溫度設定與控制的策略提出建議。
1 研究方法
1.1受試對象
本次實驗地點為上海市，共選擇13位老年人，16位年輕人作為受試對象，其基本信息如表1。為保證實驗數(shù)據(jù)真實準確，具有代表性，受試老人均為Rockwood老年人虛弱等級中1～3級的健康老人，年輕人均健康無病癥。受試者均在上海市生活一年以上。受試者在實驗前一天避免飲酒，避免進行劇烈運動及熬夜，實驗前一小時禁止飲食，保證實驗期間的
代謝率穩(wěn)定。
1.2實驗場所
實驗在同濟大學某辦公樓的兩個相鄰房間進行，房間布局如圖1。房間A為采用輻射供暖加新風的空調房間，房間B為非空調房間。實驗過程中，房間A門窗關閉，窗簾閉合，空調開啟；房間B門關閉，窗稍開啟，窗簾閉合。
1.3環(huán)境、生理、心理參數(shù)測量
實驗進行期間測量的室內環(huán)境參數(shù)有溫度、相對濕度、黑球溫度。測量所用儀器型號及精度列于表2。儀器布置在房間中心1.1 m高度。溫濕度每分鐘自計一次，黑球溫度每5 min手動記錄一次。風速經測量小于0.1 m/s，認為室內為無風狀態(tài)。
本實驗測量的生理參數(shù)為皮膚溫度。采用T型熱電偶測量（精度±0.20C），通過透氣型醫(yī)用膠布貼附于受試者右手背處，每分鐘采集一次。
心理測試通過問卷方式進行。問卷內容包括熱感覺投票、熱舒適度投票，熱感覺投票采用7點標度，熱舒適投票采用4點標度，如圖2所示。
1.4實驗流程
實驗在2015年1月17日至1月20日的四天內連續(xù)進行。每天2組，每組共四個人，包括年輕男、年輕女、老年男、老年女各一名。每組實驗共90 min，每天上午9:00至11:30，下午14:00至16:00進行。實驗流程如圖3所示。每組受試者首先在房間A中靜坐30 min，在第20、25、30 min時分別作一次問卷投票，第20 min至第30 min連續(xù)測量皮膚溫度。而后受試者以正常速度移動至房間B（第一小組在房間A進行實驗時，第二小組在房間B休息。當?shù)谝恍〗M移至房間B，第二小組進入房間A開始實驗）。為獲取溫度突變條件下受試者熱反應的動態(tài)變化，在缺乏相關實驗設計規(guī)范情況下參照已有研究做法，在受試者進入房間后的前8 min時間內，每隔2 min投一次票；第8 min至第20 min，每3 min投一次票；第20 min至第30 min，每5 min投一次票。在受試者進入房間后10 min內完成熱電偶的貼附工作，隨后采集第10 min至第30 min受試者皮膚溫度。然后第一組受試者返回到房間A（第二小組進入房間B），重復上述實驗。30 min后結束實驗（第二小組進入房間A）。
1.5環(huán)境參數(shù)采集
實驗期間的室外天氣狀況見表3。本實驗中，為了避免太陽輻射的影響關閉了窗戶及窗簾，因此室內空氣溫度與黑球溫度差異較小(<1.5℃)且無風，實驗房間的操作溫度見表4。房間A的實測空氣濕度在35%左右，房間B的空氣濕度在40%左右。
2 實驗結果與討論
2.1熱感覺
將上午進行的實驗和下午進行的實驗結果分別處理，得到上午工況（20.6℃→15.6℃→21.0℃）和下午工況（20.90C→17.4℃→21.0℃）溫度突變條件下熱感覺隨時間的變化情況。圖4、圖5顯示了兩種工況下熱感覺投票（Thermal Sensation Vote，TSV）的均值，PMV預測值及標準偏差。
從圖中觀察可知，當溫度突然降低時，兩種工況下，年輕人的熱感覺都會出現(xiàn)比較明顯的冷感超越現(xiàn)象�？臻g轉換初始時刻年輕人的熱感覺投票值比其后時刻低，隨后熱感覺不斷回升達到穩(wěn)定，、研究結果一致。根據(jù)實驗統(tǒng)計結果，在16位年輕人的32次溫度突降過程中，有20次突變初始時刻投票值比后時刻低，占比62.5%。而在13位老年人25次溫度突降過程中，僅8次突變初始時刻投票值比后時刻低，占比32%，說明年輕人出現(xiàn)冷感超越的比例更大，超越的幅度更明顯。但對于老年人，在溫度突降環(huán)境下并未出現(xiàn)明顯的冷感超越現(xiàn)象。
當溫度突然升高時，年輕人和老年受試者均未觀察到明顯的熱感覺超越現(xiàn)象，報導了類似的實驗結果�？赡艿脑蚴侨梭w皮膚下的熱感受器相對于冷感受器更少而且深，對溫度突升的反應不如溫度突降敏感。
本文通過對實驗結果進行組內方差分析（with-subjects ANOVA）確定熱感覺達到穩(wěn)定的時刻(p>0.05)，如表5所示。從統(tǒng)計學意義上證明了上述對圖4-5的分析結果。
2.2熱舒適
將上午進行的實驗和下午進行的實驗結果分別處理，得到上午工況（20.6℃→15.6℃→21.0℃）和下午工況（20.9℃→17.4℃→21.0℃）溫度突變條件下熱舒適投票隨時間的變化情況。圖6、7顯示了兩種工況下熱舒適投票( Thermal Comfort Vote，TCV)的均值和標準偏差。穩(wěn)定時間見表6。
對比圖6、7和圖4、5，可發(fā)現(xiàn)年輕人熱感覺和熱舒適投票值的變化趨勢一致。從圖5可看出，下午工況從房間A到房間B，老年人熱舒適投票值略有上升，回到A房間對老年人來講為偏熱房間。如圖4所示，上午工況，老年人在A，B房間熱感覺投票值為0.5，-0.5左右，偏離中性程度相同，但圖6中老年人在房間A中熱舒適投票值明顯高于房間B�？赏茢啵�，老年人更偏愛中性偏暖環(huán)境；據(jù)此本文推測老年人的舒適溫度與熱中性對應溫度可能存在偏離。
2.3皮膚溫度
由于本實驗中受試者非暴露部位皮膚溫度測量困難，故選擇右手手背溫度表征平均皮膚溫度的變化趨勢。圖8是受試者皮膚溫度平均值的全天變化曲線，對應的溫度突變?yōu)椋?0.7℃→16.7℃→21.0℃）。表7為手背溫度穩(wěn)定時間。
如圖8所示，當溫度突降時，老年人與年輕人的手背溫度均持續(xù)下降，直至空間轉換后第30 min還未達到穩(wěn)定。Collins KJ指出當人遇冷時，皮下血管收縮，身體表層血流量減小，血液帶到皮膚表面的熱量減少，皮膚溫度下降，人體輻射和對流散熱降低。當溫度突升時，血管擴張血流量增加，老年人與年輕人的手背溫度均上升，并在空間轉換后第22 min達到穩(wěn)定。說明當人體遇冷皮膚溫度所需穩(wěn)定時間比遇熱時更長，即人體的體溫調節(jié)機能在遇冷時反應比較遲鈍，而遇熱時相對敏感。另一方面，在溫度上升時老年人與年輕人手背皮膚溫度變化并未發(fā)現(xiàn)差別。年輕人在偏冷環(huán)境中手背皮膚溫度明顯比老年人低，很可能為年輕人服裝熱阻較小所致。老年人與年輕人在體溫調節(jié)方面的差異有待進一步研究。
對比表5、6、7中熱感覺，熱舒適和手背溫度變化穩(wěn)定時間可知，當溫度發(fā)生突變時，老年人和年輕人的心理熱反應均超前于生理熱反應，皮膚溫度與熱感覺出現(xiàn)分離。
3 結論
本文通過對上海地區(qū)冬季空間轉換溫度突變實驗，獲取了老年人和年輕人熱感覺、熱舒適和皮膚溫度隨時間的變化特征，得到以下結論：
1)本實驗環(huán)境下，溫度突降，年輕人出現(xiàn)明顯的冷感超越現(xiàn)象，老年人則無此現(xiàn)象；溫度突升，年輕人和老年人均未出現(xiàn)熱感超越現(xiàn)象。
2)溫度突變下，老年人和年輕人的熱感覺和熱舒適先于皮膚溫度達到穩(wěn)定，即心理熱反應超前于生理熱反應。
3)老年人與年輕人在溫度突降時的生理熱調節(jié)速度較慢，溫度突升時較快。
