2. 清华大学 合肥公共安全研究院, 合肥 230601;
3. 灾害环境人员安全安徽省重点实验室, 合肥 230601
2. Hefei Institute for Public Safety Research, Tsinghua University, Hefei 230601, China;
3. Anhui Province Key Laboratory of Human Safety, Hefei 230601, China
一般将平均温度低于5℃的环境定义为低温环境[1]。低温环境暴露给人体带来热不舒适感[2],并可能导致冻伤、失温等冷损伤症状[3]。人体在低温环境中通过寒颤、血管收缩等体温调节手段,以及穿着合适的服装,来维持人体的主客观热反应参数处于安全且适中的范围[4]。在野外或冬季开展体育活动(如越野、长跑、冰雪运动)的人员,常常面临着最低可至-20℃左右的长时间低温暴露[5],且由于穿着运动服装而非冷防护服及身体活动、出汗等因素带来的额外散热[6],是受到低温环境威胁的重点人群[5]。2021年1月,在瑞士圣莫里茨举办的一场滑雪比赛中,2名选手因低温冻伤而截肢。2021年5月,甘肃省白银市举办的马拉松越野赛期间突发极端天气,21名选手因失温导致死亡。相比于竞技运动人员,低温环境下的体育锻炼人员则更为缺少专业的防护措施。此外,锻炼人员还关注运动过程中的热感觉与舒适性,无论过冷还是过热都会影响其锻炼水平,甚至诱发相关疾病[7]。随着北京冬奥会的举办与冬季运动的普及,越来越多的体育锻炼爱好者参与冬季运动,维持合适的人体热反应状态对保障其人身安全及提高运动锻炼效果都具有重要意义。
人体热反应的关键参数包括人体皮肤温度、核心温度以及主观热感受等,是反映和评估人体热安全与人体运动水平的关键指标[8]。体育锻炼过程中,人体运动强度高、服装保暖能力强、环境温度高,则人体温度升高,感觉变热,可能出现流汗、疲劳甚至热休克等反应[9];反之,运动强度低、服装保暖能力不足、环境温度低,则人体温度下降,感觉变冷,过低的局部皮肤温度与核心温度分别会导致冻伤与失温[10]。开展人体热反应实验,实际测量人体热反应参数,是研究人体热反应机理、评价人员暴露风险、为人员防护与舒适性保障提供数据和参考建议的重要手段。Gavhed等[11]通过实验研究了-6、-14和-22℃下穿着基本热阻2.23 clo的冷防护服(clo为服装领域常用热阻单位,1 clo = 0.155℃·m2/W)、以2 km/h速度行走的人体热反应,发现人体平均皮肤温度与环境温度间存在线性关系;Wang等[12]通过实验研究,在-15℃条件下发现水分管理能力为0和0.86的冷防护服对人体在静坐和6.4 km/h速度行走的低温暴露下的热感觉与湿感觉的影响存在显著差异;Wu等[13]在实验中发现,在-5、-10和-15℃的极端低温环境下,穿着2.16 clo冷防护服、保持静坐的人体皮肤温度急剧下降而核心温度能暂时维持相对稳定,核心温度的变化与局部温度存在显著的相关性。这些研究扩展了人们对冷环境下人体热反应规律的认识。然而,这些现有的低温人体热反应实验研究中,多让受试者保持静止或低强度运动(如慢速行走),并穿着冷防护服,实验中人体仅处于偏冷状态而不涉及偏热状态。相比而言,体育锻炼人员的运动强度较高,具有代谢产热高、出汗多等特殊的热反应,过冷与过热问题并存;运动服装相比于冷防护服往往更轻薄、保暖性能更低而透气性能更好,其对人体热反应的影响也与冷防护服有所不同。因此,低温环境下体育锻炼人员的人体热反应机理及影响规律有待进一步研究。
本文在低温环境舱中开展实验,通过对穿着冬季运动服装进行体育锻炼人员的热反应参数如皮肤温度、核心温度及人体热感觉等进行测量,研究低温环境下体育锻炼人员的人体热反应机理,分析环境温度、服装性能及人员运动状况对人体热反应的影响。本实验结果可为低温环境下体育锻炼人员的活动安排、服装选择、安全与舒适性评价等提供参考。同时,本实验得到的数据对人体热反应数学模型验证也具有参考意义。
1 实验方法 1.1 实验条件实验在一个尺寸为6 m(长)×5 m(宽)×4.6 m(高)的低温环境舱中进行,另有一个相邻的房间作为准备室。环境舱中的温度可以在-40~30℃之间调节,精确度为±0.5℃;舱内相对湿度可以在30%~95%之间调节,精确度为±5%。实验过程中舱内风速控制在静止水平(0.2 m/s),相对湿度控制在60%~70%之间。准备室的温度保持在约18℃,对应于受试者穿着运动服装时大致感到热舒适的温度。环境舱内的温度设置分别为5、0、-5、-10℃,对应于冬季运动锻炼人员典型的暴露温度。环境舱与准备室的结构示意图如图 1所示。
1.2 受试者
6名健康男性青年被招募为本实验的受试者,其基本信息如下(平均值±标准差): 年龄(24.8±0.8)周岁,身高(174.2±2.6)cm,体重(71.2±7.3)kg,BMI指数(23.5±2.5)kg/m2。每名受试者都参与了每个工况的实验。实验前24 h受试者被禁止剧烈运动,禁止吸烟及饮用含酒精、咖啡等的功能性饮料。每名受试者两次参与实验至少间隔48 h。受试者被详细告知了实验流程,并签署了知情同意书。实验过程中受试者的安全受到了严格监控,受试者可随时要求停止实验。
1.3 实验服装实验中使用两套不同的越野滑雪运动服装(以下简称服装1与服装2)。服装的热湿阻性能在实验前使用暖体假人进行了测量。服装1包含滑雪内衣一套(80%聚酰胺,15%聚丙烯,5%弹性纤维,X-Bionic),以及分体式滑雪外套与滑雪裤子(85.5%聚酯纤维,14.5%氨纶,Halti),服装总热阻为2.57 clo,总湿阻为60.55 m2·Pa/W;服装2包含以上滑雪内衣一套,以及连体式滑雪比赛服(79%聚酯纤维,21%氨纶,Phenix),服装总热阻为1.34 clo,总湿阻为34.48 m2·Pa/W。总体而言,服装1保暖性能更好,服装2更加轻薄透气,两套服装分别代表了两种参与冬季运动人员的典型着装情况。同时,受试者在实验过程中穿戴羊毛防护手套与保暖毡帽,以防止出现局部冻伤。
1.4 实验流程每名受试者均分别穿着服装1和服装2在5、0、-5、-10℃环境下开展实验。实验开始前,受试者穿着实验服装后在准备室中静坐60 min以达到近似热中性的状态。随后受试者进入低温环境舱,在水平跑步机上按如下流程开展运动: 第1阶段,以2 km/h速度慢走预热10 min;第2阶段,以10 km/h跑步20 min;第3阶段,以2 km/h慢走休息10 min;第4阶段,以6 km/h跑步20 min。实验共持续60 min,通过调节跑步机配速模拟了人体从事不同强度运动时的状态。实验流程如图 2所示。为保证实验结果不受生物周期的影响,每日的实验均在上午10:00—11:00进行。每日进行3名受试者的实验,即每两天完成一组实验工况。
1.5 测量与计算
实验过程中,测量或记录的人体热反应参数包括人体核心温度、人体局部皮肤温度以及人体热感觉。依据实验测量结果计算出平均皮肤温度及人体热积累速率。
考虑到实验过程中受试者高强度运动可能对有线设备的使用带来不便,选择使用无线设备对受试者的核心温度与皮肤温度进行测量。其中,人体核心温度测量使用可消化的核心温度传感胶囊(VitalSense,Hidalgo,英国),胶囊在实验开始前约1 h由受试者使用温水吞服。胶囊每15 s传输一次温度数据至接收器,精确度为±0.1℃。人体局部皮肤温度测量使用粘贴式皮肤温度贴片(VitalSense,Hidalgo,英国),贴片每15 s传输一次皮肤温度数据至接收器,精确度为±0.1℃。实验中,选取8点测量人体局部皮肤温度: 额头(Tforehead)、前胸(Tchest)、后肩(Tscapula)、左上臂(Tupperarm)、右下臂(Tforearm)、左手背(Thand)、右大腿(Tthigh)、左小腿(Tcalf)。人体平均皮肤温度由这8点的皮肤温度加权平均计算得到[14],
$ \begin{gathered} T_{\text {mean }}=0.07\left(T_{\text {forehead }}+T_{\text {upperarm }}+T_{\text {forearm }}\right)+ \\ 0.175\left(T_{\text {chest }}+T_{\text {scapula }}\right)+0.05 T_{\text {hand }}+ \\ 0.19 T_{\text {thigh }}+0.20 T_{\text {calf }} . \end{gathered} $ | (1) |
人体热感觉采用问卷的形式,从第10 min起每5 min由实验人员询问受试者并记录。评测量表如表 1所示。
人体热量积累速率是反映人体热状态的关键参数。热量积累速率等于人体产热与散热速率之差。根据实验测量值,可以使用式(2)计算受试者人体在特定时刻的热量积累速率,
$ S=M-Q_{\mathrm{res}}-Q-E. $ | (2) |
式中: S为人体热量积累速率,W/m2;M为人体代谢产热率,W/m2,可根据人体运动强度依据文[15]确定;Qres为人体呼吸散热率,W/m2,可依据文[16]确定;Q和E分别为人体显热散热与出汗散热,W/m2。Q可依据实验测量的平均皮肤温度按照式(3)计算,
$ Q=\frac{T_{\text {mean }}-T_{\mathrm{a}}}{0.155 I_{\mathrm{T}}}. $ | (3) |
式中:Ta为环境温度,℃;IT为服装总热阻,clo。E可按照式(4)计算,
$ E=\frac{P_{\mathrm{sk}}-P_{\mathrm{a}}}{R_{\mathrm{e}}}. $ | (4) |
式中: Psk为皮肤表面水汽压,Pa,可依据实验测量的皮肤温度,参考文[17]进行计算;Pa为空气中水汽压,Pa;Re为服装湿阻,m2·Pa/W。
2 结果与讨论 2.1 皮肤温度实验各工况下人体平均皮肤温度随时间的变化如图 3所示。平均皮肤温度受实验变量因素的影响非常显著。通过工况间与工况内的对比可以看出,平均皮肤温度随环境温度升高、服装保暖性能提升和运动强度增大而显著升高。此外,在瞬态变化上,对于低温环境中的体育锻炼人员,从低运动强度进入高运动强度时(如实验第10 min),平均皮肤温度对运动强度并没有瞬时响应,而是延迟约5 min后才开始上升。这可能是因为高运动强度带来的组织产热需要通过血液循环传递到皮肤表面,这一过程需要一定的时间,延迟期间平均皮肤温度仍然持续下降。这一延迟效应对于从事短时高强度运动项目的人员而言需要格外注意,建议在开始高强度运动前提前预热,以保证进入运动时身体处于足够舒适和充分活动的状态。
在实验后期(50~60 min)平均皮肤温度大致达到了较为稳定的状态。分析这一时期的平均皮肤温度与环境温度的关系可以发现,稳态时的平均皮肤温度与环境温度间存在良好的线性关系,如图 4所示。线性拟合结果存在明显的服装差异: 服装1条件下的拟合斜率小于服装2,这是由于服装1保暖性能更好,导致平均皮肤温度对环境温度的敏感度低于服装2的情形;服装1条件下的拟合截距大于服装2,这是由于穿着服装1时平均皮肤温度整体水平更高。该线性关系有助于在更极端、不适宜真人实验的低温环境下,预测人体的平均皮肤温度,从而为评价人员热安全与热舒适提供参考。例如,文[18]给出了人体热舒适状态下的平均皮肤温度计算公式,
$ T_{\text {mean }}=35.7-0.028\ 5 M. $ | (5) |
本实验第4阶段中6 km/h慢跑时人体代谢率约为291 W/m2[15],代入式(5)计算得热舒适下的平均皮肤温度约为27.4℃。代入拟合所得公式,可计算出服装1和服装2条件下使人体感觉舒适的环境温度分别为-40.7和-9.8℃。该计算结果为无风条件下的值,实际应用中往往需要考虑环境的风冷效应;而且,使用平均皮肤温度仅能评价人体整体的热舒适情况,局部的热安全与热舒适还需要参考局部的皮肤温度情况。
进一步分析了人体局部皮肤温度对环境温度变化和服装性能差异的敏感性。将达到稳态后的局部皮肤温度与环境温度按照Tlocal=aTa+b进行线性拟合(其中Tlocal为局部皮肤温度,a和b分别为拟合斜率与截距),8个测点的拟合参数如表 2所示。拟合判定系数R2均大于0.9。
部位 | a | b | |||
C1 | C2 | C1 | C2 | ||
前额 | 0.10 | 0.30 | 34.8 | 34.0 | |
前胸 | 0.19 | 0.34 | 34.5 | 29.2 | |
后背 | 0.13 | 0.16 | 35.6 | 33.2 | |
上臂 | 0.20 | 0.29 | 34.1 | 33.3 | |
下臂 | 0.22 | 0.22 | 34.2 | 33.3 | |
手背 | 0.50 | 0.81 | 31.8 | 26.3 | |
大腿 | 0.18 | 0.42 | 33.3 | 27.0 | |
小腿 | 0.12 | 0.18 | 34.6 | 29.5 |
表 2中: C1与C2分别代表穿着服装1与服装2的工况。可以看出,总体上人体四肢区域对环境温度的敏感性高于躯干,因此四肢部位是低温环境冷防护的重点区域。同时,局部区域温度对环境温度的敏感性也与服装局部热阻值有关。例如,服装2的大腿处热阻值(1.28 clo)远低于服装1(2.25 clo),因此大腿处的拟合斜率值不同服装表现出了较大的差异。此外,虽然前额、手部的着装在各工况下均相同,但不同服装仍在局部温度特性上表现出了明显的差异,这说明服装对人体热反应的作用并不是局部有效的,而是关联到人体整体的热状态。这一效应需要服装设计者和低温下的体育锻炼人员在选择服装时予以注意。文[19]指出,当局部皮肤温度低于5℃时,局部组织即存在遭受冻伤的风险。本实验的结果可为更极端情况下的暴露人员热安全预测提供参考。
2.2 核心温度实验各工况下人体核心温度随时间的变化如图 5所示。可以看出,核心温度的升降与运动强度相关,各工况下在10 km/h运动阶段人体核心温度均有显著升高。此外,核心温度受环境温度和服装的影响较小,未表现出类似于平均皮肤温度的环境、服装关联变化,这是因为人作为恒温动物具有主动体温调节能力,在不同暴露条件下能够将核心温度维持在较窄的正常范围[20]。
核心温度是评估人体热安全、运动能力和运动疲劳的重要指标。当核心温度低于35℃时,人体会面临失温的风险[10];而当核心温度高于38.5℃时,会加速人体运动疲劳,降低人体的运动能力,继续升高则有引发热休克的风险[21]。对于低温环境下的体育锻炼人员,其核心温度过低和过高的风险往往并存,而核心温度的变化主要与人体热量积累(或流失)有关[22]。人体热量积累速率可根据本实验测量的生理数据与环境、服装参数计算得出,计算方法如1.5节所述。图 6展示了实验过程中人体热量积累速率的变化情况(以环境温度-10℃工况为例)。热量积累速率的值为正代表人体热量积累,人体热反应向热端发展;其值为负代表人体热量流失,人体热反应向冷端发展。图 6中,热量积累速率在第10、30、40 min的突变反映了人体运动强度变化的影响;服装1条件下的热量积累速率高于服装2,反映了服装保暖性能差异的影响;此外,在实验的4个阶段中,人体热量积累速率均逐渐向热平衡线方向变化,这反映了人体的体温调节能力: 当人体积累热量时(10 km/h段、6 km/h段),会通过出汗、血管舒张等方式增大散热;当人体流失热量时(2 km/h段),会通过寒颤、血管收缩等方式增大产热并减小散热。综上所述,在实验过程中,人体的热反应状态围绕热平衡动态波动,并受到人体运动、服装性能等因素的耦合影响。
分别计算实验4个阶段中的人体核心温度平均变化速率及人体热量积累平均速率,发现核心温度变化速率与热量积累平均速率有着良好的线性关系,如图 7所示。这一线性关系有益于在不同暴露条件下预测体育锻炼人员核心温度的变化,从而分析人体的热应激与舒适度水平。不同服装下该线性拟合的斜率存在差异,服装1的斜率更大,即核心温度对热量积累的变化更为敏感。这是由于服装1保暖性能更好,使得热量更多地囤积在了人体核心部位。这也警示低温环境下的体育锻炼人员若一味追求服装的保暖性能,可能在高强度运动时核心温度升高过快,从而影响运动能力,并导致疲劳、休克等现象[21]。
2.3 热感觉
实验各工况下人体热感觉随时间的变化如图 8所示。人体热感觉在中低强度运动下(第10 min,第30~60 min)明显受到环境温度和服装差异的影响,打分随环境温度下降、服装保暖性能减弱而降低,工况间最大分差接近3.5。在第40 min前后,服装2下的人体热感觉显著偏冷,这是由于服装2较为轻薄透气,此时人体运动后产生的汗液持续蒸发导致大量散热。本研究还发现在运动强度较高时(10 km/h段),人体热感觉出现趋同现象,未表现出明显的环境与服装的差异。这表明对于低温环境下的体育锻炼人员,仅依据主观感觉来评价人员安全与运动能力可能是不准确的,必须参考皮肤温度、核心温度等客观生理数据。
文[8, 23]阐述了低温环境下人体热感觉与人体的平均皮肤温度、核心温度存在显著的相关性,文[11]则得出了否定的结论。本文计算得出人体热感觉打分与平均皮肤温度、核心温度之间的Pearson相关系数分别为0.32、0.52,不存在显著的相关性。这可能是由于本文实验中受试者处于多段不同的运动状态,即使某两个时刻处于相似的皮肤温度、核心温度水平,人体热感觉也会因为运动强度、疲劳、出汗、血管收舒等状态的不同而显著不同。这进一步说明低温环境下体育锻炼人员的热反应特点与常规低温暴露人员存在不同,有必要进一步开展研究。
2.4 运动阶段与服装选择分析低温环境下体育锻炼人员的服装选择需要综合考虑多方面因素。本文基于实验测量与计算结果(以环境温度-10℃工况为例),对不同实验阶段所代表的情形下人员的服装选择进行简要分析并提出建议。
在实验的第1阶段,受试者以低运动强度(2 km/h)暴露于低温环境中。从图 6中可以看出,此时穿着保暖性能更好的服装1能有效减少人体热量流失,将人体维持在接近热平衡的状态。从图 8中也可以看出,第10 min时穿着服装2条件下人体冷感明显高于服装1。
在实验的第2阶段,受试者持续进行强度较高的运动(10 km/h)。尽管本实验中该阶段的核心温度水平与热感觉未表现出明显的服装差异,但这可能与实验流程时间过短有关。从图 6可以看出,穿着服装1条件下人体有着更高的热积累速率,对应更高的热应激状态与核心温度上升速度。当核心温度超过38.5℃就会引发运动疲劳,增加热安全风险[24-25]。因此,穿着更加轻薄透气的服装2有利于促进汗液蒸发与人体散热,更好地保障人员运动能力、热舒适与热安全。
在实验的第3阶段,受试者停止高强度的运动进入低运动强度阶段(2 km/h)。从图 6中可以看出,与运动强度相同的第1阶段相比,本阶段人体散热量明显更高,这主要是由于运动过后剩余的汗液持续蒸发所致。图 8显示,此阶段人体热感觉打分迅速下降,且穿着服装2时下降更快,第40 min时受试者已感觉寒冷。因此,在低温环境下运动过后要尽量干燥身体,并更换或增加衣物,防止冷应激给人体带来危害。
在实验的第4阶段,受试者进行中等强度的运动(6 km/h)。从热积累数据和热感觉数据均可以看出,该阶段中穿着服装2的人体更接近热平衡与热中性,服装1则略微偏热,因此服装2能给人体带来更好的舒适性与运动体验,而对于个体偏好为保暖的人员而言,服装1仍然是可以接受的选择。
2.5 局限性本研究在实验设计方面存在一定的局限性。本文仅使用跑步机作为实验设备对人员的体育锻炼进行模拟,旨在反映一般的人体运动,实验设计上并没有考虑具体运动项目与实际体育锻炼条件的特点。此外,人体热反应实验的结果也受到个体差异的影响,如年龄、性别、体脂率等,因此本文所得研究结论的适用性限制于本文受试者条件下的情形。
3 结论本文在低温环境舱中开展针对体育锻炼人员的人体热反应实验研究,考虑跑步机配速2、6和10 km/h的3种运动强度,在5、0、-5和-10℃环境工况及总热阻分别为2.57 clo和1.34 clo的着装工况下对受试者的皮肤温度、核心温度与热感觉进行了测量或记录,分析了环境温度、服装选择和人员运动强度对人体热反应的影响,从而为低温环境下体育锻炼人员的热安全、热舒适、运动能力及服装性能评价提供实测数据和分析参考。
本实验发现,人体平均皮肤温度和局部皮肤温度均与环境温度线性相关,总热阻为2.57 clo和1.34 clo两种着装工况下平均皮肤温度对环境温度的拟合斜率分别为0.17与0.30,随服装保暖性能的提升而减小。人体核心温度平均变化速率与人体热积累平均速率线性相关,总热阻为2.57 clo和1.34 clo的着装工况下拟合斜率分别为2.0×10-4和1.1×10-4,随服装保暖性能提升而增大。人体在中低强度运动下热感觉受到环境温度和服装保暖性能的显著影响,但在高强度运动下热感觉趋同。热感觉与平均皮肤温度、核心温度的相关系数分别为0.32、0.52,未表现出显著的相关性。针对不同运动阶段的特点,本文综合考虑热安全、热舒适与运动能力,依据实验数据给出了低温环境下体育锻炼人员服装选择方面的建议: 在低运动强度下建议服装选择以保暖为主;中高运动强度下应重视服装的轻薄和透湿性能;在高强度运动结束后,需注意干燥身体,增加或更换衣物。
本文所得出的研究结论主要适用于-10~5℃低温环境中穿着冬季运动服装从事跑步或体能消耗类似跑步运动的健康男性青年人群。下一步的研究将考虑结合具体运动项目特点和不同人群开展实验,并将个体差异参数如年龄、性别、体脂率等纳入实验工况,从而拓展实验结论的适用范围。
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