進藏人員冬季熱適應層級及熱需求特征研究*

宋 聰 康佳敏 王登甲△ 劉艷峰

(1.綠色建筑全國重點實驗室,西安;2.西安建筑科技大學,西安)

0 引言

在“一帶一路”建設和西部大開發政策引領下,近年來,商旅科考、援藏建藏人員數量爆發式增長,主要流向以拉薩為主的西藏高原城鎮地區[1]。外來人員已成為西藏城市人口組成的重要部分。然而,青藏高原平均海拔達4 000 m,大氣壓僅為海平面的60%[2],常年高寒、缺氧、低濕等特殊環境對進藏人員的熱舒適構成嚴重威脅。因此,為進藏人員營造舒適的室內熱環境是完善高原宜居環境建設的重要內容。

當人體從平原地區進入高原地區后,皮膚表面對流散熱減少,蒸發散熱增強,新陳代謝加快,人體對熱環境的敏感度降低。胡松濤等人通過氣候室模擬低壓環境,探討了無癥狀反應域(海拔低于3 000 m)人體生理參數與主觀熱感覺隨空氣壓力變化的規律[3]。Hu等人研究了極冷環境不同壓力下人體生理反應、整體和局部熱感覺的變化規律[4]。此類低壓環境艙實驗研究拓展了關于氣壓對人體熱舒適影響的認知,為開展進藏人員熱舒適研究奠定了基礎。但是這些研究多集中于短時的氣候室低壓環境暴露,難以體現進藏人員對高原低溫低氧環境的長期適應過程。

在高原特殊氣候環境的持續暴露下,人體熱舒適需求存在適應性特征。Gautam等人對尼泊爾傳統建筑居民冬季熱舒適的現場調查表明,其平均舒適溫度為13.8 ℃[5]。閆海燕等人的研究表明,由于生活水平限制與生活習慣所致,拉薩住宅冬季室內供暖措施較少,居民大多依靠增減服裝調節熱舒適度[6]。Yu等人基于現場研究明確了適應性舒適模型應用于西藏地區的自適應系數為0.34[7]。上述現場研究主要關注對高原低壓低氧等特殊環境形成遺傳性適應的世居者,進藏人員的熱適應特征尚不明晰。

人體熱適應與其過往熱經歷密不可分。Gautam等人研究了尼泊爾亞熱帶氣候中的當地人和移民的熱舒適,發現當地居民的熱可接受度上限較外來人口高3 ℃[8]。Luo等人發現長期處于相對中性穩定環境的受試者其生理熱反應更強烈[9]。尹佳星等人[10]、周范卓等人[11]研究了寒冷地區不同氣候類型、夏熱冬冷地區過渡季人體的熱適應問題。筆者所在團隊對瓊海當地及外來人員的現場調研表明,隨著居住時間的增加,外來人員熱反應與當地居民逐漸趨同[12]。上述對于熱適應層級差異的研究多集中于平原地區不同氣候區與不同熱經歷條件。對于進藏人員而言,其熱適應還應考慮高原低壓低氧的特殊條件,進而,其進藏時間、來源地海拔與氣候等因素均可能對其熱適應水平產生影響。

為掌握進藏人員熱適應水平差異及熱需求特征規律,筆者對拉薩冬季室內人員熱舒適進行了現場測試與問卷調研,使用K-prototypes聚類方法將進藏人員熱適應水平區分為3個層級,分別為應激代償、適應代償和基本適應,探究不同熱適應水平下人員的生理、心理、行為適應機制,獲得進藏人員冬季熱需求差異,為高原地區援藏干部周轉房、賓館等建筑室內熱環境營造提供參考。

1 研究方法

1.1 研究地點與研究對象

本文研究選取西藏拉薩市及周邊縣域為調研地點,分別在2020年11月和2021年12月通過現場測試和問卷調研分析了進藏人員冬季熱環境現狀與熱適應過程。拉薩市位于東經91°06′、北緯29°36′,平均海拔為3 650 m,是世界海拔最高的城市之一,屬于高原溫帶半干旱季風氣候區,冬季寒冷干燥,晝夜溫差大,晝間太陽輻射強。外來進藏人員占當地人口數量的一半。

本文研究的調研對象主要為進藏人員和當地世居人員,2次調研共獲得730個樣本,其中進藏人員有效樣本373個,世居人員有效樣本271個。統計學方差分析結果顯示這兩類人員的年齡、身高、體質量均無顯著差異(P>0.05),具體信息見表1。調研在住宅、宿舍和商場等圍合空間建筑內開展,人員活動狀態多為靜坐或輕度活動狀態。調研前向受試者告知調研目的、問卷題目含義、測試流程等,受試者根據自身實際情況回答問題。

按投資增加10%、減少10%分析對國民經濟評價指標的影響程度。效益變化和投資變化的敏感性分析成果見下表。從敏感性分析成果看，效益、投資的變化不會使工程變為不可行，因此保證工程效益的實現是該工程的關鍵。分析結果還表明，該工程具有較強的抗風險能力。

表1 受試者基本信息

1.2 參數測量

調研期間對室內外環境參數和受試者生理參數進行了測量,所測參數及測試儀器信息如表2、3所示。室內熱環境參數測試依據ASHRAE 55-2017標準,測點布置于受試者周圍,距地面0.6 m高(坐姿)或者1.1 m高(站立)處。測試時在室外設置溫濕度自記儀連續記錄調研期間室外空氣溫度和室外相對濕度。

表2 室內外環境參數測試儀器

表3 生理參數測試儀器

1.3 問卷設計與調研過程

本次調研采用紙質調研問卷。問卷內容包括四部分:受試者基本信息、熱氧經歷、熱濕主觀評價和熱調節行為信息。基本信息包括受試者的性別、民族、年齡、身高、體質量、健康狀況、活動水平、衣著情況等。熱氧經歷包括受試者是否世代居住在西藏、受訪者的家鄉、進藏時間。熱濕主觀評價包括受試者的熱感覺、濕感覺、熱舒適、濕舒適、熱可接受度、濕可接受度、熱期望、濕期望。熱環境評價指標參考ASHRAE 55-2017[13]和ISO 10551:2019[14]標準,如表4所示。熱感覺評估采用7級標尺,熱舒適評估采用4級標尺,熱期望投票采用7級標尺,熱可接受度投票采用4級標尺,濕環境評價標尺與熱環境評價標尺一致。熱調節行為信息包括受試者受訪時的室內熱環境調節方式、日常調溫措施及調節意愿。

表4 熱環境評價指標

1.4 數據處理

使用SPSS 24.0進行統計結果分析。不同人群間采用單因素方差分析進行顯著性檢驗。P<0.05表示具有顯著差異;P<0.01表示差異非常顯著;P<0.001表示差異極其顯著。

2 研究結果

2.1 室內外熱濕環境

調研期間連續測量了室外空氣溫度與相對濕度,結果如圖1所示。室外日平均空氣溫度為9～14 ℃,2次調研期間無顯著差異。室外日平均空氣相對濕度大多處于5%～15%,相比內地其他地區明顯偏干。

圖1 拉薩冬季室外熱濕參數

調研期間室內熱濕參數如圖2所示。室內空氣溫度主要在17～23 ℃之間,處于大部分人相對舒適的溫度范圍。室內空氣相對濕度比室外略高,集中在6%～16%,低于GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》相對濕度≥30%的要求值[15]。在此室內相對濕度范圍內,人體會出現各種生理不適,例如鼻腔出血、眼睛出現血絲等。

圖2 拉薩冬季室內熱濕參數

調研期間室內外大氣壓無明顯波動,基本處于65 kPa,氧濃度主要在19%～20%之間,受試者處于典型的低壓缺氧環境。

2.2 進藏人員適應層級劃分

本文研究借鑒現有研究的分類經驗和相關成果,將進藏人員的來源地海拔分為5個等級:0～800、800～1 800、1 800～2 800、2 800～3 600、3 600 m以上;將進藏時間劃分為1周內、1周～1月、1～3月、3～6月、6月～1年、1～5年、5年以上;選擇來源地建筑氣候分區表征其過往熱環境暴露經歷;結合低氧環境關鍵生理評價指標分析,選取心率與血氧飽和度2個便于測量、代表性強的典型生理參數。提取來源地海拔、進藏時間、來源地建筑氣候區、心率、血氧飽和度5個指標,使用K-prototypes聚類方法進行人群聚類。首先基于python語言對血氧飽和度和心率進行數據標準化處理,對來源地建筑氣候分區進行獨熱編碼,對來源地海拔和進藏時間進行有序編碼,使用UMAP降維算法,將數據從高維空間映射至二維空間;然后結合K-prototypes聚類結果,對人員進行可視化分析,最終確定將進藏人員分為3個層級,見圖3。這3個層級人員在來源地氣候、海拔、進藏時間方面的分布情況如圖4所示。

圖3 進藏人員熱適應水平聚類結果

圖4 3個層級進藏人員熱氧經歷特征

2.3 進藏人員熱適應特征

2.3.1生理適應與熱適應水平界定

人體對于高原環境的適應主要是對當地寒冷環境與缺氧環境的交叉適應,如前所述,在研究高原熱適應問題時缺氧對人體的影響不容忽視。

然而血氧飽和度、心率、體溫等生理參數會受人員所處的環境溫度影響。對于本文調研,受試者所處的室外環境并非極端環境,且室內空氣溫度主要在17～23 ℃之間,4類人員(進藏人員Ⅰ、進藏人員Ⅱ、進藏人員Ⅲ、世居人員)在調研期間所處室內環境的平均溫度分別為19.3、19.4、19.4、19.8 ℃,對人員所處室內環境溫度進行差異性檢驗,結果顯示P>0.05,人員所處室內環境溫度無顯著差異,因此可認為下述生理適應的差異主要由熱適應水平不同導致。

圖5顯示了3個層級進藏人員與世居人員血氧飽和度的分布狀況。進藏人員Ⅰ、進藏人員Ⅱ、進藏人員Ⅲ、世居人員的血氧飽和度主要分布范圍(取整)分別為85%～87%、91%～93%、91%～93%、90%～95%,血氧飽和度均值分別為86%、92%、92%、92%。通過顯著性分析發現,進藏人員Ⅰ與進藏人員Ⅱ、進藏人員Ⅲ、世居人員的血氧飽和度有極其顯著差異。

注:***表示統計學顯著性水平P<0.001。

圖6顯示了3個層級進藏人員與世居人員心率分布狀況。進藏人員Ⅰ、進藏人員Ⅱ、進藏人員Ⅲ、世居人員的心率(取整)分別為85～100、93～105、71～83、73～90次/min,心率的均值(取整)分別為90、100、79、80次/min。通過顯著性分析發現,進藏人員Ⅰ與進藏人員Ⅱ、進藏人員Ⅱ與進藏人員Ⅲ、進藏人員Ⅲ與世居人員的心率具有極其顯著差異。

注:***表示統計學顯著性水平P<0.001。

進藏人員進入高原后會對高原低溫低氧環境產生應激反應,打破機體內環境的穩定[19]。從上述結果可知:進藏人員Ⅰ的平均心率為90次/min,較在平原時有所增加;平均血氧飽和度為86%,較在平原時大幅降低。因此,可認為進藏人員Ⅰ處于應激代償階段,高原低溫低氧環境的應激反應會幫助機體重新尋求內部平衡,引起機體的紅細胞增加,心率上升[20];進藏人員Ⅱ比進藏人員Ⅰ的心率和血氧飽和度都高,因此可以認為進藏人員Ⅱ處于適應代償階段;隨著熱適應水平的增加,進藏人群心率會有所下降,血氧飽和度逐漸上升,其生理參數會逐漸向當地世居人群靠近,有研究也指出熱習服形成的標志性表現是心率降低、核心體溫降低等[18],由此可認為進藏人員Ⅲ處于基本適應階段。雖然進藏人員對高原環境已有所適應,但“適應”沒有從量變達到“質變”,身體各項機能仍不能與世居人員相提并論。

圖7顯示了3個層級進藏人員與世居人員核心溫度與手腕溫度的分布情況。平原人員初入高原時,人體新陳代謝和呼吸功能發生適應性變化,人體熱平衡發生改變,體溫會有些微不同,但各類人員之間無顯著差異,體溫基本在37 ℃左右。然而缺氧導致皮膚小動脈收縮,血流量減少,作為容量血管的皮膚小靜脈和毛細血管血容量減少,因此進藏人員的手腕溫度比世居人員都低2 ℃左右,且其皮膚表面對環境的敏感度要比其他人群高,不同熱適應水平進藏人員手腕溫度無顯著差異。

圖7 不同熱適應水平進藏人員與世居人員體溫與手腕溫度

2.3.2熱調節行為適應

圖8所示為調研期間受試者所在室內的調溫設備使用狀況。在拉薩冬季,城市地區超過一半的人采用空調和散熱器保障室內的舒適性,但是不同熱適應水平人員其行為調節方式有所不同。熱適應水平低的人更習慣使用空調,熱適應水平高的人習慣使用散熱器,這是因為熱適應水平低的人大多進藏時間較短,更多活動于賓館、民宿、商場等場所。

圖8 進藏人員與世居人員冬季室內調溫設備使用狀況

圖9顯示了冬季拉薩居民服裝熱阻I與操作溫度top的關系,其服裝熱阻集中分布在0.9～1.4 clo。服裝熱阻I世居人群>基本適應階段進藏人員>適應代償階段進藏人員>應激代償階段進藏人員。熱適應水平越高,其服裝熱阻值越大,應激代償階段進藏人員服裝熱阻改變越靈活。這是因為當地常年寒冷,隨著熱適應水平的增強,人們對寒冷的敏感度下降,內心對溫暖環境的期望較大。

2.3.3熱環境主觀評價

圖10所示為進藏人員與世居人員冬季熱感覺投票分布。50%的進藏人員與世居人員認為室內熱感覺適中;應激代償階段進藏人員有22%的人感覺偏暖,有27%的人感覺偏涼,與適應代償階段進藏人員基本一致;基本適應階段進藏人員有35%的人感覺偏暖,有13%的人感覺偏涼;世居人員中,40%的人感覺偏暖,7%的人感覺偏涼。隨著熱適應水平的增強,進藏人員的平均熱感覺投票值從-0.2上升到0.3,可以看出,進藏人員對于高原熱環境的適應主要是對偏冷環境的適應增強。

圖11所示為不同熱適應水平人員對冬季室內熱環境的期望投票結果。隨著熱適應水平增強,人員平均熱感覺上升,但從熱期望總體分布來看,人員中30%～40%期望室內溫度保持不變,超過50%期望室內變得更暖和,僅10%～20%期望室內更涼快一些。可見,冬季藏區人員對溫暖的室內環境具有較為一致的強烈期望。

圖11 進藏人員與世居人員冬季熱期望投票

2.4 藏區不同熱適應水平人員熱需求差異

2.4.1熱中性溫度

圖12顯示了進藏人員與世居人員所處室內操作溫度top與MTS(平均熱感覺投票)的擬合關系。結果表明,應激代償階段、適應代償階段、基本適應階段進藏人員的熱中性溫度分別為19.7、19.3、19.1 ℃,世居人員的熱中性溫度為18.3 ℃。隨著熱適應水平的增強,進藏人員的熱中性溫度逐漸降低,進藏人員與當地世居人員的差異逐漸減小,同時,進藏人員對溫度的敏感度逐漸下降。世居人員在經過漫長的適應后,形態、技能、體成分都發生了變化,已經進化出可以適應高原低溫缺氧環境特有的生理機制。進藏人員雖可以在一定程度上適應當地環境,但仍然與當地世居人員存在差異。

圖12 進藏人員與世居人員室內操作溫度top與 平均熱感覺投票MTS的擬合關系

2.4.2可接受溫度范圍

本文可接受溫度范圍采用間接法計算得出。MTS為-0.5～0.5時得到的空氣溫度范圍就是90%的人可以接受的空氣溫度范圍。MTS為-0.85～0.85 時得到的空氣溫度范圍就是80%的人可以接受的空氣溫度范圍。表5給出了不同熱適應水平進藏人員與世居人員可接受溫度的范圍。世居人員90%可接受溫度范圍較適應代償階段進藏人員寬4 ℃,較應激代償階段進藏人員寬6 ℃。熱適應水平越高,人員的可接受空氣溫度范圍越寬,這是因為隨著熱適應水平的增強,人員的熱敏感度下降,可接受溫度范圍越來越接近世居人員,這也是進藏人員熱適應的體現。

表5 不同熱適應水平進藏人員與世居人員 可接受溫度范圍 ℃

3 結論

營造適宜的室內環境是保障大量內地進藏旅游、工作等人員舒適健康的前提。本研究通過現場調研與聚類分析,明確了進藏人員熱適應層級劃分與熱需求特征,主要結論如下:

1) 進藏人員的適應性受其熱氧環境暴露經歷與個體差異的影響有別于平原。根據進藏人員來源地海拔、來源地氣候、進藏時間、血氧飽和度、心率這5個指標的聚類分析表明,進藏人群根據適應演進水平可劃分為應激代償、適應代償、基本適應3個層級。在人員層級結構上,進藏時間是影響人體熱適應的突出因素,適應水平越高的人員普遍進藏時間更久。

2) 進藏人員在生理、心理、行為方面均反映出熱適應的演進過程并逐漸趨近高原世居人員。生理方面,進藏人員血氧飽和度均值可上升到93%,心率均值可下降到79次/min;心理方面,其對偏冷環境的適應水平明顯逐漸增強,平均熱感覺投票從-0.2上升到0.3;行為方面,熱適應水平越高,其服裝熱阻值越大,處于初步適應層級的應激代償階段人員服裝熱阻改變更靈活。

3) 處于應激代償、適應代償、基本適應階段的進藏人員,其熱中性溫度分別為19.7、19.3、19.1 ℃,均高于世居人員的熱中性溫度(18.3 ℃)。總體可見,隨著對高原環境適應水平的持續演進與增強,人體熱中性溫度逐漸降低,進藏人員與高原世居人員的差異逐漸減小;世居人員90%可接受溫度范圍較適應代償階段進藏人員寬4 ℃,較應激代償階段進藏人員寬6 ℃,熱適應水平越高,人群可接受的室內溫度范圍越寬。