文献引用格式:崔岳玲,王艺霈.不同低温环境对中老年人体热生理影响[J].纺织科技进展,2024,46(5):25-31.

不同低温环境对中老年人体热生理影响

崔岳玲,王艺霈

(上海三枪(集团)有限公司,上海200051)

第一作者:崔岳玲(1977—),女,硕士,研究方向为服装功能性产品开发、市场营销。

摘 要:针对现有研究对低温环境下中老年人体热反应研究的不足,探讨低温条件下中老年人的热生理特征与热舒适性问题。通过在10℃和0℃的环境下考察穿着基础服装的中老年受试者的热生理和心理变化,对比分析男性与女性的反应差异。研究结果表明,在10℃及0℃条件下,性别差异显著,尤其是运动和站立后的体温及湿感变化,表明需针对性别制定差异化的保暖及湿度管理策略,为中老年运动着装的设计提供基础数据。

关键词:低温环境;中老年人;保暖内衣;体温调节;热湿舒适性

随着公众对户外运动和健康意识的增强,越来越多的中老年人参与户外活动[1]。与年轻人相比,中老年人身体机能减退和生理变化,体温调节能力更弱,对冷的敏感度更高,在秋冬季进行户外活动时更易受低温影响,可能出现冻伤和失温等冷损伤症状[2-3],冷相关疾病对他们的健康构成了严重威胁[4-6]。为了维持稳定体温,首先需要穿着合适的服装。因此,了解和改善中老年人在寒冷环境中的热生理反应,降低其发病率并提高生活质量至关重要[7]。然而,当前关于中老年人群在低温条件下的着装热湿舒适性研究还相当有限。    

当前服装热舒适性研究中的着装人体多为年轻人群体,中老年群体的热生理反应研究仍然缺乏。例如,Li等[8]专注于常温下年轻人穿着医用防护服的热湿舒适性,张昭华等[9]探讨了寒冷环境中电加热服对年轻人的热舒适影响,李宁宁等[10]研究了高温环境下青年女性的皮肤湿敏感性分布。在低温环境下,人体的热调节和反应特征显著不同于常温或高温环境,特别是在运动时,高代谢产热和出汗可能同时导致过热和过冷的问题[11]。在低温环境中进行体育锻炼,无论是高强度运动导致的体温升高还是低强度运动造成的体温降低,都需要详细研究,以便更好地理解中老年人在这些条件下的热反应机制及其影响规律[12-13]。

模拟0℃和10℃2种低温环境,通过真人着装试验测试分析中老年群体在冷环境下的热生理和热心理特征,为后续中老年运动着装中各品类服装的季节/气候细分、款式个性化和功能分区等方面的研发设计提供参考依据。

1 试验部分

1.1 试验对象

试验招募了若干名(男女各半)健康的中老年受试者(均符合相关规定)。其中,男性年龄为(47.60±2.41)岁,身高为(1.76±0.01)m,体重为(77.60±3.91)kg,BMI指数为(25.17±1.29)kg/m2;女性年龄为(50.60±1.52)岁,身高为(1.63±0.03)m,体重为(53.25±2.06)kg,BMI指数为(20.18±1.13)kg/m2。所有受试者身体状况良好,无重大呼吸系统或心血管疾病,且近6个月内未服用过任何激素类药物。

1.2 试验服装

参照上海居民的实际穿着习惯,保持人体热中性状态同时适应日常生活,结合试验条件和活动强度,确定了2套统一的试验服装组合。在0 ℃的环境中,受试者的服装组合包括内裤、内衣、秋衣秋裤、起绒的双面针织运动裤、羽绒服、长款厚袜子以及皮革鞋面的运动鞋,以适应低温环境。在10 ℃的环境下,服装组合调整为内裤、内衣、秋衣、运动裤、运动衫、短款薄袜子以及皮革网眼拼接面的运动鞋,适合偏冷环境。    

1.3 试验条件

试验在一个温湿度可控的人工气候舱内进行,该气候舱的尺寸为5m×5m×2.5m。准备室的温度保持在约18℃。根据上海秋冬季节的气温特征,设定了2个温度点:10℃以模拟秋季偏冷环境,0℃以模拟冬季低温环境。气候舱相对湿度设定为(50±5)%,风速设定为(0.4±0.1)m/s。

采用了国际广泛认可的《身体活动汇编》中定义的“代谢当量”(Metabolic Equivalent,MET)[10]来评估身体活动的强度,针对中老年群体的日常生活及轻量级运动情况,将活动强度划分为低强度(2 MET,即3.2km/h)和中等强度(4 MET,即5.5km/h)2 个级别。

1.4 测试指标

试验过程中,监测了核心温度、心率、平均皮肤温湿度等热生理指标,以及热感觉投票、湿感觉投票和热舒适投票等热心理指标。使用非侵入式核心温度监测仪(CORESensor,精度±0.21℃)测量核心温度;心率则通过心率带(PolarH10,精度±1bpm)实时监测。皮肤温湿度测量采用iButton温度传感器(DS1922L),传感器分布在受试者身体的8个部位:前额、右肩胛、左上胸、右上臂、左下臂、左手、右前腿和左小腿,以每30s间隔进行局部皮肤温度测量。人体平均皮肤温度通过8个测量点的皮肤温度加权平均值计算得出[9]。

人体热感觉采用定期问卷调查形式,每5min由实验人员询问受试者并记录答案。问卷使用的评价量表为:7级热感觉评价量表(-3———非常冷、-2———冷、-1———稍冷、0———适中、1———稍热、2———热、3———非常热);5级湿感觉评价量表(-1———有点干燥、0———适中、1———有点湿、2———湿、3———非常湿);5级热舒适评价量表(-2———难以忍受、-1———很不舒适、0———适中、1———稍不舒适、2———舒适)。

1.5 试验流程

开始前,受试者在准备室中穿好试验服装静坐40min,以达到接近热中性的状态。随后,受试者进入低温环境舱,并在跑步机上进行不同强度的活动模拟,包括站立、慢走和快走等。整个过程总时长为60min,分为3个主要阶段:完成初始的10min站立后,受试者以3.2km/h的速度慢走10min,继而以5.5km/h的速度快走10min,再重复一次这20min的运动周期;最后,受试者进行10min的站立恢复期。整个试验流程如图1所示。在试验过程中,持续监测受试者的生理状况,以确保安全。为确保数据的准确性,每位受试者在参加不同条件的试验之间应至少间隔一周,并且应安排在相同的时间段进行,以维持一致性。

图1 试验流程    

1.6 统计分析

结果均以平均值±标准偏差的形式展示。采用SPSS27.0统计软件,分析了受试者的热生理指标(核心温度、皮肤温湿度和心率)与主观评价(热感觉、湿感觉、热舒适投票)之间的相关性,确定显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 热生理参数变化

2.1.1 核心温度

核心体温是评估人体热状态的关键生理指标。受试者在不同环境温度下的核心体温变化如图2所示。在初始站立稳定阶段,受试者的核心体温保持相对稳定;在运动阶段,核心体温显著上升;在恢复阶段,核心体温趋于稳定,通常高于起始水平。在10 ℃的环境中,男性与女性受试者的核心体温升温模式相似;而在0℃的环境下,女性受试者的核心体温上升幅度相对男性更缓和。结果表明,环境温度对核心体温的调节有显著影响,且性别差异在不同温度条件下可能会影响体温的调节机制。

2.1.2 心 率

心率是与人体代谢和生理调节密切相关的指标,随温度变化而波动。图3为试验中不同环境温度下心率随时间的变化。在静立稳定期间,受试者的心率基本保持稳定。无论是在10℃还是在0℃环境下,心率在运动期都显著升高,这反映了受试者对运动负荷的生理反应。在恢复期,尽管心率有所下降,但多数受试者的心率仍然高于初始的静立稳定期水平。值得注意的是,在10℃的环境下,男性和女性受试者的心率上升趋势大致相似;在0℃的环境下,男性受试者的心率上升幅度略高于女性,这表明在较冷的环境中,男性的心率反应更为敏感。    

图2 不同环境温度下核心温度变化

图3 不同环境温度下心率变化

2.1.3 平均皮肤温度

图4为不同环境温度下受试者的平均皮肤温度随时间的变化趋势。在静立稳定期,受试者表现出较高的平均皮肤温度,反映了运动前的正常生理状态。运动期间,平均皮肤温度开始下降,这可能由于运动引发的血液向身体核心部位转移,以支持肌肉活动,导致皮肤表面血液循环减少。在10℃的环境下,男性和女性受试者的平均皮肤温度下降趋势相似;在0 ℃的环境下,温度下降更为显著,这可能是由于较低的环境温度加剧了热量的散失。恢复期间,受试者的平均皮肤温度虽有所回升,但一般仍低于初始的静立稳定期水平,表明运动后皮肤血管的血流量未能完全恢复至运动前状态。    

图4 不同环境温度下平均皮肤温度变化

2.1.4 平均皮肤相对湿度

图5为不同环境温度下,受试者平均皮肤相对湿度的变化。在初始静立稳定期,受试者的平均皮肤相对湿度较高,反映了运动前的正常生理状态。运动期间,尤其是在约30min时从快走切换至慢走,平均皮肤相对湿度的变化最为显著,呈现出快速上升的趋势。在10℃的环境下,男性和女性受试者的相对湿度下降趋势相似;在0℃的环境下,相对湿度的上升更显著。恢复期中,平均皮肤相对湿度略有下降,但仍高于起始水平,表明即使运动结束后,皮肤表面的汗液也未完全蒸发。

图5 不同环境温度下平均皮肤相对湿度变化

2.2 主观参数变化

2.2.1 热感觉投票

图6为受试者在0 ℃和10 ℃环境下的热感觉评分变化。2个低温环境下,受试者的热感觉评分均随时间发生显著变动。试验初期,受试者报告的热感觉评分普遍偏低,反映从凉爽到寒冷的感受;行走阶段的评分略升,尤其是在10 ℃环境中的女性受试者,表现出更为明显的增长,而男性受试者在2种温度条件下的评分较为稳定;在恢复阶段,虽然所有受试者的评分有所降低,但整体仍处于适中至稍暖范围。    

图6 不同环境温度下热感觉投票变化

相对于0℃,受试者在10℃环境中热感觉评分普遍较高,可见此温度下人体更容易维持热平衡。男性受试者在2种温度下的评分呈现出稳定性;相较而言,女性受试者在10℃环境下的热感觉明显好于0 ℃环境,表明中老年女性在稍微温和的低温条件下对热更敏感,且更易感到热舒适。

2.2.2 湿感觉投票

中老年受试者在0 ℃(低温)和10 ℃(偏冷)环境下的湿感觉投票如图7所示。在初始10min静立适应期,湿感觉评分较低,表明皮肤处于干燥状态。在随后40min的交替行走中,2种环境温度下受试者的湿感觉评分均呈现逐步上升趋势,其中10℃环境下的上升更为显著,反映出较高环境温度下人体活动强度增大导致汗液分泌增多。在静立恢复期,湿感觉评分达到峰值后略有下降,但整体高于初始阶段,表明运动后受试者体表的湿润状态持续存在。特别是,0 ℃下女性的湿感觉评分在恢复期下降,而在10℃环境下保持较高,表示在较冷的环境中,女性体验更强烈的持续湿感。与此相对,男性受试者在这2种温度下的湿感觉变化较为稳定,说明男性在这些温度范围内的汗液分泌及湿感知能力较为均匀。    

图7 不同环境温度下湿感觉投票变化

2.2.3 热舒适投票

试验期间受试者的热舒适投票变化如图8所示,评分变动有限。在初始10min静立适应期,大多数受试者报告接近0分的热舒适度评分,表明他们在2种温度下均感觉相对舒适。然而,在交替行走运动期,热舒适度评分略有降低,尤其在0℃环境中,活动期间舒适度下降。静立恢复期间,热舒适度评分有所提高,但在0℃下仍低于起始水平,在10℃环境下基本恢复至初始状态。中老年女性受试者在2种温度下的热舒适度评分普遍高于男性,表示女性在低温和偏冷环境下对热舒适的感知更敏感。尽管有性别差异,受试者的评分均未显著降至极端不舒适等级,表明测试的温度范围在热舒适度上仍在可接受范围内。    

图8 不同环境温度下热舒适投票变化

2.3 生理参数与主观反应的关系

相关性分析用于衡量2个或多个变量之间的关系强度。为探讨主客观参数间的关系,该研究对以下变量进行了皮尔逊相关性分析:核心温度(Tre)、平均皮肤温度(Tsk)、平均皮肤相对湿度(Tsh)、心率(HR)、热感觉投票(TSV)、湿感觉投票(WSV)以及热舒适投票(TCV)。相关性分析结果如图9所示。    

图9 生理与主观参数相关性分析

在0℃的环境下,核心温度与平均皮肤温度呈极强的负相关(r=-0.898,p <0.01),而与平均皮肤相对湿度呈强正相关(r=0.939,p <0.01)。此外,核心温度与湿感觉投票之间也显示出强正相关(r=0.900,p <0.01)。热感觉投票与湿感觉投票之间的相关性非常显著(r=0.878,p <0.01)。在10 ℃的环境下,核心温度与平均皮肤温度的负相关性略有减弱(r =-0.830,p <0.01),而与平均皮肤相对湿度的正相关性保持强劲(r=0.923,p <0.01)。与0℃环境相比,热感觉投票与湿感觉投票的相关性有所下降,但仍显著(r=0.943,p <0.01)。这些结果揭示了不同温度条件下人体生理参数与感觉投票之间的相关性。特别是,核心温度与皮肤温度、皮肤相对湿度之间存在显著的相关性,而感觉投票(包括热感和湿感)也与这些生理参数紧密相关。这些发现对于理解人体在不同环境条件下的热适应机制具有一定意义。

3 讨 论    

探讨了低温环境下中老年人体热生理及心理反应的特点和规律,为理解低温环境下的中老年人体反应提供了新的数据。结果显示,在整体上,受试者核心温度在试验过程中呈现稳定—上升—下降的趋势,且始终处于安全范围内。运动时,体热的产生与散热达到平衡,心率与活动水平呈现正相关,但也保持在安全范围。此外,通过监测皮肤温湿度,发现在不同低温环境下,男性与女性的热生理响应存在明显差异。

在局部差异方面,不同性别在低温环境下的体感反应具有显著不同,尤其是在皮肤的温湿度变化上。如在0℃环境下,女性的皮肤湿度变化较大,而男性的变化较为一致。此外,无论是在10 ℃还是0 ℃环境下,女性一开始感觉较冷,尤其是上半身,而运动后则感觉偏热,湿感增强。男性受试者的感觉变化与此相似,但湿感持续时间更长。

由于最贴近人体皮肤的内衣对人体向外的热湿传递以及热湿感觉有最直接的影响,试验还特别关注了中老年人群内衣的热湿舒适性。分析表明,尽管当前保暖内衣在保持热生理安全方面表现良好,但在提升热湿舒适性方面仍有改进空间。基于实验数据,建议未来的功能内衣设计可以考虑以下几点:一是温度适应型设计,以适应不同的气候条件;二是考虑性别差异,满足不同需求;三是对特定部位进行局部优化,提升保暖性和吸湿排汗功能。

4 结 论

通过在10 ℃和0 ℃的环境下考察穿着基础服装的中老年受试者的热生理和心理变化,对比分析了男性与女性的反应差异,为中老年运动着装的设计提供了基础数据。

(1)在整体特征方面,受试者核心体温呈现出稳定—上升—下降的趋势,并维持在安全水平内。运动期间,体温的产生与散热达成平衡。心率随活动水平的变化而变化,但保持在安全范围内。在局部差异方面,男女受试者在不同环境条件下皮肤温湿度的生理响应存在差异。    

(2)在主观评价方面,女性受试者初始时感觉更偏冷,尤其是在上半身,而运动后转变为感觉偏热且更为湿润;男性受试者展现出相似的感觉变化模式。两性在0℃环境下的感觉变化幅度更大,这提示在较冷的环境下需要改进着装前胸区域的透气性和吸湿排汗性能。

(3)性别差异在温度感知和湿度调节方面显著,在0℃环境下更为明显。中老年男性和女性在核心体温间存在显著差异;心率与热舒适度的投票在2种环境下均显示性别差异。这强调了性别差异在中老年运动着装设计中需要加以重视,以更好地满足中老年人群的热舒适性和生理需求。    

参考文献见《纺织科技进展》2024年第5期。

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