室內(nèi)環(huán)境中口罩對(duì)人體熱反應(yīng)的影響

王麗娟，左國棟，張盟盟

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

口罩是重要的個(gè)人防護(hù)設(shè)備，尤其在傳染病流行時(shí)期[1]。2019年末，新冠肺炎疫情的爆發(fā)，使得口罩在日常防護(hù)中應(yīng)用更加普遍。嚴(yán)重的病毒性呼吸道傳染病對(duì)口罩及面罩的使用產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用[2]?？谡纸Y(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜且能有效阻止病毒傳播[3]，在疫情期間對(duì)民眾的生命健康起到了很好的保護(hù)作用。然而，環(huán)境溫度較高時(shí)佩戴口罩會(huì)增加人們的不舒適感。

防護(hù)性口罩總體舒適度分為熱舒適度和呼吸設(shè)計(jì)舒適度。其中呼吸設(shè)計(jì)舒適度，可以通過調(diào)整口罩表面材料以及口罩整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行提高，因而防護(hù)性口罩表面材料和設(shè)計(jì)對(duì)整體舒適性有顯著影響[4]?？谡謨?nèi)微環(huán)境空氣溫度提高了口罩覆蓋的面部皮膚的溫度，面部熱感覺又對(duì)全身熱感覺造成影響，即口罩的熱舒適度。影響顯著的原因是來自面部到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的傳入沖動(dòng)，可能比來自其他區(qū)域的傳入沖動(dòng)權(quán)重更大[5]?？谡指采w下微室內(nèi)空氣溫度上升的同時(shí)，二氧化碳濃度也會(huì)上升，由此帶來的窒息感增強(qiáng)了熱不舒適感。在溫和環(huán)境中，由于佩戴口罩導(dǎo)致的面部蓄熱量有限，使用口罩帶來多余熱量和溫暖感覺大部分來自于心理因素[4]。KIM等在高溫高濕環(huán)境下，評(píng)估了N95和P100型過濾口罩，探究其在生理和主觀反應(yīng)方面的差異。結(jié)果表明：受試者佩戴2種類型口罩在跑步機(jī)行走時(shí)，直腸溫度、平均皮膚溫度、熱感覺均無顯著性差異[6]。MEYER等研究表明，在空氣平均溫度為18 ℃的工作環(huán)境中，佩戴呼吸保護(hù)裝置的可接受持續(xù)時(shí)間約為1 h，而且隨著空氣溫度的升高，舒適感降低[7]。環(huán)境變化引起的熱不舒適會(huì)影響工作效率[8]，同時(shí)，室溫升高會(huì)加劇病態(tài)建筑綜合癥，降低空氣品質(zhì)，間接影響工作效率[9]。當(dāng)代社會(huì)工作性質(zhì)的變化，使得辦公人員的工作效率對(duì)整個(gè)社會(huì)生產(chǎn)力的影響越來越大,因而研究口罩對(duì)辦公環(huán)境下人群的熱舒適規(guī)律具有重要意義。

為了避免個(gè)體差異引起的實(shí)驗(yàn)誤差，本研究采用文獻(xiàn)[10]提出的辦法，對(duì)不同熱偏好人群進(jìn)行篩選，選擇中性熱偏好人群為受試者。環(huán)境溫度設(shè)定為中性熱環(huán)境(To1=26 ℃)以及偏熱環(huán)境(To2=32 ℃)模擬辦公環(huán)境?？谡诸愋陀嗅t(yī)用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩。測試受試者核心溫度(Tc)、心率、局部皮膚溫度(Tsk)及熱感覺投票(TSV)和熱舒適投票(TCV)，探究上述3種口罩在同一操作溫度(To)下對(duì)人體整體熱反應(yīng)影響的差異。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 熱偏好區(qū)分及受試者信息

文獻(xiàn)[10]研究表明，即使性別和年齡段相同，人們?nèi)匀淮嬖跊銎?、中性偏好和暖偏好，且各偏好組之間的生理參數(shù)和心理參數(shù)存在顯著性差異。為了避免受試者自身熱偏好差異產(chǎn)生的誤差，本次實(shí)驗(yàn)選擇中性偏好男女受試者各7名。受試者年齡、身高、體質(zhì)量、體質(zhì)指數(shù)(BMI)見表1。

表 1 受試者基本信息

受試者身體健康，無抽煙、飲酒、長期熬夜等習(xí)慣；參加實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)無劇烈運(yùn)動(dòng)，保持正常的作息時(shí)間和飲食習(xí)慣。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)主要模擬夏季熱環(huán)境工況，在氣候室內(nèi)進(jìn)行。環(huán)境工況設(shè)定為中性熱環(huán)境(26 ℃)以及偏熱環(huán)境(32 ℃)等2種。人工氣候室內(nèi)風(fēng)速低于0.2 m/s,相對(duì)濕度(RH)約為60%。實(shí)驗(yàn)選用口罩類型為醫(yī)用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩，其樣式見圖1，具體參數(shù)見表2。

圖 1 實(shí)驗(yàn)選用口罩

表 2 口罩具體參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，選取平均皮膚溫度、心率和核心溫度作為人體熱生理參數(shù)；選取熱感覺投票(見表3)和熱舒適投票(見表4)作為主觀反應(yīng)指標(biāo)。其中平均皮膚溫度Tsk的計(jì)算公式[11]為

Tsk=0.34t1+0.13t2+0.33t3+0.18t4

(1)

式中：t1～t4分別代表身體的胸、手臂、大腿、小腿等部位的溫度，℃。

表 3 熱感覺投票(TSV)[12]

表 4 熱舒適投票(TCV)[12]

為減少受試者生活節(jié)律對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，本實(shí)驗(yàn)選擇下午進(jìn)行。焓差實(shí)驗(yàn)室位于西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，該實(shí)驗(yàn)室由控制室和人工氣候室2部分組成,能夠精確控制干球溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)。其中,干球溫度的控制范圍為0～40 ℃,精度為±0.3 ℃；相對(duì)濕度的控制范圍為15%～85%,精度為±4%；風(fēng)速的控制范圍為 0.1～2 m/s,精度為0.3 m/s。實(shí)驗(yàn)開始前4 h，要求受試者口服Coretemp傳感器，以確保傳感器測試溫度為直腸溫度。開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，為排除服裝熱阻不同引起的誤差，受試者統(tǒng)一穿著熱阻為0.6clo的服裝。待環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定，依次佩戴醫(yī)用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩。每個(gè)工況持續(xù)檢測45 min。當(dāng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄受試者核心溫度、皮膚溫度、心率以及受試者的主觀熱感覺和熱舒適。核心溫度采用CoreTemp膠囊裝一次性傳感器測量，皮膚溫度采用日本精度電子(KEM)生產(chǎn)的多通道熱流計(jì)測試，心率測試采用動(dòng)態(tài)心電記錄器DMS300-4A。

2 結(jié)果與分析

采用ANOVA方法檢驗(yàn)了中性環(huán)境和偏熱環(huán)境下，男性和女性佩戴3種不同類型口罩在核心溫度、平均皮膚溫度、心率、整體熱感覺和整體熱舒適方面的顯著差異，顯著性水平設(shè)置為0.05[13]，并進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)。比較受試者佩戴不同類型口罩各項(xiàng)生理參數(shù)及主觀感受差異。

2.1 生理參數(shù)

2.1.1 人體核心溫度 圖2為幾種狀態(tài)下核心溫度(Tc)測量結(jié)果。由圖2可知：2種操作溫度下(To1=26 ℃、To2=32 ℃)，男性和女性佩戴醫(yī)用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩，其核心溫度無顯著性差異(p>0.05)，且同種操作溫度下男女間也沒有顯著性差異(p>0.05)。同一工況下，女性核心溫度高于男性，且核心溫度標(biāo)準(zhǔn)差也大于男性。女性受試者佩戴不同口罩時(shí)，核心溫度變化比男性更明顯?？梢姡谡謱?duì)人體熱反應(yīng)的影響，女性比男性更敏感。操作溫度由26 ℃升至32 ℃，無論男性或者女性，未戴口罩、戴醫(yī)用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩，核心溫度均先降低后升高。其他研究在未佩戴口罩狀態(tài)下，也發(fā)現(xiàn)核心溫度這種規(guī)律[14]。文獻(xiàn)[15]給出解釋是，受試者走到實(shí)驗(yàn)室靜坐后，活動(dòng)水平降低導(dǎo)致代謝率降低，無論實(shí)驗(yàn)工況是升溫還是降溫，前 2 h受試者的核心溫度均會(huì)降低。操作溫度為32 ℃時(shí)，男性核心溫度變化幅度小于女性，這是因?yàn)榕詫?duì)環(huán)境溫度更加敏感[16]，且高溫工況下差異愈發(fā)明顯。所以，佩戴不同類型口罩狀態(tài)下，女性核心溫度的變化速率快于男性。受試者未戴口罩、佩戴醫(yī)用外科口罩和普通棉布口罩時(shí)，偏熱環(huán)境(To2=32 ℃)的核心溫度均低于中性環(huán)境(To1=26 ℃)；然而，當(dāng)受試者佩戴N95口罩時(shí)，偏熱環(huán)境(To2=32 ℃)的核心溫度卻高于中性環(huán)境(To1=26 ℃)。由此說明，實(shí)驗(yàn)測試核心溫度先降低后升高的規(guī)律，并不適用于N95口罩工況。原因是N95口罩透氣性比其他口罩差，阻礙受試者呼吸散熱導(dǎo)致核心溫度升高。

圖 2 佩戴與未佩戴口罩狀態(tài)下的核心溫度

2.1.2 平均皮膚溫度 圖3為幾種狀態(tài)下平均皮膚溫度測量結(jié)果。由圖3可知：2種操作溫度(To1=26 ℃、To2=32 ℃)下，男性佩戴醫(yī)用外科口罩和普通棉布口罩時(shí)，平均皮膚溫度有顯著性差異(p<0.05)；女性佩戴醫(yī)用外科口罩(p<0.01)、普通棉布口罩(p<0.05)、N95口罩(p<0.01)時(shí)，平均皮膚溫度亦有顯著性差異。To2=32 ℃時(shí)，女性佩戴醫(yī)用外科口罩、普通棉布口罩和N95口罩與未佩戴口罩狀態(tài)的平均皮膚溫度均有顯著性差異(p<0.01)，而同種工況男女間皮膚溫度未發(fā)現(xiàn)顯著性差異。To2=32 ℃時(shí)，女性佩戴口罩狀態(tài)相比較于未佩戴口罩狀態(tài)，平均皮膚溫度顯著升高。表明偏熱環(huán)境下女性局部熱刺激對(duì)平均皮膚溫度的影響大于男性，女性對(duì)溫度變化、維持皮膚溫度穩(wěn)定的能力弱于男性。相較于男性，女性平均皮膚溫度受是否佩戴口罩影響較大，不同類型口罩間平均皮膚溫度差異亦較大。

圖 3 佩戴與未佩戴口罩狀態(tài)下的平均皮膚溫度

2.1.3 心率 圖4為未佩戴與佩戴3種口罩狀態(tài)下心率測試結(jié)果。由圖4可知：2種操作溫度(To1=26 ℃、TO2=32 ℃)下，男性和女性佩戴3種口罩狀態(tài)的心率無顯著性差異(p>0.05)。與未佩戴口罩狀態(tài)相比，男性佩戴醫(yī)用外科口罩狀態(tài)在To1=26 ℃時(shí)，心率基本不變；男性佩戴醫(yī)用外科口罩狀態(tài)的心率在To2=32 ℃時(shí)輕度增加。女性在To1=26 ℃時(shí)，佩戴醫(yī)用外科口罩與未佩戴口罩相比，心率增加。靜坐狀態(tài)的心率變化規(guī)律，與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)心率變化規(guī)律一致[17]。綜上，在中性熱環(huán)境(To1=26 ℃)的靜坐狀態(tài)，男性和女性佩戴醫(yī)用外科口罩的心率輕微增加，佩戴普通棉布口罩和N95口罩的心率輕微減小；偏熱環(huán)境(To2=32 ℃)時(shí)，男性佩戴3種口罩，心率均輕微增加，女性心率基本持平。在偏熱環(huán)境中，男性通過呼吸散熱的頻率加快，耗氧量增大，口罩帶來的呼吸阻力使受試者難以呼吸和吸收足夠的氧氣，缺氧會(huì)刺激交感神經(jīng)系統(tǒng)，并增加心率[18]。由于男女需氧量的差別，男性心率增加較為明顯。

圖 4 佩戴與未佩戴口罩狀態(tài)下的心率

2.2 主觀反應(yīng)

2.2.1 熱感覺 圖5為未佩戴與佩戴3種口罩狀態(tài)下熱感覺測試結(jié)果。由圖5可知：中性熱環(huán)境下(To1=26 ℃)，男性佩戴N95口罩與未佩戴口罩(p<0.01)、佩戴醫(yī)用外科口罩(p<0.05)狀態(tài)熱感覺有顯著性差異，女性與男性差異性一致。偏熱環(huán)境下(To2=32 ℃)，男性佩戴N95口罩與未佩戴口罩(p<0.01)、佩戴醫(yī)用外科口罩(p<0.01)狀態(tài)熱感覺有顯著性差異(p<0.05)，男性佩戴普通棉布口罩與佩戴醫(yī)用外科口罩、未佩戴口罩狀態(tài)亦有顯著性差異；女性佩戴N95口罩與佩戴普通棉布口罩(p<0.05)、醫(yī)用外科口罩(p<0.001)、未佩戴口罩狀態(tài)(p<0.001)熱感覺也有顯著性差異，女性佩戴普通棉布口罩與佩戴醫(yī)用外科口罩(p<0.05)、未佩戴口罩(p<0.05)狀態(tài)也有顯著性差異。受試者佩戴不同類型口罩主觀熱感覺差異的顯著性強(qiáng)于生理參數(shù)，各工況下，主觀熱感覺出現(xiàn)顯著性差異的次數(shù)多于生理參數(shù)。其原因是受試者佩戴口罩時(shí)吸入空氣中二氧化碳含量較高，二氧化碳水平的增加導(dǎo)致受試者心理恐慌。心理恐慌的一些癥狀包括潮熱和出汗，這些額外的生理變化增強(qiáng)了主觀熱感受，進(jìn)而增加口罩佩戴帶來的熱負(fù)荷[4]。

圖 5 佩戴與未佩戴口罩狀態(tài)下的熱感覺

2.2.2 熱舒適 圖6為幾種狀態(tài)下熱舒適性測試結(jié)果。由圖6可知：中性熱環(huán)境下(To1=26 ℃)，女性佩戴N95口罩(p<0.05)與未佩戴口罩狀態(tài)熱舒適有顯著性差異。偏熱環(huán)境(To2=32 ℃)下，男性和女性佩戴N95口罩(p<0.01)、普通棉布口罩(p<0.05)與未佩戴口罩狀態(tài)熱舒適有顯著性差異。此外，女性佩戴N95口罩(p<0.05)與佩戴醫(yī)用外科口罩狀態(tài)熱舒適也有顯著性差異。女性佩戴不同類型口罩在中性熱環(huán)境中，其熱舒適有顯著性差異。在偏熱環(huán)境中，男性和女性佩戴不同類型口罩的熱舒適差異更加顯著?？梢?，受試者不舒適的主觀感受隨著熱應(yīng)激的增加而顯著增加[19]。2種操作溫度下，受試者佩戴醫(yī)用外科口罩、普通棉布口罩、N95口罩熱不適感升高,而N95口罩帶來更劇烈的熱不適感[20]。不同類型口罩間，熱舒適出現(xiàn)顯著性差異的工況少于熱感覺出現(xiàn)顯著性差異的工況。

圖 6 佩戴與未佩戴口罩狀態(tài)下的熱舒適

3 結(jié) 論

1) 2種操作溫度下，未佩戴口罩、佩戴醫(yī)用外科口罩、普通棉布口罩和N95口罩4種狀態(tài)比較，受試者的核心溫度、心率沒有顯著性差異，而熱感覺、熱舒適存在有顯著性差異，平均皮膚溫度只有女性在偏熱環(huán)境下有顯著性差異。

2) 2種操作溫度(26 ℃和32 ℃)間，受試者平均皮膚溫度在女性佩戴3種口罩和男性佩戴醫(yī)用外科口罩、普通棉布口罩狀態(tài)下，存在顯著性差異，男性出現(xiàn)顯著性差異的工況小于女性。

3) 同一操作溫度，男性平均皮膚溫度、熱感覺和熱舒適出現(xiàn)差異性的工況小于女性，顯著性弱于女性。關(guān)于口罩在低活動(dòng)水平對(duì)人體生理和心理的影響，女性比男性更敏感。

4) 不同類型口罩對(duì)人體熱舒適和熱感覺有影響。偏熱環(huán)境(32 ℃)下，透氣性較差的N95口罩讓受試者感覺最熱且最不舒適，然后依次是普通棉布口罩和醫(yī)用外科口罩。