佩戴口罩對行人室外熱安全和熱舒適影響探究

焦嬌，胡蓉，謝泳欣，方趙嵩 ， 劉建麟

（1. 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海，201620；2. 清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)系，北京，100089；3. 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州，510006）

0 引言

工業(yè)化加劇了城市空氣污染，同時城市高密度建設(shè)和建筑用能增大也帶來了城市熱島問題［1］。市民在戶外進(jìn)行游憩活動時更利于激發(fā)正面情緒，促進(jìn)身心健康［2］。同時，適當(dāng)?shù)赝獬鲆材芙档涂照{(diào)和人工照明的使用頻率，進(jìn)而減少建筑能耗［3］。因此，營造健康舒適的室外環(huán)境是提高城市宜居性的關(guān)鍵之一。

室外熱舒適受到環(huán)境因素、人員生理因素和心理因素的直接影響［4］。近年來，影響室外熱舒適的因素的研究已在不同地區(qū)開展，且不同季節(jié)影響室外熱舒適的主導(dǎo)熱環(huán)境參數(shù)也不同［5］。在夏熱冬暖地區(qū)的香港展開的研究［6］表明人們對于風(fēng)的變化更加敏感。在熱帶地區(qū)的新加坡則表明了濕度是影響熱舒適和熱感覺最重要的因素［7］。Liu等［8］通過機器學(xué)習(xí)對不同熱環(huán)境條件和受試者皮膚溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，表明可以通過監(jiān)測人體皮膚溫度來獲取受試者的室外熱舒適信息。Zhang等［9］指出了在預(yù)測室外熱舒適時需考慮代謝率的變化。同時，Wang等［10］報道了人員心理因素在影響熱舒適與熱感覺中也發(fā)揮著重要作用?？焖倬_地對人體熱舒適進(jìn)行預(yù)測和評價往往是眾多現(xiàn)行熱舒適指標(biāo)的關(guān)注點，它也是熱安全研究的重要內(nèi)容之一。彭婷等［11］通過標(biāo)準(zhǔn)有效溫度（SET）評價廣州某圖書館的熱舒適性，結(jié)果表明閱覽室與中庭閱覽空間熱環(huán)境相差較大。眾多熱舒適指標(biāo)中生理等效溫度（PET）被廣泛應(yīng)用于評價室外熱舒適［12］， 劉建麟等［13］模擬了建筑架空區(qū)周圍的風(fēng)環(huán)境，并結(jié)合PET給出了行人的熱舒適分布。

近期，霧霾、流行病的爆發(fā)促使阻斷氣載污染傳播再次成為熱點［14］， 大多數(shù)學(xué)者如陳等［15］主要關(guān)注口罩對病毒與污染物的防護性能，特別是給出了不同材料對口罩防護性能的影響。2020年初疫情爆發(fā)后，城鎮(zhèn)居民外出購物、通勤等日常活動時已習(xí)慣佩戴口罩，這給探究行人室外熱舒適提出了新挑戰(zhàn)。近年來也有一些研究報道了口罩對人體熱舒適的影響，Lin等［16］評估了在室內(nèi)佩戴口罩者的熱負(fù)荷。Zhang等［17］在氣候室展開實驗并得出環(huán)境溫度的升高，佩戴醫(yī)用外科口罩對人們熱感覺、熱安全和呼吸舒適的影響較強。然而，佩戴口罩對于熱安全和熱舒適的影響尚未深入探究。本文從佩戴口罩者的熱感覺與熱安全的視角出發(fā)，通過開展室外熱環(huán)境測試和受試者問卷調(diào)研探究口罩對其室外熱舒適性的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗地點

在夏熱冬冷氣候典型城市上海的某大學(xué)校園內(nèi)開展環(huán)境參數(shù)實測及受試者主觀問卷調(diào)研。測試及調(diào)研周期為2020年11月7日至2020年12月6日。如圖1所示，受試者從起點1出發(fā)途經(jīng)地點2到終點3，再原路折返回起點1，共660米。

圖1 實測及問卷地點

1.2 實測儀器

在起點和終點分別放置一臺HOBO微型氣象站，每分鐘記錄1.1米高度處的空氣溫度（Ta）、相對濕度（RH）、太陽輻射量（SR）和2米高度處的風(fēng)速（Va）。實驗中使用紐扣溫度計iButton來測量皮膚溫度，通過心率帶獲得受試者的心率，每兩分鐘自動記錄一次數(shù)據(jù)。表1給出了測試儀器的詳情，所有儀器均滿足ISO 7726［18］的要求。

表 1 實驗儀器的詳細(xì)參數(shù)

1.3 實驗流程

每組實驗分為5個階段，耗時90分鐘，如圖2所示。第一階段為準(zhǔn)備階段，受試者靜坐30分鐘；第二階段為運動階段，受試者被要求行走15分鐘；第三階段受試者休息20分鐘，以排除歷史運動經(jīng)歷對佩戴一次性醫(yī)用口罩運動結(jié)果的影響；第四階段為受試者佩戴一次性醫(yī)用口罩行走15分鐘；第五階段受試者休息10分鐘。

圖2 實驗流程圖

受試者以0.9 m/s、1.2 m/s和1.8 m/s三種不同速度行走，分別定義為很慢地走，慢走，和快走。實驗過程中使用行者騎行小程序來控制行走速度，保持勻速。

1.4 受試者問卷調(diào)查

本實驗招募健康的成年受試者進(jìn)行長期實驗，其中男性受試者占比54 %，女性受試者占比46 %，每名受試者參與1～3組實驗，受試者的服裝熱阻平均值為1.15 clo。固定的受試者便于降低測試臨時招募受試者的熱歷史、生理及心理因素對結(jié)果的影響。受試者實驗前已知曉問卷內(nèi)容及實驗流程，且本實驗方案已通過學(xué)術(shù)倫理審查。表2給出了受試者的生理信息。

表2 受試者的生理信息

調(diào)研使用問卷星發(fā)放電子問卷，總共回收528份有效問卷。受試者調(diào)查問卷分為三部分，第一部分為受試者的基本信息，包含受試者年齡、身高、體重、服裝和活動狀態(tài)等，第二部分包含受試者的熱感覺投票（TSV）、熱舒適投票（TCV）和愉悅度投票（PV）相關(guān)問題，表3為受試者問卷中使用的投票量表，第三部分為受試者環(huán)境參數(shù)偏好投票。

表3 受試者問卷投票量表

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

1.5.1 皮膚溫度

皮膚在人體熱調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮著重要作用。皮膚溫度是最常用來評估人體熱舒適的重要生理參數(shù)之一［6，19］。本次實驗通過iButton測量14個身體局部部位的皮膚溫度，如圖3所示，全身平均皮膚溫度是通過ISO 9886［20］的14點法對測量的14個局部部位的皮膚溫度計算得到。

圖3 身體局部部位測量點

1.5.2 代謝率

代謝率是影響熱舒適的重要生理參數(shù)之一。Zhai等［21］在氣候室對坐姿、站立和行走的代謝率進(jìn)行測量，結(jié)果顯示測量的代謝率與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)存在差異，本實驗代謝率由心率計算［9］，其表達(dá)式為：

式中：M'為代謝率，w/m2；M0為初始狀態(tài)下的代謝率，w/m2；HR為心率，bpm；HR0為初始狀態(tài)下的心率，bpm；RM為每單位代謝率心率的增加。

2 結(jié)果與討論

2.1 局地?zé)岘h(huán)境參數(shù)分布

實驗期間日平均空氣溫度最低為6.3 ℃，最高為23.7 ℃，均值為15.3 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為5.9 ℃。太陽輻射最低為37.1 W/m2，最高為384.2 W/m2，均值為230.0 W/m2，標(biāo)準(zhǔn)差為109.6 W/m2。2米高日平均風(fēng)速最低為0.54 m/s，最高為6.52 m/s，均值為1.6 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為1.8 m/s。日平均相對濕度最低為24.1 %，最高為73.3 %，均值為49.6 %,標(biāo)準(zhǔn)差為14.3 %。

2.2 受試者生理參數(shù)

2.2.1 皮膚溫度

圖4給出了全身平均皮膚溫度（Tmsk）和與對應(yīng)的平均熱感覺投票（MTSV）間的關(guān)系。圖4（a）表示Tmsk與對應(yīng)的MTSV的線性回歸。結(jié)果表明MTSV和Tmsk具有較好的線性相關(guān)性，其中R2=0.7503。全身平均皮膚溫度每變化1 ℃，MTSV則相應(yīng)的變化0.25個單位。

圖4（b）描述了受試者全身平均皮膚溫度和熱感覺投票的動態(tài)變化。受試者行走時全身平均皮膚溫度呈下降趨勢，在冬季人體所處環(huán)境的溫度較低，人體向外散熱。同時佩戴口罩者的熱感覺投票明顯高于未佩戴口罩運動時的熱感覺投票，表明佩戴口罩能有效提高熱感覺。

圖 4 全身平均皮膚溫度和熱感覺投票（MTSV）

2.2.2 代謝率

表4為本實驗是否佩戴口罩與ASHRAE 55標(biāo)準(zhǔn)中0.9 m/s、1.2 m/s、1.8 m/s的代謝率。本實驗的代謝率與標(biāo)準(zhǔn)中的代謝率值存在差異，尤其是佩戴一次性醫(yī)用口罩快走（1.8 m/s）時代謝率與ASHRAE 55的代謝率值差異更加顯著，快走的代謝率在標(biāo)準(zhǔn)中明顯被低估。本實驗未佩戴口罩快走的代謝率為4.36 met，佩戴口罩快走的代謝率為5.11 met，佩戴口罩提高了受試者進(jìn)行中高強度活動時的代謝率。

表4 受試者代謝率

2.3 受試者熱感覺與熱舒適

圖5為受試者的整體熱感覺、整體熱舒適和整體愉悅度投票，受試者的熱感覺多數(shù)偏冷（TSV=-1、-2、-3），占比為70.8 %，同時受試者的熱舒適投票選擇TCV=-1和-2的比例最多，占比47.2 %。受試者的愉悅度投票選擇愉悅的比例明顯高于選擇不愉悅的比例。

圖5 各投票整體百分比分布

表5為佩戴口罩與否的TSV、TCV和PV的獨立性t檢驗結(jié)果，當(dāng)p＜0.05時表示兩者差異顯著。佩戴一次性醫(yī)用口罩與否的受試者的TSV和TCV存在顯著差異。圖6為佩戴一次性醫(yī)用口罩與未佩戴口罩受試者的熱感覺、熱舒適和愉悅度投票。佩戴者熱感覺偏冷的占比64.8 %明顯低于未佩戴口罩的占比76.9 %。同時佩戴一次性醫(yī)用口罩者的熱舒適投票選擇很不舒適和不舒適的比例37.9 %也明顯低于未佩戴口罩的比例56.4 %。佩戴口罩的受試者選擇平靜的比例62.1 %高于未佩戴口罩的受試者選擇平靜的比例56.8 %，并且佩戴口罩的受試者愉悅度投票選擇不愉悅的比例也低于未佩戴口罩的比例。在寒冷的冬季，佩戴一次性醫(yī)用口罩可以提升人們的熱感覺，提高人們的熱舒適度。

表5 佩戴口罩與否的獨立性t檢驗結(jié)果

表 6 佩戴口罩與否環(huán)境參數(shù)偏好投票獨立性t檢驗結(jié)果

圖 6 佩戴口罩與否各投票差異

圖7為佩戴口罩的受試者在行走時感覺不舒適的部位，70.8 %佩戴一次性醫(yī)用口罩的受試者以不同速度行走時感到面部和胸部不舒適，口罩影響受試者的呼吸，受試者呼出的水蒸氣無法及時排出口罩外。表6為佩戴口罩與否的環(huán)境參數(shù)偏好投票的獨立性t檢驗結(jié)果，當(dāng)p＜0.05時表示兩者差異顯著。佩戴一次性醫(yī)用口罩和未佩戴口罩的受試者的風(fēng)速偏好投票存在顯著差異。圖8描述了受試者對環(huán)境參數(shù)的期望，受試者期望改善風(fēng)速條件的比例最高。在冬季，受試者多數(shù)期望溫度升高，風(fēng)速減弱。未佩戴口罩的受試者全部期望風(fēng)速減小，但是佩戴一次性醫(yī)用口罩的受試者出現(xiàn)期望風(fēng)速增大的情況。

圖7 佩戴口罩的受試者感覺熱不舒服的部位

圖8 受試者環(huán)境參數(shù)偏好

2.4 受試者熱舒適與熱指標(biāo)PET結(jié)果差異

圖9為PET與MTSV、MTCV和MPV的關(guān)系圖。圖9（a）中佩戴一次性醫(yī)用口罩的線性回歸表達(dá)式為y=0.0231x-1.3193，R2=0.4879，未戴口罩的線性回歸表達(dá)式y(tǒng)=0.0451x-1.9431，R2=0.6956，未佩戴口罩者的MTSV與PET的相關(guān)性更顯著，對熱感覺的變化更敏感。在同一程度的熱感覺，佩戴口罩的PET低于未佩戴口罩的PET，佩戴口罩降低了受試者對環(huán)境的耐熱性從而影響受試者的熱安全。佩戴口罩的受試者（圖9（b））熱敏感性相對未佩戴口罩者稍弱，但前者明顯感到更加舒適。

同一PET下佩戴口罩的受試者的愉悅度低于未佩戴口罩受試者的愉悅度（圖9（c））。佩戴口罩的受試者的熱感覺提升，舒適度提高，但愉悅度卻降低，心理與熱舒適和熱感覺的關(guān)聯(lián)再此工況下值得深入探究。

圖9 各投票與PET的關(guān)系

3 結(jié)論

為了探究一次性醫(yī)用口罩對行人室外熱舒適的影響，在夏熱冬冷氣候典型城市上海開展熱環(huán)境測試及受試者問卷調(diào)研，研究結(jié)果如下：

1）本實驗的代謝率與標(biāo)準(zhǔn)中的代謝率值存在差異，ASHRAE 55中1.8 m/s的代謝率為3.80 met，本實驗佩戴一次性醫(yī)用口罩1.8 m/s的代謝率為5.11 met，中高強度活動情況下佩戴口罩的代謝率對室外熱舒適性的影響在未來值得深入研究。

2）佩戴一次性醫(yī)用口罩與否的熱感覺和熱舒適投票差異性顯著，佩戴一次性醫(yī)用口罩有效提高受試者熱感覺，受試者對環(huán)境的耐熱性降低，影響受試者的熱安全，特別是70.8 %的受試者行走時還感到面部和胸部部位不舒適。

3）佩戴一次性醫(yī)用口罩的受試者熱感覺與PET相關(guān)性為0.49，未佩戴口罩的相關(guān)性為0.60，熱舒適指標(biāo)PET在此特定工況下值得進(jìn)一步修正。

本研究也存在一定的局限。由于現(xiàn)階段仍處于疫情防控期間，暫時無法獲取非疫情時佩戴口罩者室外的熱舒適性來進(jìn)一步比較。同時，本文僅選取了三種不同活動強度，且佩戴的口罩僅是一次性醫(yī)用口罩。未來不同的代謝情況和口罩種類對于室外行人熱安全和熱舒適的影響值得進(jìn)一步探究。另外，本研究只給出了冬季佩戴一次性醫(yī)用口罩對于室外行人熱安全和熱舒適的影響，更多關(guān)于過渡季和夏季佩戴口罩時的影響也將進(jìn)一步分析。