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研究解读

HUMAN METABOLISM · THERMAL COMFORT

五恒系统与全空气系统:
人体动态代谢如何影响热舒适?

围绕五恒系统的恒温、恒湿、恒氧诉求,以及全空气系统的舒适设计,结合三项研究与原始来源,解读人体代谢、皮肤温度的日内变化和个体差异。

完整人体红外热成像及 25.0 至 35.5 摄氏度温标,展示皮肤与衣物表面的温度分布
人体红外热成像示例,展示皮肤与衣物表面的温度分布;不是代谢率的直接测量。来源:Peikos & Binsfeld, 2018,图 4,CC BY 4.0。原图未改动,网页中仅作等比缩放。

一个基础问题是:人体是否可以被视为固定不变的输入?

人体的热状态并非固定不变。同一个人在一天内会发生变化,不同个体对环境的反应也可能不同。下面通过三组公开研究图表,分别观察每小时能耗、皮肤温度和冷暴露反应,并说明这些证据对暖通舒适设计的启发与适用边界。

01

同一个人的代谢率会在一天内变化

Kelly 等对 6 名成人分别进行了两次 56 小时呼吸室监测,比较早餐与等热量夜宵安排。研究通过呼吸气体等测量估算能量消耗。逐人的日内曲线显示:单一日平均代谢率,不能完整描述一天中各时段的代谢变化。[1]

Kelly 等补图 S4:六名受试者在早餐和夜宵两种安排下的每小时能耗曲线 点击查看全分辨率图表 ↗
图 1|六名受试者的每小时能耗曲线。 来源:Kelly 等(2020),PLOS Biology,原论文补图 S4。6 名 51—63 岁受试者的监测数据按一天中的钟点汇总为 1 小时间隔,误差线为标准差;并非某个自然生活日的连续轨迹。蓝线为早餐安排,红线为夜宵安排;横轴为时间,纵轴为千卡/小时,纵轴靠近零点处有断轴。B、L、D、S 分别表示早餐、午餐、晚餐和夜宵。原图转换格式并用于网页显示,数据未改动,页面显示尺寸可能调整。© 2020 Kelly 等,依 CC BY 4.0 许可使用。论文|补图 S4
读图要点

每个人的曲线都有随时间变化的起伏,不同受试者的能耗水平与变化形态也并不相同。因此,工程计算使用的代表性代谢值,不应被理解为某个人全天保持不变的生理实测值。

适用边界

这项研究的两种进食安排,全天总能耗没有显著差异。图中日内起伏不能被解释为“夜宵一定提高全天总能耗”。代谢能耗也不等于房间瞬时显热负荷,不能仅凭这些曲线计算最舒适室温。

02

皮肤温度和个体反应也存在变化

一天内不同部位的皮肤温度变化

Costa 等对 20 名青年女性,在同一天的 07:00、11:00、15:00、19:00 和 23:00 进行红外热成像。图 2 节选胸部与右手前侧数据,显示两处皮肤温度的变化节奏不同。[2]

20 名女性胸部与右手前侧在五个时点的平均皮肤温度与标准差 点击查看全分辨率图表 ↗
图 2|一天内不同部位的皮肤温度。 依据 Costa 等(2018)表 1 公开数值重新绘制,并非转载原论文图版。点为 20 名受试者的组均值,误差线为 ±1 个标准差;拍摄室温为 23±1°C。图中连线仅辅助比较五个采样时点,不代表其间进行了连续测量。23:00 至次日 07:00 没有测量。原始论文|作者机构存档全文

例如,胸部的组均值由 07:00 的 32.6°C 上升至 15:00 的 34.6°C,23:00 为 33.5°C;右手前侧则由 07:00 的 28.0°C 变化至 23:00 的 31.1°C。不同身体部位不必同步变化。

读图要点

这是同一组人在五个时点的平均结果,不是某一个人的全天连续温度轨迹。红外热成像主要反映皮肤表面温度,皮肤温度受产热、血流和散热条件等共同影响,不能直接换算成全身代谢率。

同一冷暴露实验流程下的个体反应

Ocobock 等对 22 名芬兰亚北极驯鹿牧民开展常温与冷却服轻度冷暴露测试,各测量 30 分钟,配合间接测热与局部热成像,采用各阶段最后 10 分钟的数据分析。按论文表 2 的代谢率数值计算,个体在冷暴露时相对常温的变化约为 −13.7% 至 +35.0%。[3]

22 名受试者冷暴露相对常温的代谢率变化,按变化率从低到高排序 点击查看全分辨率图表 ↗
图 3|同一实验流程下的个体代谢反应。 按 Ocobock 等(2022)表 2 数值计算并重新绘制。每根柱代表一名受试者,横轴为论文中的受试者编号,按变化率排序。变化率 =(冷暴露代谢率 − 常温代谢率)÷ 常温代谢率 × 100%。原表数值取整可能带来轻微舍入差异。原始论文与表 2
适用边界

这是特定人群的小样本、短时实验;测试条件并非每个人都完全相同,不能直接推广为普通家庭空调环境下的反应范围。原表的“千卡/日”是由短时测量换算的代谢率单位,并非对每个人完整监测 24 小时得到的总能耗。

对五恒系统与全空气系统舒适设计的启发

这些证据提示:在讨论五恒系统的舒适目标、全空气系统的控制设计时,应把人体状态视为会随时间与个体改变的输入,并为合适的时段、分区和个人调节保留空间。不能仅由恒温、恒湿、恒氧等目标表述,推出每个人在所有时段都舒适;本组研究也没有直接检验湿度或氧气控制效果。

同时,以上研究并未直接比较某一种空调方案的舒适性或能耗。它们不能证明恒温恒湿技术无法实现,也不能单独证明某一固定换气次数、某款设备或某种送风方式一定更舒适、更节能。环境参数稳定与人在其中持续感到舒适,需要分别评价。

FAQ

常见问题

人体的代谢率在一天内会变化吗?

会。Kelly 等的呼吸室监测显示,每小时能耗存在日内起伏;Costa 等的研究还显示,不同部位的皮肤温度有不同的日内变化。这两类测量分别反映能耗和皮肤表面温度,不能相互直接替代。[1][2]

这些研究能否证明五恒系统的恒温、恒湿、恒氧无法实现?

不能。它们说明人体状态存在变化与个体差异,并未检验这类环境控制目标的可实现性。也不能仅以环境设定值稳定,作为所有人持续舒适的充分证据。

这些数据能否直接证明全空气系统更舒适或更节能?

不能直接证明。它们可以为关注人体差异和动态调节提供依据;具体全空气系统的舒适性与能耗,仍需结合实际设计和运行数据评价。

SOURCES

参考资料与图表来源

头图来源

Peikos, A., & Binsfeld, C. (2018). Determination of the Thermally Comfortable Air Temperature with Consideration of Individual Clothing and Activity as Preparation for a New Smart Home Heating System. Proceedings, 2(19), 1224. DOI: 10.3390/proceedings2191224。

头图为论文图 4“Exemplary recording with the thermal imaging camera”。从作者机构开放存档的正式出版 PDF 中提取为 JPEG,未改动科学热像颜色、数值或温标,网页显示时仅作等比缩放。它展示皮肤与衣物表面的温度分布,不是代谢率的直接测量;正文下列三项研究和三幅证据图保持独立。

  1. Kelly, K. P., et al. (2020). Eating breakfast and avoiding late-evening snacking sustains lipid oxidation. PLOS Biology, 18(2), e3000622. DOI: 10.1371/journal.pbio.3000622。

    图 1 为原补图转载,作者、论文与许可信息见图注。

  2. Costa, C. M. A., et al. (2018). Daily rhythm of skin temperature of women evaluated by infrared thermal imaging. Journal of Thermal Biology, 72, 1–9. DOI: 10.1016/j.jtherbio.2017.12.002。

    图 2 根据论文表 1 的事实数据独立重绘,并非转载原论文图版。胸部均值依次为 32.6、33.5、34.6、34.2、33.5°C,标准差依次为 0.8、0.5、0.4、0.4、0.6°C;右手前侧均值依次为 28.0、28.7、30.7、30.4、31.1°C,标准差依次为 1.8、1.6、1.4、1.5、1.5°C。以上数值对应 07:00、11:00、15:00、19:00、23:00。

  3. Ocobock, C., et al. (2022). Brown adipose tissue thermogenesis among a small sample of reindeer herders from sub-Arctic Finland. Journal of Physiological Anthropology, 41, 17. DOI: 10.1186/s40101-022-00290-4。

    图 3 根据论文表 2 的事实数据计算并独立重绘;公式及样本限制见图注与正文。

整理说明:本文选取《人体动态代谢与暖通舒适控制》的第 1、2 项证据,面向暖通舒适设计进行科普整理。原研究对象、实验条件与适用边界随图文保留,读者可通过上述链接核查原文与数据。