背包式空调在炎热环境中进行体力活动时对热应激的影响

《Building and Environment》：The effect of a backpack air conditioner on heat strain during physical activities in hot environments

极端高温事件威胁人类健康，个人冷却系统可有效缓解高温环境下体力活动时的热应激。本研究评估了集成微压缩机冷却的背包式空调器（BPA）对14名健康男性受试者的效果，在35°C/50%RH和40°C/40%RH气候舱中完成60分钟不同强度跑步及20分钟恢复期测试。结果显示BPA显著降低冷却部位皮肤温度（2-4°C）和脱水率（15-22%），改善整体热感知并降低感知疲劳指数（近1个量级），但对核心温度和代谢率无显著影响。证实BPA适用于短时低至中度强度活动及恢复期，但无法缓解生理性热应变。

　　

袁焕宇|徐慧娟|刘志坚|曹斌

清华大学建筑学院建筑科学系，北京100084，中国

摘要

在气候变化背景下，极端高温事件对人类健康构成了日益严重的威胁。个人冷却系统是减少高温环境下体力活动时热应激的有效干预措施。本研究评估了一种集成在背心中的背包空调（BPA）使用微型压缩机制冷技术对受试者的影响。14名健康男性在气候舱内完成了60分钟的跑步机行走（速度分别为2公里/小时、4公里/小时和6公里/小时），随后进行20分钟的坐姿恢复（环境温度分别为35°C/相对湿度50%和40°C/相对湿度40%）。测量了生理参数，包括皮肤温度、核心温度、心率、体液流失量和代谢率。同时通过问卷收集了热感知和主观劳累程度的数据。结果表明，BPA显著降低了受试者冷却部位的皮肤温度（2–4°C）和体液流失量（15–22%），但在运动过程中对核心温度和代谢率没有显著影响。整体热感知得到改善，主观劳累指数降低了近一个等级。这些数据表明，BPA能够缓解脱水和主观劳累感，适用于短时间、低至中等强度的活动以及运动后的恢复。

引言

全球变暖增加了极端高温事件的频率，加剧了室内过热问题，对人类健康、生产力和整体安全构成了严重威胁[1,2]。人体对热暴露的反应是一种复杂的生理应激，表现为核心温度升高、心脏为通过增加皮肤血流量散热而负担加重，以及因出汗导致脱水风险增加[3,4]。这种热应激会损害认知-运动表现，对从工业劳动到军事行动等各种任务中的反应时间、决策能力和操作效率产生不利影响[5]。从事体力活动的人面临更高的风险，因为他们的代谢产热会大幅增加，从而加重外部热负荷。传统的缓解策略，包括规定休息时间、环境冷却和主动补水，被认为是维持高温环境下健康和安全的重要措施[6]。然而，大规模依赖空调系统既不节能也不经济可行，且在移动场景中也不实用。这一紧迫的需求促使人们迫切需要高效且便携的个性化环境控制系统（PECS）[7]。近年来，可穿戴PECS引起了广泛的研究兴趣[[8], [9], [10]]。

目前可穿戴PECS的主动冷却方法主要以对流冷却和传导冷却为主。对流冷却通常通过电风扇实现，通过增强气流和促进汗液蒸发来提供低成本解决方案。但在极端环境下，这种方法可能效果不佳，尤其是对于出汗能力受损的人群，同时还会导致体液流失增加[11]。另一方面，传导冷却通常使用装有相变材料（PCMs）的冷却包。虽然这类冷却包常被集成到冷却服装中，但它们在冷却效果持续时间与便携性之间存在固有的权衡[12,13]。电驱动制冷技术（如基于压缩机的系统或热电系统）结合便携电源可以延长可穿戴系统的使用时间。基于珀尔帖效应（Peltier effect）的热电冷却系统体积小，但由于性能系数（COP）较低和冷却能力有限，在长时间、高冷却需求的情况下能效较低[15,16]。相比之下，蒸汽压缩制冷（VCR）循环技术（包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器）具有很高的效率，并已成功小型化，可用于个人工作站和座椅的外部冷却[17]。最近的研究进一步探索了集成在液体冷却服装中的便携式VCR系统，甚至可以装在背包中使用。Ernst等人开发了一种5.31公斤重的背包空调（BPA），配备2升油箱，可提供178瓦的冷却功率，持续5.7小时[18]；Kumar等人则开发了一种4.335公斤重的电池供电BPA，在50°C环境下可提供265瓦的冷却功率，持续3小时，性能系数超过5[19]。早期版本的BPA因体积和重量较大而不实用[20]，但随着微型压缩机和电池技术的持续创新，其冷却重量比显著提高，使其越来越适合体力活动的用户。

多项气候舱实验研究了液体冷却服装在行走或轻度慢跑中的效果。Teunissen等人在30°C的环境中为消防员使用了4公斤重的水冷背心，发现它在30分钟的行走过程中有效降低了热感；然而，在热舒适度、主观劳累程度、心率或核心温度方面没有显著变化[21]。Yuan等人在36°C的环境中为消防员使用了2.3公斤重的水冷背心，发现虽然皮肤温度下降且出汗减少，但热感和疲劳感并未得到缓解[22]。Yang等人进一步研究了同一款冷却背心在36°C环境中的效果，发现虽然皮肤温度下降且出汗减少，但热感和疲劳感并未改善[23]。这些研究表明，液体冷却背心可能不足以改变极端高温环境下的生理热应激或改善主观感受。不过，基于背包的空调系统相比传统液体冷却背心具有更高的冷却能力和冷却重量比，但其有效性尚未经过实证测试。

尽管可以通过性能测试获得BPA的冷却功率和出水温度等参数，但仍需要人体试验来评估其生理和感知效果。现有关于传统含有PCMs的液体冷却服装的研究[21], [22], [23], [24]无法直接用于评估BPA的效果，尤其是考虑到BPA更高的冷却能力。本研究模拟了极端高温下的多种强度体力活动，测量了生理和感知热应激，评估了BPA的效果，并探讨了其使用策略。

受试者

共有14名健康的、未适应高温环境的男性大学生参与实验（平均年龄±标准差：19.5±1.5岁；BMI 21.10±1.04 kg/m2；身高1.77±0.07米；体重65.2±4.1公斤）。选择年龄、BMI和运动习惯相似的单一性别受试者，以减少混淆变量并明确BPA的效果。所有受试者均为河北本地居民（居住时间超过6个月），定期锻炼（每周至少1次），且无心血管或代谢疾病。实验前禁用了咖啡因和剧烈运动。

皮肤温度

在两种环境条件下，未使用BPA时的皮肤温度（mTsk）与使用BPA后的皮肤温度存在显著差异（p < 0.01），并且冷却条件与时间点之间的交互作用也存在显著差异（p < 0.01）。在没有冷却的情况下，mTsk在暴露于高温时迅速上升，在35°C和40°C时分别达到峰值36.4°C和37.0°C。使用BPA后，这些峰值分别降至35.6°C和36.6°C（行走结束时分别降低了2°C和3°C；恢复后分别降低了1.0°C和0.7°C）。在40°C环境下，皮肤冷却效果的下降可能

BPA的有效性

根据本研究结果，BPA使皮肤温度降低了0.7–1°C，显著改善了热感和舒适度，尤其在40°C环境下效果更为明显。此外，BPA还减轻了受试者在40°C环境下的主观劳累感。虽然BPA提供了传导冷却效果，但其重量和抑制蒸发散热的特性也带来了一些副作用

结论

本研究在35°C和40°C的气候舱内测量了受试者在轻度、中等和高强度体力活动中的生理和感知反应，评估了BPA作为个人冷却工具的有效性。BPA显著减少了出汗和脱水现象，并改善了热暴露时的感知热应激。然而，它未能有效降低核心温度和心率的升高。在高温环境下，BPA适用于短时间、低至中等强度的活动

作者贡献声明

袁焕宇：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验实施、数据分析。徐慧娟：资源协调、实验设计、概念构思。刘志坚：实验监督、资源管理。曹斌：文本修订与编辑、资源调配、项目统筹、资金申请、概念构思。