局部冷却对高温环境下作业人员热舒适度、脑电图及唾液免疫球蛋白A浓度改善效果的对比研究

《Results in Engineering》：Comparing the improve effect of local cooling on worker’ thermal comfort, EEG, and salivary IgA concentration in hot environments

本研究针对高温工业环境中工人热舒适度下降及健康风险增加的问题，通过对比风扇冷却（FC）与相变材料冷却服（CG）两种局部冷却方式，系统评估了其对主观热感觉、脑电图（EEG）功率及唾液分泌型免疫球蛋白A浓度（S-IgA-C）的影响。结果表明，两种冷却方式均能显著改善热舒适度、降低EEG平均功率、提升S-IgA-C，且CG效果优于FC，为高温作业人员的健康防护与工作效率提升提供了重要实验依据。

　　

随着全球气候变暖，夏季高温热浪频发，工业厂房内的热环境问题日益突出。对于许多大型工业建筑而言，全面使用采暖、通风与空调系统调控室内热环境往往意味着高昂的初投资和运行成本。因此，在许多工厂中，工人们不得不在缺乏空调的高温环境下进行体力劳动。高温环境不仅会降低工人的工作效率，更对其生理健康构成威胁，如增加热应激、引发不适感，甚至影响免疫功能和神经系统活动。如何在这种恶劣条件下有效提升工人的热舒适度、保障其健康并维持良好的工作状态，成为了一个亟待解决的重要课题。

在此背景下，局部冷却技术因其灵活、节能的特点而受到关注。其中，风扇冷却（FC）是工厂中广泛使用的传统方法，而可穿戴冷却服（CG），特别是基于相变材料（PCM）的冷却服，则因其结构简单、穿着方便、冷却效果好、成本较低等优点，成为一种更具潜力的个人热管理方案。然而，以往的研究多集中于冷却措施对体温等基础生理参数的影响，较少关注其对大脑活动（如脑电图，EEG）和呼吸道黏膜免疫（如唾液分泌型免疫球蛋白A，S-IgA）等更深层次生理指标的影响。此外，对于FC和CG这两种常用冷却方式在改善工人热舒适度及相关生理参数方面的效果差异，也缺乏系统的比较。

为了填补这一研究空白，来自青岛理工大学环境与市政工程学院的研究团队在《Results in Engineering》上发表了他们的最新研究成果。该研究旨在高温环境下，系统比较FC和CG对作业人员主观热感觉、脑电图信号以及呼吸道免疫相关生理指标的影响，并从“神经-内分泌-免疫”调节网络的角度，探讨这些生理参数之间的潜在关联。

研究人员在人工气候室内开展了受控实验。他们招募了20名健康的青年学生作为参与者，模拟工厂中的包装作业（代谢率约2.7 met）。实验设置了三种条件：仅穿着工作服（WS）、穿着工作服并接受风扇冷却（FC）、以及穿着相变材料冷却服（CG）。环境温度控制在33°C，相对湿度为50%。研究过程中，详细记录了参与者的主观投票（包括热感觉投票TSV、热舒适投票TCV、感知空气品质PAQ和空气新鲜感AFs），并测量了多项客观生理指标，如皮肤温度、局部皮肤热流密度、唾液中的S-IgA浓度以及静息状态下的脑电图信号。

主要技术方法概述

本研究在人工气候室中开展，招募20名健康青年参与者模拟包装作业。核心方法包括：采用相变材料（PCM，熔点21°C）制备冷却服（CG）和使用标准落地扇进行风扇冷却（FC），设立对照组（WS）；持续监测环境参数（温湿度、风速）和参与者生理参数（平均皮肤温度MST、额温MFT、胸部局部热流密度）；使用32导联EEG设备采集静息态脑电信号，并进行频带（θ, α, β）功率分析；通过酶联免疫吸附测定法（ELISA）量化唾液S-IgA浓度（S-IgA-C）；在实验特定阶段收集参与者主观热感觉、热舒适度及空气品质感知问卷数据；对所得数据采用归一化处理以减少个体差异，并运用SPSS进行统计学显著性检验。

研究结果

3.1. 打包阶段的热感觉投票和热舒适投票

与WS条件相比，FC和CG条件均能显著降低参与者的TSV和TCV。具体而言，FC使TSV降低了0.8个等级，TCV降低了1.2个等级；CG的效果更佳，TSV降低了1.2个等级，TCV降低了1.5个等级。这表明两种冷却方式都能有效改善热舒适度，且CG的效果优于FC。

3.2. 打包阶段的感知空气品质和空气新鲜感

在空气品质感知方面，FC条件显著改善了PAQ和AFs，使其达到“略微可接受”和“中性”状态。而WS和CG条件下的PAQ和AFs则较差，处于“略微不可接受”和“闷热”状态。这凸显了风扇产生的空气流动对提升主观空气品质感知的积极作用。

3.3. 唾液免疫球蛋白A浓度

在生理指标方面，两种冷却方式均显著提高了S-IgA-C。与WS条件相比，FC和CG条件下的S-IgA-C分别提高了75.5%和131.9%。并且，CG条件下的S-IgA-C显著高于FC条件（高出34.8%）。这表明冷却干预，特别是CG，能有效缓解热应激，可能使生理状态向更放松、免疫增强的方向转变。

3.4. 脑电图功率

EEG结果显示，FC和CG条件均能显著降低全脑平均EEG功率，降幅分别为22.9%和44.5%。CG的效果同样优于FC。对不同频带的分析发现，两种冷却条件均显著降低了θ频带功率，同时提升了α和β频带功率。这种EEG功率谱的变化模式通常与警觉性降低、放松度增加相关，进一步印证了冷却措施对改善热不适和促进放松的积极作用。地形图显示，WS条件下高频功率（红色）分布广泛，而冷却后，特别是CG条件下，高频功率活动区域明显缩小。

3.5. 平均额温和平均皮肤温度

在体温方面，FC条件下，风扇促进了汗液蒸发，使MFT下降最明显（0.55°C）。CG则通过PCM直接吸收身体热量，有效抑制了MST的上升，并在打包阶段结束时使MST降低了0.87°C。WS条件下MST则继续缓慢上升。这表明两种冷却方式都能有效缓解高温引起的体温升高，CG在降低核心区域皮肤温度方面更具优势。

3.6. 局部皮肤热流密度

局部热流密度测量直接反映了身体的散热情况。与WS条件相比，FC和CG条件下的平均局部皮肤热流密度分别显著增加了46.7%和163.5%。CG极大地增强了身体与环境的换热效率，这与其通过直接接触进行冷却的特性相符。

讨论与结论

本研究通过严谨的实验设计，深入探讨并比较了FC和CG这两种局部冷却方式对高温作业人员主观热感知、核心生理参数以及神经免疫指标的改善效果。

研究发现，TSV、TCV、MST、局部热流密度与平均EEG功率呈显著正相关，而与S-IgA-C呈显著负相关。进一步分析揭示，当热感觉处于中性至略微温暖区间，热舒适度较高时，S-IgA-C达到峰值，而平均EEG功率降至最低。这提示在热舒适状态下，身体可能将更多能量资源分配给免疫等功能系统。此外，研究还发现特定脑区（如前额、顶叶、枕叶）的EEG功率与S-IgA-C存在显著相关性，为“神经-内分泌-免疫”调节网络提供了初步的实证线索。

从实际应用角度看，CG在降低主观热感觉、提升热舒适度、减少大脑皮层活动（可能意味着更低的认知负荷或更放松的状态）、以及增强呼吸道黏膜免疫力方面，均表现出优于FC的效果。其冷却机制主要通过相变材料直接吸收身体热量，增大体表与环境的温差，从而高效地带走热量。而风扇则主要通过增强对流和蒸发散热系数来发挥作用，但在极高环境温度下，其冷却效率会受到限制。

该研究的结论具有重要的实践指导意义：对于在高温环境下的体力劳动者，采用局部冷却措施，尤其是可穿戴冷却服，是改善其热舒适度、缓解热应激、潜在提升工作效率和健康水平的有效手段。研究结果为工业环境中制定合理的热环境改善策略、选择适宜的个人防护装备提供了科学依据。未来研究可进一步探索在不同环境温度、湿度、劳动强度以及更长时间暴露下，这些冷却措施的效果和长期影响。

总之，这项研究不仅证实了局部冷却技术的有效性，更通过引入EEG和S-IgA等神经免疫指标，拓宽了热舒适研究的深度和广度，为理解高温环境下人体生理心理反应的复杂机制提供了新的视角。