《Energy and Buildings》：Identifying key environmental factors influencing Individuals’ pleasure states in indoor exercise scene
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室内运动环境下愉悦状态分类及影响因素研究。通过气候舱实验对24名受试者进行8种环境条件下的运动测试，结合环境参数（温湿度、CO2浓度）、生理指标（皮肤温度、MET值）和主观评价（PANAS量表），采用K-means聚类分析识别出3类愉悦状态，并利用关联规则挖掘揭示环境因素与愉悦状态间的相互作用机制。结果表明：低强度运动最佳温湿度为25℃/70%RH、CO2<1000ppm；中高强度需相应提高温湿度阈值至26℃/80%RH、CO2<1400ppm。研究为优化室内运动环境提供了量化依据。
郭雷|余伟|邵彦波|闫燕|张艳|周海霞|廖松|李卓宏
绿色建筑与建筑环境联合国际研究实验室（教育部），重庆大学，中国重庆400045
摘要
在室内锻炼过程中体验到的愉悦感会影响个人的锻炼动机及其后续的参与度，而室内环境因素也会影响个人的愉悦感，但在不同愉悦状态下，关键的环境决定因素尚未明确。为了确定影响个人愉悦感的关键因素，本研究招募了24名参与者，在气候室中让他们在8种工作条件下进行锻炼，并记录了多种参数（环境、生理和主观参数）。研究首先使用聚类分析对愉悦状态进行了分类，然后应用关联规则挖掘方法来识别关键影响因素。最后，分析了这些因素的交互效应。结果表明，在不同的愉悦状态下，环境参数、皮肤温度、代谢当量（MET）和锻炼疲劳程度存在显著差异。在不愉悦的状态下，相对湿度（RH = 75–85%）、高强度锻炼（MET > 6 met）和空气温度（Ta = 25.0–26.0℃）是最常见的参数；而在愉悦的状态下，较低的疲劳变化（ΔRPE < 1）、中等强度的锻炼（MET = 3–6 met）和BMI值为20–21 kg/m2是最常见的参数。不同锻炼强度导致的不愉悦环境参数范围有所不同：对于低强度锻炼，可接受的相对湿度和CO?浓度限值分别为70%和1000 ppm；对于中等强度锻炼，这些限值分别为70%和1200 ppm；对于高强度锻炼，这些限值分别为80%和1400 ppm。这项工作为室内环境与主观感受之间的关系提供了新的视角，并有助于室内环境的设计与控制。
引言
室内锻炼已成为追求健康生活方式的人们的必要方式，不同地区约有23.7%至52%的人每周至少进行一次室内体育活动[1,2]。研究表明，锻炼过程中的愉悦感显著提高了参与者的表现和长期参与度[3,4]。研究发现，愉悦感每增加一个单位，长期锻炼时间大约会延长9%至27%[5]。许多研究表明，优化室内环境条件可以有效提升锻炼者的愉悦感[6][7][8]。因此，研究环境条件如何影响锻炼愉悦感至关重要，从而提供环境建议以提高锻炼效果。
室内环境和个人的生理状态会影响锻炼过程中的愉悦感。不适当的环境条件会显著增加不愉悦状态的风险——风险增加了1.17至2.26倍[9][10][11]。研究表明，环境温度与愉悦感之间存在显著相关性[12][13][14][15]，环境温度调节负责情绪处理的大脑区域的活动，从而影响主观愉悦感[16]。湿度在塑造锻炼过程中的愉悦感方面也起着重要作用。高湿度环境会通过影响主观舒适度来引发不愉悦的情绪，通过减少汗液蒸发和升高皮肤温度，高湿度会导致锻炼者感到身体不适，进而引发不愉悦的情绪状态[17]。此外，作为室内空气质量最关键指标之一的CO?浓度与个人的愉悦感密切相关[9]。在封闭式锻炼设施中，CO?浓度经常超过推荐阈值，尤其是在参与者达到最大运动强度时[18,19]。
在锻炼研究中，生理信号受到了广泛关注，常用的监测指标包括皮肤温度、心率和代谢当量（MET）。体育锻炼过程中的热反应通常通过皮肤温度来表征[20]，它也可以作为评估锻炼效果的生理指标[21]。心率是评估锻炼体验的关键生理指标[22]，因为它会随着锻炼强度的增加而增加。此外，心率还可以间接估计代谢当量（MET）[23,24]。MET表示活动的能量消耗是静息状态的多少倍，MET的变化也是影响情绪状态的重要因素。吴等人[25]进行了一项关于有氧运动对焦虑情绪反应的实验，结果显示，30分钟的中等强度有氧运动显著降低了参与者的负面情绪得分。相关研究证实了这些因素对锻炼相关愉悦感的影响，罗等人证明，在17–25℃的温度范围内调整个性化微环境控制系统可以有效提升整体热舒适度并同时提高个人的愉悦感[26]。同时，其他研究表明，在相同的热环境条件下，不同愉悦状态下个体的生理反应（如心率变异性（HRV）、心率和皮肤温度）存在差异[27]。这进一步表明，环境干预可能增强室内锻炼场景中个体的愉悦感。然而，现有研究中尚未充分识别出导致不同愉悦状态的关键因素。
为了理解影响室内锻炼场景中个人愉悦感的机制，准确分类愉悦程度至关重要。情绪研究主要依赖于主观评估，常用的工具包括视觉模拟量表（VAS）、情绪状态剖面（POMS）和积极与消极情感量表（PANAS）[28][29][30]。Ligeza等人[31]使用VAS研究了体育锻炼频率与成年女性调节负面情绪能力之间的关系。POMS量表通过七个子量表评估多维情绪状态，Lane等人[32]将其应用于分类运动员的情绪，发现情绪与表现之间存在显著相关性。Yeh等人[33]使用PANAS量表评估参与者的愉悦状态，展示了体育活动中的环境因素如何影响情绪。这些主观量表在捕捉情绪变化方面有广泛的应用。然而，许多现有研究使用多维因子得分从主观评估方法来评估不同条件下的情绪变化，正面和消极情感描述词的得分可能相互矛盾，阻碍了愉悦状态的准确识别，需要一种明确分类的方法。
在室内热环境和人类主观体验研究领域，传统研究主要依赖于回归分析或方差分析等统计模型，这些模型基于独立变量预测舒适度水平。例如，张等人在寒冷季节对大学教室进行了实地测量[34]，并通过回归分析表明，占用密度和室内相对湿度对热舒适度有显著影响。同样，柳等人使用线性回归模型分析了室内温度与学生热感觉投票之间的关系，确定了过渡季节的中性温度约为23.9℃[35]。尽管这些方法可以捕捉变量的主要效应，但它们往往忽略了变量之间的复杂交互作用。随着数据挖掘技术的进步，越来越多的研究将无监督聚类分析与关联规则挖掘相结合，以探索不同群体和变量之间的关系。例如，Marie等人提出了一种结合聚类-关联规则的方法来揭示不同人群群体内的规则结构[36]。D’Oca等人应用聚类识别不同用户类型的行为模式[37]，然后在每个群体内使用关联规则挖掘发现人们倾向于开窗的条件。与传统单一模型方法相比，该研究将聚类分析与关联规则挖掘相结合，能够更全面地理解多种因素如何共同影响室内锻炼环境中的愉悦状态。
总体而言，确定室内锻炼场景中个人愉悦感的关键决定因素至关重要。为此，进行了一项全国范围内的问卷调查（n = 506），以了解参与者的环境偏好。接下来，在8种气候室条件下对24名志愿者进行了受控实验室实验，记录了环境、生理和主观参数。最后，K-Means聚类对愉悦状态进行了分类，关联规则挖掘识别了影响这些状态的多因素交互作用。本研究的主要目标如下：
- 1. 对室内锻炼环境中的个人愉悦状态进行分类，并分析相关参数的差异。
- 2. 识别影响室内锻炼场景中不同愉悦状态的关键因素。
- 3. 提出提高室内锻炼场景中个人愉悦感的环境阈值。
关于室内锻炼场景的问卷调查
为了设计实验室条件，本研究进行了问卷调查，以收集实际室内锻炼环境中室内环境参数和锻炼习惯的真实数据。问卷涵盖了以下方面：
- 1) 行为习惯，包括对室内体育活动的时间和持续时间的偏好；
- 2) 环境控制偏好，包括空调使用习惯；
- 3) 人口统计信息
愉悦状态的分类
使用K-means聚类根据从PANAS量表中提取的20个情绪特征对数据进行了分类，其中包括10个积极情绪特征和10个消极情绪特征。聚类数量（K）是根据肘部方法和轮廓系数确定的。肘部方法在K = 3时显示出明显的拐点。虽然轮廓系数在K = 2时达到最大值，但K = 3时的值仅略低，表明聚类质量仍然良好
使用聚类分析区分不同愉悦状态的优势
PANAS量表通过个体因子得分或简单加权来计算某一时刻的个人情绪变化。然而，它无法揭示愉悦状态背后的环境因素差异及其复杂交互作用。例如，传统的PANAS得分在不同实验条件下的波动不大，这可能会掩盖温度等因素的真实影响
结论
为了识别影响室内锻炼环境中个人愉悦状态的关键因素，本研究在气候室中进行了八种环境条件下的锻炼实验。使用K-means聚类识别了愉悦状态，并分析了这些状态之间的参数差异。关联规则挖掘揭示了多因素组合对愉悦反应的影响。主要发现如下：
- 愉悦状态的分类和参数
CRediT作者贡献声明
郭雷：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、正式分析。
余伟：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。
邵彦波：方法论、调查。
闫燕：方法论、调查。
张艳：可视化、调查。
周海霞：可视化。
廖松：可视化、软件。
李卓宏：可视化、软件。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：余伟报告称获得了中国国家重点研发计划的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究由中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3808100）和美的项目资助。
