北京工業大學 綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室 羅觀璋 張曉靜 謝靜超

       【摘  要】本研究在北京城區實地調研了48個住戶在供暖季的臥室夜間熱濕環境（溫度和相對濕度）及臥室空氣質量（CO₂濃度）情況。同時，采用紐扣溫度計（ibutton）測量睡眠階段受試者的平均皮膚溫度和被褥內溫度，采用睡眠體動記錄手環Fitbit Alta 2記錄受試者睡眠質量。調查發現，臥室溫度基本滿足標準要求；相對濕度普遍偏低，有19戶（39.6%）夜間臥室平均相對濕度值低于30%；空氣質量普遍較差，僅10戶（20.8%）臥室的夜間平均CO₂濃度低于標準值1000ppm，有8戶甚至超過3000ppm。睡眠狀態下受試者的平均皮膚溫度為34.7℃±0.6℃，且平均皮膚溫度與被褥溫度顯著正相關，可見被褥微環境能一定程度反映人體表面皮膚溫度情況。受試者平均皮膚溫度在34.5℃—35℃范圍睡眠質量最佳，回歸分析發現，當平均皮溫為34.8℃時，深度睡眠占比最大，睡眠質量最好。

       【關鍵詞】臥室環境、熱濕環境、室內空氣質量、平均皮膚溫度、睡眠質量

       【基金項目】國家自然科學基金青年項目（51708006）；北京市教委“高創計劃”青年拔尖團隊項目

0 引言

       臥室環境的好壞不僅直接影響人們的舒適性，還影響人們的睡眠質量，因此創造健康、舒適的臥室環境非常重要。室內環境包括熱濕環境、聲環境、光環境及空氣品質等方面^[1,2]。在目前針對臥室熱環境實驗研究中，部分研究也開始關注和記錄人員睡眠期間熱舒適情況^[3,4]。受睡眠行為影響，大多數前期研究中，睡眠過程中熱舒適情況一般是通過第二天睡醒之后的回憶評價。所以，主觀投票結果難免存在一定的記憶偏差，而且往往會受到醒來后的熱感覺狀態、心理壓力和情緒影響^[5]。而皮膚溫度可以在睡眠狀態下連續測量記錄并且已被證實可以反映臥躺狀態下人體熱舒適情況^[6]。因此，可考慮將皮膚溫度作為表征睡眠熱舒適水平的客觀指標，探討其與睡眠質量的相關性。此外，與熱環境研究相比，目前針對臥室空氣品質的影響研究相對較少^[7]。

       北京屬于寒冷地區，冬季氣候寒冷干燥，根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》 GB50736-2012，北京供暖室外計算溫度為-7.6℃。城鎮地區住宅一般采用集中供暖的形式來滿足室內熱舒適需求，供暖期一般從11月中旬開始，3月中旬結束。為了解北京城區供暖季住宅臥室環境現狀及其對居民睡眠質量的影響，本研究開展了入戶實測，記錄了夜間臥室溫度、相對濕度、二氧化碳（CO₂）濃度，并監測了受試者的皮溫及睡眠質量。

1 調查方法

       考慮到城鎮地區與農村地區冬季室內環境差異較大，本實驗調查地點選取在北京城區居民樓，共實地調研48戶。實測調研時間為2019年12月至2020年1月，處于供暖季。對于每戶的臥室夜間情況以及受試者當晚的睡眠質量進行監測，同時也實時測量并記錄了睡眠期間的皮膚溫度和被褥溫度，另外，實測期間室外環境也相應進行記錄。

       1.1 受試者選取

       在實驗之前征集住在北京城區的居民，共48名受試者滿足要求并被招募參與本實驗。受試者基本信息如表1所示。受試者均滿足以下要求（1）身體健康，無慢性疾病及其他嚴重疾患病史，無酗酒、吸煙等不良嗜好，無夢游經歷。為了排除偏胖或偏瘦體格對睡眠的影響，每個受試者身體質量指數BMI（BMI = 體重 [kg]/身高² [m²]）需滿足中國人正常標準范圍（18.5—23.9kg/m²）^[8]。（2）受試者在當地居住一年以上，已適應當地氣候。近期無心理壓力，睡眠質量良好，均通過匹茲堡睡眠質量指標PSQI (Pittsburgh sleep quality index)的自評，該自評能反映其在過去一個月內是否有睡眠障礙^[9]。（3）在實驗的前一周保持良好的正常作息規律。測試期間在23:00左右入睡，當天禁止飲酒、茶、咖啡等對神經、心血管有刺激性的飲品，禁止做過于劇烈的運動。所有受試者在實驗前均簽署知情同意書。

表1 受試者基本信息

       1.2 臥室環境實測

       臥室環境實測參數包括每間臥室夜間溫度、相對濕度、CO₂濃度。實測時間段為晚上10:00—第二天7:00。儀器使用溫濕度CO2記錄儀TR-76Ui-s進行監測，該儀器能同時監測房間內溫度、相對濕度和CO₂濃度，每5分鐘采集一次數據。溫度的測試精度為±0.5℃（范圍為0-55℃），相對濕度精度為±2.5%（范圍為10-95％），CO₂精度為±50 ppm±5%讀數誤差（范圍為0—9999ppm）。

       為了確保采集臥室環境信息的準確性，測點放置盡量放在臥室床旁邊的床頭柜上，該位置靠近床邊能接近受試者睡眠環境，同時也注意遠離受試者的呼吸區和供暖裝置，確保反映臥室環境真實的狀況。

       1.3 皮膚溫度和被褥溫度測量

       睡眠過程中采用紐扣溫度計(ibutton DS1923)連續測量受試者的皮膚溫度和被褥溫度，儀器的精度為±0.1℃（范圍為-20℃—85℃）。平均皮膚溫度采用四點法進行測量，測量部位分別為右手前臂、左胸、右大腿前、右小腿前4個部位?；谶@四個部位測量的皮膚溫度，再對應以0.3、0.3、0.2、0.2的權重系數加權計算出受試者的平均皮膚溫度^[10]。受儀器數量限制，共獲得了45位受試者睡眠期間的皮膚溫度數據。被褥溫度采用單點測量，測量位置在身體軀干位置所對應的被子內側的溫度。監測時間間隔均為5分鐘。

       1.4 睡眠監測

       睡眠可分為快速眼動睡眠（rapid eye movement, REM）和非快速眼動睡眠（non-rapid eye movement, NREM）兩個階段^[11]，美國睡眠醫學會(AASM)進一步將非快速眼動睡眠分為N1、N2和N3期^[12]。其中N1和N2稱為淺睡眠，N3稱為深度睡眠，深度睡眠越長通常代表其睡眠質量越好。相對于專業臨床醫學診斷睡眠的儀器多導睡眠監測儀（PSG），睡眠記錄手環具有便攜性、重量輕、對睡眠影響小等優點，美國睡眠協會（AASM）在2003年的標準中認可體動記錄儀對健康人群的監測具備一定可靠性和準確性^[12]。實測調研實驗也一般采用睡眠記錄手環來開展睡眠的相關研究^[1，13]。本實驗采用睡眠記錄手環Fitbit Alta 2，該儀器可獲得多項睡眠指標，包括總睡眠時長、清醒階段時長、快速眼動階段時長、淺睡眠階段時長、深度睡眠階段時長及相應各階段的時長占比。每個受試者在睡眠過程中均佩戴睡眠記錄手環來進行當晚睡眠的監測。 

       1.5 數據分析

       收集的數據使用軟件SPSS24.0來進行分析,采用相關分析研究各變量之間的關聯程度。在統計學中，利用相關系數r定量描述兩個變量之間相關關系的緊密程度。當兩個變量都是連續變量，且兩個變量的總體服從正態分布或近似正態分布時，采用Pearson相關系數，當兩個變量都是分類變量或者有一個是分類變量，且總體分布不詳時，則需要用Spearman 相關分析。顯著性水平均取0.05。

2 數據結果

       2.1 臥室溫度

       本次調查住宅冬季均采用集中供暖，實測期間北京夜間室外溫度為0.6℃±2.4℃。圖1表示實地調研的48戶住宅臥室夜間溫度情況。由圖1可知，測試期間48戶住宅臥室夜間平均溫度為21.6℃，臥室平均溫最低為16.3℃，最高為27.1℃。供暖溫度過低會對人體在臥室的舒適感造成一定影響，而供暖溫度過高則會造成不必要的建筑能源消耗。根據《民用建筑供暖通風及空氣調節設計規范》GB50736-2012中對寒冷地區供暖季房間要求，室內的溫度標準值在18—24℃。由圖1可見，大部分（81.3%）室內溫度處于標準范圍內，有5戶（10.4%）夜間平均溫度高于供暖季采暖標準值上限24℃，有4戶（8.3%）低于供暖季采暖標準值下限18℃。

圖1 臥室夜間溫度情況

       2.2 相對濕度

       實測期間北京夜間室外相對濕度為42.3±6.7%。對于室內情況，當室內相對濕度過低時，會直接導致人的鼻子、喉嚨、眼睛和皮膚干燥。除了增加身體不適感之余，還可能會導致呼吸系統疾病的發生。當室內相對濕度過高時，容易引起微生物和霉菌的大量滋生繁殖，同樣人體呼吸和健康造成不良影響^[14]?！睹裼媒ㄖ┡L及空氣調節設計規范》GB50736-2012中按照供暖住宅室內Ⅰ級舒適等級（-0.5<PMV<0.5）要求，室內相對濕度應大于或等于30%。圖2表示實地調研的48戶住宅臥室的室內臥室夜間相對濕度情況?？傮w夜間相對濕度均值為38.4%，有19戶（39.6%）夜間臥室平均相對濕度值低于30%?？梢?，城區供暖季臥室夜間相對濕度普遍偏低，有必要采取加濕器等措施提升臥室環境的濕度情況。

圖2 臥室夜間相對濕度情況

       2.3 臥室CO₂濃度

       臥室CO2濃度一般與臥室人數、人員的代謝率、人員在臥室的時間、臥室的通風率有關。一般采用室內CO₂濃度作為指示物反映室內污染物濃度（特別是人體代謝物）情況?！妒覂瓤諝赓|量標準》GB/T18883-2002規定室內CO2濃度日平均值標準值上限為0.1%，即1000ppm。在國際上ASHRAE Standard 62.1-2010規定在非工業環境中，一般室內CO₂濃度應低于1000 ppm。圖3表示實地調研的48戶住宅臥室夜間CO2濃度情況。由圖4可見，不同臥室的夜間CO₂濃度情況差異較大，最低CO₂濃度在600ppm，最高達到了4570ppm，接近5000ppm的水平。僅10戶（20.8%）臥室的夜間平均CO₂濃度低于標準值1000ppm，其余的臥室臨睡前CO₂濃度就已經超過標準值1000ppm，而且通過睡眠時呼吸作用臥室CO₂濃度不斷累積。有18戶（37.5%）臥室整晚夜間CO₂濃度超過2000ppm，其中有8戶甚至超過了3000ppm。

圖3 臥室夜間CO₂濃度情況

       2.4 平均皮膚溫度與被褥溫度

       圖4表示受試者睡眠階段身體各部位夜間平均溫度及被褥平均溫度?？梢娚媳鄣臏囟认鄬ζ渌课坏臏囟鹊?，且不同受試者間的上臂溫度差異相對來說更為明顯?？赡苁怯捎谑茉囌邇A向手臂暴露在被子內部或外部的不同導致其溫度產生一定差異。上臂、胸口、大腿、小腿的夜間平均溫度為分別為33.7℃、35.3℃、35.2℃、34.6℃，明顯軀干部分（胸口、大腿）的溫度比末端部分溫度（上臂、小腿）高。45個受試者的平均皮膚溫度的均值為34.7℃，均方差為0.6℃。睡眠期間45名受試者的被褥平均溫度在27.5℃—35.4℃范圍，均值為32.7℃。圖6表示被褥平均溫度和平均皮膚溫度的關系?？梢园l現，在一定范圍內，睡眠期間人體的平均皮膚溫度和被褥內溫度具有顯著的正相關（Pearson相關 r=0.519 p＜0.05）。此外，通過關聯性分析發現臥室平均溫度與平均皮膚溫度之間不具備顯著相關性（p＞0.05），由于受試者的床、床墊、被子等寢具能有效降低室內溫度對體溫的直接影響。因此，相比室內溫度，被褥微環境更能反映人體在睡眠時的皮膚溫度情況。

圖4 睡眠階段皮膚溫度及被褥平均溫度

圖5 被褥內表面平均溫度與平均皮膚溫度

       2.5 平均皮膚溫度和睡眠質量

       圖6表示平均皮膚溫度與深度睡眠占比的關系。一般認為，深度睡眠占比（即深度睡眠時間/總睡眠時間）越大，表示睡得越深，睡眠質量相應越好?？梢?，當受試者的平均皮膚溫度在34.5—35℃時睡眠質量更高。通過曲線回歸分析發現，當平均皮膚溫度處于34.8℃時，深度睡眠占比最高，睡眠質量最佳。

圖6 平均皮膚溫度與深度睡眠占比

3 討論

       3.1 臥室環境

       實地調研48戶北京城鎮住宅發現臥室夜間相對濕度普遍偏低，這與北京冬季氣候特點有關。北京處于溫帶季風區，冬季寒冷干燥，同時室內暖氣的使用使室內空氣更為干燥?？諝飧稍飼够覊m和懸浮顆粒增多，這些往往成為細菌傳播的媒介，容易導致呼吸道疾病的發生。因此，對于北京地區，提高供暖季室內相對濕度，如采用加濕器等加濕方式具有一定的必要性。

       室內CO₂濃度能反映室內人體呼吸代謝物濃度水平，也有研究表明室內CO₂與室內其他污染物具有顯著關聯性^[15]。雖然僅憑借CO₂濃度不能表征所有污染物濃度水平，但總體而言室內CO₂濃度是反映室內空氣質量情況較為良好的指標^[16]。本研究發現臥室夜間CO₂濃度普遍高于標準值1000ppm，本實驗實在供暖季進行測試。多個實地研究發現冬季臥室CO₂濃度普遍比其他季節更高^{[17, 18]}。這主要由于冬季室外氣溫偏低，臥室的門窗大多選擇關閉來減少熱量的散失，而且北方墻體密閉性較高，使得臥室整體換氣通風率普遍不佳。然而，即使是全年的情況，各地研究也發現臥室的夜間CO₂濃度水平不容樂觀。在丹麥，Bekö G等人調查500間兒童臥室發現僅32%的夜間平均二氧化碳濃度是低于1000ppm，有6%的臥室是超過了3000ppm^[19]。另一項上海城區454戶兒童臥室的調研也發現近一半臥室夜間平均二氧化碳濃度是超過了1000ppm^[18]。Sekhar等人在新加坡的研究發現，在關閉門窗的情況下，三個人（兩個成年人和一個小孩）在一般大小的臥室睡眠，夜間的二氧化碳濃度在6小時內從原始500ppm上升至2900ppm^[20]。此外，一系列研究發現室內CO₂濃度與病態建筑綜合癥等健康癥狀有相關性，當室內CO₂濃度降低到800ppm以下時，健康癥狀能有效緩解^[16]。因此，臥室空氣品質需要引起一定的重視，建議有條件的情況下可以適當打開臥室的門窗，或者增加室內通風換氣設備，從而降低臥室污染物濃度水平，提升臥室的空氣質量。

       3.2 平均皮膚溫度

       平均皮膚溫度是按照相應部位的皮膚面積計算的人體皮膚溫度的加權平均值^[21]。平均皮膚溫度并非恒定不變的，它是受到人體熱調節系統以及人體與周圍的換熱所影響。維持舒適的平均皮膚溫度是保證人體熱舒適的重要條件。根據圖5發現，平均皮膚溫度與被褥溫度具有顯著相關性，可能由于被褥環境更為接近受試者周圍的睡眠情況，被褥微氣候能一定程度上反映人體表面皮膚溫度情況。本研究沒有發現平均皮膚溫度與夜間臥室溫度有顯著關聯，可能由于在實際睡眠環境下，受試者會通過自身熱感覺選擇適當的床、床墊、被子等寢具來維持睡眠的舒適性，從而有效降低室內溫度對皮膚溫度的直接影響。因此，相比室內溫度，被褥微氣候更能反映人體在睡眠時的皮膚溫度情況。值得注意的是，本實驗是采用四點法進行平均皮膚溫度的計算。劉蔚巍等人對現有25種平均皮溫計算方法進行分析，發現四點法雖然對冷刺激下的皮膚溫度變化的反映不夠靈敏，但具有較高的可靠性，適用于熱舒適研究場合^[22]。本實驗考慮到實驗儀器數量以及儀器對受試者睡眠的影響程度采用四點法計算平均皮膚溫度，不足之處是對暴露被褥以外的面部溫度情況沒有考慮在內。已有研究表明人體的平均皮膚溫度能作為人體熱舒適的客觀指標^{[6, 23]}，而睡眠狀態下該生理參數可能與睡眠質量相關。圖6可以看出受試者的平均皮膚溫度在34.5—35℃范圍內睡眠質量最佳，通過曲線回歸分析發現，當平均皮溫為34.8℃時，深度睡眠占比最大，睡眠質量最好。根據Fanger舒適皮溫計算公式，睡眠熱舒適的皮膚溫度在34.6℃左右^[24]。蘭麗的實驗室研究中也同樣發現睡眠舒適時的平均皮溫應稍高于34.4℃^[25]。本實測實驗得到結果與前期的研究比較一致，而過高或過低的平均皮膚溫度可能會一定程度影響睡眠舒適性，從而影響睡眠質量，但仍需要考慮到不同地區以及更大的樣本量來進行深入性研究。

4 結論

       本研究在供暖季針對北京地區48戶城鎮住宅進行實地調研，分析其室內熱濕環境和室內空氣品質情況，并探究了表征睡眠熱舒適的客觀生理指標平均皮膚溫度與睡眠質量的關聯。本文主要結論如下：

       （1）臥室熱環境基本符合要求，相對濕度普遍偏低，有19戶（39.6%）夜間臥室平均相對濕度值低于30%，臥室空氣質量普遍較差，僅10戶（20.8%）臥室的夜間平均CO2濃度低于標準值1000ppm，有18戶（37.5%）臥室整晚夜間平均CO2濃度超過2000ppm，有8戶甚至超過3000ppm。

       （2）睡眠期間，受試者的平均皮膚溫度的平均值為34.7℃，均方差為0.6℃。受試者的平均皮膚溫度與被褥內表面溫度顯著正相關，被褥微環境能一定程度反映人體表面皮膚溫度情況。

       （3）受試者的平均皮膚溫度在34.5—35℃范圍內睡眠質量最佳，通過曲線回歸分析發現，當平均皮溫為34.8℃時，深度睡眠占比最大，睡眠質量最好。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。