冬季溫控床墊對人體熱舒適的影響機理

李霞霞，申黎明，高婧淑

（南京林業(yè)大學(xué)林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037）

人通過睡眠是否能恢復(fù)身體機能取決于良好的睡眠質(zhì)量。熱環(huán)境是影響睡眠的重要因素之一，因為熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)已被證明與調(diào)節(jié)睡眠機制密切相關(guān)［1］。此外，人體在睡眠與清醒狀態(tài)下的熱舒適需求存在差異，這是由于睡眠時代謝能量的降低、床上被褥系統(tǒng)熱阻的增加以及睡眠過程中缺乏行為調(diào)節(jié)［2-3］。與室內(nèi)熱環(huán)境相比，被褥熱環(huán)境對人體熱舒適的影響更為顯著，也是確保良好睡眠質(zhì)量的關(guān)鍵因素［4］。不同研究者設(shè)定在不同實驗條件下被褥微環(huán)境對睡眠質(zhì)量的影響及獲得被褥微環(huán)境適宜溫度保持在26～36 ℃，熱中性溫度約30℃［5-7］。上述被褥微環(huán)境中適宜溫度范圍比較大，是由于實驗用被褥系統(tǒng)的熱阻和季節(jié)不同，最主要是不同年齡和地區(qū)的受試者的生理特性存在差異。

另外，為滿足寒冷或炎熱季節(jié)中人們睡眠質(zhì)量，部分研究者將溫控技術(shù)加入床墊設(shè)計中，以加強床墊溫度的可調(diào)控及滿足睡眠時人體熱舒適。Rincón-Casado 等［8］研究了以熱電為基礎(chǔ)的溫控床墊設(shè)計與熱特性測試，結(jié)果表明，在加熱模式下，功率22.5，40.0 和90.0 W 時床墊表面溫度分別比室溫高2.4，3.1 和4.5 ℃。Wang 等［9］研究集成冷熱水管加熱來改變床表面溫度，基于CFD 數(shù)值仿真和實驗研究驗證設(shè)計的可行性，得出在其接通熱源后，前2 h 熱量迅速增加，斷開熱源后，熱量10 h 后降低，且比中國傳統(tǒng)火炕節(jié)約20%能源。上述研究表明溫控技術(shù)可以改變床墊或床表面溫度，但是較少研究關(guān)于對睡眠質(zhì)量的影響。因此，需要探究更有效的溫控設(shè)施及相應(yīng)的溫控條件，也需要測試在睡眠時對人體熱舒適和睡眠質(zhì)量的影響。

圖1 溫控床墊剖面圖Fig.1 Cross-section view of a temperaturecontrolled mattress

本研究設(shè)定在冬季室內(nèi)工況下，基于水管和水墊調(diào)溫的溫控床墊，通過睡眠實驗研究，比較分析床墊的不同溫控條件對人與床墊接觸界面溫度、被褥微環(huán)境溫度、被覆軀體熱反應(yīng)及睡眠質(zhì)量的影響，并探究被覆軀體熱感覺和睡眠質(zhì)量的關(guān)系，以及適宜的被褥微環(huán)境溫度。

1 實驗設(shè)計與研究方法

1.1 受試者

1.2 床褥系統(tǒng)及實驗儀器

實驗選用溫控床墊及居民冬季常用的被子（質(zhì)量為0.839 0 kg／m2，內(nèi)填充聚氨酯棉）。溫度調(diào)控采用U 企業(yè)研制的溫控系統(tǒng)和硬件設(shè)備，可調(diào)范圍13～45 ℃。溫控床墊剖面圖見圖1，溫控層類型見圖2，分別采用水墊和水管進行溫度調(diào)控，預(yù)設(shè)溫度分別為29 和32 ℃，以下簡稱為水管29（WP29）、水管32（WP32）、水墊29（WC29）和水墊32（WC32）。溫控層上鋪設(shè)導(dǎo)熱性較好的絲綿和3D 透氣面料，下設(shè)乳膠、普通海綿及彈簧等支撐材料。

圖2 溫控層類型Fig.2 Types of temperature control layer

實驗測量參數(shù)及相應(yīng)的儀器信息見表1。室內(nèi)風(fēng)速測試時間在受試者睡前和醒后，睡眠質(zhì)量和睡眠狀態(tài)持續(xù)監(jiān)控，其余參數(shù)記錄時間間隔均為5 min。

表1 測量參數(shù)及相應(yīng)的儀器Table 1 Measurement parameters and corresponding instrument information

1.3 被褥微環(huán)境溫度的測試部位及計算方法

根據(jù)人體睡眠過程中的傳熱特性，人體與被褥微環(huán)境之間的傳熱是對流、輻射和傳導(dǎo)3 種機制共同作用的結(jié)果（圖3）。基于此，被褥微環(huán)境中人體測試部位及相應(yīng)溫度傳感器的布局圖見圖4。關(guān)于人-床界面及被褥微環(huán)境的溫度計算可類比于人體平均皮膚溫度，采用面積加權(quán)平均的計算方法［11］。測量受試者被覆軀體每個部位表面積占軀體總面積的百分比，且取所有受試者相應(yīng)部位的均值作為該部位的面積權(quán)重系數(shù)。人體呈左右對稱，取同一部位的左右均值。人-床界面平均溫度及被褥微環(huán)境平均溫度見以下計算公式：

圖3 人體與被褥微環(huán)境之間的熱傳遞Fig.3 Heat transfer between human body and bed microenvironment

圖4 人體測試部位及相應(yīng)溫度傳感器布局圖Fig.4 Tested part of human body and layout of the corresponding temperature sensors on the matterss and quilt

式中：THMI為人-床界面平均溫度，℃；TBM為被褥微環(huán)境平均溫度，℃；TM-s、TM-ba、TM-bu、TM-t和TM-ca分別是肩部、背部、臀部、大腿和小腿與床墊接觸界面溫度；TQ-ch、TQ-w、TQ-t、TQ-ca和TQ-f分別是胸部、腰部、大腿、小腿和腳與被子間形成的相應(yīng)部位微環(huán)境溫度；式（1）中權(quán)重系數(shù)a1、b1、c1、d1、e1分別為0.101，0.314，0.121，0.282，0.182；式（2）中權(quán)重系數(shù)a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2分別為0.043，0.085，0.144，0.095，0.069，0.285，0.181，0.098。

1.4 被覆軀體熱反應(yīng)的調(diào)查

問卷設(shè)計的內(nèi)容是受試者對人體與床墊接觸界面以及被褥微環(huán)境中整個被覆軀體的熱反應(yīng)評價，采用ASHRAE 55-2013 7 級量表投票對熱感覺和熱舒適進行評價，熱可接受度采用6 級評價，見表2。

表2 熱評價指標(biāo)Table 2 Index scales for thermal evaluation

1.5 睡眠時間監(jiān)測

采用無線活動跟蹤手環(huán)Fitbit Charge 2（Fitbit Inc.，San Francisco，USA）監(jiān)測睡眠各個階段的時間。Fitbit Charge HRTM可靠性在de Zambotti 等［12］研究中得到證實，監(jiān)測睡眠的準(zhǔn)確率（91%）和靈敏度（97%）較高，與PSG 和ECG 有較高一致性。Fitbit Charge 2 是該產(chǎn)品的升級版本。另外，F(xiàn)itbit Charge 2 可連接到 Fitabase （Small Steps Labs LLC），借助該數(shù)據(jù)平臺可下載手環(huán)記錄的睡眠各個階段具體時間和睡眠情況報告。

從Fitabase 數(shù)據(jù)平臺上提取的睡眠參數(shù)如下：床上時間（min）、總睡眠時間（min）、清醒時間（min）、睡眠效率（睡眠時間／床上時間×100%）、各個睡眠階段的時間占比（階段性睡眠時間／總睡眠時間，如淺睡眠、深睡眠和快速眼動睡眠（REM），%）。

本研究數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)治療后研究組患者睡眠質(zhì)量恢復(fù)情況優(yōu)于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（x2=6.318，P=0.012），提示交泰丸加減聯(lián)合烏靈膠囊能有效改善患者失眠癥狀，減輕患者痛苦。在心理狀態(tài)的研究方面，治療后研究組患者心理狀況改善情況優(yōu)于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=34.180，12.986；P=0.000，0.000），提示交泰丸加減聯(lián)合烏靈膠囊能有效改善患者心理焦慮和抑郁的狀態(tài)，緩解患者心理壓力。

1.6 實驗流程與統(tǒng)計分析

實驗于12 月和1 月在南京進行。實驗開始前，將室內(nèi)空氣溫度（16 ℃）、相對濕度（50%）、室內(nèi)風(fēng)速（＜0.15 m／s）調(diào)控至預(yù)設(shè)值。室內(nèi)風(fēng)速和噪聲情況滿足受試者需求，不影響睡眠狀態(tài)。所有受試者都被要求提前試睡一晚，如有不適應(yīng)者不予參加此次實驗。正式實驗中，每位受試者均參加4 晚測試，床墊測試順序為隨機排列。實驗流程見圖5。

所有實驗數(shù)據(jù)均用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用方差分析被褥微環(huán)境溫度間的差異，以及非參數(shù)Wilcoxon 秩和檢驗分析熱反應(yīng)和睡眠質(zhì)量的差異。當(dāng)P＜0.05 時，差異性有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖5 實驗流程Fig.5 Experimental procedure

2 結(jié)果與分析

2.1 睡眠過程中各要素測試結(jié)果

2.1.1 被褥微環(huán)境溫度

基于公式（1）和（2），計算出人-床界面溫度和被褥微環(huán)境溫度。整個睡眠過程中人-床界面和整個被褥微環(huán)境的溫度變化情況見圖6。受床墊不同溫控條件影響的人-床界面和被褥微環(huán)境溫度在睡眠過程中變化規(guī)律相似，睡眠90 min 時人-床界面和被褥微環(huán)境的溫度達到峰值，隨著進入到深睡階段其溫度值逐漸降低且呈小的波動。睡眠期間，被褥微環(huán)境受室內(nèi)工況、床墊的不同溫控條件和人體皮膚表面散熱的影響，不同溫控條件下的人-床界面及整個被褥微環(huán)境溫度存在差異。受水管32影響的人-床界面和被褥微環(huán)境的溫度值最高，水墊32 次之，而水墊29 溫度值最低。

圖6 睡眠期間人-床界面和被褥微環(huán)境的溫度Fig.6 The temperatures of human-mattress interface and bed microclimate during the sleep

受水墊29 影響的人-床界面和被褥微環(huán)境平均溫度與其他3 種溫控條件之間存在顯著差異（P＜0.05），而水墊32 和水管32 之間無顯著差異（P＞0.05）（圖7）。另外，隨著床墊溫控層溫度的升高，被褥微環(huán)境溫度呈上升趨勢。基于水管溫控層的溫度由29 ℃調(diào)至32 ℃，人-床界面和整體被褥微環(huán)境的平均溫度分別增加1.12 和0.81 ℃，而基于水墊溫控層二者平均溫度分別增加1.20 和1.05 ℃?？梢?，在偏冷室內(nèi)工況下，水墊溫控層對被褥微環(huán)境溫度的影響效果較為明顯。

2.1.2 主觀熱反應(yīng)

圖7 被褥微環(huán)境及人-床界面的平均溫度Fig.7 Mean temperature of bed microclimate and human-mattress interface

圖8 被覆軀體主觀熱反應(yīng)Fig.8 Subjective thermal response of the covered body

受試者對睡眠前和醒后被褥熱環(huán)境的評價見圖8。床墊溫控層設(shè)定的4 種溫控條件下，人-床界面及整體被褥微環(huán)境中被覆軀體熱感覺投票水平基本一致，且二者分別在睡前和醒后之間的熱感覺無顯著差異，說明在床墊受溫度調(diào)控條件下，睡前被覆軀體熱感覺可以反映整個夜間睡眠的熱感覺。醒后的4 種平均熱感覺等級分別為0.43，1.36，-0.86 和0.93，受不同溫控床墊影響的熱感覺部分之間存在顯著差異，尤其是水墊29 接近于稍涼水平，與其他3 種溫控之間存在差異（P＜0.05）。當(dāng)水墊溫控層溫度調(diào)至32 ℃，被覆軀體熱感覺處于稍暖，與水管32 無顯著差異（P＞0.05）。這是由于水墊溫控層循環(huán)水量較大，當(dāng)設(shè)定溫度29 ℃時，與人體表面皮膚溫度形成明顯差異，導(dǎo)致較低的熱感覺水平，而當(dāng)調(diào)控至32 ℃時，較為接近與人體表面皮膚溫度，且受水墊溫控層影響的被褥微環(huán)境溫度與人體所需溫度差異減少。此外，受試者睡前和醒后的被覆軀體熱舒適和熱可接受度也呈相似的分布規(guī)律。圖8c 和d 中，水管29 和水墊32 睡眠和醒后表現(xiàn)出較佳的舒適性和熱可接受度，而水墊29 舒適性和可接受度水平最低。由此可見，在偏冷室內(nèi)工況下受試者更傾向于較暖環(huán)境。

2.1.3 睡眠質(zhì)量

基于Fitabase 數(shù)據(jù)平臺的睡眠質(zhì)量參數(shù)見圖9 和圖10。一般來說，較多睡眠時間與較高睡眠效率和較少清醒時間與睡眠潛時是高質(zhì)量睡眠的指標(biāo)。就睡眠階段而言，所有睡眠階段對人體來說都是必不可少的，淺睡眠對記憶和學(xué)習(xí)起著重要作用，深睡眠和REM 睡眠是確保較好睡眠質(zhì)量的重要階段。在現(xiàn)階段多數(shù)研究中，深睡眠和REM 持續(xù)時間或時間占比是評估睡眠質(zhì)量的重要指標(biāo)。

圖9 和10 結(jié)果表明，整個睡眠過程中，當(dāng)溫控條件為水墊29 時，受試者的睡眠效率較低，淺睡眠和REM 的時間占比較大。同時，受水墊29 影響的受試者總睡眠時間較少，且與其他3 種溫控條件之間存在顯著差異（P＜0.05）。但是，在水管29 溫控條件下，在適中的被褥微環(huán)境中受試者經(jīng)歷了較小的REM 睡眠和淺睡眠時間占比，較大的深睡眠時間占比及較高的睡眠效率，水墊32 也表現(xiàn)出較高的睡眠效率和較長的總睡眠時間，與水管29 無顯著差異（P＞0.05）。此外，受水管32 影響下偏暖的被褥微環(huán)境中，受試者淺睡眠和深睡眠的時間占比與水管29 和水墊32 相近。

圖9 睡眠時間和清醒時間Fig.9 Sleeping time and awaking time

2.2 溫控條件與睡眠要素的關(guān)系

2.2.1 睡眠時被褥微環(huán)境對被覆軀體熱感覺和睡眠質(zhì)量的影響

睡眠時被覆軀體熱舒適與被褥系統(tǒng)直接相關(guān)，其次與室內(nèi)熱環(huán)境相關(guān)。采用合適的被褥系統(tǒng)，可以讓人們在較低的室內(nèi)熱環(huán)境下確保睡眠質(zhì)量。已有研究表面，冬季床墊上鋪設(shè)可升溫的電熱毯，改善被褥微環(huán)境溫度，可以有效地減少睡眠潛時和增加醒后人體熱舒適［13］，也可以減少冷應(yīng)力，確保睡眠的穩(wěn)定性和睡眠期間的溫度調(diào)節(jié)［13］。研究結(jié)果表明，在較冷的室內(nèi)工況下，受水墊29 影響的被褥微環(huán)境的熱感覺處于稍涼水平，導(dǎo)致了較低的睡眠效率（圖10），而受其他3 種溫控條件影響的被褥微環(huán)境處于適中或偏暖的狀態(tài)，則能確保較高的睡眠效率和較少的淺睡眠時長。基于此，在床墊上加入輔助的調(diào)溫設(shè)施，需要調(diào)控合適的溫度才能有效改善人體熱感覺和睡眠質(zhì)量，這是由于被覆軀體與被褥系統(tǒng)之間的物理傳熱原理決定了被覆軀體的熱感覺狀態(tài)。

圖10 睡眠各個階段的時間占比Fig.10 Percentage of time spent in each stage of sleeping

關(guān)于熱感覺與睡眠質(zhì)量之間的關(guān)系，采用spearman 相關(guān)性對被褥微環(huán)境中被覆軀體熱感覺與各睡眠參數(shù)進行分析，受試者的熱感覺與基于總樣本量的各睡眠參數(shù)存在顯著相關(guān)性（表3）。在水墊29 溫控條件下，被覆軀體熱感覺與淺睡眠呈顯著負相關(guān)，與深睡眠和睡眠效率呈顯著正相關(guān)，而其他3 種溫控條件的正負相關(guān)性與水墊29 正相反。由此可見，稍暖或稍涼的熱感覺會顯著影響人的睡眠質(zhì)量。

表3 不同溫控條件下被覆軀體熱感覺與各睡眠參數(shù)之間的相關(guān)性Table 3 Correlations between thermal sensation of the covered body and sleep parameters under different temperature control conditions

2.2.2 適宜的被褥微環(huán)境溫度

基于被褥微環(huán)境中被覆軀體熱感覺和睡眠效率的擬合曲線，以及ASHRAE 55-2013 標(biāo)準(zhǔn)中大于-0.5 熱感覺值來得出較高睡眠效率對應(yīng)的熱感覺值范圍（圖11a）。結(jié)果表明，當(dāng)熱感覺值為-0.5時，相對應(yīng)的睡眠效率是87%；大于87%睡眠效率的熱感覺取值范圍為-0.5～1.2；當(dāng)熱感覺值為0.35時，睡眠效率可達到90.3%?？梢姡谑覂?nèi)偏冷工況下，當(dāng)被覆軀體感覺稍暖時，仍然感到舒適（圖8c），睡眠效率也相對較高。這是由于在偏冷環(huán)境下，人們更喜歡偏暖或適中的環(huán)境［14］。

與熱感覺對應(yīng)的舒適的被褥微環(huán)境溫度見圖11b。由圖可見適宜的被褥微環(huán)境溫度范圍為31.45～32.50 ℃，且較高睡眠效率相應(yīng)的被褥微環(huán)境溫度為32 ℃，該結(jié)果在Song 等［3］基于睡眠熱舒適模型推算的范圍之內(nèi)。當(dāng)被褥微環(huán)境溫度為31.6～35.1 ℃，受試者的滿意率大于90%；當(dāng)被褥微環(huán)境溫度為31.1～35.7 ℃，滿意率大于85%?？梢?，本研究適宜的被褥微環(huán)境溫度可獲得多于85%的滿意率。同時，受水管29、水管32 與水墊32 的平均被褥微環(huán)境在滿意率大于90%的溫度范圍內(nèi)（圖7）。另外，由Ikeda 等［15］PST-WPD 模型推算也得出，在室溫11～12 ℃時，舒適的被褥微環(huán)境溫度為32.0～32.4 ℃，受試者整體不滿意率小于15%，本研究中被褥微環(huán)境部分適宜溫度在其范圍內(nèi)。實驗結(jié)果中，受水墊32 影響的平均被褥微環(huán)境溫度在其范圍內(nèi)（圖7），水管29 和水管32 也較為接近該溫度，分別相差-0.12 和+0.29 ℃。然而，Okamoto 等［16］和Wang 等［7］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室內(nèi)操作溫度為14.5～17.5 ℃時，舒適的平均被褥微環(huán)境溫度保持在30.0～30.8 ℃，該溫度范圍均比上述溫度范圍稍低。這種差異可能來源于受試者生理特征的差異、被覆條件的不穩(wěn)定性，更重要的是不同的被褥微環(huán)境溫度測試點。

圖11 睡眠效率、被褥微環(huán)境溫度及被覆軀體熱感覺之間的關(guān)系Fig.11 Relationship among sleep efficiency，bed microclimate temperature and thermal sensation of the covered body

總的來說，在床墊中嵌入水管或水墊溫控設(shè)施，當(dāng)受主溫控器調(diào)控至合適的溫度時，可以彌補較低室溫條件下被褥微環(huán)境中缺失的溫度，以此實現(xiàn)睡眠中適宜的被褥微環(huán)境溫度和確保被覆軀體熱舒適。此外，與具有類似升溫功能的電熱毯相比，由獨立的主溫控器調(diào)控的溫控床墊，更具有安全性，且可以實現(xiàn)在較高室溫條件下的降溫效果。同時，也可在此基礎(chǔ)上升級系統(tǒng)后實現(xiàn)智能升溫或降溫，以滿足不同季節(jié)不同個體的熱需求，該部分還需進一步研究與討論。

3 結(jié)論

1）受水墊29 影響的人-床界面與被褥微環(huán)境的溫度值最低，熱感覺處于稍涼水平，而水管29 處于適中水平，水墊32 與水管32 處于稍暖水平，且水管32 的被褥微環(huán)境溫度值最高。同時，受水墊29 影響的被褥微環(huán)境溫度、熱感覺及睡眠質(zhì)量分別與水墊32、水管29 和水管32 之間存在顯著差異性，而水管32 與水墊32 間無顯著差異。此外，床墊中內(nèi)嵌的水墊溫控層對被褥微環(huán)境溫度的影響效果較為明顯。

2）在較冷的室內(nèi)工況下，適中或稍暖的被褥微環(huán)境在熱舒適和熱可接受度方面表面最佳，同時也能確保受試者有較高的睡眠效率和較長的深睡眠時間。

3）睡眠時被褥微環(huán)境的整體熱感覺與各睡眠參數(shù)之間存在顯著相關(guān)性，稍暖或稍涼的熱感覺會顯著影響人的睡眠質(zhì)量。

4）基于睡眠效率、被褥微環(huán)境的溫度及整體熱感覺，得出適宜的被褥微環(huán)境溫度范圍為31.45～32.50 ℃，這與現(xiàn)有部分研究結(jié)果相一致，受試者的滿意率可達85%以上。