北京高校宿舍供暖前后室內(nèi)熱環(huán)境變化及其對學(xué)生睡眠熱舒適的影響*

樊 穎 張曉靜 周錦玥 謝靜超 劉加平

(北京工業(yè)大學(xué)綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室,北京)

0 引言

良好的睡眠質(zhì)量離不開舒適的室內(nèi)睡眠熱環(huán)境?，F(xiàn)有室內(nèi)熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)都是基于人體清醒狀態(tài)下的熱舒適需求而設(shè)定的,而睡眠狀態(tài)與清醒狀態(tài)間的熱感覺存在顯著差異[1]。因此,有必要對現(xiàn)行規(guī)范中缺少的熱舒適環(huán)境參數(shù)進行完善。

有研究表明,人體在睡眠期間的中性溫度較低,可接受的溫度范圍更廣[2],這意味著在冬季室內(nèi)低溫環(huán)境存在一個合理的溫度區(qū)間,在滿足睡眠熱舒適的前提下,還能提供一定的節(jié)能潛力。然而,針對寒冷地區(qū)供暖前后低溫工況下睡眠熱環(huán)境的研究仍相對較少。Zhang等人在北京的一些大學(xué)宿舍開展了為期6周的睡眠環(huán)境實地調(diào)研,但實測得到的室內(nèi)溫度均在20 ℃以上,缺少室內(nèi)低溫環(huán)境的數(shù)據(jù)[2]。因此,有必要針對冬季供暖前后較低的室內(nèi)溫度下熱環(huán)境的變化情況及睡眠熱舒適情況展開實測調(diào)研,同時,采用主客觀睡眠指標(biāo)相結(jié)合的方式探究睡眠質(zhì)量與熱環(huán)境的關(guān)系。

床褥系統(tǒng)總熱阻包括被子、床墊、枕頭、睡衣及人體周圍空氣所引起的熱阻,作為影響睡眠熱舒適的重要因素,該值的準(zhǔn)確測量對于提高研究結(jié)果的可信度至關(guān)重要。現(xiàn)行熱舒適規(guī)范未對床褥系統(tǒng)總熱阻進行詳細(xì)規(guī)定,有關(guān)床褥系統(tǒng)總熱阻的實測調(diào)研數(shù)據(jù)也較少。關(guān)于床褥系統(tǒng)總熱阻的確定,Lin等人通過實驗獲得了毛毯、2種夏涼被及多功能被褥的熱阻,并探究了床褥系統(tǒng)熱阻與各個影響因素之間的關(guān)系,但并沒有得出相應(yīng)的計算公式[3];McCullough等人通過實驗測試,建立了預(yù)測床褥系統(tǒng)總熱阻的經(jīng)驗關(guān)系式,但其主要關(guān)注西方國家廣泛使用的毯子及其覆蓋率與床褥系統(tǒng)總熱阻的關(guān)系,被褥類型單一且不適用中國人群[4];Pan等人通過理論分析和實驗數(shù)據(jù)獲得了床褥系統(tǒng)總熱阻的計算模型,但該模型較為復(fù)雜,增加了現(xiàn)場調(diào)查難度[5];Zhang等人基于40多個床褥系統(tǒng)的實際測量數(shù)據(jù),建立了評估床褥系統(tǒng)隔熱性能的計算公式,變量為單位面積質(zhì)量,可通過直接測試被子質(zhì)量來計算床褥系統(tǒng)總熱阻,計算結(jié)果較精確[6]。

因此,為對現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)睡眠熱舒適的規(guī)定進行補充,并為改善低溫睡眠熱環(huán)境提供依據(jù),本文提出以下研究目標(biāo)：1) 在北京市某高校學(xué)生宿舍開展實地調(diào)研,收集寒冷地區(qū)供暖前后夜間室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù),合理預(yù)測床褥系統(tǒng)總熱阻;2) 通過問卷調(diào)查供暖前后高校學(xué)生的睡眠熱舒適情況,收集睡眠質(zhì)量主、客觀參數(shù);3) 對比供暖前后睡眠熱舒適和睡眠質(zhì)量,分析睡眠質(zhì)量的影響因素,得出保證睡眠質(zhì)量和舒適度的可接受溫度區(qū)間。

1 研究方法

1.1 實測房間

調(diào)查對象為北京市某高校學(xué)生公寓,宿舍基本信息見表1。共調(diào)查8個宿舍,分為男生組和女生組,每組4個宿舍均包括南、北、西、東4個朝向。被調(diào)查宿舍均為單面外墻、單扇外窗。每個宿舍室內(nèi)面積相差不大,但所處樓層不一致。同寢人數(shù)方面,有6間宿舍為4人,2間宿舍為6人。在睡眠期間,所有宿舍的門、窗均處于關(guān)閉狀態(tài),且未使用風(fēng)扇、空調(diào)、加濕器等設(shè)備。

表1 宿舍基本信息

4棟宿舍樓的供暖系統(tǒng)均為上供下回系統(tǒng),宿舍內(nèi)散熱器統(tǒng)一安裝于陽臺玻璃門內(nèi)側(cè),男生宿舍(As、An、Aw、Ae)的散熱器材質(zhì)為鋼,女生宿舍(Bs、Bn、Bw、Be)的散熱器材質(zhì)為鑄鐵。

1.2 受試者

每個宿舍各有2名受試者參與實測,因此共有16名受試者,男女各8人。受試者的具體遴選要求為：根據(jù)身體質(zhì)量指數(shù)BMI[7](中國人正常標(biāo)準(zhǔn)范圍為18.5～23.9 kg/m2),排除偏胖或偏瘦體格;根據(jù)匹茲堡睡眠質(zhì)量指標(biāo)PSQI (Pittsburgh sleep quality index)[8]自評排除睡眠障礙者;在北方居住時間至少1年;排除具有不良生活習(xí)慣者。最終符合要求的受試者平均年齡為(22.4±0.9)歲;男生和女生的平均身高分別為(175.2±5.1)、(164.2±4.3) cm,平均體質(zhì)量分別為(69.7±5.9)、(55.6±6.3) kg,平均BMI分別為(22.4±1.2)、(20.7±2.2) kg/m2。所有受試者在實驗前均簽署知情同意書。

1.3 實測流程

調(diào)研時間分2段,包括供暖之前的2021年11月2—5日及供暖初期的11月8—11日。11月6、7日(周末)供暖系統(tǒng)啟動,為避免供暖啟動當(dāng)日系統(tǒng)不穩(wěn)定及周末受試者行為差異的影響,未進行測試。男女組交替測試,每晚進行1組;每個宿舍在供暖前、供暖初期均重復(fù)測試2夜,總共測試8夜。由于第1夜測試數(shù)據(jù)遺失,結(jié)果部分展示的實際有效數(shù)據(jù)為7個測試夜的數(shù)據(jù)。

1.4 環(huán)境參數(shù)測量及睡眠情況監(jiān)測

實測期間記錄的室外環(huán)境參數(shù)包括：空氣溫度、空氣相對濕度與風(fēng)速,均通過中國氣象站獲取實時數(shù)據(jù)。

室內(nèi)環(huán)境的測量參數(shù)為：空氣溫度、空氣相對濕度、空氣流速和黑球溫度,測試使用的儀器規(guī)格、測點布置、測試條件與方法均參照J(rèn)GJ/T 347—2014《建筑熱環(huán)境測試方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]執(zhí)行。使用溫濕度記錄儀TR-76Ui-s(量程分別為0～55 ℃、10%～95%,精度分別為±0.5 ℃、±2.5%)監(jiān)測室內(nèi)溫濕度,每5 min采集1次數(shù)據(jù)。用黑球溫度計JTR04記錄室內(nèi)黑球溫度(量程為5～120 ℃,精度為±0.5 ℃)。溫濕度記錄儀、黑球溫度計和風(fēng)速儀均布置于房間內(nèi)距地面46 cm高處(與床體距離地面高度一致),且靠近受試者頭部位置。用風(fēng)速儀Testo 605i(量程為0～30 m/s,精度為±(0.1 m/s+5%量程))記錄室內(nèi)空氣流速,在受試者睡前30 min及醒后30 min分別測量并取平均值。

要求每個受試者在睡眠過程中正確佩戴睡眠手環(huán)(型號Fitbit Alta HR),手環(huán)的記錄間隔為30 s。睡眠手環(huán)通過體動和心率來檢測睡眠,可以獲得多項睡眠指標(biāo),包括總睡眠時長、睡眠潛伏時長、清醒期時長、快速眼動期時長、淺睡眠期時長、深度睡眠期時長[10]。

1.5 主觀問卷內(nèi)容

主觀問卷的內(nèi)容包括熱環(huán)境評價與睡眠質(zhì)量評價。

熱環(huán)境評價：在臨睡前和睡醒后各填寫1次,包括室內(nèi)熱濕感覺評價、熱濕環(huán)境可接受度評價。熱感覺投票采用ASHRAE七級標(biāo)尺：-3表示冷,-2表示涼,-1表示稍涼,0表示不冷不熱,1表示稍暖,2表示暖,3表示熱;濕感覺也采用了類似的標(biāo)尺[11]：-3表示很干,-2表示干,-1表示有點干,0表示不干不潮,1表示有點潮,2表示潮,3表示很潮。溫度、濕度可接受度投票采用兩段式連續(xù)標(biāo)尺。

睡眠質(zhì)量評價包括總體睡眠狀況、入睡難易程度、醒來難易程度、精力恢復(fù)程度、睡眠質(zhì)量滿意程度。采用1～5分級評價,分?jǐn)?shù)越高,表示睡眠越好。

此外,還收集了宿舍環(huán)境情況,包括房間人數(shù)、被褥種類、著衣情況。

1.6 床褥系統(tǒng)總熱阻調(diào)查

為合理預(yù)測受試者的床褥系統(tǒng)總熱阻,對受試者在實測期間所穿的睡衣及使用的床褥用品作了詳細(xì)調(diào)研。睡衣的調(diào)查包括服裝類型、服裝材質(zhì);床褥用品的調(diào)查包括床體、墊褥、被子的材質(zhì)、單位面積質(zhì)量及厚度。

床褥系統(tǒng)熱阻的估算采用Zhang等人研究提出的計算式(見式(1))[6],考慮到冬季睡眠習(xí)慣,本文研究選取覆蓋率為94.4%條件下的擬合系數(shù)。

(1)

式中Rt為床褥系統(tǒng)總熱阻,clo;A、t、y0為擬合系數(shù),聚酯纖維、羽絨、純棉3種材料的擬合系數(shù)取值依次分別為-4.65、705.00、5.61,-4.38、571.00、5.32,-4.48、640.00、5.42;x為單位面積質(zhì)量,kg/m2。

1.7 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計軟件SPSS26.0。通過判斷各項數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布,對樣本數(shù)量n小于50的樣本,如供暖前(n=24)和供暖后(n=32)的環(huán)境參數(shù),采用S-W檢驗;對于樣本數(shù)量n大于50的樣本,如睡眠客觀參數(shù)(n=56)和熱濕環(huán)境評價(n=56),采用K-S檢驗。受試者的熱濕感覺差異采用重復(fù)測量的方差進行分析。睡眠質(zhì)量客觀指標(biāo)和環(huán)境參數(shù)的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析;睡眠質(zhì)量的主觀評價和熱濕感覺評價、環(huán)境參數(shù)相關(guān)性則采用Spearman相關(guān)性分析。顯著性水平均取0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 室外氣象狀況

測試期間,供暖前夜間室外溫度平均值為(9.8±1.6)℃,最高氣溫為11.3 ℃,最低氣溫為7.6 ℃;11月5日后,室外溫度顯著降低,供暖設(shè)備隨之開啟,供暖后室外溫度均值降低了1.9 ℃,最高氣溫為8.8 ℃,最低氣溫為4.9 ℃。夜間相對濕度均值為59.4%,在供暖前均高于80.0%,11月5日接近飽和值(主要是由于11月4日天氣為多云,11月5日為多云轉(zhuǎn)雨);供暖后,11月9日后受西北冷高氣壓及氣溫降低的影響,相對濕度明顯下降,最低值為29.8%。夜間風(fēng)速變化較大,呈鋸齒狀波動,均值為1.5 m/s,日均最高值為2.7 m/s,最低值為0.7 m/s。

2.2 供暖前后宿舍睡眠環(huán)境

各個宿舍夜間的室內(nèi)溫度測量結(jié)果見表2。供暖前夜間室內(nèi)平均溫度為(18.6±1.1)℃,最低溫度平均值為18.7 ℃,最高溫度平均值為19.4 ℃。其中,女生組南向宿舍溫度最高(20.0 ℃),而東向宿舍最低(16.7 ℃),主要是受朝向影響。供暖初期,夜間室內(nèi)平均溫度為(20.3±1.4)℃,最低溫度平均值為18.9 ℃,最高溫度平均值為21.7 ℃。供暖后最低室溫為17.4 ℃,比GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[12]中冬季供暖設(shè)計溫度(18～24 ℃)的最低溫度低0.6 ℃。供暖設(shè)備開啟后,宿舍總體溫度均值升高了1.7 ℃,供暖后波動幅度平均值較供暖前增大了2.1 ℃。

表2 供暖前后夜間室內(nèi)溫度 ℃

男生組夜間室內(nèi)逐時溫度見圖1。供暖前,不同宿舍室內(nèi)平均溫度相差不大,北向和西向宿舍平均溫度略高,分別為19.7、20.5 ℃,可能是由于宿舍人數(shù)較多而導(dǎo)致內(nèi)熱源相對較大。夜間各宿舍室內(nèi)溫度受室外氣溫下降的影響,均呈輕微下降趨勢。供暖后,男生宿舍室內(nèi)平均溫度顯著提高,總體提升了1.7 ℃。此外,受上供下回供暖系統(tǒng)形式影響,各宿舍平均溫度按樓層從高到低降低,12、9、7、3層依次為22.5、21.2、20.4、20.2 ℃;且開始供暖后,宿舍內(nèi)平均溫度相對供暖前提升的幅度隨樓層由高到低依次減小,依次為2.0、1.5、1.3、1.3 ℃。

圖1 男生組夜間室內(nèi)逐時溫度

女生組宿舍供暖前后夜間溫度分布見圖2。從圖2可見,按宿舍朝向供暖前室溫從高到低依次為南向、北向、西向、東向;供暖后溫度波動幅度變大,最大為北向宿舍,波動值為2.7 ℃(見表2);供暖后,南向宿舍受室外溫度影響較大,且散熱器相較其他宿舍少,所以升溫效果不顯著,平均室溫降低了0.5 ℃,西向宿舍室溫變化不大,北向和東向宿舍顯著提高,分別提高了1.3、2.9 ℃。

圖2 女生組夜間室內(nèi)溫度箱線圖

各宿舍夜間平均相對濕度見表3。供暖前夜間平均相對濕度為(58.2±8.3)%,范圍為50%～72%;供暖初期夜間平均相對濕度為(38.7±6.6)%,范圍為24%～52%,根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》,按照供暖住宅室內(nèi)Ⅰ級舒適等級的要求,即室內(nèi)相對濕度應(yīng)大于等于30%,除了Aw宿舍略低于標(biāo)準(zhǔn)外,其他宿舍夜間平均相對濕度都在舒適度標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)?？傮w來看,隨室內(nèi)溫度的提高,各個宿舍相對濕度下降了19.5%。

表3 室內(nèi)相對濕度測量結(jié)果 %

2.3 學(xué)生群體床褥系統(tǒng)總熱阻統(tǒng)計

由于1名受試者在供暖后將上衣由短袖換為長袖(其他學(xué)生沒有更換睡衣的情況),因此睡衣類型的總數(shù)為17套。睡衣類型的組合中,典型睡衣組合為長袖+長褲+內(nèi)褲、僅內(nèi)褲、短袖+短褲+內(nèi)褲3種,分別占35.3%、29.4%、11.8%。半袖+短褲、短袖+長褲、長袖+秋褲3種非典型睡衣組合共占23.5%。根據(jù)ASHRAE Standard 55-2010[13]表5-3估算得出每套服裝的熱阻值,典型服裝類型占比及其熱阻頻率分布見圖3,0.3～0.4 clo范圍的熱阻分布頻率最高,占35.3%,而處于0.5～0.6 clo的熱阻值僅占5.9%?？梢?北京市高校學(xué)生冬季睡眠著裝以輕薄為主,均值為0.24 clo。

圖3 典型服裝類型及睡衣熱阻分布頻率

所有宿舍統(tǒng)一使用180 cm×90 cm單人木質(zhì)床板,厚1 cm,距地面高度46 cm。經(jīng)統(tǒng)計,共調(diào)研22件床褥、10種不同的墊層組合。典型墊層材質(zhì)為純棉、椰棕和聚酯混合成分及聚酯纖維材質(zhì),床單均為100%純棉材質(zhì)。被子填充材料主要有純棉、聚酯纖維、羽絨、蠶絲絨4種,其中純棉最多,占80%。所有被子厚度集中于1.1～2.6 cm,單位面積質(zhì)量為540～1 339 g/m2。將實測得到的不同被褥材料的單位面積質(zhì)量代入式(1)計算得到床褥系統(tǒng)總熱阻處于3.5～4.9 clo,均值為(4.4±0.4) clo。可見,北京高校學(xué)生的冬季床褥系統(tǒng)具有較強的保溫性。

由圖4可知,隨著室內(nèi)溫度的升高,床褥系統(tǒng)熱阻呈下降趨勢,可見室內(nèi)溫度的變化會影響學(xué)生床褥系統(tǒng)的選用。這也解釋了學(xué)生對室內(nèi)溫度變化不敏感、熱感覺投票值較集中的結(jié)果(見圖5)。

圖4 床褥系統(tǒng)總熱阻隨室內(nèi)溫度的變化

圖5 熱感覺投票值

2.4 室內(nèi)環(huán)境主觀評價結(jié)果

圖5顯示了供暖前后睡前和醒后的熱感覺投票值,大多數(shù)熱感覺投票值在-1(稍涼)到1(稍暖)之間。在供暖前和供暖初期,受試者的醒后熱感覺投票值相較臨睡前均顯著減小。對比睡前和醒后的環(huán)境參數(shù)值,發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫度無顯著差異,而相對濕度顯著上升。從人體與環(huán)境的換熱方式來看,室內(nèi)相對濕度增大會導(dǎo)致睡衣的傳熱系數(shù)增大,進而導(dǎo)致人體向環(huán)境的散熱量增大。另一方面,在夜間睡眠時,人體各項生理參數(shù)相較白天有所變化,比如呼吸率下降、血氧飽和度下降、新陳代謝率降低,從而產(chǎn)熱量減少[14]。此外,Kr?uchi等人的一項研究也表明,醒來后的體溫低于睡前[15]。以上現(xiàn)象可能導(dǎo)致受試者在早晨醒來后的熱感覺投票值相對較小。

圖6顯示了熱可接受百分比。由圖6可見：在供暖前室內(nèi)溫度相對較低時,入睡前室內(nèi)溫度可接受的人員占比為87.5%,早晨醒來后略有下降,為75.5%,總體上受試者在供暖前對于宿舍晚間熱環(huán)境比較滿意;供暖后,睡前熱可接受百分比無變化,醒后升高至87.5%?？山邮芏韧镀迸c熱感覺的變化趨勢相一致。

圖6 熱可接受百分比

為探究睡眠熱舒適與睡眠熱環(huán)境的相關(guān)性,將供暖前、供暖初期睡前的熱感覺投票值與室內(nèi)溫度進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明,供暖初期受試者睡前熱感覺投票值與睡前室內(nèi)操作溫度呈顯著相關(guān)性,如圖7所示。從圖7可見,供暖初期受試者睡前熱中性溫度約為18.0 ℃,對應(yīng)90%滿意率(-0.5

圖7 供暖初期睡前熱感覺投票值和溫度的相關(guān)性

2.5 睡眠質(zhì)量及相關(guān)因素分析

為探究室內(nèi)熱環(huán)境評價及環(huán)境參數(shù)對睡眠質(zhì)量的影響,對睡眠質(zhì)量主觀評價指標(biāo)、客觀測量指標(biāo)分別與睡前平均熱感覺投票值,濕感覺投票值,室內(nèi)溫度、相對濕度進行相關(guān)性分析,結(jié)果如表4所示?？梢?睡前熱感覺投票值與睡眠滿意度、深睡眠比例均呈顯著正相關(guān),即睡前熱感覺偏暖,則睡眠滿意度高,深睡眠占比高,受試者睡眠質(zhì)量更好。然而,就整晚室內(nèi)溫度而言,其與睡眠滿意度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。如圖8所示,進一步統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),睡眠滿意度較高(4分)的室內(nèi)溫度平均值為(19.1±1.1)℃,溫度區(qū)間為16.8～21.2 ℃。當(dāng)室內(nèi)溫度平均值升高1.0～1.5 ℃、溫度區(qū)間為18.8～22.5 ℃時,睡眠滿意度評分降至2分和1分。入睡容易度與睡前濕感覺呈顯著負(fù)相關(guān),與快速眼動(rapid-eye-movement, REM)睡眠比例呈顯著正相關(guān),即睡前感覺越潮濕,REM占比越高,但更不容易入睡。研究表明,REM睡眠對改善大腦疲勞有重要作用,而過多或過少的REM睡眠對健康均無益[16]。因此睡前濕感覺與睡眠質(zhì)量的關(guān)系還需更多的實驗探究。

3 結(jié)論

1) 供暖初期,夜間平均室溫較供暖前升高了1.5 ℃,最低室溫為17.4 ℃,夜間平均相對濕度為(38.7±6.6)%,熱濕環(huán)境基本符合現(xiàn)行規(guī)范中供暖住宅室內(nèi)Ⅰ級舒適等級的要求。

表4 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與睡眠質(zhì)量相關(guān)性

圖8 睡眠滿意度與溫度的相關(guān)性

2) 供暖前后,熱感覺投票值基本在-1(稍涼)到1(稍暖)之間,且醒后熱感覺相較睡前顯著下降(p<0.05);供暖初期,醒后熱感覺投票值較供暖前顯著升高(p<0.05),熱可接受率由75.0%升高至87.5%。供暖初期臨睡前熱中性溫度為18.0 ℃,在人員90%的滿意率下可接受溫度范圍為16.0～19.8 ℃。

3) 學(xué)生的睡衣熱阻基本在0.03～0.60 clo之間,睡衣較輕薄。床墊的墊褥組合和填充材料差異較大,純棉填充材料使用最多。床褥系統(tǒng)總熱阻在3.5～4.9 clo之間,超過50%的熱阻值高于4.4 clo,床褥系統(tǒng)具有較強的保溫性能,且學(xué)生能根據(jù)室內(nèi)溫度變化自主調(diào)節(jié)床褥系統(tǒng)熱阻以達(dá)到熱舒適。

4) 睡眠質(zhì)量與睡前熱感覺存在顯著關(guān)聯(lián),當(dāng)受試者睡前熱感覺偏暖時,睡眠滿意度及深睡眠占比較高,有利于睡眠。睡眠滿意度還與夜間室內(nèi)平均溫度顯著關(guān)聯(lián),室內(nèi)溫度為19 ℃左右時睡眠滿意度較高。