王興衛(wèi) 劉艷峰 宋聰 李凈

摘要：冬季睡眠狀態(tài)下，室內(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候分別對人體頭部和被覆軀體的熱感覺造成直接影響。為了分析兩個熱環(huán)境的匹配關(guān)系以滿足睡眠人體的熱舒適水平，實驗在不同的室內(nèi)溫度下，調(diào)節(jié)被褥微氣候溫度，測試了受試者的皮膚溫度，并記錄了熱感覺和熱可接受水平。研究結(jié)果表明：睡眠狀態(tài)下，相比于室內(nèi)熱環(huán)境，人體熱感覺對被褥微氣候更敏感；此外，通過分析室內(nèi)熱環(huán)境和被褥微氣候分別與整體熱感覺和整體不滿意率的關(guān)系，得到了睡眠熱環(huán)境舒適區(qū)間。

關(guān)鍵詞：熱環(huán)境； 微氣候；熱舒適； 匹配

中圖分類號：TU241.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2016）02-0091-06

Abstract：The indoor thermal environment and bed climate directly affect the sleeping thermal comfort of human head and the covered body， respectively. In order to analyze the matching relationship between the two thermal environment so as to meet the bodys sleep thermal comfort level， the skin temperature of the subjects and the thermal sensation and thermal acceptability level of the subjects were recorded with various temperatures of bed climate and indoor temperatures. The results show that the thermal sensation is more sensitive to bed climate than to the indoor thermal environment during sleep. In addition， the comfortable range of thermal sleep environment is obtained through analyzing the relationship between the sleeping thermal environment and the subjective evaluations for partial and overall human body.

Keywords： thermal environment； bed climate； thermal comfort； matching

睡眠是人類生活中不可或缺的一部分，良好的睡眠熱環(huán)境與人體健康息息相關(guān)[1-2]。在睡眠熱環(huán)境研究領(lǐng)域，大多數(shù)學(xué)者采用實驗等方法研究特定床褥系統(tǒng)熱阻下室內(nèi)熱環(huán)境對于睡眠熱舒適及睡眠質(zhì)量的影響[3-7]，然而，當(dāng)床褥系統(tǒng)熱阻變化時是否適用未作說明；常方圓[8]通過分析睡眠環(huán)境人體熱舒適方程，得出了室內(nèi)溫度、床褥系統(tǒng)總熱阻、人體熱舒適度三者之間的定量關(guān)系，但是該研究并未對人體生理參數(shù)進行測量；文獻(xiàn)[9-10]采用客觀生理參數(shù)測量結(jié)合主觀問卷調(diào)查的方法對睡眠熱環(huán)境進行了研究，指出冬季睡眠時舒適的室內(nèi)溫度為23 ℃，并且指出對受試者采用主觀調(diào)查的方式比熱感覺預(yù)測模型得到的結(jié)果更具有實際價值，但上述研究均未涉及被褥微氣候?qū)θ梭w睡眠熱舒適的影響。當(dāng)人體覆蓋被褥時，被褥將室內(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候隔絕開來，使被褥微氣候溫度高于室內(nèi)熱環(huán)境溫度，睡眠熱舒適首先受到被褥微氣候的影響，其次是室內(nèi)熱環(huán)境 [11-14]?；谌梭w局部熱需求差異對室內(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候進行匹配研究，不僅可以更精確地評價睡眠熱環(huán)境，同時也為夜間采暖室內(nèi)設(shè)計溫度的確定提供了理論依據(jù)。

筆者通過實驗研究的方法，在不同工況下測試受試者皮膚溫度，同時，以問卷的形式調(diào)查受試者對熱環(huán)境的主觀評價，針對頭部和被覆軀體對睡眠熱環(huán)境的不同需求，研究室內(nèi)熱環(huán)境和被褥微氣候的匹配關(guān)系。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗室布置

實驗在一套西安地區(qū)非供暖民居中進行，該場地為實驗提供了典型且真實的冬季住宅室內(nèi)熱環(huán)境工況。其中主臥室平面尺寸為4.3 m×2.8 m；客廳平面尺寸為5.6 m×3.0 m，如圖1所示。

1.2 受試者

受試者為12名健康男性，均為在校學(xué)生（年齡24.5±0.6歲，身高171.4±2.5 cm，體重63.9±2.8 kg），睡眠習(xí)慣良好，飲食和作息時間較為規(guī)律；此外，實驗開始前，對受試者進行了相關(guān)培訓(xùn)：實驗前無刺激性飲食和劇烈運動等可能引起代謝發(fā)生劇烈變化的活動。正式實驗前，讓受試者熟悉實驗流程、調(diào)查問卷內(nèi)容、實驗注意事項等。

1.3 床褥系統(tǒng)及實驗儀器

實驗選用木板床與棉墊組合及居民冬季常用的被褥系統(tǒng)，熱阻約為3.73 clo[15]；電熱毯為可調(diào)溫電熱毯。睡眠期間受試者著同一服裝，熱阻為0.61 clo。實驗采用TR-72ui自計式溫度塊測得室內(nèi)、外空氣溫度和相對濕度，溫度測量精度為±0.3 ℃、量程為0～50 ℃，濕度測量精度為±5%，量程為10%～95%；Pt1000熱電偶測試建筑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度，精度為±0.1 ℃，量程為-100.00～+100.00 ℃；ZRQF-F30風(fēng)速儀測得室內(nèi)風(fēng)速，精度為±0.03 m/s，量程為0～+20 m/s；ibutton（型號DS1922L）測量人體皮膚溫度，ibutton（型號DS1923）測量被褥微氣候溫度，精度均為±0.5 ℃，量程均為-40～85 ℃；除風(fēng)速采用不定時測量外，其余參數(shù)記錄時間間隔均為5 min，且所有儀器使用前均進行了精確度校準(zhǔn)。

1.4 皮膚溫度及被褥微氣候溫度的測量方法

采用10點法測定人體皮膚溫度，各個部位的權(quán)重系數(shù)為其表面積占全身表面積的百分比[16]?；谏鲜銎つw溫度測點及權(quán)重系數(shù)確定方法，分別討論被覆軀體和頭部皮膚溫度測定。在測量被覆軀體皮膚溫度時，將每個部位表面積占被覆軀體總面積的百分比作為各自的權(quán)重系數(shù)，被覆軀體測點為：左胸、左背、腹部、右上臂、左前臂、右手手背、右大腿上、右小腿上、右腳腳面，各部分對應(yīng)權(quán)重系數(shù)分別為：0.128、0.128、0.128、0.085、0.064、0.053、0202、0.138、0.074。頭部皮膚溫度以臉頰部皮膚溫度表示。

人體與被褥之間的微氣候物理模型作如下簡化：被褥將人體包裹，所形成的被褥微氣候視為人體等比例放大的空氣夾層。由于該空氣夾層厚度較小，其空氣溫度視為與被褥內(nèi)表面溫度相等。因此，被褥微氣候溫度的計算可類比于人體平均皮膚溫度，在被覆軀體皮膚溫度各測點對應(yīng)的被褥內(nèi)表面位置布置相應(yīng)測點，采用面積加權(quán)平均的計算方法。

被褥微氣候溫度的具體測試方法如下：在胸上側(cè)、背下側(cè)、腹上側(cè)、肩側(cè)、腹側(cè)、大腿側(cè)、大腿上側(cè)、小腿上側(cè)、腳側(cè)對應(yīng)的被褥內(nèi)表面布置測點?；谝陨戏治觯蝗煳夂驕囟鹊募訖?quán)系數(shù)與被覆軀體皮膚溫度計算加權(quán)相同，各部分對應(yīng)權(quán)重系數(shù)分別為：0.128、0.128、0.128、0.085、0.064、0.053、0202、0.138、0.074。

1.5 調(diào)查問卷設(shè)計

調(diào)查問卷主要內(nèi)容是受試者對熱環(huán)境的評價，采用ASHRAE[17] 7級熱感覺投票進行評價，熱可接受度采用斷裂標(biāo)尺法[18]，分4個等級（+1明顯可接受、+0.01剛好可接受、-0.01剛好不可接受、-1明顯不可接受）進行評價。

1.6 實驗流程

實驗要求受試者22：00到達(dá)實驗室，安靜休息30 min，適應(yīng)實驗場地?zé)岘h(huán)境；22：30將ibutton（型號DS1922L）粘貼于人體皮膚表面相應(yīng)部位，室內(nèi)空氣溫濕度及被褥微氣候溫度等測試儀器按時開啟；23：00受試者處于平躺狀態(tài)，開始進入睡眠狀態(tài)；次日早晨7：00受試者被實驗組織者叫醒，在其起床前，實驗組織者記錄其對熱環(huán)境的主觀評價。之后兩晚，保持室內(nèi)空氣溫度不變，在實驗開始前用電熱毯對被褥微氣候進行低檔和偏高檔加熱，其余步驟不變。

2 實驗結(jié)果及分析

對不同工況下受試者熱環(huán)境評價值采用均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差進行分析，受試者整晚的皮膚溫度和被褥微氣候溫度取平均值[19]；對實驗數(shù)據(jù)進行t檢驗，數(shù)據(jù)分析的檢驗水準(zhǔn)為0.05；局部熱感覺對整體熱感覺的影響權(quán)重根據(jù)影響因子法[20]進行推導(dǎo)。

2.1 實驗環(huán)境工況

實驗設(shè)定室內(nèi)空氣溫度為3、6、9、12、15、18 ℃，實際工況下室內(nèi)操作溫度分別為3.6、5.8、9.2、115、15.0、19.7 ℃，相對濕度的變化范圍為30%～60%，風(fēng)速在0.15 m/s以下。其中在9.2、11.5、15.0 ℃工況下，被褥微氣候溫度均有3個調(diào)節(jié)水平。

2.2 局部熱感覺與局部皮膚溫度

人體皮膚溫度是反應(yīng)人體熱舒適的重要生理指標(biāo)之一。局部皮膚溫度也有一定的限值，低于或者高于該值，人體會感到極大的不舒適，因此，有必要找出局部熱感覺與局部皮膚溫度的關(guān)系，頭部和被覆軀體與各自皮膚溫度的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，局部熱感覺與局部皮膚溫度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，局部皮膚溫度可以較好地表示局部熱感覺；此外，對比兩個局部熱感覺與各自皮膚溫度關(guān)系曲線的斜率可知，當(dāng)熱感覺均變化一個單位時，頭部皮膚溫度變化2.9 ℃，被覆軀體皮膚溫度僅變化0.7 ℃。表明睡眠狀態(tài)下，相比于頭部熱感覺隨其皮膚溫度的變化，被覆軀體熱感覺隨其皮膚溫度變化更敏感。

將整體熱可接受度投票小于0視為不滿意，當(dāng)不滿意百分比PPD≤26%時，熱環(huán)境認(rèn)為是可接受的。實驗結(jié)果表明，局部環(huán)境溫度ta、tb分別與PPD呈現(xiàn)二次多項式函數(shù)關(guān)系，且均存在不同溫度值對應(yīng)相同不滿意百分比的現(xiàn)象；因此，將ta與tb分別作為橫、縱坐標(biāo)時，采用橢圓拋物面函數(shù)對ta、tb與PPD三者關(guān)系進行擬合。此外，橢圓拋物面函數(shù)可以更加直觀地表現(xiàn)出ta與tb的匹配關(guān)系；橢圓拋物面函數(shù)長、短軸數(shù)值之差可體現(xiàn)人體對ta與tb的敏感度差異。綜合考慮TSVW與PPD可得睡眠熱環(huán)境舒適區(qū)域如圖5所示，其中斜線代表TSVW，橢圓曲線代表PPD。

由圖5可知，當(dāng)TSVW一定時，室內(nèi)操作溫度與被褥微氣候溫度成反比；PPD從內(nèi)到外呈現(xiàn)遞增趨勢。TSVW在-1到1之間并非都能滿足熱舒適，比如：室內(nèi)操作溫度為0 ℃時，雖然TSVW可能滿足要求，但是超出了PPD的可接受范圍。在睡眠熱環(huán)境舒適區(qū)域中，TSVW和PPD不是同步的，同一TSVW對應(yīng)著不同的PPD，反之，同一PPD也對應(yīng)著不同的TSVW，比如：當(dāng)TSVW為1時，PPD可能為25%、15%或者10%。在該舒適區(qū)域中，室內(nèi)操作溫度最低約為6.0 ℃，低于室內(nèi)舒適溫度區(qū)間下限約1.0 ℃，此時，被褥微氣候溫度約為30.0 ℃；被褥微氣候溫度最低及最高分別約為25.5 ℃和33.0 ℃，超出其舒適溫度區(qū)間上下各約1.0 ℃，對應(yīng)的室內(nèi)操作溫度分別為28.5 ℃和11.0 ℃，但是此時人體依舊是可接受的；由此可知，即使局部熱感覺偏離熱中性較大，整體也可保持一個舒適狀態(tài)。

當(dāng)室內(nèi)操作溫度取本次實驗最高溫度20.0 ℃時，被褥微氣候溫度不低于26.0 ℃，不高于32.0 ℃。綜上可知，整體熱舒適必須同時滿足PPD與TSVW的要求。

3 結(jié) 論

1）睡眠狀態(tài)下，相比于頭部熱感覺隨其皮膚溫度的變化，被覆軀體熱感覺隨其皮膚溫度變化更為敏感。

2）在睡眠狀態(tài)下，室內(nèi)熱中性溫度約為14.0 ℃，舒適的室內(nèi)操作溫度區(qū)間約為7.0～21.0 ℃；被褥微氣候熱中性溫度約為30.0 ℃，舒適的被褥微氣候溫度區(qū)間約為27.0～32.0 ℃；此外，相比于頭部熱感覺隨室內(nèi)操作溫度的變化，被覆軀體熱感覺隨被褥微氣候溫度的變化更為敏感。

3）得到了基于人體局部熱需求差異的睡眠熱環(huán)境舒適區(qū)間。該舒適區(qū)間綜合考慮了室內(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候的熱環(huán)境參數(shù)，當(dāng)TSVW一定時，室內(nèi)操作溫度與被褥微氣候溫度成反比關(guān)系；TSVW在-1到1之間并非都能滿足熱舒適。

4）對于冬季睡眠熱舒適而言，室內(nèi)操作溫度最低約為6.0 ℃，此時被褥微氣候溫度約為30.0 ℃；當(dāng)室內(nèi)操作溫度取實驗最高溫度20.0 ℃時，被褥微氣候溫度不低于26.0 ℃且不高于32.0 ℃。

參考文獻(xiàn)：

[1] OKAMOTO-MIZUNO K， MIZUNO K. Effects of thermal environment on sleep and circadian rhythm [J]. Journal of physiological Anthropology， 2012， 31： 14-22.

[2] TSUZUKI K， MORI I， SAKOI T， et al. Effects of seasonal illumination and thermal environments on sleep in elderly men [J]. Building and Environment， 2015， 88： 82-88.

[3] FUJII H， FUKUDA S， NARUMI D， et al. Fatigue and sleep under large summer temperature differences [J]. Environmental Research， 2015， 138： 17-21.

[4] KIM M， HAN J， CHUN C. A study on bedroom environment and sleep quality in Korea [J]. Indoor and Built Environment， 2010，19（1）：123-128.

[5] DJONGYANG N， TCHINDA R，NJOMO D. Estimation of some comfort parameters for sleeping environments in dry-tropical sub-Saharan Africa region [J]. Energy Conversion and Management， 2012， 58：110-119.

[6] 蘭麗，連之偉，潘黎.夜間睡眠空調(diào)舒適溫度實驗研究[C ]// 中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會室內(nèi)環(huán)境與健康分會年會， 2012：18-24.

LAN L， LIAN Z W， PAN L. Experimental study on thermal comfort of sleeping person in air-conditioned room [C]// Indoor Environment and the Health Branch of China Environmental Science Institute Annual Meeting， 2012：18-24. （in Chinese）

[7] 羅淵，徐文華.平均輻射溫度對睡眠環(huán)境人體熱舒適的影響 [J]. 制冷技術(shù)， 2010（4）： 52-56.

LUO Y， XU W H. Influence of mean radiation temperature on thermal comfort in sleeping environment [J]. Refrigeration Technology， 2010（4）： 52-56. （in Chinese）

[8] 常方圓.淺談寢床系統(tǒng)總熱阻對人體睡眠熱舒適度的影響[J].設(shè)計研究，2015，36（1）：32-36.

CHANG F Y. The influence of total insulation values of the bedding systems on thermal comfort in sleeping environments [J]. Design Research， 2015，36（1）：32-36. （in Chinese）

[9] 潘黎.基于人體生理參數(shù)的清醒和睡眠狀態(tài)的熱舒適研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

PAN L. The thermal comfort investigation of awakening and sleeping state based on physiological parameters [D]. Shanghai： Shanghai Jiaotong University， 2012. （in Chinese）

[10] LAN L， PAN L， LIAN Z. et al. Experimental study on thermal comfort of sleeping people at different air temperatures [J]. Building and Environment， 2014， 73： 24-31.

[11] LEUNG C， GE H. Sleep thermal comfort and the energy saving potential due to reduced indoor operative temperature during sleep [J]. Building and Environment， 2013， 59： 91-98.

[12] PAN D M， LIN Z P， DENG S M. A mathematical model for predicting the total insulation value of a bedding system [J]. Building and Environment， 2010， 45： 1866-1872.

[13] WANG Y Y， LIU Y F， SONG C， et al. Appropriate indoor operative temperature and bedding micro climate temperature that satisfies the requirements of sleep thermal comfort [J]. Building and Environment， 2015， 92： 20-29.

[14] OKAMOTO-MIZUNO K， TSUZUKI K. Effects of season on sleep and skin temperature in the elderly [J]. International Journal of Biometeorology， 2010， 54： 401-409.

[15] LIN Z P， DENG S M. A study on the thermal comfort in sleeping environments in the subtropics： Measuring the total insulation values for the bedding systems commonly used in the subtropics [J]. Building and Environment， 2008， 43： 905-916.

[16] CHOI J K， MIKI K， SAGAWA S， et al. Evaluation of mean skin temperature formulas by infrared thermography [J]. International Journal of Biometeorology， 1997， 41：68-75.

[17] ANSI/ASHRAE. Thermal environmental conditions for human occupancy： Standard 55-2010[S].

[18] GUNNARSEN L， FANGER P O. Adpatation to indoor air pollution [J]. Enviornment International， 1992， 18： 43-54.

[19] LIU Y F， SONG C， WANG Y Y. Experimental study and evaluation of the thermal environment for sleeping [J]. Building and Environment， 2014， 82： 546-555.

[20] 張宇峰.局部熱暴露對人體熱反應(yīng)的影響[D].北京：清華大學(xué)，2005.

ZHANG Y F. Effect of local exposure on human responses [D]. Beijing： Tsinghua University， 2005. （in Chinese）

（編輯 胡英奎）