被服系統熱舒適性研究進展

劉玉萍， 盧業虎,， 王來力

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215006； 2. 浙江理工大學 浙江省服裝工程技術研究中心， 浙江 杭州 310018)

睡眠約占人一生三分之一的時間，良好的睡眠對保持人體生理和心理的健康至關重要[1]。正常成年人夜間睡眠過程中非快速眼動期(簡稱NREM)和快速眼動期(簡稱REM)交替出現。NREM睡眠可分為3個階段N1～N3，N3期腦電波頻率降低，睡眠程度加深，稱之為慢波睡眠(簡稱SWS)或深睡眠。SWS和REM有助于人體體力、精力的恢復以及記憶的存儲[2-3]。

被服系統由寢具和睡眠時穿著的服裝2部分組成，一般包括床、床墊、枕頭、被子、睡衣等，形成一個局部的微氣候，在睡眠時阻擋人體的熱量向外傳遞，與室內環境共同作用影響睡眠人體的熱舒適感[4-5]。國內外關于熱舒適的研究，主要是針對清醒的人體展開的。然而人體睡眠狀態與清醒狀態時的生理參數和傳熱方式差異很大，睡眠時人體基礎代謝率為40 W/m2，熱生理調節反應隨睡眠階段變化[6]，有很大一部分身體與床墊接觸，因此，與清醒人體相關的熱舒適研究結論不能直接用于睡眠人體，需要修正。

近年來，針對睡眠人體熱舒適的研究逐漸引起了人們的關注。被服系統作為影響睡眠熱舒適的主要因素，研究者們也對此展開了一系列的研究。本文對國內外相關文獻進行了綜述，概括了睡眠熱舒適性的評價方法，并從“人體—被服—環境”系統的角度分析了影響睡眠熱舒適性的主要因素，總結了國內外對這些影響因素的研究進展，分析了目前研究中存在的缺陷和不足，提出了進一步研究的方向。

1 評價方法

睡眠熱舒適性的常用評價方法包括實驗研究和熱舒適模型研究，其中實驗研究主要有客觀評價和主觀評價2類。

1.1 實驗研究

客觀評價睡眠人體熱舒適的常用指標有腦電、心電、皮膚溫度、核心體溫等接觸式測量指標，以及睡姿和壓力分布等非接觸式測量指標。主觀評價方法分問卷調查和量表評估2種。

1.1.1 客觀評價

多導睡眠記錄儀(PSG)能夠綜合記錄睡眠時的腦電、眼電、心電、肌電等信息。基于腦電數據，可對睡眠階段進行劃分，當睡眠處于熱舒適狀態時，睡眠潛伏期、每個睡眠階段的持續時間、覺醒次數和時間等定量測量指標，只有輕微差別；當室溫偏離熱中性溫度時，受試者的睡眠潛伏期增長，SWS和REM時間縮短，覺醒的次數和時間增加[7-9]。通過對心電信號進行處理，可得到睡眠期間的心率變異性。Liu等[10]研究了不同熱舒適水平下的心率變異性，發現在熱感覺相同的情況下，不舒適狀態的心率變異性高于舒適狀態。

皮膚溫度和核心體溫會隨睡眠的階段發生變化[6]。睡眠初始階段，表皮血管選擇性擴張使皮膚溫度上升，心臟自主神經活動促使核心體溫下降，遠端皮膚溫度和核心體溫呈現出相反的節律[11]，此時手足皮膚熱量散失程度可以作為快速進入睡眠狀態的預測指標[12]。隨著睡眠加深，皮膚溫度、核心體溫和代謝率的變化趨于平緩，在某個范圍內上下波動[13]。平均皮膚溫度可以作為個體熱舒適的評價指標，當人體保持清醒躺在床上時，平均皮膚溫度為32.6 ℃，這也是冷不適和舒適的界限，33.7 ℃是熱不適和舒適的界限[14]。

非接觸式測量的方式可免去接觸式儀器在睡眠中產生的不適感。使用圖像采集和分析技術獲得睡眠時姿勢，將記錄到的姿勢圖像進行分類，對應相應的睡眠舒適等級[15]。另一種常用的方法是將記錄壓力的分散式傳感器嵌入床墊，記錄睡眠時人體的壓力分布，與舒適狀態的壓力分布情況比較，判斷睡眠時的熱舒適狀況[16]。隨著智能家居的發展，睡姿和睡眠壓力分布的數據庫將不斷完善，非接觸式測量的準確性和實用性會不斷提高。

1.1.2 主觀評價

開始睡眠實驗前，一般通過問卷來測試受試者是否存在睡眠障礙，較為常用的是匹茲堡睡眠質量指數問卷[17]，該問卷有較高的可信度[18-19]。睡眠實驗結束后，實驗人員會根據實際情況擬定調查問卷請受試者填寫，了解前一晚的睡眠情況。

為更準確地評價前一晚的睡眠質量，還會要求受試者填寫熱感覺評價量表和熱舒適評價量表。熱舒適評價一般使用五級評價量表：舒適(0)，略不舒服(1)，不舒服(2)，非常不舒服(3)，忍受極限(4)。熱感覺評價一般使用七級標尺：非常冷(-3)，冷(-2)，略冷(-1)，熱中性(0)，微暖(1)，暖(2)，熱(3)。雖然進行主觀評價很方便，但受試者的舒適感易受環境、情緒或心理壓力的影響，測試結果的準確性存在一定偏差。此外，受試者容易因局部不適而給出不準確的整體熱感覺評價。

1.2 熱舒適模型

關于人體著裝熱舒適評價的生理模型較多，但當前應用在被服系統的熱舒適評價主要分為2類：一種是在Fanger的PMV-PPD模型基礎上進行修正的熱舒適模型；另一種是在Gagge的兩節點模型基礎上進行修正的熱生理模型。

Lin等[4]提出了修正的PMV-PPD模型，假設人體在睡眠時保持不動，代謝率維持在40 W/m2，皮膚處在無感排汗的理想狀態，平均皮膚溫度為34.6 ℃，并用寢具的總熱阻代替服裝的熱阻，建立了適用于睡眠環境的熱舒適方程。Song等[20]進一步將人體分為頭部和被子覆蓋區域，建立了睡眠熱舒適的部分熱感覺與整體不滿意PTS-WPD模型，PTS提供了頭部和被覆蓋區域的局部熱感覺，WPD模型將每個單獨的局部熱感覺集中到熱環境評價的綜合性指標中，確定了室內熱環境與床氣候的耦合熱舒適區。

基于Gagge的兩節點模型，Pan等[21]提出了修正的四節點模型，對睡眠時的皮膚層進行了細致的劃分，分為裸露在外的皮膚、被子覆蓋的皮膚、與墊子接觸的皮膚3部分；皮膚溫度設定為34.6 ℃，核心體溫設定隨睡眠時間變化微調；睡眠中REM和NREM期交替出現，根據2個時期生理調節反應的不同，將睡眠期間生理調節反應劃分為2部分。修正的四節點模型能夠用來預測睡眠人體的熱生理反應。然而，該模型并沒有對覆蓋被子的人體進行驗證，也沒有進行參數化研究，模型的準確性有待檢驗。

2 被服系統熱舒適性的影響因素

圖1為當人體睡眠處于熱舒適狀態時，人體產熱與散熱達到動態平衡的示意圖。由圖可知，被服系統(熱阻、濕阻)、人體(平均皮膚溫度、代謝率)、環境(溫度、濕度、風)均會影響睡眠人體的舒適性。

2.1 被服系統

被服系統總熱阻和總濕阻作為睡眠熱平衡方程的重要變量對睡眠熱舒適性有顯著影響。通過在低溫環境中增加被服系統的熱阻，高溫環境中減少被服系統的熱阻，有利于在較低能耗情況下實現熱舒適。

被服系統的總熱阻受被子覆蓋人體面積的百分比、被子種類及填充物質量、睡衣、床墊類型、大氣壓力等因素共同影響[22-24]。被服系統總熱阻隨覆蓋面積百分比的增加而增加；填充材料的種類對寢具熱阻的影響比較有限，與面密度相比，被子的厚度對總熱阻的影響更大；長袖睡衣比半袖睡衣能夠提供更多的熱阻；使用棕梆床墊的總熱阻比普通席夢思床墊要小；氣壓會影響被服系統與環境間的對流換熱系數，使被服系統總熱阻隨大氣壓力的降低而升高。亞熱帶地區常用被服系統的總熱阻約為0.90～4.89 clo，具體如表1所示。

表1 亞熱帶地區常見被服系統熱阻Tab.1 Total insulation values for bedding systems used in subtropics

被服系統的存在，使人體和被服之間形成了一個被內微氣候，微氣候作為“人體—被服—環境”系統中重要的一部分，對睡眠熱舒適的影響比室溫更大[25]。被內微氣候的溫濕度高于環境[26]，熱舒適時被內微氣候的溫度大約在30 ℃左右，濕度維持在40%～60%，測量方式和位置的不同，結果可能會存在一定差異[27-29]。在寒冷的冬季使用電熱毯從底層進行加熱，可以提高被內微氣候溫度[30]，在較低能耗的情況下保證睡眠的熱舒適[31]，如何能夠真正地實現智能控溫是此類產品需要解決的技術問題。

2.2 人 體

睡眠時人體對寒冷的敏感性有明顯的個體差異。男性跟女性相比，冷不適時能承受更低的溫度，熱不適時能承受更高的溫度[28]，女性更喜歡中性偏溫暖的環境，男性更喜歡中性偏涼的環境[14]，因此，當被服系統提供的熱阻相同時，維持舒適睡眠所需的室內溫度，女性一般高于男性[4]。相同溫度下，男性的睡眠質量要好于女性，深度睡眠時間比女性長[32]。

人體睡眠熱舒適性與睡眠姿勢和人體運動密切相關。當人體感受到熱時，會自覺地伸展身體，溫度越高，身體就越伸展；當人體感到寒冷時，人體會自動蜷縮起來，把手臂和腿靠近身體；當人體感覺舒適時，會仰臥在床上，伸直雙腿，把手靠近身體，稍微張開雙腳或者側躺微蜷[15]。

2.3 環 境

2.3.1 溫 度

溫度是影響睡眠的重要因素，睡眠時的熱中性溫度一般高于清醒時[9]。熱中性溫度也隨季節發生變化，通常冬季更低[33]。關于溫度對睡眠熱舒適的影響研究，主要分為3類：低溫環境、高溫環境、變溫環境。當被服系統總熱阻較低時，如受試者僅穿著簡單的內衣且不覆蓋被子的情況下，低溫環境和高溫環境都會使受試者覺醒的頻率和時間增加，SWS期時長縮短，睡眠主觀感受變差[34]。

現實生活中，人們休息時一般會選擇穿著睡衣和蓋被子，即使環境溫度變化幅度很大，被內微氣候仍能夠保持相對穩定[35]。受試者在低溫環境下進行睡眠實驗，睡眠潛伏期、睡眠效率指數和睡眠持續時間與舒適睡眠時沒有明顯差別，考慮到低溫環境可能會影響心臟的自主神經反應，臥室中的環境溫度應高于10 ℃[36]。睡眠初期涼爽舒適的環境會使睡眠潛伏期增長，推遲睡眠的開始，為了快速入睡，臥室的空氣溫度在睡眠初期也不宜過低[37]。高溫環境下被服系統熱阻能夠調節的范圍有限，睡眠期間人體會出現生理調節反應導致覺醒，室溫高于熱舒適溫度時會明顯干擾睡眠[38]。

通常來說，在8 h的睡眠過程中，室內溫度可能會發生一定的變化。通過在睡眠期間進行變溫實驗可發現，舒適溫度附近較大范圍(6 ℃)的波動會對睡眠產生不利影響。高溫環境主要影響SWS期為主的睡眠前期，而低溫環境主要影響REM期為主的睡眠后期，REM期對外界溫度的變化比NREM期更為敏感[39-40]。而室溫在熱中性溫度附近小幅度(2 ℃)循環波動或者升溫對睡眠無明顯影響[41]，小幅度降溫在一定程度上可以提高睡眠質量[42]。

2.3.2 濕 度

室溫接近熱中性溫度時，濕度對睡眠的影響較小。高溫環境下，高濕會降低人體蒸發散熱，進一步加深高溫對睡眠的不利影響[43]。在睡眠前期進行濕熱暴露比后期暴露對睡眠的不利影響更嚴重。濕熱暴露抑制了睡眠前期的SWS，使覺醒增加，身體降溫效應延遲，而在睡眠后一段時間進行濕熱暴露時沒有發生這一現象[39]。

2.3.3 風

風在睡眠和日常生活中都是增加熱量散失的有效手段。在高溫高濕的環境中，在床尾放置風扇，可以減輕熱負荷，降低睡眠中的覺醒，但是并沒有改善高溫高濕帶來的不適感[44]。Li等人建立了床側送風系統發現，當位于人體呼吸區的床側送風系統啟動后，即使送風溫度稍高于室內溫度且人體面部無風感，受試者仍會感覺涼爽且出現平均皮膚溫度下降的情況[45]。關于通風引起的室內空氣質量變化是否會對睡眠產生影響尚不明確[46]。

3 研究不足和展望

盡管關于睡眠熱舒適已經展開了一部分研究，但很多睡眠熱舒適的理論都是在清醒狀態人體熱舒適研究的成果上推導而來的，如何將目前假人測試和人體測試取得的實驗數據與相關理論結合起來，構建普遍適用的“人體—被服—環境”系統的睡眠熱舒適模型，還需要進一步的探索，其未來的發展趨勢可以從以下幾個方面考慮。

3.1 研究的人群范圍較窄

當前關于睡眠熱舒適的研究，受試者的年齡段集中20歲左右的年輕人，對于老年人和兒童的研究較少。不同年齡段人群具有不同的生理特征，通過調整室內環境和被服，能夠滿足不同的熱舒適要求，提高人類的睡眠質量。不同年齡段人群睡眠熱生理的變化及對熱環境的不同要求有待進一步研究。當前的研究主要集中在對單人單床進行研究，關于家庭單床多人環境和醫院病房、火車臥鋪、學生宿舍等多床環境的研究不足。

3.2 關于被服系統的研究不足

當前關于被服系統的研究主要集中在熱阻值上，被服系統種類多樣，需要深入研究不同種類、不同面密度的填充材料，不同被套種類，以及被服系統的濕阻對熱舒適的影響。目前關于被服系統的熱阻的測量都假設人體處于平躺狀態，但睡眠是一個長達8 h的過程，人體不可能一直保持同一姿勢，睡眠姿勢對被服系統熱阻的影響需要進一步研究，需要建立更為準確的預測模型。

3.3 局部通風或降溫對睡眠影響研究不足

室內局部通風可使人在高于熱舒適溫度的環境中保持舒適，有助于高溫高濕環境下的睡眠，但是近距離送風是否會對健康產生不利影響尚不明確。同時，送風會在一定程度上改善室內的空氣質量，空氣質量可能是影響睡眠質量的另一個重要因素，需要更多的研究來探討關于空氣質量對睡眠的影響。睡眠期間小幅度的降溫可在一定程度上提高睡眠的舒適性，但是過低的溫度可能會影響心臟的自主神經活動，關于降溫的積極作用，需要結合人體睡眠熱生理，對降溫的開始時間、持續時間、降溫幅度等進行更為細致的研究。

3.4 睡眠熱生理模型研究有待加強

目前利用計算機建立生理調節模型研究人體的熱生理反應發展相對比較成熟，從兩節點模型到多節點多層模型，都被證實可有效地預測清醒人體的熱生理反應。然而，針對睡眠人體熱生理模型的研究非常少。睡眠人體與直立著裝人體模型的主要區別在于：人體的局部傳熱不同；皮膚溫度和核心體溫的設定值不同；睡眠過程中REM和NREM交替出現，2個時期生理調節反應不同。針對睡眠人體建立熱生理模型可開展參數化研究，提高研究效率，減少實驗成本，并可預測極端環境下的人體熱生理反應，提高睡眠舒適性。

4 結束語

睡眠人體舒適性的研究逐步引起廣泛關注，本文首先總結了當前常用的評價睡眠熱舒適的基本方法，包括客觀評價、主觀評價指標以及熱舒適模型，其次從被服、人體、環境3個方面系統地總結了國內外學者們已經取得的研究進展。目前關于睡眠熱舒適研究主要集中在單個因素對睡眠的影響上，許多成果都是建立在理論推導的基礎上，沒有很好地將理論和實際結合起來，基于“人體—被服—環境”系統的整體研究較少，建立普遍適用的睡眠熱舒適模型勢在必行。