北京高校宿舍供暖前后室內熱環境變化及其對學生睡眠熱舒適的影響*

樊 穎 張曉靜 周錦玥 謝靜超 劉加平

(北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室,北京)

0 引言

良好的睡眠質量離不開舒適的室內睡眠熱環境。現有室內熱環境標準都是基于人體清醒狀態下的熱舒適需求而設定的,而睡眠狀態與清醒狀態間的熱感覺存在顯著差異[1]。因此,有必要對現行規范中缺少的熱舒適環境參數進行完善。

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低溫環境存在一個合理的溫度區間,在滿足睡眠熱舒適的前提下,還能提供一定的節能潛力。然而,針對寒冷地區供暖前后低溫工況下睡眠熱環境的研究仍相對較少。Zhang等人在北京的一些大學宿舍開展了為期6周的睡眠環境實地調研,但實測得到的室內溫度均在20 ℃以上,缺少室內低溫環境的數據[2]。因此,有必要針對冬季供暖前后較低的室內溫度下熱環境的變化情況及睡眠熱舒適情況展開實測調研,同時,采用主客觀睡眠指標相結合的方式探究睡眠質量與熱環境的關系。

床褥系統總熱阻包括被子、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,該值的準確測量對于提高研究結果的可信度至關重要。現行熱舒適規范未對床褥系統總熱阻進行詳細規定,有關床褥系統總熱阻的實測調研數據也較少。關于床褥系統總熱阻的確定,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,并探究了床褥系統熱阻與各個影響因素之間的關系,但并沒有得出相應的計算公式[3];McCullough等人通過實驗測試,建立了預測床褥系統總熱阻的經驗關系式,但其主要關注西方國家廣泛使用的毯子及其覆蓋率與床褥系統總熱阻的關系,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據獲得了床褥系統總熱阻的計算模型,但該模型較為復雜,增加了現場調查難度[5];Zhang等人基于40多個床褥系統的實際測量數據,建立了評估床褥系統隔熱性能的計算公式,變量為單位面積質量,可通過直接測試被子質量來計算床褥系統總熱阻,計算結果較精確[6]。

因此,為對現行規范中有關睡眠熱舒適的規定進行補充,并為改善低溫睡眠熱環境提供依據,本文提出以下研究目標：1) 在北京市某高校學生宿舍開展實地調研,收集寒冷地區供暖前后夜間室內熱環境參數,合理預測床褥系統總熱阻;2) 通過問卷調查供暖前后高校學生的睡眠熱舒適情況,收集睡眠質量主、客觀參數;3) 對比供暖前后睡眠熱舒適和睡眠質量,分析睡眠質量的影響因素,得出保證睡眠質量和舒適度的可接受溫度區間。

1 研究方法

1.1 實測房間

調查對象為北京市某高校學生公寓,宿舍基本信息見表1。共調查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。被調查宿舍均為單面外墻、單扇外窗。每個宿舍室內面積相差不大,但所處樓層不一致。同寢人數方面,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、窗均處于關閉狀態,且未使用風扇、空調、加濕器等設備。

表1 宿舍基本信息

4棟宿舍樓的供暖系統均為上供下回系統,宿舍內散熱器統一安裝于陽臺玻璃門內側,男生宿舍(As、An、Aw、Ae)的散熱器材質為鋼,女生宿舍(Bs、Bn、Bw、Be)的散熱器材質為鑄鐵。

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：根據身體質量指數BMI[7](中國人正常標準范圍為18.5～23.9 kg/m2),排除偏胖或偏瘦體格;根據匹茲堡睡眠質量指標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)供暖系統啟動,為避免供暖啟動當日系統不穩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、供暖初期均重復測試2夜,總共測試8夜。由于第1夜測試數據遺失,結果部分展示的實際有效數據為7個測試夜的數據。

1.4 環境參數測量及睡眠情況監測

實測期間記錄的室外環境參數包括：空氣溫度、空氣相對濕度與風速,均通過中國氣象站獲取實時數據。

室內環境的測量參數為：空氣溫度、空氣相對濕度、空氣流速和黑球溫度,測試使用的儀器規格、測點布置、測試條件與方法均參照JGJ/T 347—2014《建筑熱環境測試方法標準》[9]執行。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%)監測室內溫濕度,每5 min采集1次數據。用黑球溫度計JTR04記錄室內黑球溫度(量程為5～120 ℃,精度為±0.5 ℃)。溫濕度記錄儀、黑球溫度計和風速儀均布置于房間內距地面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(型號Fitbit Alta HR),手環的記錄間隔為30 s。睡眠手環通過體動和心率來檢測睡眠,可以獲得多項睡眠指標,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 主觀問卷內容

主觀問卷的內容包括熱環境評價與睡眠質量評價。

熱環境評價：在臨睡前和睡醒后各填寫1次,包括室內熱濕感覺評價、熱濕環境可接受度評價。熱感覺投票采用ASHRAE七級標尺：-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標尺。

睡眠質量評價包括總體睡眠狀況、入睡難易程度、醒來難易程度、精力恢復程度、睡眠質量滿意程度。采用1～5分級評價,分數越高,表示睡眠越好。

此外,還收集了宿舍環境情況,包括房間人數、被褥種類、著衣情況。

1.6 床褥系統總熱阻調查

為合理預測受試者的床褥系統總熱阻,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調研。睡衣的調查包括服裝類型、服裝材質;床褥用品的調查包括床體、墊褥、被子的材質、單位面積質量及厚度。

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

(1)

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

1.7 數據分析方法

數據分析采用統計軟件SPSS26.0。通過判斷各項數據是否服從正態分布,對樣本數量n小于50的樣本,如供暖前(n=24)和供暖后(n=32)的環境參數,采用S-W檢驗;對于樣本數量n大于50的樣本,如睡眠客觀參數(n=56)和熱濕環境評價(n=56),采用K-S檢驗。受試者的熱濕感覺差異采用重復測量的方差進行分析。睡眠質量客觀指標和環境參數的相關性采用Pearson相關系數分析;睡眠質量的主觀評價和熱濕感覺評價、環境參數相關性則采用Spearman相關性分析。顯著性水平均取0.05。

2 結果與討論

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境

各個宿舍夜間的室內溫度測量結果見表2。供暖前夜間室內平均溫度為(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《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[12]中冬季供暖設計溫度(18～24 ℃)的最低溫度低0.6 ℃。供暖設備開啟后,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 供暖前后夜間室內溫度 ℃

男生組夜間室內逐時溫度見圖1。供暖前,不同宿舍室內平均溫度相差不大,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較多而導致內熱源相對較大。夜間各宿舍室內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GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》,按照供暖住宅室內Ⅰ級舒適等級的要求,即室內相對濕度應大于等于30%,除了Aw宿舍略低于標準外,其他宿舍夜間平均相對濕度都在舒適度標準范圍內。總體來看,隨室內溫度的提高,各個宿舍相對濕度下降了19.5%。

表3 室內相對濕度測量結果 %

2.3 學生群體床褥系統總熱阻統計

由于1名受試者在供暖后將上衣由短袖換為長袖(其他學生沒有更換睡衣的情況),因此睡衣類型的總數為17套。睡衣類型的組合中,典型睡衣組合為長袖+長褲+內褲、僅內褲、短袖+短褲+內褲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%。可見,北京市高校學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

所有宿舍統一使用180 cm×90 cm單人木質床板,厚1 cm,距地面高度46 cm。經統計,共調研22件床褥、10種不同的墊層組合。典型墊層材質為純棉、椰棕和聚酯混合成分及聚酯纖維材質,床單均為100%純棉材質。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量代入式(1)計算得到床褥系統總熱阻處于3.5～4.9 clo,均值為(4.4±0.4) clo。可見,北京高校學生的冬季床褥系統具有較強的保溫性。

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

圖4 床褥系統總熱阻隨室內溫度的變化

圖5 熱感覺投票值

2.4 室內環境主觀評價結果

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境參數值,發現室內溫度無顯著差異,而相對濕度顯著上升。從人體與環境的換熱方式來看,室內相對濕度增大會導致睡衣的傳熱系數增大,進而導致人體向環境的散熱量增大。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]。以上現象可能導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：在供暖前室內溫度相對較低時,入睡前室內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%。可接受度投票與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境的相關性,將供暖前、供暖初期睡前的熱感覺投票值與室內溫度進行相關性分析。結果表明,供暖初期受試者睡前熱感覺投票值與睡前室內操作溫度呈顯著相關性,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性

2.5 睡眠質量及相關因素分析

為探究室內熱環境評價及環境參數對睡眠質量的影響,對睡眠質量主觀評價指標、客觀測量指標分別與睡前平均熱感覺投票值,濕感覺投票值,室內溫度、相對濕度進行相關性分析,結果如表4所示。可見,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,即睡前熱感覺偏暖,則睡眠滿意度高,深睡眠占比高,受試者睡眠質量更好。然而,就整晚室內溫度而言,其與睡眠滿意度存在負相關關系。如圖8所示,進一步統計分析發現,睡眠滿意度較高(4分)的室內溫度平均值為(19.1±1.1)℃,溫度區間為16.8～21.2 ℃。當室內溫度平均值升高1.0～1.5 ℃、溫度區間為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相關,與快速眼動(rapid-eye-movement, REM)睡眠比例呈顯著正相關,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量的關系還需更多的實驗探究。

3 結論

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)%,熱濕環境基本符合現行規范中供暖住宅室內Ⅰ級舒適等級的要求。

表4 室內環境參數與睡眠質量相關性

圖8 睡眠滿意度與溫度的相關性

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,床褥系統具有較強的保溫性能,且學生能根據室內溫度變化自主調節床褥系統熱阻以達到熱舒適。

4) 睡眠質量與睡前熱感覺存在顯著關聯,當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平均溫度顯著關聯,室內溫度為19 ℃左右時睡眠滿意度較高。