被服系统热舒适性研究进展

刘玉萍， 卢业虎,， 王来力

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215006； 2. 浙江理工大学 浙江省服装工程技术研究中心， 浙江 杭州 310018)

睡眠约占人一生三分之一的时间，良好的睡眠对保持人体生理和心理的健康至关重要[1]。正常成年人夜间睡眠过程中非快速眼动期(简称NREM)和快速眼动期(简称REM)交替出现。NREM睡眠可分为3个阶段N1～N3，N3期脑电波频率降低，睡眠程度加深，称之为慢波睡眠(简称SWS)或深睡眠。SWS和REM有助于人体体力、精力的恢复以及记忆的存储[2-3]。

被服系统由寝具和睡眠时穿着的服装2部分组成，一般包括床、床垫、枕头、被子、睡衣等，形成一个局部的微气候，在睡眠时阻挡人体的热量向外传递，与室内环境共同作用影响睡眠人体的热舒适感[4-5]。国内外关于热舒适的研究，主要是针对清醒的人体展开的。然而人体睡眠状态与清醒状态时的生理参数和传热方式差异很大，睡眠时人体基础代谢率为40 W/m2，热生理调节反应随睡眠阶段变化[6]，有很大一部分身体与床垫接触，因此，与清醒人体相关的热舒适研究结论不能直接用于睡眠人体，需要修正。

近年来，针对睡眠人体热舒适的研究逐渐引起了人们的关注。被服系统作为影响睡眠热舒适的主要因素，研究者们也对此展开了一系列的研究。本文对国内外相关文献进行了综述，概括了睡眠热舒适性的评价方法，并从“人体—被服—环境”系统的角度分析了影响睡眠热舒适性的主要因素，总结了国内外对这些影响因素的研究进展，分析了目前研究中存在的缺陷和不足，提出了进一步研究的方向。

1 评价方法

睡眠热舒适性的常用评价方法包括实验研究和热舒适模型研究，其中实验研究主要有客观评价和主观评价2类。

1.1 实验研究

客观评价睡眠人体热舒适的常用指标有脑电、心电、皮肤温度、核心体温等接触式测量指标，以及睡姿和压力分布等非接触式测量指标。主观评价方法分问卷调查和量表评估2种。

1.1.1 客观评价

多导睡眠记录仪(PSG)能够综合记录睡眠时的脑电、眼电、心电、肌电等信息。基于脑电数据，可对睡眠阶段进行划分，当睡眠处于热舒适状态时，睡眠潜伏期、每个睡眠阶段的持续时间、觉醒次数和时间等定量测量指标，只有轻微差别；当室温偏离热中性温度时，受试者的睡眠潜伏期增长，SWS和REM时间缩短，觉醒的次数和时间增加[7-9]。通过对心电信号进行处理，可得到睡眠期间的心率变异性。Liu等[10]研究了不同热舒适水平下的心率变异性，发现在热感觉相同的情况下，不舒适状态的心率变异性高于舒适状态。

皮肤温度和核心体温会随睡眠的阶段发生变化[6]。睡眠初始阶段，表皮血管选择性扩张使皮肤温度上升，心脏自主神经活动促使核心体温下降，远端皮肤温度和核心体温呈现出相反的节律[11]，此时手足皮肤热量散失程度可以作为快速进入睡眠状态的预测指标[12]。随着睡眠加深，皮肤温度、核心体温和代谢率的变化趋于平缓，在某个范围内上下波动[13]。平均皮肤温度可以作为个体热舒适的评价指标，当人体保持清醒躺在床上时，平均皮肤温度为32.6 ℃，这也是冷不适和舒适的界限，33.7 ℃是热不适和舒适的界限[14]。

非接触式测量的方式可免去接触式仪器在睡眠中产生的不适感。使用图像采集和分析技术获得睡眠时姿势，将记录到的姿势图像进行分类，对应相应的睡眠舒适等级[15]。另一种常用的方法是将记录压力的分散式传感器嵌入床垫，记录睡眠时人体的压力分布，与舒适状态的压力分布情况比较，判断睡眠时的热舒适状况[16]。随着智能家居的发展，睡姿和睡眠压力分布的数据库将不断完善，非接触式测量的准确性和实用性会不断提高。

1.1.2 主观评价

开始睡眠实验前，一般通过问卷来测试受试者是否存在睡眠障碍，较为常用的是匹兹堡睡眠质量指数问卷[17]，该问卷有较高的可信度[18-19]。睡眠实验结束后，实验人员会根据实际情况拟定调查问卷请受试者填写，了解前一晚的睡眠情况。

为更准确地评价前一晚的睡眠质量，还会要求受试者填写热感觉评价量表和热舒适评价量表。热舒适评价一般使用五级评价量表：舒适(0)，略不舒服(1)，不舒服(2)，非常不舒服(3)，忍受极限(4)。热感觉评价一般使用七级标尺：非常冷(-3)，冷(-2)，略冷(-1)，热中性(0)，微暖(1)，暖(2)，热(3)。虽然进行主观评价很方便，但受试者的舒适感易受环境、情绪或心理压力的影响，测试结果的准确性存在一定偏差。此外，受试者容易因局部不适而给出不准确的整体热感觉评价。

1.2 热舒适模型

关于人体着装热舒适评价的生理模型较多，但当前应用在被服系统的热舒适评价主要分为2类：一种是在Fanger的PMV-PPD模型基础上进行修正的热舒适模型；另一种是在Gagge的两节点模型基础上进行修正的热生理模型。

Lin等[4]提出了修正的PMV-PPD模型，假设人体在睡眠时保持不动，代谢率维持在40 W/m2，皮肤处在无感排汗的理想状态，平均皮肤温度为34.6 ℃，并用寝具的总热阻代替服装的热阻，建立了适用于睡眠环境的热舒适方程。Song等[20]进一步将人体分为头部和被子覆盖区域，建立了睡眠热舒适的部分热感觉与整体不满意PTS-WPD模型，PTS提供了头部和被覆盖区域的局部热感觉，WPD模型将每个单独的局部热感觉集中到热环境评价的综合性指标中，确定了室内热环境与床气候的耦合热舒适区。

基于Gagge的两节点模型，Pan等[21]提出了修正的四节点模型，对睡眠时的皮肤层进行了细致的划分，分为裸露在外的皮肤、被子覆盖的皮肤、与垫子接触的皮肤3部分；皮肤温度设定为34.6 ℃，核心体温设定随睡眠时间变化微调；睡眠中REM和NREM期交替出现，根据2个时期生理调节反应的不同，将睡眠期间生理调节反应划分为2部分。修正的四节点模型能够用来预测睡眠人体的热生理反应。然而，该模型并没有对覆盖被子的人体进行验证，也没有进行参数化研究，模型的准确性有待检验。

2 被服系统热舒适性的影响因素

图1为当人体睡眠处于热舒适状态时，人体产热与散热达到动态平衡的示意图。由图可知，被服系统(热阻、湿阻)、人体(平均皮肤温度、代谢率)、环境(温度、湿度、风)均会影响睡眠人体的舒适性。

2.1 被服系统

被服系统总热阻和总湿阻作为睡眠热平衡方程的重要变量对睡眠热舒适性有显著影响。通过在低温环境中增加被服系统的热阻，高温环境中减少被服系统的热阻，有利于在较低能耗情况下实现热舒适。

被服系统的总热阻受被子覆盖人体面积的百分比、被子种类及填充物质量、睡衣、床垫类型、大气压力等因素共同影响[22-24]。被服系统总热阻随覆盖面积百分比的增加而增加；填充材料的种类对寝具热阻的影响比较有限，与面密度相比，被子的厚度对总热阻的影响更大；长袖睡衣比半袖睡衣能够提供更多的热阻；使用棕梆床垫的总热阻比普通席梦思床垫要小；气压会影响被服系统与环境间的对流换热系数，使被服系统总热阻随大气压力的降低而升高。亚热带地区常用被服系统的总热阻约为0.90～4.89 clo，具体如表1所示。

表1 亚热带地区常见被服系统热阻Tab.1 Total insulation values for bedding systems used in subtropics

被服系统的存在，使人体和被服之间形成了一个被内微气候，微气候作为“人体—被服—环境”系统中重要的一部分，对睡眠热舒适的影响比室温更大[25]。被内微气候的温湿度高于环境[26]，热舒适时被内微气候的温度大约在30 ℃左右，湿度维持在40%～60%，测量方式和位置的不同，结果可能会存在一定差异[27-29]。在寒冷的冬季使用电热毯从底层进行加热，可以提高被内微气候温度[30]，在较低能耗的情况下保证睡眠的热舒适[31]，如何能够真正地实现智能控温是此类产品需要解决的技术问题。

2.2 人 体

睡眠时人体对寒冷的敏感性有明显的个体差异。男性跟女性相比，冷不适时能承受更低的温度，热不适时能承受更高的温度[28]，女性更喜欢中性偏温暖的环境，男性更喜欢中性偏凉的环境[14]，因此，当被服系统提供的热阻相同时，维持舒适睡眠所需的室内温度，女性一般高于男性[4]。相同温度下，男性的睡眠质量要好于女性，深度睡眠时间比女性长[32]。

人体睡眠热舒适性与睡眠姿势和人体运动密切相关。当人体感受到热时，会自觉地伸展身体，温度越高，身体就越伸展；当人体感到寒冷时，人体会自动蜷缩起来，把手臂和腿靠近身体；当人体感觉舒适时，会仰卧在床上，伸直双腿，把手靠近身体，稍微张开双脚或者侧躺微蜷[15]。

2.3 环 境

2.3.1 温 度

温度是影响睡眠的重要因素，睡眠时的热中性温度一般高于清醒时[9]。热中性温度也随季节发生变化，通常冬季更低[33]。关于温度对睡眠热舒适的影响研究，主要分为3类：低温环境、高温环境、变温环境。当被服系统总热阻较低时，如受试者仅穿着简单的内衣且不覆盖被子的情况下，低温环境和高温环境都会使受试者觉醒的频率和时间增加，SWS期时长缩短，睡眠主观感受变差[34]。

现实生活中，人们休息时一般会选择穿着睡衣和盖被子，即使环境温度变化幅度很大，被内微气候仍能够保持相对稳定[35]。受试者在低温环境下进行睡眠实验，睡眠潜伏期、睡眠效率指数和睡眠持续时间与舒适睡眠时没有明显差别，考虑到低温环境可能会影响心脏的自主神经反应，卧室中的环境温度应高于10 ℃[36]。睡眠初期凉爽舒适的环境会使睡眠潜伏期增长，推迟睡眠的开始，为了快速入睡，卧室的空气温度在睡眠初期也不宜过低[37]。高温环境下被服系统热阻能够调节的范围有限，睡眠期间人体会出现生理调节反应导致觉醒，室温高于热舒适温度时会明显干扰睡眠[38]。

通常来说，在8 h的睡眠过程中，室内温度可能会发生一定的变化。通过在睡眠期间进行变温实验可发现，舒适温度附近较大范围(6 ℃)的波动会对睡眠产生不利影响。高温环境主要影响SWS期为主的睡眠前期，而低温环境主要影响REM期为主的睡眠后期，REM期对外界温度的变化比NREM期更为敏感[39-40]。而室温在热中性温度附近小幅度(2 ℃)循环波动或者升温对睡眠无明显影响[41]，小幅度降温在一定程度上可以提高睡眠质量[42]。

2.3.2 湿 度

室温接近热中性温度时，湿度对睡眠的影响较小。高温环境下，高湿会降低人体蒸发散热，进一步加深高温对睡眠的不利影响[43]。在睡眠前期进行湿热暴露比后期暴露对睡眠的不利影响更严重。湿热暴露抑制了睡眠前期的SWS，使觉醒增加，身体降温效应延迟，而在睡眠后一段时间进行湿热暴露时没有发生这一现象[39]。

2.3.3 风

风在睡眠和日常生活中都是增加热量散失的有效手段。在高温高湿的环境中，在床尾放置风扇，可以减轻热负荷，降低睡眠中的觉醒，但是并没有改善高温高湿带来的不适感[44]。Li等人建立了床侧送风系统发现，当位于人体呼吸区的床侧送风系统启动后，即使送风温度稍高于室内温度且人体面部无风感，受试者仍会感觉凉爽且出现平均皮肤温度下降的情况[45]。关于通风引起的室内空气质量变化是否会对睡眠产生影响尚不明确[46]。

3 研究不足和展望

尽管关于睡眠热舒适已经展开了一部分研究，但很多睡眠热舒适的理论都是在清醒状态人体热舒适研究的成果上推导而来的，如何将目前假人测试和人体测试取得的实验数据与相关理论结合起来，构建普遍适用的“人体—被服—环境”系统的睡眠热舒适模型，还需要进一步的探索，其未来的发展趋势可以从以下几个方面考虑。

3.1 研究的人群范围较窄

当前关于睡眠热舒适的研究，受试者的年龄段集中20岁左右的年轻人，对于老年人和儿童的研究较少。不同年龄段人群具有不同的生理特征，通过调整室内环境和被服，能够满足不同的热舒适要求，提高人类的睡眠质量。不同年龄段人群睡眠热生理的变化及对热环境的不同要求有待进一步研究。当前的研究主要集中在对单人单床进行研究，关于家庭单床多人环境和医院病房、火车卧铺、学生宿舍等多床环境的研究不足。

3.2 关于被服系统的研究不足

当前关于被服系统的研究主要集中在热阻值上，被服系统种类多样，需要深入研究不同种类、不同面密度的填充材料，不同被套种类，以及被服系统的湿阻对热舒适的影响。目前关于被服系统的热阻的测量都假设人体处于平躺状态，但睡眠是一个长达8 h的过程，人体不可能一直保持同一姿势，睡眠姿势对被服系统热阻的影响需要进一步研究，需要建立更为准确的预测模型。

3.3 局部通风或降温对睡眠影响研究不足

室内局部通风可使人在高于热舒适温度的环境中保持舒适，有助于高温高湿环境下的睡眠，但是近距离送风是否会对健康产生不利影响尚不明确。同时，送风会在一定程度上改善室内的空气质量，空气质量可能是影响睡眠质量的另一个重要因素，需要更多的研究来探讨关于空气质量对睡眠的影响。睡眠期间小幅度的降温可在一定程度上提高睡眠的舒适性，但是过低的温度可能会影响心脏的自主神经活动，关于降温的积极作用，需要结合人体睡眠热生理，对降温的开始时间、持续时间、降温幅度等进行更为细致的研究。

3.4 睡眠热生理模型研究有待加强

目前利用计算机建立生理调节模型研究人体的热生理反应发展相对比较成熟，从两节点模型到多节点多层模型，都被证实可有效地预测清醒人体的热生理反应。然而，针对睡眠人体热生理模型的研究非常少。睡眠人体与直立着装人体模型的主要区别在于：人体的局部传热不同；皮肤温度和核心体温的设定值不同；睡眠过程中REM和NREM交替出现，2个时期生理调节反应不同。针对睡眠人体建立热生理模型可开展参数化研究，提高研究效率，减少实验成本，并可预测极端环境下的人体热生理反应，提高睡眠舒适性。

4 结束语

睡眠人体舒适性的研究逐步引起广泛关注，本文首先总结了当前常用的评价睡眠热舒适的基本方法，包括客观评价、主观评价指标以及热舒适模型，其次从被服、人体、环境3个方面系统地总结了国内外学者们已经取得的研究进展。目前关于睡眠热舒适研究主要集中在单个因素对睡眠的影响上，许多成果都是建立在理论推导的基础上，没有很好地将理论和实际结合起来，基于“人体—被服—环境”系统的整体研究较少，建立普遍适用的睡眠热舒适模型势在必行。