夜间开窗角度对室内空气质量和睡眠质量的影响

刘松敏 王芳 牛元源 章文杰

南京理工大学能源与动力工程学院

0 引言

全世界成年人每天花8 小时左右的时间在卧室休息[1]。睡眠能够促进身体从日常生理和心理疲劳中恢复，提高人的生产力[2]。但睡眠问题威胁到世界上45%的人口的健康和生活质量，15%～35%的成年人有经常性的睡眠中断[3]。

睡眠环境一般属于低通风环境，低通风条件下会加剧污染物的积累，具有很高的暴露风险[4]。Nuno Canha 等[5]人发现睡眠期间不同通风方式下室内甲醛，PM2.5 和CO2等污染物的浓度高于葡萄牙确定的室内空气质量标准。

本研究通过监测南京某高校学生宿舍冬季睡眠期间室内外的温度，相对湿度，CO2和PM2.5 浓度，采用主客观相结合的方式评价大学生睡眠质量，探究不同开窗角度对室内空气质量和睡眠质量的影响，为保障大学生健康发展提供基础数据和科学依据。

1 实验方案

1.1 实验对象

对大学生进行匹兹堡睡眠质量指数（PSQI）的背景问卷调查统计[6]，探当代大学生睡眠质量和睡觉期间的门窗开关习惯。一共发放问卷250 份，回收有效问卷238 份。问卷结果表明：44%的大学生睡眠总时长不足7h，19%的大学生睡眠总时长不足6h，超过60%的大学生白天工作学习期间经常会感到精力不足和疲倦。存在睡眠障碍（PSQI≥8）的大学生一共78 人占32.8%。为了更好的找出影响大学生睡眠质量的环境因素，本研究筛选无睡眠障碍（PSQI＜8）的4 名大学生参与实验，均为男性。要求受试者在每次测试开始前8 小时内禁止吸烟以及饮用茶、咖啡等对神经、心血管有刺激性的饮料，3 小时内不做剧烈的运动等[7-8]。

1.2 实验方案

实验在冬季2019 年12 月1 日到12 月31 日进行，实验地点为南京某大学宿舍楼宿舍A 和宿舍B。宿舍A 和B 布局均相同（图1），且为相邻宿舍，保证室外环境参数相同。宿舍均坐北朝南，南面为阳台，北面为宿舍入口大门走廊。实验期间宿舍入口走廊处大门和宿舍厕所门窗均处于关闭状态，所选宿舍长6.5 m、宽3.1 m、高3.1 m，每个宿舍有四张床位，上床下桌，床距地面1.7 m。每间宿舍南面有通向室外阳台的一扇窗户和门，窗户宽0.5 m 高1.1 m，距离地面0.9 m。多参数环境测试仪放在距离地面1.8 m 处，与受试者睡眠期间呼吸的高度一致，如图2 剖面图所示。实验通过控制阳台处铝合金外推式的窗户来控制开窗的角度。

图1 宿舍平面示意图

图2 宿舍a-a 剖面图

1.3 研究方法

冬季实验在2019 年12 月进行并记录有效数据，第一组12 月4 日～12 月13 日（记为Ⅰ），宿舍A 开窗15°，宿舍B 关窗。第二组12 月16 日～12 月26 日（记为Ⅱ），宿舍A 开窗45°，宿舍B 关窗。实验利用上海蓝居U-MINI208 多参数环境记录仪（每分钟采样记录一次数据）来记录室内的温度（测量范围：-40 ℃～100 ℃，精度为±0.5 ℃），相对湿度（测量范围：0～99.9%，精度＜±2%），（测量范围：0～5000ppm，精度＜50ppm）和PM2.5 的浓度（测量范围：0～999 μg/m3，精度≤±10%）。

睡眠质量的定性评估使用调查问卷形式（表1），分别从睡眠平静度，入睡难易度，醒来难易度，醒来振作度和睡眠满意度五个方面进行评分[8]。睡眠质量的定量评估使用华为手环4 来监测睡眠期间各阶段的持续时间，事实证明高精度算法的腕部活动记录仪对于睡眠持续时间等参数的评估也是很有价值的[9]。华为手环利用六轴加速度传感器跟踪和评估各种活动模式，利用TruSleep TM 技术准确监测入睡和清醒时间、睡眠总时长、深睡时长、快速眼动时长，浅睡时长和清醒次数。

表1 主观睡眠质量调查表

在本研究中利用Pearson 相关系数来反映两个变量之间线性相关程度，线性回归分析来进行相关变量的拟合，单因素方差来分析其差异性，p＜0.05 具有显著性。

2 睡眠期间室内空气质量及对睡眠质量的影响

2.1 睡眠期间室内空气质量

实验过程中睡眠期间的温度，相对湿度，CO2和PM2.5 浓度晚上10 点到早上8 点的均值进行计算。冬季两阶段室内环境参数平均值如表2 所示。

表2 冬季睡眠阶段室内外环境参数平均值

2.1.1 温湿度

冬季睡眠期间不同开窗角度室内温度没有显著差异，但室内温度明显高于室外温度。Ⅰ组宿舍开窗15°和关窗（开窗0°）室内平均温度分别为16.5±0.7 ℃和15.8±0.4 ℃，没有显著差异（p=0.144＞0.05）。Ⅱ组开窗45°和关窗室内平均温度分别为16.1±1.2 ℃和16.4±1.0 ℃，没有显著差异（p=0.690＞0.05）。但室内温度均明显高于室外温度。睡眠期间冬季室内温度范围为14.2～17.9 ℃，而Caddick[10]等人认为，室内最佳睡眠环境温度为17～28 ℃、相对湿度为40%～60%。睡眠期间开窗45°，15°和关窗超过80%的情况低于Caddick等人建议的最佳睡眠温度范围。

冬季睡眠期间室内相对湿度明显低于室外，是否开窗对室内相对湿度影响显著。关窗时室内相对湿度明显低于开窗15°和45°。Ⅰ组宿舍开窗15°时室内相对湿度为51.1±3.8%，明显低于关窗时（58.9±2.5%）。Ⅱ组开窗45°室内平均相对湿度为58.9±5.8%，显著低于关窗时（67.0±5.0%）。开窗15°，45°和关窗室内相对湿度均明显低于室外（p＜0.05）。

Caddick 等人建议的最佳睡眠相对湿度范围为40%～60%，Ⅰ组开窗15°室内相对湿度均满足40%～60%的范围，关窗时85%的情况下相对湿度符合要求。Ⅱ组测试期间南京阴雨连绵关窗时室内外的相对湿度均高于60%。

2.1.2 二氧化碳

冬季夜间睡眠期间不同开窗角度室内外CO2平均浓度具体如图3 所示。《室内空气中二氧化碳卫生标准》[11]GB/T 17094-1997 规定室内CO2卫生标准值≤1000 ppm。冬季睡眠期间关窗时室内CO2平均浓度为1483.2±293.6 ppm，均高于1000 ppm。开窗15°和45°室内CO2平均浓度分别为881.6±85.2 ppm 和718.8±113.5 ppm，均低于1000 ppm。

图3 冬季夜间睡眠期间不同开窗角度下室内外CO2 浓度图

实验使用示踪气体法利用人体作为CO2释放源测量宿舍换气次数，具体计算操作过程参照清华大学的齐美薇等[12]人的研究。不同开窗角度宿舍的换气次数具体结果如表3 所示。

表3 冬季睡眠期间不同开窗角度宿舍换气次次数

睡眠期间不同开窗角度室内CO2浓度和换气次数存在显著差异，开窗角度越小室内CO2浓度越高，换气次数越低。冬季睡眠期间宿舍关窗时室内CO2平均浓度显著高于开窗15°和45°时，睡眠期间室内平均CO2浓度也均明显高于室外（p＜0.05）。开窗15°和45°宿舍平均换气次数分别为1.22±0.02 次/h 和1.69±0.13次/h 是关窗时(0.46±0.02 次/h)的3-4 倍。关窗时室内CO2日均浓度都高于1000ppm，陈爽等[13]人表示当室内CO2浓度超过1000ppm 时会对人体存在负面影响，会引发头痛、嗜睡、降低大脑和神经功能，从而影响决策力等。

2.1.3 PM2.5

冬季睡眠期间Ⅰ组宿舍开窗15°和关窗时室内平均PM2.5 质量浓度分别为51.7±17.3 μg/m3和50.9±15.2 μg/m3，Ⅱ组开窗45°和关窗室内平均PM2.5 质量浓度分别为47.6±7.2 μg/m3和45.2±8.0 μg/m3，《环境空气质量标准》GB3095-2012 规定的PM2.5 日均Ⅰ级浓度限值为35 μg/m3。冬季PM2.5 浓度超标会导致呼吸紊乱产生睡眠呼吸障碍等问题[14]，使得睡眠质量下降。睡眠期间Ⅰ组开窗15°和关窗情况下室内PM2.5浓度的超标天数均为9 天（90%）。睡眠期间Ⅱ组开窗45°室内PM2.5 超标率为100%，关窗情况下超标天数为9 天（90%）。因此无论是否开窗室内PM2.5 浓度的超标率均达到90%。

不同开窗角度室内PM2.5 质量浓度没有显著差异，室内PM2.5 平均质量浓度均低于室外。冬季睡眠期间，Ⅰ组宿舍开窗15°和关窗时，室内PM2.5 平均质量浓度没有显著差异（p=0.922＞0.05），但显著低于室外（71.3±22.5 μg/m3）。Ⅱ组开窗45°和关窗对于室内PM2.5 浓度而言也没有显著差异性（p=0.892＞0.05），但也显著低于室外（59.1±11.0 μg/m3）。

2.2 睡眠质量评估

2.2.1 不用开窗角度对主观睡眠质量的影响

睡眠质量主观评价结果如图4 所示。冬季睡眠期间是否开窗对受试人员的入睡难易度和醒来难易度有显著性差异（p＜0.05），睡眠期间关窗时入睡更容易但是醒来却更困难。当窗户开启的角度越大换气次数越高时受试者醒来越容易。但是开窗角度对于受试者的睡眠平静度，醒来振作度和睡眠满意度而言没有显著性差异。Kort HSM 等[15]人也表明参与者的PSQI 主观睡眠满意度得分在（室内温度12 ℃-26 ℃）门窗开启和关闭之间没有差异。

图4 不同开窗角度睡眠质量主观问卷结果

2.2.2 不同开窗角度对客观睡眠质量的影响

冬季睡眠期间不同开窗角度睡眠各客观指标结果详情间见表4。单因素方差分析研究结果表明，不同开窗角度对睡眠期间的睡眠总时长、深睡时长和清醒次数有显著影响（p＜0.05）。

表4 冬季不同开窗角度睡眠期间客观睡眠指标结果

是否开窗对冬季睡眠总时长影响显著。冬季平均睡眠总时长在关窗、开窗15°、开窗45°时，分别为（461.1±37.4）min、（423.3±53.2 min）、(424.6±60.7 min)。是否开窗对平均睡眠总时长存在显著差异（p=0.01643，p=0.00489＜0.05），关窗的情况下睡眠总时长会增加约37min。但是开窗分别为15°和45°时，对睡眠总时长没有显著影响（p=0.70129＞0.05）。

是否开窗对冬季深睡时长影响显著，关窗情况下深睡时长会增加约20min，开窗15°和45°对深睡时长无显著影响。冬季睡眠期间关窗时的深睡时长（146.7±30.2min）明显高于开窗15°（127.5±22.7min）和45°（123.95 ±21.8min）的深睡时长（p=0.01054，p=0.00265＜0.05）。在窗户开启15°和45°之间时，受试者深睡时长没有显著差异（p=0.6758＞0.05）。

冬季睡眠期间开窗角度越小，清醒次数越多。睡眠期间关窗（开窗0°）、开窗15°和45°平均清醒次数分别为1.9 次/天、1.2 次/天和0.4 次/天，不同开窗角度睡眠期间清醒次数存在显著差异（p＜0.05）。A.K.Mishra 等[15]人也表示室内门窗关闭时睡眠期间的清醒次数高于门窗开启时。

2.3 空气质量对睡眠质量的影响

2.3.1 环境参数对主观睡眠的影响

将室内各环境参数和主观睡眠质量各指标进行Pearson 相关性分析，对各环境参数和主观睡眠各变量的相关性进行建模分析。冬季睡眠期间主观睡眠参数和各环境参数的相关性如表5 所示。

表5 冬季睡眠期间主观睡眠参数和各环境参数的相关性

冬季睡眠期间主观的醒来振作度与相对湿度（r=0.386，p＜0.05）和PM2.5 浓度（r=-0.561，p＜0.05）显著相关，表示PM2.5 浓度（26.6～90.7 μg/m3）越高，相对湿度越低，醒来振作度越低。醒来振作度显示出与相对湿度RH 和PM2.5 浓度组合对应关系，具体如式（1）所示：

Fu Wei[16]等人也表示短期暴露于逐渐增加的PM2.5 等颗粒物中会导致睡眠质量下降。而且PM2.5可能通过影响中枢神经系统来影响睡眠质量[17]，让人醒来时萎靡不振，因此睡眠期间PM2.5 浓度越高会导致醒来后振作度越低。

在此次冬季实验睡眠期间室内温度为14.2～18.0 ℃，入睡难易度和室内相对湿度（r=0.227，p=0.043）与CO2浓度(r=0.412，p＜0.05)显著正相关。显示出较高的CO2浓度和相对湿度（即关窗时），会使得睡眠期间的主观入睡更容易。入睡难易度显示出与相对湿度RH 和CO2浓度组合对应关系，如式（2）所示：

冬季夜间睡眠期间室内CO2浓度越高越容易入睡，但是醒来时却越困难。虽然CO2浓度和入睡难易度之间显著正相关，但是醒来难易度却和CO2浓度呈现显著负相关（r=-0.480，p＜0.05）。D.A.Krawczyk 等[18]人研究表明当室内CO2浓度超过1000ppm 时，人员可能会感觉头晕、疲劳嗜睡以及让人昏昏欲睡。因此冬季睡眠期间室内CO2浓度越高越容易入睡，但是醒来时却越困难。

2.3.2 环境参数对客观睡眠的影响

室内各环境参数和客观睡眠质量的各指标拟合关系如图5 所示。结果显示冬季睡眠期间室内CO2浓度（599～2147ppm）每升高1000ppm，睡眠期间清醒次数将会加1 次。冬季睡眠期间清醒次数随着CO2浓度的增加而增加（r=0.729；p＜0.001），从而导致睡眠质量下降。Strm-Tejsen 等人[19]也报告说，在低换气率的宿舍中睡觉的人的睡眠质量下降，睡眠中断清醒更多。A.K.Mishra 等[15]人发现睡眠的清醒次数与CO2水平（r=0.19）正相关，较低的CO2浓度和较温暖的条件（室温12～26 ℃）下，夜间清醒次数减少，睡眠质量提高了。因此睡眠期间室内CO2浓度越高（即开窗角度越小），清醒次数就越多，睡眠质量就下降了。

图5 不同CO2 浓度下的睡眠期间清醒次数变化图

关窗时受试人员睡眠期间总睡眠时长和室内PM2.5 浓度显著正相关（r=0.615，p＜0.05），其线性拟合结果见图6。关窗时室内PM2.5 浓度（26.6～90.7 μg/m3）升高10 μg/m3，则夜间期间总睡眠时长将会增加19 分钟。An R、Yu H 等[20]人研究也表明暴露在PM2.5 浓度（64.7～100.0 μg/m3）高的环境中可能会导致血压升高，认知功能受损，进而导致睡过头，且当PM2.5 浓度每增加一个标准差（36.5 μg/m3）时，睡眠总时长估计增加了1 小时以上。因此冬季期间宿舍关窗的情况下夜间睡眠的总时长会随着PM2.5 浓度的增加而增加。

图6 关窗时不同PM2.5 浓度下的夜间睡眠总时长

冬季夜间睡眠期间关窗时，夜间PM2.5 平均质量浓度升高，睡眠总时长增加，但是醒来振作度却降低。当PM2.5 浓度升高10 μg/m3，夜间期间总睡眠时长增加19 分钟,但是睡眠期间主观的醒来振作度与PM2.5浓度（r=-0.561，p＜0.05）显负相关。Gongbo Chen 等[17]人表示吸入的PM2.5 颗粒通过鼻子和嗅觉神经到达大脑，这可能导致炎症反应和大脑中神经递质水平的改变，让人萎靡不振睡眠质量下降。因此PM2.5 质量浓度的升高虽然会使睡眠总时长增加，却会导致醒来时萎靡不振。

3 结论

本文以南京某高校学生宿舍冬季夜间不同开窗角度下学生的睡眠质量为研究对象，同时监测睡眠期间室内外环境参数，分析夜间开窗角度对睡眠期间室内空气质量和睡眠质量的影响得到以下结论：

1）冬季睡眠期间不同开窗角度室内温度和PM2.5浓度没有显著差异，但室内PM2.5 超标天数均超过90%，会导致睡眠呼吸障碍影响睡眠质量。关窗时室内相对湿度明显高于开窗15°和45°时。对于室内CO2浓度，不同开窗角度存在显著差异，开窗角度越小室内CO2浓度越高。

2）对于主观睡眠质量，关窗时（较高的CO2浓度和相对湿度），会使得睡眠期间入睡更容易，但开窗角度越小受试者醒来越困难。对于客观睡眠质量，是否开窗对睡眠总时长和深睡时长影响显著，关窗时睡眠总时长和深睡时长比开窗15°和45°将分别增加37min 和20min。其次开窗角度越小睡眠期间清醒次数就越多。

3）环境参数和睡眠参数的相关性分析表明室内CO2浓度每升高1000ppm，睡眠期间清醒次数将会加1次。关窗时睡眠期间室内PM2.5 浓度每升高10 μg/m3，总睡眠时长将会增加19 分钟，但是较高浓度的PM2.5 会使得醒来振作度降低,萎靡不振。

由于时间和条件的限制，本实验的研究对象为在校大学生这个特殊群体，实验仅在冬季学校宿舍这一环境中进行。如果条件允许可以选取更多群体在不同睡眠环境中参与实验，并对受试人员第二天的工作效率等状况进行记录综合研究室内空气质量对睡眠质量的综合影响，为研究室内环境对睡眠质量和健康的影响提供科学依据。