北京高校宿舍供暖前后室内热环境变化及其对学生睡眠热舒适的影响*

樊 颖 张晓静 周锦玥 谢静超 刘加平

(北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室,北京)

0 引言

良好的睡眠质量离不开舒适的室内睡眠热环境。现有室内热环境标准都是基于人体清醒状态下的热舒适需求而设定的,而睡眠状态与清醒状态间的热感觉存在显著差异[1]。因此,有必要对现行规范中缺少的热舒适环境参数进行完善。

有研究表明,人体在睡眠期间的中性温度较低,可接受的温度范围更广[2],这意味着在冬季室内低温环境存在一个合理的温度区间,在满足睡眠热舒适的前提下,还能提供一定的节能潜力。然而,针对寒冷地区供暖前后低温工况下睡眠热环境的研究仍相对较少。Zhang等人在北京的一些大学宿舍开展了为期6周的睡眠环境实地调研,但实测得到的室内温度均在20 ℃以上,缺少室内低温环境的数据[2]。因此,有必要针对冬季供暖前后较低的室内温度下热环境的变化情况及睡眠热舒适情况展开实测调研,同时,采用主客观睡眠指标相结合的方式探究睡眠质量与热环境的关系。

床褥系统总热阻包括被子、床垫、枕头、睡衣及人体周围空气所引起的热阻,作为影响睡眠热舒适的重要因素,该值的准确测量对于提高研究结果的可信度至关重要。现行热舒适规范未对床褥系统总热阻进行详细规定,有关床褥系统总热阻的实测调研数据也较少。关于床褥系统总热阻的确定,Lin等人通过实验获得了毛毯、2种夏凉被及多功能被褥的热阻,并探究了床褥系统热阻与各个影响因素之间的关系,但并没有得出相应的计算公式[3];McCullough等人通过实验测试,建立了预测床褥系统总热阻的经验关系式,但其主要关注西方国家广泛使用的毯子及其覆盖率与床褥系统总热阻的关系,被褥类型单一且不适用中国人群[4];Pan等人通过理论分析和实验数据获得了床褥系统总热阻的计算模型,但该模型较为复杂,增加了现场调查难度[5];Zhang等人基于40多个床褥系统的实际测量数据,建立了评估床褥系统隔热性能的计算公式,变量为单位面积质量,可通过直接测试被子质量来计算床褥系统总热阻,计算结果较精确[6]。

因此,为对现行规范中有关睡眠热舒适的规定进行补充,并为改善低温睡眠热环境提供依据,本文提出以下研究目标：1) 在北京市某高校学生宿舍开展实地调研,收集寒冷地区供暖前后夜间室内热环境参数,合理预测床褥系统总热阻;2) 通过问卷调查供暖前后高校学生的睡眠热舒适情况,收集睡眠质量主、客观参数;3) 对比供暖前后睡眠热舒适和睡眠质量,分析睡眠质量的影响因素,得出保证睡眠质量和舒适度的可接受温度区间。

1 研究方法

1.1 实测房间

调查对象为北京市某高校学生公寓,宿舍基本信息见表1。共调查8个宿舍,分为男生组和女生组,每组4个宿舍均包括南、北、西、东4个朝向。被调查宿舍均为单面外墙、单扇外窗。每个宿舍室内面积相差不大,但所处楼层不一致。同寝人数方面,有6间宿舍为4人,2间宿舍为6人。在睡眠期间,所有宿舍的门、窗均处于关闭状态,且未使用风扇、空调、加湿器等设备。

表1 宿舍基本信息

4栋宿舍楼的供暖系统均为上供下回系统,宿舍内散热器统一安装于阳台玻璃门内侧,男生宿舍(As、An、Aw、Ae)的散热器材质为钢,女生宿舍(Bs、Bn、Bw、Be)的散热器材质为铸铁。

1.2 受试者

每个宿舍各有2名受试者参与实测,因此共有16名受试者,男女各8人。受试者的具体遴选要求为：根据身体质量指数BMI[7](中国人正常标准范围为18.5～23.9 kg/m2),排除偏胖或偏瘦体格;根据匹兹堡睡眠质量指标PSQI (Pittsburgh sleep quality index)[8]自评排除睡眠障碍者;在北方居住时间至少1年;排除具有不良生活习惯者。最终符合要求的受试者平均年龄为(22.4±0.9)岁;男生和女生的平均身高分别为(175.2±5.1)、(164.2±4.3) cm,平均体质量分别为(69.7±5.9)、(55.6±6.3) kg,平均BMI分别为(22.4±1.2)、(20.7±2.2) kg/m2。所有受试者在实验前均签署知情同意书。

1.3 实测流程

调研时间分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)供暖系统启动,为避免供暖启动当日系统不稳定及周末受试者行为差异的影响,未进行测试。男女组交替测试,每晚进行1组;每个宿舍在供暖前、供暖初期均重复测试2夜,总共测试8夜。由于第1夜测试数据遗失,结果部分展示的实际有效数据为7个测试夜的数据。

1.4 环境参数测量及睡眠情况监测

实测期间记录的室外环境参数包括：空气温度、空气相对湿度与风速,均通过中国气象站获取实时数据。

室内环境的测量参数为：空气温度、空气相对湿度、空气流速和黑球温度,测试使用的仪器规格、测点布置、测试条件与方法均参照JGJ/T 347—2014《建筑热环境测试方法标准》[9]执行。使用温湿度记录仪TR-76Ui-s(量程分别为0～55 ℃、10%～95%,精度分别为±0.5 ℃、±2.5%)监测室内温湿度,每5 min采集1次数据。用黑球温度计JTR04记录室内黑球温度(量程为5～120 ℃,精度为±0.5 ℃)。温湿度记录仪、黑球温度计和风速仪均布置于房间内距地面46 cm高处(与床体距离地面高度一致),且靠近受试者头部位置。用风速仪Testo 605i(量程为0～30 m/s,精度为±(0.1 m/s+5%量程))记录室内空气流速,在受试者睡前30 min及醒后30 min分别测量并取平均值。

要求每个受试者在睡眠过程中正确佩戴睡眠手环(型号Fitbit Alta HR),手环的记录间隔为30 s。睡眠手环通过体动和心率来检测睡眠,可以获得多项睡眠指标,包括总睡眠时长、睡眠潜伏时长、清醒期时长、快速眼动期时长、浅睡眠期时长、深度睡眠期时长[10]。

1.5 主观问卷内容

主观问卷的内容包括热环境评价与睡眠质量评价。

热环境评价：在临睡前和睡醒后各填写1次,包括室内热湿感觉评价、热湿环境可接受度评价。热感觉投票采用ASHRAE七级标尺：-3表示冷,-2表示凉,-1表示稍凉,0表示不冷不热,1表示稍暖,2表示暖,3表示热;湿感觉也采用了类似的标尺[11]：-3表示很干,-2表示干,-1表示有点干,0表示不干不潮,1表示有点潮,2表示潮,3表示很潮。温度、湿度可接受度投票采用两段式连续标尺。

睡眠质量评价包括总体睡眠状况、入睡难易程度、醒来难易程度、精力恢复程度、睡眠质量满意程度。采用1～5分级评价,分数越高,表示睡眠越好。

此外,还收集了宿舍环境情况,包括房间人数、被褥种类、着衣情况。

1.6 床褥系统总热阻调查

为合理预测受试者的床褥系统总热阻,对受试者在实测期间所穿的睡衣及使用的床褥用品作了详细调研。睡衣的调查包括服装类型、服装材质;床褥用品的调查包括床体、垫褥、被子的材质、单位面积质量及厚度。

床褥系统热阻的估算采用Zhang等人研究提出的计算式(见式(1))[6],考虑到冬季睡眠习惯,本文研究选取覆盖率为94.4%条件下的拟合系数。

(1)

式中Rt为床褥系统总热阻,clo;A、t、y0为拟合系数,聚酯纤维、羽绒、纯棉3种材料的拟合系数取值依次分别为-4.65、705.00、5.61,-4.38、571.00、5.32,-4.48、640.00、5.42;x为单位面积质量,kg/m2。

1.7 数据分析方法

数据分析采用统计软件SPSS26.0。通过判断各项数据是否服从正态分布,对样本数量n小于50的样本,如供暖前(n=24)和供暖后(n=32)的环境参数,采用S-W检验;对于样本数量n大于50的样本,如睡眠客观参数(n=56)和热湿环境评价(n=56),采用K-S检验。受试者的热湿感觉差异采用重复测量的方差进行分析。睡眠质量客观指标和环境参数的相关性采用Pearson相关系数分析;睡眠质量的主观评价和热湿感觉评价、环境参数相关性则采用Spearman相关性分析。显著性水平均取0.05。

2 结果与讨论

2.1 室外气象状况

测试期间,供暖前夜间室外温度平均值为(9.8±1.6)℃,最高气温为11.3 ℃,最低气温为7.6 ℃;11月5日后,室外温度显著降低,供暖设备随之开启,供暖后室外温度均值降低了1.9 ℃,最高气温为8.8 ℃,最低气温为4.9 ℃。夜间相对湿度均值为59.4%,在供暖前均高于80.0%,11月5日接近饱和值(主要是由于11月4日天气为多云,11月5日为多云转雨);供暖后,11月9日后受西北冷高气压及气温降低的影响,相对湿度明显下降,最低值为29.8%。夜间风速变化较大,呈锯齿状波动,均值为1.5 m/s,日均最高值为2.7 m/s,最低值为0.7 m/s。

2.2 供暖前后宿舍睡眠环境

各个宿舍夜间的室内温度测量结果见表2。供暖前夜间室内平均温度为(18.6±1.1)℃,最低温度平均值为18.7 ℃,最高温度平均值为19.4 ℃。其中,女生组南向宿舍温度最高(20.0 ℃),而东向宿舍最低(16.7 ℃),主要是受朝向影响。供暖初期,夜间室内平均温度为(20.3±1.4)℃,最低温度平均值为18.9 ℃,最高温度平均值为21.7 ℃。供暖后最低室温为17.4 ℃,比GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[12]中冬季供暖设计温度(18～24 ℃)的最低温度低0.6 ℃。供暖设备开启后,宿舍总体温度均值升高了1.7 ℃,供暖后波动幅度平均值较供暖前增大了2.1 ℃。

表2 供暖前后夜间室内温度 ℃

男生组夜间室内逐时温度见图1。供暖前,不同宿舍室内平均温度相差不大,北向和西向宿舍平均温度略高,分别为19.7、20.5 ℃,可能是由于宿舍人数较多而导致内热源相对较大。夜间各宿舍室内温度受室外气温下降的影响,均呈轻微下降趋势。供暖后,男生宿舍室内平均温度显著提高,总体提升了1.7 ℃。此外,受上供下回供暖系统形式影响,各宿舍平均温度按楼层从高到低降低,12、9、7、3层依次为22.5、21.2、20.4、20.2 ℃;且开始供暖后,宿舍内平均温度相对供暖前提升的幅度随楼层由高到低依次减小,依次为2.0、1.5、1.3、1.3 ℃。

图1 男生组夜间室内逐时温度

女生组宿舍供暖前后夜间温度分布见图2。从图2可见,按宿舍朝向供暖前室温从高到低依次为南向、北向、西向、东向;供暖后温度波动幅度变大,最大为北向宿舍,波动值为2.7 ℃(见表2);供暖后,南向宿舍受室外温度影响较大,且散热器相较其他宿舍少,所以升温效果不显著,平均室温降低了0.5 ℃,西向宿舍室温变化不大,北向和东向宿舍显著提高,分别提高了1.3、2.9 ℃。

图2 女生组夜间室内温度箱线图

各宿舍夜间平均相对湿度见表3。供暖前夜间平均相对湿度为(58.2±8.3)%,范围为50%～72%;供暖初期夜间平均相对湿度为(38.7±6.6)%,范围为24%～52%,根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》,按照供暖住宅室内Ⅰ级舒适等级的要求,即室内相对湿度应大于等于30%,除了Aw宿舍略低于标准外,其他宿舍夜间平均相对湿度都在舒适度标准范围内。总体来看,随室内温度的提高,各个宿舍相对湿度下降了19.5%。

表3 室内相对湿度测量结果 %

2.3 学生群体床褥系统总热阻统计

由于1名受试者在供暖后将上衣由短袖换为长袖(其他学生没有更换睡衣的情况),因此睡衣类型的总数为17套。睡衣类型的组合中,典型睡衣组合为长袖+长裤+内裤、仅内裤、短袖+短裤+内裤3种,分别占35.3%、29.4%、11.8%。半袖+短裤、短袖+长裤、长袖+秋裤3种非典型睡衣组合共占23.5%。根据ASHRAE Standard 55-2010[13]表5-3估算得出每套服装的热阻值,典型服装类型占比及其热阻频率分布见图3,0.3～0.4 clo范围的热阻分布频率最高,占35.3%,而处于0.5～0.6 clo的热阻值仅占5.9%。可见,北京市高校学生冬季睡眠着装以轻薄为主,均值为0.24 clo。

图3 典型服装类型及睡衣热阻分布频率

所有宿舍统一使用180 cm×90 cm单人木质床板,厚1 cm,距地面高度46 cm。经统计,共调研22件床褥、10种不同的垫层组合。典型垫层材质为纯棉、椰棕和聚酯混合成分及聚酯纤维材质,床单均为100%纯棉材质。被子填充材料主要有纯棉、聚酯纤维、羽绒、蚕丝绒4种,其中纯棉最多,占80%。所有被子厚度集中于1.1～2.6 cm,单位面积质量为540～1 339 g/m2。将实测得到的不同被褥材料的单位面积质量代入式(1)计算得到床褥系统总热阻处于3.5～4.9 clo,均值为(4.4±0.4) clo。可见,北京高校学生的冬季床褥系统具有较强的保温性。

由图4可知,随着室内温度的升高,床褥系统热阻呈下降趋势,可见室内温度的变化会影响学生床褥系统的选用。这也解释了学生对室内温度变化不敏感、热感觉投票值较集中的结果(见图5)。

图4 床褥系统总热阻随室内温度的变化

图5 热感觉投票值

2.4 室内环境主观评价结果

图5显示了供暖前后睡前和醒后的热感觉投票值,大多数热感觉投票值在-1(稍凉)到1(稍暖)之间。在供暖前和供暖初期,受试者的醒后热感觉投票值相较临睡前均显著减小。对比睡前和醒后的环境参数值,发现室内温度无显著差异,而相对湿度显著上升。从人体与环境的换热方式来看,室内相对湿度增大会导致睡衣的传热系数增大,进而导致人体向环境的散热量增大。另一方面,在夜间睡眠时,人体各项生理参数相较白天有所变化,比如呼吸率下降、血氧饱和度下降、新陈代谢率降低,从而产热量减少[14]。此外,Kräuchi等人的一项研究也表明,醒来后的体温低于睡前[15]。以上现象可能导致受试者在早晨醒来后的热感觉投票值相对较小。

图6显示了热可接受百分比。由图6可见：在供暖前室内温度相对较低时,入睡前室内温度可接受的人员占比为87.5%,早晨醒来后略有下降,为75.5%,总体上受试者在供暖前对于宿舍晚间热环境比较满意;供暖后,睡前热可接受百分比无变化,醒后升高至87.5%。可接受度投票与热感觉的变化趋势相一致。

图6 热可接受百分比

为探究睡眠热舒适与睡眠热环境的相关性,将供暖前、供暖初期睡前的热感觉投票值与室内温度进行相关性分析。结果表明,供暖初期受试者睡前热感觉投票值与睡前室内操作温度呈显著相关性,如图7所示。从图7可见,供暖初期受试者睡前热中性温度约为18.0 ℃,对应90%满意率(-0.5

图7 供暖初期睡前热感觉投票值和温度的相关性

2.5 睡眠质量及相关因素分析

为探究室内热环境评价及环境参数对睡眠质量的影响,对睡眠质量主观评价指标、客观测量指标分别与睡前平均热感觉投票值,湿感觉投票值,室内温度、相对湿度进行相关性分析,结果如表4所示。可见,睡前热感觉投票值与睡眠满意度、深睡眠比例均呈显著正相关,即睡前热感觉偏暖,则睡眠满意度高,深睡眠占比高,受试者睡眠质量更好。然而,就整晚室内温度而言,其与睡眠满意度存在负相关关系。如图8所示,进一步统计分析发现,睡眠满意度较高(4分)的室内温度平均值为(19.1±1.1)℃,温度区间为16.8～21.2 ℃。当室内温度平均值升高1.0～1.5 ℃、温度区间为18.8～22.5 ℃时,睡眠满意度评分降至2分和1分。入睡容易度与睡前湿感觉呈显著负相关,与快速眼动(rapid-eye-movement, REM)睡眠比例呈显著正相关,即睡前感觉越潮湿,REM占比越高,但更不容易入睡。研究表明,REM睡眠对改善大脑疲劳有重要作用,而过多或过少的REM睡眠对健康均无益[16]。因此睡前湿感觉与睡眠质量的关系还需更多的实验探究。

3 结论

1) 供暖初期,夜间平均室温较供暖前升高了1.5 ℃,最低室温为17.4 ℃,夜间平均相对湿度为(38.7±6.6)%,热湿环境基本符合现行规范中供暖住宅室内Ⅰ级舒适等级的要求。

表4 室内环境参数与睡眠质量相关性

图8 睡眠满意度与温度的相关性

2) 供暖前后,热感觉投票值基本在-1(稍凉)到1(稍暖)之间,且醒后热感觉相较睡前显著下降(p<0.05);供暖初期,醒后热感觉投票值较供暖前显著升高(p<0.05),热可接受率由75.0%升高至87.5%。供暖初期临睡前热中性温度为18.0 ℃,在人员90%的满意率下可接受温度范围为16.0～19.8 ℃。

3) 学生的睡衣热阻基本在0.03～0.60 clo之间,睡衣较轻薄。床垫的垫褥组合和填充材料差异较大,纯棉填充材料使用最多。床褥系统总热阻在3.5～4.9 clo之间,超过50%的热阻值高于4.4 clo,床褥系统具有较强的保温性能,且学生能根据室内温度变化自主调节床褥系统热阻以达到热舒适。

4) 睡眠质量与睡前热感觉存在显著关联,当受试者睡前热感觉偏暖时,睡眠满意度及深睡眠占比较高,有利于睡眠。睡眠满意度还与夜间室内平均温度显著关联,室内温度为19 ℃左右时睡眠满意度较高。