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 罗观璋 张晓静 谢静超

       【摘  要】本研究在北京城区实地调研了48个住户在供暖季的卧室夜间热湿环境（温度和相对湿度）及卧室空气质量（CO₂浓度）情况。同时，采用纽扣温度计（ibutton）测量睡眠阶段受试者的平均皮肤温度和被褥内温度，采用睡眠体动记录手环Fitbit Alta 2记录受试者睡眠质量。调查发现，卧室温度基本满足标准要求；相对湿度普遍偏低，有19户（39.6%）夜间卧室平均相对湿度值低于30%；空气质量普遍较差，仅10户（20.8%）卧室的夜间平均CO₂浓度低于标准值1000ppm，有8户甚至超过3000ppm。睡眠状态下受试者的平均皮肤温度为34.7℃±0.6℃，且平均皮肤温度与被褥温度显著正相关，可见被褥微环境能一定程度反映人体表面皮肤温度情况。受试者平均皮肤温度在34.5℃—35℃范围睡眠质量最佳，回归分析发现，当平均皮温为34.8℃时，深度睡眠占比最大，睡眠质量最好。

       【关键词】卧室环境、热湿环境、室内空气质量、平均皮肤温度、睡眠质量

       【基金项目】国家自然科学基金青年项目（51708006）；北京市教委“高创计划”青年拔尖团队项目

0 引言

       卧室环境的好坏不仅直接影响人们的舒适性，还影响人们的睡眠质量，因此创造健康、舒适的卧室环境非常重要。室内环境包括热湿环境、声环境、光环境及空气品质等方面^[1,2]。在目前针对卧室热环境实验研究中，部分研究也开始关注和记录人员睡眠期间热舒适情况^[3,4]。受睡眠行为影响，大多数前期研究中，睡眠过程中热舒适情况一般是通过第二天睡醒之后的回忆评价。所以，主观投票结果难免存在一定的记忆偏差，而且往往会受到醒来后的热感觉状态、心理压力和情绪影响^[5]。而皮肤温度可以在睡眠状态下连续测量记录并且已被证实可以反映卧躺状态下人体热舒适情况^[6]。因此，可考虑将皮肤温度作为表征睡眠热舒适水平的客观指标，探讨其与睡眠质量的相关性。此外，与热环境研究相比，目前针对卧室空气品质的影响研究相对较少^[7]。

       北京属于寒冷地区，冬季气候寒冷干燥，根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》 GB50736-2012，北京供暖室外计算温度为-7.6℃。城镇地区住宅一般采用集中供暖的形式来满足室内热舒适需求，供暖期一般从11月中旬开始，3月中旬结束。为了解北京城区供暖季住宅卧室环境现状及其对居民睡眠质量的影响，本研究开展了入户实测，记录了夜间卧室温度、相对湿度、二氧化碳（CO₂）浓度，并监测了受试者的皮温及睡眠质量。

1 调查方法

       考虑到城镇地区与农村地区冬季室内环境差异较大，本实验调查地点选取在北京城区居民楼，共实地调研48户。实测调研时间为2019年12月至2020年1月，处于供暖季。对于每户的卧室夜间情况以及受试者当晚的睡眠质量进行监测，同时也实时测量并记录了睡眠期间的皮肤温度和被褥温度，另外，实测期间室外环境也相应进行记录。

       1.1 受试者选取

       在实验之前征集住在北京城区的居民，共48名受试者满足要求并被招募参与本实验。受试者基本信息如表1所示。受试者均满足以下要求（1）身体健康，无慢性疾病及其他严重疾患病史，无酗酒、吸烟等不良嗜好，无梦游经历。为了排除偏胖或偏瘦体格对睡眠的影响，每个受试者身体质量指数BMI（BMI = 体重 [kg]/身高² [m²]）需满足中国人正常标准范围（18.5—23.9kg/m²）^[8]。（2）受试者在当地居住一年以上，已适应当地气候。近期无心理压力，睡眠质量良好，均通过匹兹堡睡眠质量指标PSQI (Pittsburgh sleep quality index)的自评，该自评能反映其在过去一个月内是否有睡眠障碍^[9]。（3）在实验的前一周保持良好的正常作息规律。测试期间在23:00左右入睡，当天禁止饮酒、茶、咖啡等对神经、心血管有刺激性的饮品，禁止做过于剧烈的运动。所有受试者在实验前均签署知情同意书。

表1 受试者基本信息

       1.2 卧室环境实测

       卧室环境实测参数包括每间卧室夜间温度、相对湿度、CO₂浓度。实测时间段为晚上10:00—第二天7:00。仪器使用温湿度CO2记录仪TR-76Ui-s进行监测，该仪器能同时监测房间内温度、相对湿度和CO₂浓度，每5分钟采集一次数据。温度的测试精度为±0.5℃（范围为0-55℃），相对湿度精度为±2.5%（范围为10-95％），CO₂精度为±50 ppm±5%读数误差（范围为0—9999ppm）。

       为了确保采集卧室环境信息的准确性，测点放置尽量放在卧室床旁边的床头柜上，该位置靠近床边能接近受试者睡眠环境，同时也注意远离受试者的呼吸区和供暖装置，确保反映卧室环境真实的状况。

       1.3 皮肤温度和被褥温度测量

       睡眠过程中采用纽扣温度计(ibutton DS1923)连续测量受试者的皮肤温度和被褥温度，仪器的精度为±0.1℃（范围为-20℃—85℃）。平均皮肤温度采用四点法进行测量，测量部位分别为右手前臂、左胸、右大腿前、右小腿前4个部位。基于这四个部位测量的皮肤温度，再对应以0.3、0.3、0.2、0.2的权重系数加权计算出受试者的平均皮肤温度^[10]。受仪器数量限制，共获得了45位受试者睡眠期间的皮肤温度数据。被褥温度采用单点测量，测量位置在身体躯干位置所对应的被子内侧的温度。监测时间间隔均为5分钟。

       1.4 睡眠监测

       睡眠可分为快速眼动睡眠（rapid eye movement, REM）和非快速眼动睡眠（non-rapid eye movement, NREM）两个阶段^[11]，美国睡眠医学会(AASM)进一步将非快速眼动睡眠分为N1、N2和N3期^[12]。其中N1和N2称为浅睡眠，N3称为深度睡眠，深度睡眠越长通常代表其睡眠质量越好。相对于专业临床医学诊断睡眠的仪器多导睡眠监测仪（PSG），睡眠记录手环具有便携性、重量轻、对睡眠影响小等优点，美国睡眠协会（AASM）在2003年的标准中认可体动记录仪对健康人群的监测具备一定可靠性和准确性^[12]。实测调研实验也一般采用睡眠记录手环来开展睡眠的相关研究^[1，13]。本实验采用睡眠记录手环Fitbit Alta 2，该仪器可获得多项睡眠指标，包括总睡眠时长、清醒阶段时长、快速眼动阶段时长、浅睡眠阶段时长、深度睡眠阶段时长及相应各阶段的时长占比。每个受试者在睡眠过程中均佩戴睡眠记录手环来进行当晚睡眠的监测。 

       1.5 数据分析

       收集的数据使用软件SPSS24.0来进行分析,采用相关分析研究各变量之间的关联程度。在统计学中，利用相关系数r定量描述两个变量之间相关关系的紧密程度。当两个变量都是连续变量，且两个变量的总体服从正态分布或近似正态分布时，采用Pearson相关系数，当两个变量都是分类变量或者有一个是分类变量，且总体分布不详时，则需要用Spearman 相关分析。显著性水平均取0.05。

2 数据结果

       2.1 卧室温度

       本次调查住宅冬季均采用集中供暖，实测期间北京夜间室外温度为0.6℃±2.4℃。图1表示实地调研的48户住宅卧室夜间温度情况。由图1可知，测试期间48户住宅卧室夜间平均温度为21.6℃，卧室平均温最低为16.3℃，最高为27.1℃。供暖温度过低会对人体在卧室的舒适感造成一定影响，而供暖温度过高则会造成不必要的建筑能源消耗。根据《民用建筑供暖通风及空气调节设计规范》GB50736-2012中对寒冷地区供暖季房间要求，室内的温度标准值在18—24℃。由图1可见，大部分（81.3%）室内温度处于标准范围内，有5户（10.4%）夜间平均温度高于供暖季采暖标准值上限24℃，有4户（8.3%）低于供暖季采暖标准值下限18℃。

图1 卧室夜间温度情况

       2.2 相对湿度

       实测期间北京夜间室外相对湿度为42.3±6.7%。对于室内情况，当室内相对湿度过低时，会直接导致人的鼻子、喉咙、眼睛和皮肤干燥。除了增加身体不适感之余，还可能会导致呼吸系统疾病的发生。当室内相对湿度过高时，容易引起微生物和霉菌的大量滋生繁殖，同样人体呼吸和健康造成不良影响^[14]。《民用建筑供暖通风及空气调节设计规范》GB50736-2012中按照供暖住宅室内Ⅰ级舒适等级（-0.5<PMV<0.5）要求，室内相对湿度应大于或等于30%。图2表示实地调研的48户住宅卧室的室内卧室夜间相对湿度情况。总体夜间相对湿度均值为38.4%，有19户（39.6%）夜间卧室平均相对湿度值低于30%。可见，城区供暖季卧室夜间相对湿度普遍偏低，有必要采取加湿器等措施提升卧室环境的湿度情况。

图2 卧室夜间相对湿度情况

       2.3 卧室CO₂浓度

       卧室CO2浓度一般与卧室人数、人员的代谢率、人员在卧室的时间、卧室的通风率有关。一般采用室内CO₂浓度作为指示物反映室内污染物浓度（特别是人体代谢物）情况。《室内空气质量标准》GB/T18883-2002规定室内CO2浓度日平均值标准值上限为0.1%，即1000ppm。在国际上ASHRAE Standard 62.1-2010规定在非工业环境中，一般室内CO₂浓度应低于1000 ppm。图3表示实地调研的48户住宅卧室夜间CO2浓度情况。由图4可见，不同卧室的夜间CO₂浓度情况差异较大，最低CO₂浓度在600ppm，最高达到了4570ppm，接近5000ppm的水平。仅10户（20.8%）卧室的夜间平均CO₂浓度低于标准值1000ppm，其余的卧室临睡前CO₂浓度就已经超过标准值1000ppm，而且通过睡眠时呼吸作用卧室CO₂浓度不断累积。有18户（37.5%）卧室整晚夜间CO₂浓度超过2000ppm，其中有8户甚至超过了3000ppm。

图3 卧室夜间CO₂浓度情况

       2.4 平均皮肤温度与被褥温度

       图4表示受试者睡眠阶段身体各部位夜间平均温度及被褥平均温度。可见上臂的温度相对其他部位的温度低，且不同受试者间的上臂温度差异相对来说更为明显。可能是由于受试者倾向手臂暴露在被子内部或外部的不同导致其温度产生一定差异。上臂、胸口、大腿、小腿的夜间平均温度为分别为33.7℃、35.3℃、35.2℃、34.6℃，明显躯干部分（胸口、大腿）的温度比末端部分温度（上臂、小腿）高。45个受试者的平均皮肤温度的均值为34.7℃，均方差为0.6℃。睡眠期间45名受试者的被褥平均温度在27.5℃—35.4℃范围，均值为32.7℃。图6表示被褥平均温度和平均皮肤温度的关系。可以发现，在一定范围内，睡眠期间人体的平均皮肤温度和被褥内温度具有显著的正相关（Pearson相关 r=0.519 p＜0.05）。此外，通过关联性分析发现卧室平均温度与平均皮肤温度之间不具备显著相关性（p＞0.05），由于受试者的床、床垫、被子等寝具能有效降低室内温度对体温的直接影响。因此，相比室内温度，被褥微环境更能反映人体在睡眠时的皮肤温度情况。

图4 睡眠阶段皮肤温度及被褥平均温度

图5 被褥内表面平均温度与平均皮肤温度

       2.5 平均皮肤温度和睡眠质量

       图6表示平均皮肤温度与深度睡眠占比的关系。一般认为，深度睡眠占比（即深度睡眠时间/总睡眠时间）越大，表示睡得越深，睡眠质量相应越好。可见，当受试者的平均皮肤温度在34.5—35℃时睡眠质量更高。通过曲线回归分析发现，当平均皮肤温度处于34.8℃时，深度睡眠占比最高，睡眠质量最佳。

图6 平均皮肤温度与深度睡眠占比

3 讨论

       3.1 卧室环境

       实地调研48户北京城镇住宅发现卧室夜间相对湿度普遍偏低，这与北京冬季气候特点有关。北京处于温带季风区，冬季寒冷干燥，同时室内暖气的使用使室内空气更为干燥。空气干燥会使灰尘和悬浮颗粒增多，这些往往成为细菌传播的媒介，容易导致呼吸道疾病的发生。因此，对于北京地区，提高供暖季室内相对湿度，如采用加湿器等加湿方式具有一定的必要性。

       室内CO₂浓度能反映室内人体呼吸代谢物浓度水平，也有研究表明室内CO₂与室内其他污染物具有显著关联性^[15]。虽然仅凭借CO₂浓度不能表征所有污染物浓度水平，但总体而言室内CO₂浓度是反映室内空气质量情况较为良好的指标^[16]。本研究发现卧室夜间CO₂浓度普遍高于标准值1000ppm，本实验实在供暖季进行测试。多个实地研究发现冬季卧室CO₂浓度普遍比其他季节更高^{[17, 18]}。这主要由于冬季室外气温偏低，卧室的门窗大多选择关闭来减少热量的散失，而且北方墙体密闭性较高，使得卧室整体换气通风率普遍不佳。然而，即使是全年的情况，各地研究也发现卧室的夜间CO₂浓度水平不容乐观。在丹麦，Bekö G等人调查500间儿童卧室发现仅32%的夜间平均二氧化碳浓度是低于1000ppm，有6%的卧室是超过了3000ppm^[19]。另一项上海城区454户儿童卧室的调研也发现近一半卧室夜间平均二氧化碳浓度是超过了1000ppm^[18]。Sekhar等人在新加坡的研究发现，在关闭门窗的情况下，三个人（两个成年人和一个小孩）在一般大小的卧室睡眠，夜间的二氧化碳浓度在6小时内从原始500ppm上升至2900ppm^[20]。此外，一系列研究发现室内CO₂浓度与病态建筑综合症等健康症状有相关性，当室内CO₂浓度降低到800ppm以下时，健康症状能有效缓解^[16]。因此，卧室空气品质需要引起一定的重视，建议有条件的情况下可以适当打开卧室的门窗，或者增加室内通风换气设备，从而降低卧室污染物浓度水平，提升卧室的空气质量。

       3.2 平均皮肤温度

       平均皮肤温度是按照相应部位的皮肤面积计算的人体皮肤温度的加权平均值^[21]。平均皮肤温度并非恒定不变的，它是受到人体热调节系统以及人体与周围的换热所影响。维持舒适的平均皮肤温度是保证人体热舒适的重要条件。根据图5发现，平均皮肤温度与被褥温度具有显著相关性，可能由于被褥环境更为接近受试者周围的睡眠情况，被褥微气候能一定程度上反映人体表面皮肤温度情况。本研究没有发现平均皮肤温度与夜间卧室温度有显著关联，可能由于在实际睡眠环境下，受试者会通过自身热感觉选择适当的床、床垫、被子等寝具来维持睡眠的舒适性，从而有效降低室内温度对皮肤温度的直接影响。因此，相比室内温度，被褥微气候更能反映人体在睡眠时的皮肤温度情况。值得注意的是，本实验是采用四点法进行平均皮肤温度的计算。刘蔚巍等人对现有25种平均皮温计算方法进行分析，发现四点法虽然对冷刺激下的皮肤温度变化的反映不够灵敏，但具有较高的可靠性，适用于热舒适研究场合^[22]。本实验考虑到实验仪器数量以及仪器对受试者睡眠的影响程度采用四点法计算平均皮肤温度，不足之处是对暴露被褥以外的面部温度情况没有考虑在内。已有研究表明人体的平均皮肤温度能作为人体热舒适的客观指标^{[6, 23]}，而睡眠状态下该生理参数可能与睡眠质量相关。图6可以看出受试者的平均皮肤温度在34.5—35℃范围内睡眠质量最佳，通过曲线回归分析发现，当平均皮温为34.8℃时，深度睡眠占比最大，睡眠质量最好。根据Fanger舒适皮温计算公式，睡眠热舒适的皮肤温度在34.6℃左右^[24]。兰丽的实验室研究中也同样发现睡眠舒适时的平均皮温应稍高于34.4℃^[25]。本实测实验得到结果与前期的研究比较一致，而过高或过低的平均皮肤温度可能会一定程度影响睡眠舒适性，从而影响睡眠质量，但仍需要考虑到不同地区以及更大的样本量来进行深入性研究。

4 结论

       本研究在供暖季针对北京地区48户城镇住宅进行实地调研，分析其室内热湿环境和室内空气品质情况，并探究了表征睡眠热舒适的客观生理指标平均皮肤温度与睡眠质量的关联。本文主要结论如下：

       （1）卧室热环境基本符合要求，相对湿度普遍偏低，有19户（39.6%）夜间卧室平均相对湿度值低于30%，卧室空气质量普遍较差，仅10户（20.8%）卧室的夜间平均CO2浓度低于标准值1000ppm，有18户（37.5%）卧室整晚夜间平均CO2浓度超过2000ppm，有8户甚至超过3000ppm。

       （2）睡眠期间，受试者的平均皮肤温度的平均值为34.7℃，均方差为0.6℃。受试者的平均皮肤温度与被褥内表面温度显著正相关，被褥微环境能一定程度反映人体表面皮肤温度情况。

       （3）受试者的平均皮肤温度在34.5—35℃范围内睡眠质量最佳，通过曲线回归分析发现，当平均皮温为34.8℃时，深度睡眠占比最大，睡眠质量最好。

参考文献

       [1] 朱旻琳,欧阳沁,朱颖心,等.偏热环境下睡眠热舒适研究综述[J]. 暖通空调,2017,47(10):35-44
       [2] Caddick Z A, Gregory K, Arsintescu L, et al. A review of the environmental parameters necessary for an optimal sleep environment[J]. Building and Environment, 2018, 132:11-20
       [3] Lan Li, Pan Li, Lian Zhiwei, et al. Experimental study on thermal comfort of sleeping people at different air temperatures[J]. Building and Environment, 2014, 73:24-31.
       [4] Pan Li, Lian Zhiwei, Lan Li. Investigation of sleep quality under different temperatures based on subjective and physiological measurements[J]. HVAC&R Research, 2012, 18(5):1030-1043
       [5] Lan Li, Tsuzuki K, Liu Yanfeng, et al. Thermal environment and sleep quality: A review[J]. Energy and Buildings, 2017, 149:101-113
       [6] Liu Weiwei, Lian Zhiwei, Deng Qihong. Use of mean skin temperature in evaluation of individual thermal comfort for a person in a sleeping posture under steady thermal environment[J]. Indoor and Built Environment, 2015, 24(4):489-499
       [7] Urlaub S, Grün G, Foldbjerg P, et al. The influence of the indoor environment on sleep quality[J]. Proceedings of Healthy Buildings Europe, 2015
       [8] Zhou Beifan. Predictive values of body mass index and waist circumference for risk factors of certain related diseases in Chinese adults - study on optimal cut-off points of body mass index and waist circumference in Chinese adults[J]. Biomedical & Environmental Sciences, 2002, 11(1):685-693
       [9] Buysse D J, Reynolds C F, Monk T H, et al. The Pittsburgh Sleep Quality Index: a new instrument for psychiatric practice and research[J]. Psychiatry res, 1989, 28(2):193-213
       [10]Mitchell D, Wyndham C H. Comparison of weighting formulas for calculating mean skin temperature[J]. Journal of Applied Physiology, 1969, 26(5): 616-622
       [11] Kryger M H, Roth T, Dement W C, et al.睡眠医学:理论与实践[M].张秀华,韩芳,张悦,等,译.北京,人民卫生出版社,2010
       [12] Iber C, Ancoli-Israel S, Chesson A L, et al. The AASM manual for the scoring of sleep and associated events: rules, terminology and technical specifications[M].Westchester, American Academy of Sleep Medicine, 2007
       [13] Sadeh A. The role and validity of actigraphy in sleep medicine: an update[J]. Sleep medicine reviews, 2011, 15(4):259-267.
       [14] Tsutsumi H, Tanabe S, Harigaya J, et al. Effect of humidity on human comfort and productivity after step changes from warm and humid environment[J]. Building and Environment, 2007, 42(12):4034-4042
       [15] Ramalho O, Wyart G, Mandin C, et al. Association of carbon dioxide with indoor air pollutants and exceedance of health guideline values[J]. Building and Environment, 2015, 93:115-124
       [16] Seppanen O A, Fisk W J, Mendell M J. Association of ventilation rates and CO2 concentrations with health and other responses in commercial and institutional buildings[J]. Indoor Air, 1999, 9(4):226-252
       [17] Kim M, Chun C, Han J. A Study on Bedroom Environment and Sleep Quality in Korea[J]. Indoor and Built Environment, 2010, 19(1):123-128
       [18] Liu Wei, Huang Chen, Shen Li, et al. Associations between natural ventilation for the child's bedroom during night and childhood asthma in Shanghai, China[J]. Procedia Engineering, 2015, 121:501-505
       [19] Bekö G, Lund T, Nors F, et al. Ventilation rates in the bedrooms of 500 Danish children[J]. Building and Environment,2010,45(10):2289-2295
       [20] Sekhar S C. Enhancement of ventilation performance of a residential split-system air-conditioning unit[J]. Energy and Buildings, 2004,36(3):273-279
       [21] 潘黎. 基于人体生理参数的清醒和睡眠状态的热舒适研究[D]. 上海:上海交通大学, 2012
       [22] 刘蔚巍. 人体热舒适客观评价指标研究[D]. 上海:上海交通大学, 2008
       [23] 刘蔚巍，连之伟，邓启红，等. 人体热舒适客观评价指标[J]. 中南大学学报, 2011, 42(2):521-526
       [24] Fanger P.O. Thermal comfort[M]. Copenhagen,Danish Technical Press, 1970
       [25] 兰丽. 室内环境对人体睡眠质量的影响研究[D]. 上海:上海交通大学, 2012

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。