張悅 喻偉 閆可

重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

人的一生中，睡眠占據(jù)了大約三分之一的時間，睡眠質(zhì)量的好壞與人體的生理及心理健康都息息相關(guān)[1]。在晝夜節(jié)律作用下，睡眠本身的熱生理參數(shù)，包括皮膚溫度 SKT（Skin Temperature），人體核心溫度CBT（Core Body Temperature）和代謝率 M（Metabolic rate），都遵循著先升高、后降低、再回升的大致規(guī)律[2-7]。在偏熱環(huán)境下，人體核心溫度CBT 維持在比中性狀態(tài)下更高的水平 [8-10]，會對第二天的精力造成不可挽回的損失，而吹風(fēng)可以顯著改善人體的睡眠熱舒適。本文就如何提升風(fēng)扇在睡眠吹風(fēng)過程中的舒適性從優(yōu)化風(fēng)扇的控制策略方面進(jìn)行了舒適風(fēng)速區(qū)間和動態(tài)吹風(fēng)策略的研究與探討。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺及儀器

實(shí)驗(yàn)在重慶大學(xué)人工氣候室開展[11]，本研究主要考慮落地扇氣流對人體舒適影響，所以背景環(huán)境采用頂部孔板送風(fēng)，控制氣流速度小于 0.1 m/s，整個環(huán)境無明顯氣流流動。

實(shí)驗(yàn)用到的測試儀器主要包括測試風(fēng)扇流場風(fēng)速和人體生理參數(shù)等的儀器。風(fēng)扇的風(fēng)速采集使用萬向微風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng)，采集頻率2Hz。受試者整晚睡眠過程中局部皮膚溫度使用MP150 主機(jī)、皮膚溫度信號放大模塊及配套的溫度探頭進(jìn)行采集。受試者整晚睡眠過程的睡眠質(zhì)量采用睡眠手環(huán)進(jìn)行監(jiān)測。與評判睡眠質(zhì)量的金標(biāo)準(zhǔn)PSG 相比，手環(huán)通過監(jiān)測受試者夜晚的脈搏與體動數(shù)據(jù)來判斷受試者的睡眠進(jìn)程，具有更加輕便、不干擾受試者睡眠等優(yōu)點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)與 PSG 的吻合度可達(dá) 0.69[12]，可以為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的判定提供有效的支撐。

測試中所用風(fēng)扇為某正規(guī)高銷量品牌下的 9b 家用落地扇產(chǎn)品，風(fēng)扇共 26 檔位，實(shí)驗(yàn)對涉及的檔位風(fēng)速都進(jìn)行了風(fēng)速測量。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本研究主體分為兩個部分，前期進(jìn)行人體臨睡狀態(tài)下（即躺休狀態(tài)）的吹風(fēng)熱舒適實(shí)驗(yàn)，躺休狀態(tài)（0.8met）與睡眠狀態(tài)（0.7met）下的人體代謝率等生理參數(shù)最為接近 [13]且受試者仍能清晰地反映吹風(fēng)過程中的各項(xiàng)主觀熱舒適指標(biāo)。后期進(jìn)行整晚睡眠狀態(tài)下的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)收集受試者的整晚皮溫變化規(guī)律再結(jié)合前期的熱舒適實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)出優(yōu)化吹風(fēng)策略并進(jìn)行優(yōu)化效果驗(yàn)證。

1.2.1 臨睡狀態(tài)熱舒適實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)受試者均為在校大學(xué)生，男生 6 名，女生6名，均為自愿參與實(shí)驗(yàn)。招募前先口頭問詢受試者是否身體健康，有無睡眠障礙或影響睡眠的疾病，以及有無抽煙、酗酒等不良習(xí)慣。對符合前述要求的志愿者再采用匹茲堡睡眠指數(shù)量表（PSQI）[14]考察其近一個月的睡眠質(zhì)量，累計(jì)得分越高表示睡眠質(zhì)量越差，剔除總分高于8 分的志愿者。

表1 臨睡與睡眠狀態(tài)下受試者基本信息

實(shí)驗(yàn)時受試者身穿統(tǒng)一購買的短袖和短褲睡衣，席子為藤席，被子為夏涼被，根據(jù)文獻(xiàn)可估算此床褥系統(tǒng)的熱阻為1.64clo 左右[15]。

臨睡狀態(tài)下的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)選取了 28 ℃、30 ℃、32 ℃三個溫度水平和 50%、80%兩個濕度水平，共組合為 6種工況，涵蓋了中性到熱的較大范圍。每種工況對應(yīng)四個不同的吹風(fēng)檔位，分別為受試者在預(yù)實(shí)驗(yàn)中主觀選擇的由最低可忍受和最高可忍受吹風(fēng)感強(qiáng)度的四檔風(fēng)速，具體工況和風(fēng)速值如表2 所示，所有風(fēng)速值測點(diǎn)均為床中軸線上距離床尾0.2 m 處，大致為受試者平躺在床上時腳部的位置，距離風(fēng)扇軸心水平距離為1.2 m。

表2 臨睡狀態(tài)實(shí)驗(yàn)工況

臨睡狀態(tài)下的吹風(fēng)熱舒適實(shí)驗(yàn)要求受試者在實(shí)驗(yàn)前24 h 內(nèi)不能進(jìn)行劇烈運(yùn)動，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天受試者需提前 30 min 到達(dá)實(shí)驗(yàn)室，更換統(tǒng)一著裝、配合測試人員在局部粘貼皮溫探頭、佩戴好手環(huán)，之后保持靜坐，盡可能減少試驗(yàn)前階段外環(huán)境對正式實(shí)驗(yàn)的影響。隨后受試者進(jìn)入氣候室平躺在床上開始正式實(shí)驗(yàn)，受試者首先需要在無風(fēng)狀態(tài)下平躺穩(wěn)定 20 min，然后立即填寫主觀問卷。填寫完成后開啟風(fēng)扇，并要求受試者立即填寫吹風(fēng)后的問卷，在完成第一種風(fēng)速吹風(fēng)20 min后，受試者開始第二次問卷填寫，隨后關(guān)閉風(fēng)扇。受試者繼續(xù)平躺恢復(fù)20 min 左右，之后進(jìn)入下一檔風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)。風(fēng)扇布置在距離床尾1 m 處，吹風(fēng)方向?yàn)橛赡_到頭吹。

1.2.2 不同吹風(fēng)條件下的整晚睡眠實(shí)驗(yàn)

整晚睡眠實(shí)驗(yàn)主要分為兩個部分，前期所有受試者需進(jìn)行一組自然無風(fēng)工況下的整晚睡眠實(shí)驗(yàn)用以收集皮膚溫度在晝夜節(jié)律下的變化規(guī)律，每位受試者分別進(jìn)行適應(yīng)工況和自然工況兩晚實(shí)驗(yàn)。后期結(jié)合皮溫規(guī)律以及臨睡實(shí)驗(yàn)的結(jié)果設(shè)計(jì)一組優(yōu)化吹風(fēng)策略，并以穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)為對照進(jìn)行整晚睡眠狀態(tài)下的吹風(fēng)優(yōu)化效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，每位受試者分別進(jìn)行適應(yīng)工況、穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)工況、優(yōu)化策略吹風(fēng)工況三晚睡眠。由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與受試者平時的睡眠環(huán)境不同，適應(yīng)工況的設(shè)計(jì)是為了防止由于受試者對陌生環(huán)境的不適應(yīng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾，且適應(yīng)工況所得數(shù)據(jù)不納入分析，具體工況見表3。

表3 優(yōu)化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)工況表

實(shí)驗(yàn)的 12 名受試者與臨睡狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)受試者保持一致，以減小受試者差異對實(shí)驗(yàn)造成的影響。實(shí)驗(yàn)時受試者著裝與床褥等均與臨睡狀態(tài)下的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)保持一致。

根據(jù)前期對受試者的睡眠習(xí)慣調(diào)查，實(shí)驗(yàn)設(shè)定晚00:00 到早08:00 為睡眠時間。實(shí)驗(yàn)要求受試者在實(shí)驗(yàn)前24 h 內(nèi)不能進(jìn)行劇烈運(yùn)動，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天受試者需提前30 min 于當(dāng)晚 23:10 到達(dá)實(shí)驗(yàn)室，更換統(tǒng)一著裝、配合測試人員在局部粘貼皮溫探頭、佩戴好手環(huán)，之后保持靜坐，盡可能減少試驗(yàn)前階段外環(huán)境對正式實(shí)驗(yàn)的影響。隨后受試者于23:40 進(jìn)入氣候室平躺在床上開始正式實(shí)驗(yàn)，受試者首先需要在無風(fēng)狀態(tài)下平躺穩(wěn)定20 min，然后于 23:55 進(jìn)行 5 分鐘的睡前主觀問卷填寫。填寫完成后測試人員打開風(fēng)扇調(diào)到對應(yīng)的吹風(fēng)模式后關(guān)燈，受試者進(jìn)入睡眠實(shí)驗(yàn)。早上08:00 時測試人員開燈喚醒受試者，5 分鐘后受試者根據(jù)睡眠過程中的感受和回憶填寫睡醒后的主觀問卷。填寫完成后，受試者拆卸儀器并更換服裝離開。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本研究中數(shù)據(jù)分析主要用到了回歸分析法和單因素方差分析法，其中回歸分析主要用于風(fēng)速與熱感覺的關(guān)系擬合中，以求出對應(yīng)工況下滿足人體熱舒適的風(fēng)速大小。方差分析主要用于檢驗(yàn)優(yōu)化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的差異性是否顯著有意義，能否代表工況不同工況對于受試者睡眠質(zhì)量的影響。本研究中所有的分析計(jì)算均利用IBM SPSS Statistics 21 統(tǒng)計(jì)分析的軟件完成。

2 臨睡狀態(tài)熱舒適實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù) 12 名受試者在臨睡狀態(tài)的不同工況下吹風(fēng)后填寫的主觀問卷結(jié)果顯示，1 00%的受試者認(rèn)為在30 ℃/50%環(huán)境工況下吹風(fēng)可以滿足整晚睡眠時能夠入睡的熱舒適性要求，為了保證后續(xù)整晚睡眠實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，筆者選取了 30 ℃/50%作為后續(xù)整晚睡眠實(shí)驗(yàn)的背景工況，此處只給出30 ℃/50%工況下的熱舒適實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)室的溫度控制精度±0 .3 ℃，濕度的控制精度±5 %[11]。

熱感覺是人體對周圍環(huán)境是“ 冷”還是“ 熱”的主觀描述。圖1 給出了 30 ℃/50%工況下臨睡狀態(tài)吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)中受試者的熱感覺投票均值。從圖中可以看出，在同一背景工況下隨著風(fēng)速的增加受試者的熱感覺投票明顯減小，表明風(fēng)速的增大可以有效改善受試者在偏熱環(huán)境下的熱舒適感覺。

圖1 30 ℃/50%工況下受試者臨睡實(shí)驗(yàn)熱感覺投票變化

筆者進(jìn)一步將受試者的熱感覺與對應(yīng)的吹風(fēng)進(jìn)行回歸分析，如圖 2 所示，圖中陰影部分表示ASHARE 和GB/T 50785-2012 推薦的人員可接受的舒適區(qū)間TSV 屬于（-0.5,0.5）[16]。

圖2 30 ℃/50%工況下熱感覺與風(fēng)速的擬合結(jié)果

由圖 2 可見，當(dāng)環(huán)境溫度為 30 ℃、相對濕度RH=50%時：

從擬合的結(jié)果來看，在 30 ℃/50%工況下，通過改變吹風(fēng)風(fēng)速可以有效地使受試者的熱舒適感達(dá)到可接受的舒適區(qū)間。根據(jù)擬合公式計(jì)算可得，在 30 ℃/50%工況下受試者達(dá)到熱舒適區(qū)間所需的風(fēng)速范圍為[0.15，1.97]m/s，T SV=0 時所需的風(fēng)速為v=0.8 m/s。

考慮到臨睡工況下的實(shí)驗(yàn)皆為短時吹風(fēng)，相較于長時吹風(fēng)來說所能接受的風(fēng)速上限高，所以選擇臨睡狀態(tài)下的中性風(fēng)速v=0.8 m/s作為后續(xù)整晚睡眠實(shí)驗(yàn)時的最高風(fēng)速值。

3 整晚睡眠吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及分析

3.1 自然工況下的整晚睡眠實(shí)驗(yàn)

這一階段實(shí)驗(yàn)的目的主要為監(jiān)測受試者在晝夜節(jié)律作用下皮膚溫度的整晚變化規(guī)律，由于夜間受試者的翻身等動作可能導(dǎo)致部分探頭的脫落，脫落探頭所得數(shù)據(jù)明顯異于正常皮膚溫度，剔除這部分?jǐn)?shù)據(jù)后將所有受試者的有效皮膚溫度數(shù)據(jù)取均值處理，并作出皮溫在整晚睡眠過程中的變化曲線圖，如圖3 所示。

圖3 自然工況下整晚睡眠皮溫變化曲線

由圖 3 可以看出，皮膚溫度在夜間大致經(jīng)歷了先升高后降低再回升的變化過程，與文獻(xiàn)中所述的晝夜節(jié)律相吻合。根據(jù)皮膚溫度在整晚變化的大致走勢，筆者將其劃分為五個階段，如圖 4 所示。00:00～01:00階段內(nèi)，皮溫主要呈上升趨勢，在 01:00 時到達(dá)峰值。01:00～03:0 階段內(nèi)，皮溫主要呈下降趨勢,在三點(diǎn)出現(xiàn)一個下降階段的最小值。03:00～05:30 階段內(nèi)，皮溫處于相對穩(wěn)定階段，浮動不大。05:30～07:00 階段內(nèi)，皮溫又出現(xiàn)小幅度上升，在 07:00 時達(dá)到回升的峰值。07:00～08:00 階段內(nèi)，皮溫相對穩(wěn)定。

圖4 自然工況下整晚睡眠皮溫階段劃分

3.2 優(yōu)化吹風(fēng)策略設(shè)計(jì)結(jié)果

基于上述皮溫的整晚變化規(guī)律以及臨睡狀態(tài)熱舒適實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，筆者設(shè)計(jì)了整晚仿睡眠節(jié)律變化的變風(fēng)速吹風(fēng)策略，劃分為高、中、低三段式吹風(fēng)。根據(jù)前述 TSV 與風(fēng)速的擬合結(jié)果，在 30 ℃/50%工況下，最高風(fēng)速應(yīng)為 TSV=0 時所需風(fēng)速v=0.8 m/s。最小風(fēng)速本應(yīng)為TSV=0.5 時所需風(fēng)速v=1.5 m/s，但根據(jù)風(fēng)速測定，在本實(shí)驗(yàn)條件下該風(fēng)扇到達(dá)人體的最小風(fēng)速只能達(dá)到0.3 m/s左右，故選擇v=0.3 m/s作為睡眠階段的最小風(fēng)速，并選取最大最小風(fēng)速的中值v=0.55 m/s作為中檔風(fēng)速。故仿睡眠節(jié)律變化的優(yōu)化吹風(fēng)策略的各階段風(fēng)速變化曲線如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化策略風(fēng)速變化圖

3.3 優(yōu)化效果驗(yàn)證整晚睡眠吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 主觀問卷分析

在整晚睡眠結(jié)束后，要求受試者在起床5 分鐘內(nèi)根據(jù)前一晚的睡眠感受或者回憶來填寫睡眠質(zhì)量的主觀問卷調(diào)查表，根據(jù) Iole Zilli[17]的研究將睡眠質(zhì)量調(diào)查問卷進(jìn)行部分改動后如表4 所示，調(diào)查共4 個問題，共有5 個水平，水平越高代表睡眠質(zhì)量越好。

表4 睡眠質(zhì)量問卷調(diào)查表

如圖6 所示，給出了上述主觀問卷的分析結(jié)果，由圖可看出入睡難易程度、醒來難易程度、醒來頻率、睡眠滿意度四個指標(biāo)均顯示在 30 ℃/50%背景工況下使用優(yōu)化策略吹風(fēng)的主觀評價要優(yōu)于穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)工況，其中入睡難易程度、醒來頻率、睡眠滿意度三個指標(biāo)的變化較為顯著。這表明，從受試者的主觀感受上已經(jīng)驗(yàn)證了優(yōu)化策略的有效性，優(yōu)化吹風(fēng)策略顯著提升了受試者的睡眠質(zhì)量。

圖6 睡眠質(zhì)量主觀問卷結(jié)果

3.3.2 受試者的手環(huán)數(shù)據(jù)分析

在整晚睡眠實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)itbit 手環(huán)所輸出的數(shù)據(jù)包含受試者睡眠過程中的清醒期（WASO）、快速眼動期（REM 期）、淺睡眠（N1 期 +N2 期）、深睡眠（N3 期）的具體時長。根據(jù)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得到受試者的臥床時長（TST），睡眠效率（SE）、入睡潛時（SOL）、REM 期占比、N3 期占比。計(jì)算公式如下所示：

上述指標(biāo)中，S E 越高、R EM 期占比越高、N 3 期占比越高、S OL 越低則代表睡眠質(zhì)量越好，反之睡眠質(zhì)量越差[18]。表 5 和6 中分別給出了所有受試者在穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)工況下和優(yōu)化策略吹風(fēng)工況下整晚睡眠的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

表5 手環(huán)原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表6 睡眠質(zhì)量評判指標(biāo)均值計(jì)算表

從上述結(jié)果可看出，各項(xiàng)評判指標(biāo)均顯示在 30 ℃/50%背景工況下使用優(yōu)化策略吹風(fēng)能夠顯著提升受試者的睡眠質(zhì)量，這與受試者的主觀問卷分析結(jié)果相吻合。其中受試者的睡眠效率指標(biāo)提升3.24%、深睡期占比提升 3.59%。這一結(jié)果表明此優(yōu)化吹風(fēng)策略達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，也一定程度上驗(yàn)證了夜晚仿睡眠節(jié)律變化的變風(fēng)速吹風(fēng)這一優(yōu)化思路的正確性。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目挑選了在校大學(xué)生作為受試者先后進(jìn)行了臨睡狀態(tài)下的睡眠吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)與整晚睡眠吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，通過監(jiān)測受試者的皮溫，手環(huán)等數(shù)據(jù)以及受試者的主觀熱舒適感覺，對傳統(tǒng)的風(fēng)扇吹風(fēng)模式進(jìn)行了策略優(yōu)化和效果驗(yàn)證，分析與討論后得出了以下結(jié)論：

1）通過受試者在臨睡狀態(tài)各工況下吹風(fēng)后的主觀反饋，筆者統(tǒng)計(jì)得出了 30 ℃/50%工況下最易入睡的結(jié)果，并將此工況作為整晚睡眠實(shí)驗(yàn)的典型工況。

2）通過探究受試者在臨睡狀態(tài)下的熱感覺與吹風(fēng)風(fēng)速的關(guān)系，得出了30 ℃/50%工況下風(fēng)速與熱感覺的擬合關(guān)系，擬合式為。

3）基于人體夜間睡眠的生理節(jié)律和熱感覺與風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系筆者設(shè)計(jì)了一組優(yōu)化吹風(fēng)策略，并通過與穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)的整晚睡眠對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性——即此優(yōu)化吹風(fēng)策略可顯著提升受試者的夜間睡眠效率和深睡期占比等指標(biāo)，提升率分別達(dá)到 3.24%和3.59%。

在本項(xiàng)目中，筆者通過上述研究所提供的優(yōu)化策略對于提升風(fēng)扇的利用率和風(fēng)扇的吹風(fēng)舒適度都有積極作用，但本項(xiàng)目只進(jìn)行了一種優(yōu)化策略的探究，結(jié)論較為局限。根據(jù)研究結(jié)果來看，風(fēng)扇在特定的溫濕度工況范圍內(nèi)確有較大的利用潛力，其利用空間仍有待開發(fā)。