冬季温控床垫对人体热舒适的影响机理

李霞霞，申黎明，高婧淑

（南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心，南京 210037）

人通过睡眠是否能恢复身体机能取决于良好的睡眠质量。热环境是影响睡眠的重要因素之一，因为热调节系统已被证明与调节睡眠机制密切相关［1］。此外，人体在睡眠与清醒状态下的热舒适需求存在差异，这是由于睡眠时代谢能量的降低、床上被褥系统热阻的增加以及睡眠过程中缺乏行为调节［2-3］。与室内热环境相比，被褥热环境对人体热舒适的影响更为显著，也是确保良好睡眠质量的关键因素［4］。不同研究者设定在不同实验条件下被褥微环境对睡眠质量的影响及获得被褥微环境适宜温度保持在26～36 ℃，热中性温度约30℃［5-7］。上述被褥微环境中适宜温度范围比较大，是由于实验用被褥系统的热阻和季节不同，最主要是不同年龄和地区的受试者的生理特性存在差异。

另外，为满足寒冷或炎热季节中人们睡眠质量，部分研究者将温控技术加入床垫设计中，以加强床垫温度的可调控及满足睡眠时人体热舒适。Rincón-Casado 等［8］研究了以热电为基础的温控床垫设计与热特性测试，结果表明，在加热模式下，功率22.5，40.0 和90.0 W 时床垫表面温度分别比室温高2.4，3.1 和4.5 ℃。Wang 等［9］研究集成冷热水管加热来改变床表面温度，基于CFD 数值仿真和实验研究验证设计的可行性，得出在其接通热源后，前2 h 热量迅速增加，断开热源后，热量10 h 后降低，且比中国传统火炕节约20%能源。上述研究表明温控技术可以改变床垫或床表面温度，但是较少研究关于对睡眠质量的影响。因此，需要探究更有效的温控设施及相应的温控条件，也需要测试在睡眠时对人体热舒适和睡眠质量的影响。

图1 温控床垫剖面图Fig.1 Cross-section view of a temperaturecontrolled mattress

本研究设定在冬季室内工况下，基于水管和水垫调温的温控床垫，通过睡眠实验研究，比较分析床垫的不同温控条件对人与床垫接触界面温度、被褥微环境温度、被覆躯体热反应及睡眠质量的影响，并探究被覆躯体热感觉和睡眠质量的关系，以及适宜的被褥微环境温度。

1 实验设计与研究方法

1.1 受试者

1.2 床褥系统及实验仪器

实验选用温控床垫及居民冬季常用的被子（质量为0.839 0 kg／m2，内填充聚氨酯棉）。温度调控采用U 企业研制的温控系统和硬件设备，可调范围13～45 ℃。温控床垫剖面图见图1，温控层类型见图2，分别采用水垫和水管进行温度调控，预设温度分别为29 和32 ℃，以下简称为水管29（WP29）、水管32（WP32）、水垫29（WC29）和水垫32（WC32）。温控层上铺设导热性较好的丝绵和3D 透气面料，下设乳胶、普通海绵及弹簧等支撑材料。

图2 温控层类型Fig.2 Types of temperature control layer

实验测量参数及相应的仪器信息见表1。室内风速测试时间在受试者睡前和醒后，睡眠质量和睡眠状态持续监控，其余参数记录时间间隔均为5 min。

表1 测量参数及相应的仪器Table 1 Measurement parameters and corresponding instrument information

1.3 被褥微环境温度的测试部位及计算方法

根据人体睡眠过程中的传热特性，人体与被褥微环境之间的传热是对流、辐射和传导3 种机制共同作用的结果（图3）。基于此，被褥微环境中人体测试部位及相应温度传感器的布局图见图4。关于人-床界面及被褥微环境的温度计算可类比于人体平均皮肤温度，采用面积加权平均的计算方法［11］。测量受试者被覆躯体每个部位表面积占躯体总面积的百分比，且取所有受试者相应部位的均值作为该部位的面积权重系数。人体呈左右对称，取同一部位的左右均值。人-床界面平均温度及被褥微环境平均温度见以下计算公式：

图3 人体与被褥微环境之间的热传递Fig.3 Heat transfer between human body and bed microenvironment

图4 人体测试部位及相应温度传感器布局图Fig.4 Tested part of human body and layout of the corresponding temperature sensors on the matterss and quilt

式中：THMI为人-床界面平均温度，℃；TBM为被褥微环境平均温度，℃；TM-s、TM-ba、TM-bu、TM-t和TM-ca分别是肩部、背部、臀部、大腿和小腿与床垫接触界面温度；TQ-ch、TQ-w、TQ-t、TQ-ca和TQ-f分别是胸部、腰部、大腿、小腿和脚与被子间形成的相应部位微环境温度；式（1）中权重系数a1、b1、c1、d1、e1分别为0.101，0.314，0.121，0.282，0.182；式（2）中权重系数a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2分别为0.043，0.085，0.144，0.095，0.069，0.285，0.181，0.098。

1.4 被覆躯体热反应的调查

问卷设计的内容是受试者对人体与床垫接触界面以及被褥微环境中整个被覆躯体的热反应评价，采用ASHRAE 55-2013 7 级量表投票对热感觉和热舒适进行评价，热可接受度采用6 级评价，见表2。

表2 热评价指标Table 2 Index scales for thermal evaluation

1.5 睡眠时间监测

采用无线活动跟踪手环Fitbit Charge 2（Fitbit Inc.，San Francisco，USA）监测睡眠各个阶段的时间。Fitbit Charge HRTM可靠性在de Zambotti 等［12］研究中得到证实，监测睡眠的准确率（91%）和灵敏度（97%）较高，与PSG 和ECG 有较高一致性。Fitbit Charge 2 是该产品的升级版本。另外，Fitbit Charge 2 可连接到 Fitabase （Small Steps Labs LLC），借助该数据平台可下载手环记录的睡眠各个阶段具体时间和睡眠情况报告。

从Fitabase 数据平台上提取的睡眠参数如下：床上时间（min）、总睡眠时间（min）、清醒时间（min）、睡眠效率（睡眠时间／床上时间×100%）、各个睡眠阶段的时间占比（阶段性睡眠时间／总睡眠时间，如浅睡眠、深睡眠和快速眼动睡眠（REM），%）。

本研究数据显示，经治疗后研究组患者睡眠质量恢复情况优于对照组，差异有统计学意义（x2=6.318，P=0.012），提示交泰丸加减联合乌灵胶囊能有效改善患者失眠症状，减轻患者痛苦。在心理状态的研究方面，治疗后研究组患者心理状况改善情况优于对照组，差异有统计学意义（t=34.180，12.986；P=0.000，0.000），提示交泰丸加减联合乌灵胶囊能有效改善患者心理焦虑和抑郁的状态，缓解患者心理压力。

1.6 实验流程与统计分析

实验于12 月和1 月在南京进行。实验开始前，将室内空气温度（16 ℃）、相对湿度（50%）、室内风速（＜0.15 m／s）调控至预设值。室内风速和噪声情况满足受试者需求，不影响睡眠状态。所有受试者都被要求提前试睡一晚，如有不适应者不予参加此次实验。正式实验中，每位受试者均参加4 晚测试，床垫测试顺序为随机排列。实验流程见图5。

所有实验数据均用均值±标准差表示，采用方差分析被褥微环境温度间的差异，以及非参数Wilcoxon 秩和检验分析热反应和睡眠质量的差异。当P＜0.05 时，差异性有统计学意义。

图5 实验流程Fig.5 Experimental procedure

2 结果与分析

2.1 睡眠过程中各要素测试结果

2.1.1 被褥微环境温度

基于公式（1）和（2），计算出人-床界面温度和被褥微环境温度。整个睡眠过程中人-床界面和整个被褥微环境的温度变化情况见图6。受床垫不同温控条件影响的人-床界面和被褥微环境温度在睡眠过程中变化规律相似，睡眠90 min 时人-床界面和被褥微环境的温度达到峰值，随着进入到深睡阶段其温度值逐渐降低且呈小的波动。睡眠期间，被褥微环境受室内工况、床垫的不同温控条件和人体皮肤表面散热的影响，不同温控条件下的人-床界面及整个被褥微环境温度存在差异。受水管32影响的人-床界面和被褥微环境的温度值最高，水垫32 次之，而水垫29 温度值最低。

图6 睡眠期间人-床界面和被褥微环境的温度Fig.6 The temperatures of human-mattress interface and bed microclimate during the sleep

受水垫29 影响的人-床界面和被褥微环境平均温度与其他3 种温控条件之间存在显著差异（P＜0.05），而水垫32 和水管32 之间无显著差异（P＞0.05）（图7）。另外，随着床垫温控层温度的升高，被褥微环境温度呈上升趋势。基于水管温控层的温度由29 ℃调至32 ℃，人-床界面和整体被褥微环境的平均温度分别增加1.12 和0.81 ℃，而基于水垫温控层二者平均温度分别增加1.20 和1.05 ℃。可见，在偏冷室内工况下，水垫温控层对被褥微环境温度的影响效果较为明显。

2.1.2 主观热反应

图7 被褥微环境及人-床界面的平均温度Fig.7 Mean temperature of bed microclimate and human-mattress interface

图8 被覆躯体主观热反应Fig.8 Subjective thermal response of the covered body

受试者对睡眠前和醒后被褥热环境的评价见图8。床垫温控层设定的4 种温控条件下，人-床界面及整体被褥微环境中被覆躯体热感觉投票水平基本一致，且二者分别在睡前和醒后之间的热感觉无显著差异，说明在床垫受温度调控条件下，睡前被覆躯体热感觉可以反映整个夜间睡眠的热感觉。醒后的4 种平均热感觉等级分别为0.43，1.36，-0.86 和0.93，受不同温控床垫影响的热感觉部分之间存在显著差异，尤其是水垫29 接近于稍凉水平，与其他3 种温控之间存在差异（P＜0.05）。当水垫温控层温度调至32 ℃，被覆躯体热感觉处于稍暖，与水管32 无显著差异（P＞0.05）。这是由于水垫温控层循环水量较大，当设定温度29 ℃时，与人体表面皮肤温度形成明显差异，导致较低的热感觉水平，而当调控至32 ℃时，较为接近与人体表面皮肤温度，且受水垫温控层影响的被褥微环境温度与人体所需温度差异减少。此外，受试者睡前和醒后的被覆躯体热舒适和热可接受度也呈相似的分布规律。图8c 和d 中，水管29 和水垫32 睡眠和醒后表现出较佳的舒适性和热可接受度，而水垫29 舒适性和可接受度水平最低。由此可见，在偏冷室内工况下受试者更倾向于较暖环境。

2.1.3 睡眠质量

基于Fitabase 数据平台的睡眠质量参数见图9 和图10。一般来说，较多睡眠时间与较高睡眠效率和较少清醒时间与睡眠潜时是高质量睡眠的指标。就睡眠阶段而言，所有睡眠阶段对人体来说都是必不可少的，浅睡眠对记忆和学习起着重要作用，深睡眠和REM 睡眠是确保较好睡眠质量的重要阶段。在现阶段多数研究中，深睡眠和REM 持续时间或时间占比是评估睡眠质量的重要指标。

图9 和10 结果表明，整个睡眠过程中，当温控条件为水垫29 时，受试者的睡眠效率较低，浅睡眠和REM 的时间占比较大。同时，受水垫29 影响的受试者总睡眠时间较少，且与其他3 种温控条件之间存在显著差异（P＜0.05）。但是，在水管29 温控条件下，在适中的被褥微环境中受试者经历了较小的REM 睡眠和浅睡眠时间占比，较大的深睡眠时间占比及较高的睡眠效率，水垫32 也表现出较高的睡眠效率和较长的总睡眠时间，与水管29 无显著差异（P＞0.05）。此外，受水管32 影响下偏暖的被褥微环境中，受试者浅睡眠和深睡眠的时间占比与水管29 和水垫32 相近。

图9 睡眠时间和清醒时间Fig.9 Sleeping time and awaking time

2.2 温控条件与睡眠要素的关系

2.2.1 睡眠时被褥微环境对被覆躯体热感觉和睡眠质量的影响

睡眠时被覆躯体热舒适与被褥系统直接相关，其次与室内热环境相关。采用合适的被褥系统，可以让人们在较低的室内热环境下确保睡眠质量。已有研究表面，冬季床垫上铺设可升温的电热毯，改善被褥微环境温度，可以有效地减少睡眠潜时和增加醒后人体热舒适［13］，也可以减少冷应力，确保睡眠的稳定性和睡眠期间的温度调节［13］。研究结果表明，在较冷的室内工况下，受水垫29 影响的被褥微环境的热感觉处于稍凉水平，导致了较低的睡眠效率（图10），而受其他3 种温控条件影响的被褥微环境处于适中或偏暖的状态，则能确保较高的睡眠效率和较少的浅睡眠时长。基于此，在床垫上加入辅助的调温设施，需要调控合适的温度才能有效改善人体热感觉和睡眠质量，这是由于被覆躯体与被褥系统之间的物理传热原理决定了被覆躯体的热感觉状态。

图10 睡眠各个阶段的时间占比Fig.10 Percentage of time spent in each stage of sleeping

关于热感觉与睡眠质量之间的关系，采用spearman 相关性对被褥微环境中被覆躯体热感觉与各睡眠参数进行分析，受试者的热感觉与基于总样本量的各睡眠参数存在显著相关性（表3）。在水垫29 温控条件下，被覆躯体热感觉与浅睡眠呈显著负相关，与深睡眠和睡眠效率呈显著正相关，而其他3 种温控条件的正负相关性与水垫29 正相反。由此可见，稍暖或稍凉的热感觉会显著影响人的睡眠质量。

表3 不同温控条件下被覆躯体热感觉与各睡眠参数之间的相关性Table 3 Correlations between thermal sensation of the covered body and sleep parameters under different temperature control conditions

2.2.2 适宜的被褥微环境温度

基于被褥微环境中被覆躯体热感觉和睡眠效率的拟合曲线，以及ASHRAE 55-2013 标准中大于-0.5 热感觉值来得出较高睡眠效率对应的热感觉值范围（图11a）。结果表明，当热感觉值为-0.5时，相对应的睡眠效率是87%；大于87%睡眠效率的热感觉取值范围为-0.5～1.2；当热感觉值为0.35时，睡眠效率可达到90.3%。可见，在室内偏冷工况下，当被覆躯体感觉稍暖时，仍然感到舒适（图8c），睡眠效率也相对较高。这是由于在偏冷环境下，人们更喜欢偏暖或适中的环境［14］。

与热感觉对应的舒适的被褥微环境温度见图11b。由图可见适宜的被褥微环境温度范围为31.45～32.50 ℃，且较高睡眠效率相应的被褥微环境温度为32 ℃，该结果在Song 等［3］基于睡眠热舒适模型推算的范围之内。当被褥微环境温度为31.6～35.1 ℃，受试者的满意率大于90%；当被褥微环境温度为31.1～35.7 ℃，满意率大于85%。可见，本研究适宜的被褥微环境温度可获得多于85%的满意率。同时，受水管29、水管32 与水垫32 的平均被褥微环境在满意率大于90%的温度范围内（图7）。另外，由Ikeda 等［15］PST-WPD 模型推算也得出，在室温11～12 ℃时，舒适的被褥微环境温度为32.0～32.4 ℃，受试者整体不满意率小于15%，本研究中被褥微环境部分适宜温度在其范围内。实验结果中，受水垫32 影响的平均被褥微环境温度在其范围内（图7），水管29 和水管32 也较为接近该温度，分别相差-0.12 和+0.29 ℃。然而，Okamoto 等［16］和Wang 等［7］研究发现，当室内操作温度为14.5～17.5 ℃时，舒适的平均被褥微环境温度保持在30.0～30.8 ℃，该温度范围均比上述温度范围稍低。这种差异可能来源于受试者生理特征的差异、被覆条件的不稳定性，更重要的是不同的被褥微环境温度测试点。

图11 睡眠效率、被褥微环境温度及被覆躯体热感觉之间的关系Fig.11 Relationship among sleep efficiency，bed microclimate temperature and thermal sensation of the covered body

总的来说，在床垫中嵌入水管或水垫温控设施，当受主温控器调控至合适的温度时，可以弥补较低室温条件下被褥微环境中缺失的温度，以此实现睡眠中适宜的被褥微环境温度和确保被覆躯体热舒适。此外，与具有类似升温功能的电热毯相比，由独立的主温控器调控的温控床垫，更具有安全性，且可以实现在较高室温条件下的降温效果。同时，也可在此基础上升级系统后实现智能升温或降温，以满足不同季节不同个体的热需求，该部分还需进一步研究与讨论。

3 结论

1）受水垫29 影响的人-床界面与被褥微环境的温度值最低，热感觉处于稍凉水平，而水管29 处于适中水平，水垫32 与水管32 处于稍暖水平，且水管32 的被褥微环境温度值最高。同时，受水垫29 影响的被褥微环境温度、热感觉及睡眠质量分别与水垫32、水管29 和水管32 之间存在显著差异性，而水管32 与水垫32 间无显著差异。此外，床垫中内嵌的水垫温控层对被褥微环境温度的影响效果较为明显。

2）在较冷的室内工况下，适中或稍暖的被褥微环境在热舒适和热可接受度方面表面最佳，同时也能确保受试者有较高的睡眠效率和较长的深睡眠时间。

3）睡眠时被褥微环境的整体热感觉与各睡眠参数之间存在显著相关性，稍暖或稍凉的热感觉会显著影响人的睡眠质量。

4）基于睡眠效率、被褥微环境的温度及整体热感觉，得出适宜的被褥微环境温度范围为31.45～32.50 ℃，这与现有部分研究结果相一致，受试者的满意率可达85%以上。