基于四節(jié)點體溫調(diào)節(jié)模型的睡眠系統(tǒng)舒適性預(yù)測

潘夢嬌，盧業(yè)虎,,3，王 敏

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215006；2.東華大學 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051；3.吳江萬旺紡織有限公司，江蘇 蘇州 215226)

隨著經(jīng)濟水平的提高和科學技術(shù)的發(fā)展，人們對居住環(huán)境的舒適性要求越來越高。睡眠作為人們重要的室內(nèi)活動，睡眠時間和質(zhì)量將直接影響人們的身體健康和工作效率。環(huán)境舒適性的預(yù)測及舒適性標準的設(shè)計主要是基于人體熱舒適的基礎(chǔ)研究[1]，因此開展睡眠環(huán)境下人體熱舒適性的預(yù)測研究能科學指導高性能家紡產(chǎn)品的開發(fā)，對保障人們睡眠時間和質(zhì)量，促進身體健康和提高工作效率具有重要價值。

過去幾十年，國內(nèi)外學者對人體熱舒適性進行了大量研究并建立了相關(guān)模型，其中較具代表性的有丹麥Fanger[2]提出的PMV-PPD模型、美國Gagge[3]提出的兩節(jié)點模型等，但這些模型的建立均基于人體在清醒狀態(tài)下的熱舒適研究，不適用于探究睡眠環(huán)境下的人體熱舒適。Pan等對Gagge兩節(jié)點模型加以改進并建立了四節(jié)點體溫調(diào)節(jié)模型，能預(yù)測不同因素對睡眠人體熱生理反應(yīng)的影響，是研究睡眠環(huán)境熱舒適的有效工具[4]。

本文基于Pan等[4]的研究開發(fā)了四節(jié)點體溫調(diào)節(jié)模型，并利用Song等[5]實驗數(shù)據(jù)對該模型加以驗證，探究了環(huán)境溫度、被褥熱阻及人體與被褥的接觸面積3個因素對睡眠人體熱舒適性的影響，為人體睡眠系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供科學依據(jù)。

1 四節(jié)點體溫調(diào)節(jié)模型

1.1 模型建立

建立的四節(jié)點體溫調(diào)節(jié)模型將睡眠人體劃分為4個部分，包括體核部分和3個皮膚部分[4]，即裸體皮膚、與被褥接觸的皮膚、與床墊接觸的皮膚，分別用下標1、2、3表示。此外，模型充分考慮不同睡眠時期人體生理參數(shù)的差異性，將人體的睡眠狀態(tài)分為快速眼動時期(REM)和非快速眼動時期(NREM)2個不同的代謝狀態(tài)[4]，并且考慮人體不同部位的局部熱阻和濕阻。睡眠人體體核部分和3個皮膚部分的熱平衡方程分別為：

式中：Scr、Ssk分別為體核部分、皮膚各部分的熱存儲，W/m2；M為人體代謝產(chǎn)熱，W/m2；W為外部做功，W/m2；Qres為呼吸散熱，W/m2；Qt為從體核傳遞到皮膚各部分的熱量，W/m2；Qe、Qc、Qr分別為皮膚各部分的蒸發(fā)、對流、輻射散熱，W/m2；αi為皮膚各部分占總體表面積比，%。

模型最終輸出人體核心溫度和平均皮膚溫度的變化，雖然人主觀感到熱舒適沒有真正的閾值[6]，但核心溫度和皮膚溫度是評價人體熱舒適和生理反應(yīng)的重要客觀指標[5-7]，因此通過分析輸出溫度變化能有效預(yù)測睡眠人體熱舒適性。

1.2 模型驗證

利用Song等[5]的真人實驗結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果進行比較來驗證建立的四節(jié)點體溫調(diào)節(jié)模型。表1示出真人實驗條件下模型的輸入?yún)?shù)。基于34區(qū)段暖體假人各分區(qū)的表面積[8]，根據(jù)人體與床褥系統(tǒng)的接觸情況估算3個部分皮膚面積，計算得到皮膚各部分的表面積比αi(i= 1，2，3)。

表1 模型輸入?yún)?shù)

將實驗參數(shù)輸入至四節(jié)點體溫調(diào)節(jié)模型中，圖1示出核心溫度(Tcr)和平均皮膚溫度(Tsk)的實驗與模型預(yù)測結(jié)果比較?？煽闯觯Ｐ皖A(yù)測的核心溫度(Tcr,pre)和實驗的核心溫度(Tcr,ex)吻合度很高，相對誤差均在±2.98%以內(nèi)，最小誤差僅0.022%；模型預(yù)測的平均皮膚溫度(Tsk,pre)和實驗的平均皮膚溫度(Tsk,ex)吻合度較高，除開始時10 min內(nèi)溫差較大，其余的相對誤差均在±6.41%以內(nèi)。在實驗開始后10 min內(nèi)二者溫度值相差較大，可能是因為被試者剛進入低溫環(huán)境，雖然已經(jīng)躺在床上并蓋上被褥，但人體的體溫調(diào)節(jié)反應(yīng)需要時間，而模型以固定的起點開始計算，因此人體平均皮膚溫度比模型預(yù)設(shè)值要低一些。之后，模型預(yù)測溫度普遍比實驗溫度略低，可能是因為在低溫環(huán)境下，真人實驗中的睡眠人體會卷曲身體來減少熱量散失，但在體溫調(diào)節(jié)模型中沒有考慮這一點[4]。綜上，通過比較實驗結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果可得出，建立的四節(jié)點體溫調(diào)節(jié)模型能夠?qū)λ呷梭w熱舒適性作出預(yù)測并具有較好的準確度。

圖1 Tcr和Tsk的實驗與預(yù)測結(jié)果比較

2 實驗部分

根據(jù)潘黎[9]的研究，選取冬季室內(nèi)溫度分別為17、20和23 ℃作為本文研究的3個環(huán)境溫度水平。圖2示出3種人體與床褥系統(tǒng)的接觸情況。其中：A為正常睡眠狀態(tài)；B中雙臂在被褥外；C為雙臂和小腿在被褥外。實驗針對1名成年男性(身高為1.70 m，體重為60.5 kg)，設(shè)定環(huán)境濕度為50%，床墊熱阻為0.4 m2·K/W。表2示出具體實驗設(shè)計表。

圖2 睡眠人體與床褥系統(tǒng)的接觸情況

表2 實驗設(shè)計表

設(shè)計7組典型實驗參數(shù)輸入至四節(jié)點體溫調(diào)節(jié)模型中，根據(jù)預(yù)測得到8 h內(nèi)睡眠人體核心溫度和平均皮膚溫度(以下簡稱為皮膚溫度)的變化，探討環(huán)境溫度、被褥熱阻及人體與被褥的接觸面積3個因素對睡眠人體熱舒適性的影響，為人體睡眠系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供科學依據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 環(huán)境溫度因素分析

圖3示出不同環(huán)境溫度下睡眠人體核心溫度和皮膚溫度的變化。睡眠開始后，核心溫度均略微上升并在10 min左右達到峰值，約37.0 ℃；之后核心溫度均呈緩慢下降趨勢，因為人在睡眠過程中的新陳代謝速度下降，心跳變緩，血流速度下降，體溫也會下降[10]。編號N1、N2的核心溫度在REM時期呈現(xiàn)不同幅度的小幅波動，分別在322和422 min時達到谷值，約為35.9和36.1 ℃。在REM時期，核心溫度隨環(huán)境溫度的升高而上升；在NREM時期，相對低溫環(huán)境(17和20 ℃)下核心溫度幾乎不受環(huán)境溫度的影響，可能是受人體自主性體溫調(diào)節(jié)的作用[9]，相對高溫環(huán)境(23 ℃)下核心溫度較之更高，是因為偏暖環(huán)境下人體心跳略快，產(chǎn)熱較多。

圖3 不同環(huán)境溫度下睡眠人體Tcr和Tsk的比較

睡眠開始后，實驗N1的皮膚溫度迅速下降，之后整體呈下降趨勢，在407 min時達到最低值約31.2 ℃，且在REM時期呈現(xiàn)較大幅度波動。睡眠時皮膚溫度的變化主要是由于體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相互作用和大腦中促進睡眠/清醒的區(qū)域形成了正反饋回路[11]。其中，REM時期較其他睡眠階段對環(huán)境溫度更敏感且更易產(chǎn)生熱不舒適[12-13]。所以，低溫環(huán)境中實驗N1的睡眠熱舒適性和穩(wěn)定性均較差。實驗N2的皮膚溫度在睡眠初始迅速下降，稍有上升后又呈緩慢下降趨勢且在REM時期呈現(xiàn)不同幅度的波動，在睡眠后期略有回升，皮膚溫度在不同睡眠階段的變化趨勢反映出實驗N2的睡眠熱舒適性較好。實驗N3的皮膚溫度在睡眠伊始略有下降后又逐漸上升，之后雖整體呈緩慢下降趨勢，但仍一直維持在較高位波動，最高皮膚溫度約35.5 ℃，人體將感到暖不舒適。整個睡眠過程中，皮膚溫度均隨環(huán)境溫度的升高而上升。

實驗N1、N2和N3在整個睡眠過程中核心溫度的平均值分別為36.4、36.4和36.5 ℃，相差不大；皮膚溫度的平均值分別為31.7、33.0和34.9 ℃，環(huán)境溫度水平從17 ℃到23 ℃每升高3 ℃，皮膚溫度的平均值分別增大了4.10%和5.76%，說明隨著環(huán)境溫度升高，其對皮膚溫度和睡眠熱舒適性的影響也越大。睡眠過程中核心溫度的最大差值分別為1.1、0.9和0.7 ℃，皮膚溫度的最大差值分別為3.4、2.4和1.8 ℃。核心溫度和皮膚溫度的波動幅度均隨環(huán)境溫度的升高而減小，這說明較高溫環(huán)境下核心溫度和皮膚溫度較為平穩(wěn)，模型較為平滑，人體睡眠穩(wěn)定性較好。

3.2 被褥熱阻因素分析

圖4示出不同被褥熱阻下睡眠人體核心溫度和皮膚溫度的變化。核心溫度在0～10 min內(nèi)均略微上升至峰值，約37.0 ℃，可能是毛細血管肌肉前交感神經(jīng)張力的消失導致這一現(xiàn)象，是為入睡做準備；之后整體呈緩慢下降趨勢且在REM時期呈現(xiàn)不同幅度的小幅波動，實驗N2、N4和N5在430 min左右達到谷值，分別約為36.1、36.0和36.2 ℃；核心溫度在覺醒前60～120 min內(nèi)輕微回升，可能是由身體的荷爾蒙分泌傳遞給下丘腦激素一個信號造成的[14]，是為覺醒做準備。在REM時期，核心溫度隨被褥熱阻的升高略有上升；在NREM時期的體溫調(diào)節(jié)水平雖然較低，但仍能維持核心溫度相對穩(wěn)定，核心溫度幾乎不受被褥熱阻的影響。這說明在設(shè)定實驗條件下，被褥熱阻對核心溫度的影響不大。

圖4 不同被褥熱阻下睡眠人體Tcr和Tsk的比較

睡眠開始后，皮膚溫度均迅速下降，接著在睡眠初期上升，是因為剛?cè)胨瘯r人體的放松狀態(tài)取消了交感神經(jīng)的血管運動[8]，之后又呈逐漸下降趨勢并在REM時期呈不同幅度的波動。實驗N2、N4和N5的皮膚溫度在430 min左右達到谷值，分別約為32.1、31.5 和32.4 ℃。整體而言，由于實驗N4的被褥熱阻較小，熱量易散失到環(huán)境中而導致皮膚溫度偏低，人體可能出現(xiàn)冷顫實驗N5因被褥熱阻較大，其皮膚溫度在睡眠初期偏高，整體睡眠熱舒適性較實驗N2略差。整個睡眠過程中，皮膚溫度均隨被褥熱阻的增大而上升。

實驗N2、N4和N5在整個睡眠過程中核心溫度的平均值均約為36.4 ℃，幾乎不受被褥熱阻影響；皮膚溫度平均值分別為33.0、32.1和33.5 ℃，被褥熱阻水平從0.5～1.3 m2·K/W每增大0.4 m2·K/W，皮膚溫度的平均值分別增大了2.80%和1.52%，說明在被褥熱阻相對小時，其對皮膚溫度的影響更大，對睡眠熱舒適性的影響也更大。睡眠過程中核心溫度的最大差值分別為0.9、1.0 和0.8 ℃，皮膚溫度的最大差值分別為2.4、3.0 和2.1 ℃。核心溫度的波動幅度隨被褥熱阻的增大而減小但影響較??；皮膚溫度的波動幅度也隨被褥熱阻的增大而減小且影響較大；即睡眠穩(wěn)定性隨被褥熱阻的增大而有所提升。

3.3 與被褥接觸面積因素分析

圖5示出不同人體與被褥的接觸面積下睡眠人體核心溫度和皮膚溫度的變化。睡眠開始后，核心溫度均略微上升并在10 min達到峰值，約37.0 ℃；之后實驗N2和N7的核心溫度逐漸下降且在REM時期呈現(xiàn)不同幅度的小幅波動，實驗N6的核心溫度一直緩慢下降并趨于平穩(wěn)。實驗N2、N6和N7在430、407和322 min核心溫度達到谷值，分別約為36.1、36.3和35.9 ℃。在REM時期，隨人體與被褥接觸面積的增大，從體核傳遞到皮膚、再傳遞到環(huán)境中的熱量減少，核心溫度稍有上升；在NREM時期，實驗N2和N7的核心溫度差別不大，N6與被褥接觸面積更大，其核心溫度較前二者更高；但在整個睡眠過程中，人體與被褥的接觸面積對核心溫度的影響比較小。

圖5 人體與被褥不同接觸面積下睡眠人體Tcr和Tsk的比較

實驗N6皮膚溫度的變化規(guī)律與實驗N3相似，在睡眠伊始略有下降后又逐漸上升，在115 min左右達到峰值約35.6 ℃，后呈緩慢下降趨勢且在REM時期呈現(xiàn)不同幅度的波動。實驗N6的睡眠穩(wěn)定性較差，人體血管舒張并可能出汗，產(chǎn)生暖不舒適感。實驗N7皮膚溫度的變化規(guī)律與實驗N1相似，在睡眠開始后迅速下降，之后整體呈緩慢下降趨勢且在REM時期呈現(xiàn)較大幅度波動。由于實驗N7與被褥的接觸面積較小，睡眠人體散熱較多，導致皮膚溫度較低，在407 min時達到谷值約僅31.2 ℃，人體血管收縮并可能冷顫，產(chǎn)生冷不舒適感。整個睡眠過程中，皮膚溫度均隨人體與被褥接觸面積的增大而上升。

實驗N2、N6和N7在整個睡眠過程中核心溫度的平均值分別為36.4、36.6和36.4 ℃，具有較大人體與床褥系統(tǒng)接觸面積的N6的皮膚溫度比實驗N2和N7高0.2 ℃；皮膚溫度的平均值分別為33.0、35.0和31.7 ℃，人體與被褥的接觸面積水平從20.8%到40.8%約每增大10.0%，皮膚溫度的平均值分別增大了4.10%和6.06%，說明隨著人體與被褥接觸面積的增大，其對皮膚溫度和睡眠熱舒適性的影響也越大。睡眠過程中核心溫度的最大差值分別為0.9、0.7和1.1 ℃，皮膚溫度的最大差值分別為2.4、1.8和3.4 ℃。核心溫度和皮膚溫度的波動幅度均隨人體與被褥接觸面積的增大而減小，即較大的接觸面積有利于睡眠穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本文建立了四節(jié)點體溫調(diào)節(jié)模型，基于驗證后的模型探討了環(huán)境溫度、被褥熱阻及人體與被褥的接觸面積3個因素對睡眠人體熱舒適性的影響，得到以下結(jié)論。

1)采用熱阻為0.9 m2·K/W的被褥、雙臂在被褥外的接觸情況時，核心溫度和皮膚溫度均隨環(huán)境溫度的升高而上升，但在較低溫環(huán)境下處于非快速眼動時期的核心溫度幾乎不受環(huán)境溫度的影響。

2)在20 ℃環(huán)境溫度下采用雙臂在被褥外接觸情況時，被褥熱阻對核心溫度的影響不大，皮膚溫度隨被褥熱阻的增大而上升。

3)在20 ℃環(huán)境溫度下采用熱阻為0.9 m2·K/W的被褥時，核心溫度和皮膚溫度均隨人體與被褥接觸面積的增大而上升，但核心溫度受接觸面積的影響較小。

4)在不同組合中，通過對核心溫度和皮膚溫度的分析，得出睡眠系統(tǒng)熱舒適的最優(yōu)組合方案為環(huán)境溫度20 ℃、被褥熱阻0.9 m2·K/W、與被褥接觸情況為雙臂在外。

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