夜間開窗角度對室內空氣質量和睡眠質量的影響

劉松敏 王芳 牛元源 章文杰

南京理工大學能源與動力工程學院

0 引言

全世界成年人每天花8 小時左右的時間在臥室休息[1]。睡眠能夠促進身體從日常生理和心理疲勞中恢復，提高人的生產力[2]。但睡眠問題威脅到世界上45%的人口的健康和生活質量，15%～35%的成年人有經常性的睡眠中斷[3]。

睡眠環(huán)境一般屬于低通風環(huán)境，低通風條件下會加劇污染物的積累，具有很高的暴露風險[4]。Nuno Canha 等[5]人發(fā)現睡眠期間不同通風方式下室內甲醛，PM2.5 和CO2等污染物的濃度高于葡萄牙確定的室內空氣質量標準。

本研究通過監(jiān)測南京某高校學生宿舍冬季睡眠期間室內外的溫度，相對濕度，CO2和PM2.5 濃度，采用主客觀相結合的方式評價大學生睡眠質量，探究不同開窗角度對室內空氣質量和睡眠質量的影響，為保障大學生健康發(fā)展提供基礎數據和科學依據。

1 實驗方案

1.1 實驗對象

對大學生進行匹茲堡睡眠質量指數（PSQI）的背景問卷調查統(tǒng)計[6]，探當代大學生睡眠質量和睡覺期間的門窗開關習慣。一共發(fā)放問卷250 份，回收有效問卷238 份。問卷結果表明：44%的大學生睡眠總時長不足7h，19%的大學生睡眠總時長不足6h，超過60%的大學生白天工作學習期間經常會感到精力不足和疲倦。存在睡眠障礙（PSQI≥8）的大學生一共78 人占32.8%。為了更好的找出影響大學生睡眠質量的環(huán)境因素，本研究篩選無睡眠障礙（PSQI＜8）的4 名大學生參與實驗，均為男性。要求受試者在每次測試開始前8 小時內禁止吸煙以及飲用茶、咖啡等對神經、心血管有刺激性的飲料，3 小時內不做劇烈的運動等[7-8]。

1.2 實驗方案

實驗在冬季2019 年12 月1 日到12 月31 日進行，實驗地點為南京某大學宿舍樓宿舍A 和宿舍B。宿舍A 和B 布局均相同（圖1），且為相鄰宿舍，保證室外環(huán)境參數相同。宿舍均坐北朝南，南面為陽臺，北面為宿舍入口大門走廊。實驗期間宿舍入口走廊處大門和宿舍廁所門窗均處于關閉狀態(tài)，所選宿舍長6.5 m、寬3.1 m、高3.1 m，每個宿舍有四張床位，上床下桌，床距地面1.7 m。每間宿舍南面有通向室外陽臺的一扇窗戶和門，窗戶寬0.5 m 高1.1 m，距離地面0.9 m。多參數環(huán)境測試儀放在距離地面1.8 m 處，與受試者睡眠期間呼吸的高度一致，如圖2 剖面圖所示。實驗通過控制陽臺處鋁合金外推式的窗戶來控制開窗的角度。

圖1 宿舍平面示意圖

圖2 宿舍a-a 剖面圖

1.3 研究方法

冬季實驗在2019 年12 月進行并記錄有效數據，第一組12 月4 日～12 月13 日（記為Ⅰ），宿舍A 開窗15°，宿舍B 關窗。第二組12 月16 日～12 月26 日（記為Ⅱ），宿舍A 開窗45°，宿舍B 關窗。實驗利用上海藍居U-MINI208 多參數環(huán)境記錄儀（每分鐘采樣記錄一次數據）來記錄室內的溫度（測量范圍：-40 ℃～100 ℃，精度為±0.5 ℃），相對濕度（測量范圍：0～99.9%，精度＜±2%），（測量范圍：0～5000ppm，精度＜50ppm）和PM2.5 的濃度（測量范圍：0～999 μg/m3，精度≤±10%）。

睡眠質量的定性評估使用調查問卷形式（表1），分別從睡眠平靜度，入睡難易度，醒來難易度，醒來振作度和睡眠滿意度五個方面進行評分[8]。睡眠質量的定量評估使用華為手環(huán)4 來監(jiān)測睡眠期間各階段的持續(xù)時間，事實證明高精度算法的腕部活動記錄儀對于睡眠持續(xù)時間等參數的評估也是很有價值的[9]。華為手環(huán)利用六軸加速度傳感器跟蹤和評估各種活動模式，利用TruSleep TM 技術準確監(jiān)測入睡和清醒時間、睡眠總時長、深睡時長、快速眼動時長，淺睡時長和清醒次數。

表1 主觀睡眠質量調查表

在本研究中利用Pearson 相關系數來反映兩個變量之間線性相關程度，線性回歸分析來進行相關變量的擬合，單因素方差來分析其差異性，p＜0.05 具有顯著性。

2 睡眠期間室內空氣質量及對睡眠質量的影響

2.1 睡眠期間室內空氣質量

實驗過程中睡眠期間的溫度，相對濕度，CO2和PM2.5 濃度晚上10 點到早上8 點的均值進行計算。冬季兩階段室內環(huán)境參數平均值如表2 所示。

表2 冬季睡眠階段室內外環(huán)境參數平均值

2.1.1 溫濕度

冬季睡眠期間不同開窗角度室內溫度沒有顯著差異，但室內溫度明顯高于室外溫度。Ⅰ組宿舍開窗15°和關窗（開窗0°）室內平均溫度分別為16.5±0.7 ℃和15.8±0.4 ℃，沒有顯著差異（p=0.144＞0.05）。Ⅱ組開窗45°和關窗室內平均溫度分別為16.1±1.2 ℃和16.4±1.0 ℃，沒有顯著差異（p=0.690＞0.05）。但室內溫度均明顯高于室外溫度。睡眠期間冬季室內溫度范圍為14.2～17.9 ℃，而Caddick[10]等人認為，室內最佳睡眠環(huán)境溫度為17～28 ℃、相對濕度為40%～60%。睡眠期間開窗45°，15°和關窗超過80%的情況低于Caddick等人建議的最佳睡眠溫度范圍。

冬季睡眠期間室內相對濕度明顯低于室外，是否開窗對室內相對濕度影響顯著。關窗時室內相對濕度明顯低于開窗15°和45°。Ⅰ組宿舍開窗15°時室內相對濕度為51.1±3.8%，明顯低于關窗時（58.9±2.5%）。Ⅱ組開窗45°室內平均相對濕度為58.9±5.8%，顯著低于關窗時（67.0±5.0%）。開窗15°，45°和關窗室內相對濕度均明顯低于室外（p＜0.05）。

Caddick 等人建議的最佳睡眠相對濕度范圍為40%～60%，Ⅰ組開窗15°室內相對濕度均滿足40%～60%的范圍，關窗時85%的情況下相對濕度符合要求。Ⅱ組測試期間南京陰雨連綿關窗時室內外的相對濕度均高于60%。

2.1.2 二氧化碳

冬季夜間睡眠期間不同開窗角度室內外CO2平均濃度具體如圖3 所示?！妒覂瓤諝庵卸趸夹l(wèi)生標準》[11]GB/T 17094-1997 規(guī)定室內CO2衛(wèi)生標準值≤1000 ppm。冬季睡眠期間關窗時室內CO2平均濃度為1483.2±293.6 ppm，均高于1000 ppm。開窗15°和45°室內CO2平均濃度分別為881.6±85.2 ppm 和718.8±113.5 ppm，均低于1000 ppm。

圖3 冬季夜間睡眠期間不同開窗角度下室內外CO2 濃度圖

實驗使用示蹤氣體法利用人體作為CO2釋放源測量宿舍換氣次數，具體計算操作過程參照清華大學的齊美薇等[12]人的研究。不同開窗角度宿舍的換氣次數具體結果如表3 所示。

表3 冬季睡眠期間不同開窗角度宿舍換氣次次數

睡眠期間不同開窗角度室內CO2濃度和換氣次數存在顯著差異，開窗角度越小室內CO2濃度越高，換氣次數越低。冬季睡眠期間宿舍關窗時室內CO2平均濃度顯著高于開窗15°和45°時，睡眠期間室內平均CO2濃度也均明顯高于室外（p＜0.05）。開窗15°和45°宿舍平均換氣次數分別為1.22±0.02 次/h 和1.69±0.13次/h 是關窗時(0.46±0.02 次/h)的3-4 倍。關窗時室內CO2日均濃度都高于1000ppm，陳爽等[13]人表示當室內CO2濃度超過1000ppm 時會對人體存在負面影響，會引發(fā)頭痛、嗜睡、降低大腦和神經功能，從而影響決策力等。

2.1.3 PM2.5

冬季睡眠期間Ⅰ組宿舍開窗15°和關窗時室內平均PM2.5 質量濃度分別為51.7±17.3 μg/m3和50.9±15.2 μg/m3，Ⅱ組開窗45°和關窗室內平均PM2.5 質量濃度分別為47.6±7.2 μg/m3和45.2±8.0 μg/m3，《環(huán)境空氣質量標準》GB3095-2012 規(guī)定的PM2.5 日均Ⅰ級濃度限值為35 μg/m3。冬季PM2.5 濃度超標會導致呼吸紊亂產生睡眠呼吸障礙等問題[14]，使得睡眠質量下降。睡眠期間Ⅰ組開窗15°和關窗情況下室內PM2.5濃度的超標天數均為9 天（90%）。睡眠期間Ⅱ組開窗45°室內PM2.5 超標率為100%，關窗情況下超標天數為9 天（90%）。因此無論是否開窗室內PM2.5 濃度的超標率均達到90%。

不同開窗角度室內PM2.5 質量濃度沒有顯著差異，室內PM2.5 平均質量濃度均低于室外。冬季睡眠期間，Ⅰ組宿舍開窗15°和關窗時，室內PM2.5 平均質量濃度沒有顯著差異（p=0.922＞0.05），但顯著低于室外（71.3±22.5 μg/m3）。Ⅱ組開窗45°和關窗對于室內PM2.5 濃度而言也沒有顯著差異性（p=0.892＞0.05），但也顯著低于室外（59.1±11.0 μg/m3）。

2.2 睡眠質量評估

2.2.1 不用開窗角度對主觀睡眠質量的影響

睡眠質量主觀評價結果如圖4 所示。冬季睡眠期間是否開窗對受試人員的入睡難易度和醒來難易度有顯著性差異（p＜0.05），睡眠期間關窗時入睡更容易但是醒來卻更困難。當窗戶開啟的角度越大換氣次數越高時受試者醒來越容易。但是開窗角度對于受試者的睡眠平靜度，醒來振作度和睡眠滿意度而言沒有顯著性差異。Kort HSM 等[15]人也表明參與者的PSQI 主觀睡眠滿意度得分在（室內溫度12 ℃-26 ℃）門窗開啟和關閉之間沒有差異。

圖4 不同開窗角度睡眠質量主觀問卷結果

2.2.2 不同開窗角度對客觀睡眠質量的影響

冬季睡眠期間不同開窗角度睡眠各客觀指標結果詳情間見表4。單因素方差分析研究結果表明，不同開窗角度對睡眠期間的睡眠總時長、深睡時長和清醒次數有顯著影響（p＜0.05）。

表4 冬季不同開窗角度睡眠期間客觀睡眠指標結果

是否開窗對冬季睡眠總時長影響顯著。冬季平均睡眠總時長在關窗、開窗15°、開窗45°時，分別為（461.1±37.4）min、（423.3±53.2 min）、(424.6±60.7 min)。是否開窗對平均睡眠總時長存在顯著差異（p=0.01643，p=0.00489＜0.05），關窗的情況下睡眠總時長會增加約37min。但是開窗分別為15°和45°時，對睡眠總時長沒有顯著影響（p=0.70129＞0.05）。

是否開窗對冬季深睡時長影響顯著，關窗情況下深睡時長會增加約20min，開窗15°和45°對深睡時長無顯著影響。冬季睡眠期間關窗時的深睡時長（146.7±30.2min）明顯高于開窗15°（127.5±22.7min）和45°（123.95 ±21.8min）的深睡時長（p=0.01054，p=0.00265＜0.05）。在窗戶開啟15°和45°之間時，受試者深睡時長沒有顯著差異（p=0.6758＞0.05）。

冬季睡眠期間開窗角度越小，清醒次數越多。睡眠期間關窗（開窗0°）、開窗15°和45°平均清醒次數分別為1.9 次/天、1.2 次/天和0.4 次/天，不同開窗角度睡眠期間清醒次數存在顯著差異（p＜0.05）。A.K.Mishra 等[15]人也表示室內門窗關閉時睡眠期間的清醒次數高于門窗開啟時。

2.3 空氣質量對睡眠質量的影響

2.3.1 環(huán)境參數對主觀睡眠的影響

將室內各環(huán)境參數和主觀睡眠質量各指標進行Pearson 相關性分析，對各環(huán)境參數和主觀睡眠各變量的相關性進行建模分析。冬季睡眠期間主觀睡眠參數和各環(huán)境參數的相關性如表5 所示。

表5 冬季睡眠期間主觀睡眠參數和各環(huán)境參數的相關性

冬季睡眠期間主觀的醒來振作度與相對濕度（r=0.386，p＜0.05）和PM2.5 濃度（r=-0.561，p＜0.05）顯著相關，表示PM2.5 濃度（26.6～90.7 μg/m3）越高，相對濕度越低，醒來振作度越低。醒來振作度顯示出與相對濕度RH 和PM2.5 濃度組合對應關系，具體如式（1）所示：

Fu Wei[16]等人也表示短期暴露于逐漸增加的PM2.5 等顆粒物中會導致睡眠質量下降。而且PM2.5可能通過影響中樞神經系統(tǒng)來影響睡眠質量[17]，讓人醒來時萎靡不振，因此睡眠期間PM2.5 濃度越高會導致醒來后振作度越低。

在此次冬季實驗睡眠期間室內溫度為14.2～18.0 ℃，入睡難易度和室內相對濕度（r=0.227，p=0.043）與CO2濃度(r=0.412，p＜0.05)顯著正相關。顯示出較高的CO2濃度和相對濕度（即關窗時），會使得睡眠期間的主觀入睡更容易。入睡難易度顯示出與相對濕度RH 和CO2濃度組合對應關系，如式（2）所示：

冬季夜間睡眠期間室內CO2濃度越高越容易入睡，但是醒來時卻越困難。雖然CO2濃度和入睡難易度之間顯著正相關，但是醒來難易度卻和CO2濃度呈現顯著負相關（r=-0.480，p＜0.05）。D.A.Krawczyk 等[18]人研究表明當室內CO2濃度超過1000ppm 時，人員可能會感覺頭暈、疲勞嗜睡以及讓人昏昏欲睡。因此冬季睡眠期間室內CO2濃度越高越容易入睡，但是醒來時卻越困難。

2.3.2 環(huán)境參數對客觀睡眠的影響

室內各環(huán)境參數和客觀睡眠質量的各指標擬合關系如圖5 所示。結果顯示冬季睡眠期間室內CO2濃度（599～2147ppm）每升高1000ppm，睡眠期間清醒次數將會加1 次。冬季睡眠期間清醒次數隨著CO2濃度的增加而增加（r=0.729；p＜0.001），從而導致睡眠質量下降。Strm-Tejsen 等人[19]也報告說，在低換氣率的宿舍中睡覺的人的睡眠質量下降，睡眠中斷清醒更多。A.K.Mishra 等[15]人發(fā)現睡眠的清醒次數與CO2水平（r=0.19）正相關，較低的CO2濃度和較溫暖的條件（室溫12～26 ℃）下，夜間清醒次數減少，睡眠質量提高了。因此睡眠期間室內CO2濃度越高（即開窗角度越?。?，清醒次數就越多，睡眠質量就下降了。

圖5 不同CO2 濃度下的睡眠期間清醒次數變化圖

關窗時受試人員睡眠期間總睡眠時長和室內PM2.5 濃度顯著正相關（r=0.615，p＜0.05），其線性擬合結果見圖6。關窗時室內PM2.5 濃度（26.6～90.7 μg/m3）升高10 μg/m3，則夜間期間總睡眠時長將會增加19 分鐘。An R、Yu H 等[20]人研究也表明暴露在PM2.5 濃度（64.7～100.0 μg/m3）高的環(huán)境中可能會導致血壓升高，認知功能受損，進而導致睡過頭，且當PM2.5 濃度每增加一個標準差（36.5 μg/m3）時，睡眠總時長估計增加了1 小時以上。因此冬季期間宿舍關窗的情況下夜間睡眠的總時長會隨著PM2.5 濃度的增加而增加。

圖6 關窗時不同PM2.5 濃度下的夜間睡眠總時長

冬季夜間睡眠期間關窗時，夜間PM2.5 平均質量濃度升高，睡眠總時長增加，但是醒來振作度卻降低。當PM2.5 濃度升高10 μg/m3，夜間期間總睡眠時長增加19 分鐘,但是睡眠期間主觀的醒來振作度與PM2.5濃度（r=-0.561，p＜0.05）顯負相關。Gongbo Chen 等[17]人表示吸入的PM2.5 顆粒通過鼻子和嗅覺神經到達大腦，這可能導致炎癥反應和大腦中神經遞質水平的改變，讓人萎靡不振睡眠質量下降。因此PM2.5 質量濃度的升高雖然會使睡眠總時長增加，卻會導致醒來時萎靡不振。

3 結論

本文以南京某高校學生宿舍冬季夜間不同開窗角度下學生的睡眠質量為研究對象，同時監(jiān)測睡眠期間室內外環(huán)境參數，分析夜間開窗角度對睡眠期間室內空氣質量和睡眠質量的影響得到以下結論：

1）冬季睡眠期間不同開窗角度室內溫度和PM2.5濃度沒有顯著差異，但室內PM2.5 超標天數均超過90%，會導致睡眠呼吸障礙影響睡眠質量。關窗時室內相對濕度明顯高于開窗15°和45°時。對于室內CO2濃度，不同開窗角度存在顯著差異，開窗角度越小室內CO2濃度越高。

2）對于主觀睡眠質量，關窗時（較高的CO2濃度和相對濕度），會使得睡眠期間入睡更容易，但開窗角度越小受試者醒來越困難。對于客觀睡眠質量，是否開窗對睡眠總時長和深睡時長影響顯著，關窗時睡眠總時長和深睡時長比開窗15°和45°將分別增加37min 和20min。其次開窗角度越小睡眠期間清醒次數就越多。

3）環(huán)境參數和睡眠參數的相關性分析表明室內CO2濃度每升高1000ppm，睡眠期間清醒次數將會加1次。關窗時睡眠期間室內PM2.5 濃度每升高10 μg/m3，總睡眠時長將會增加19 分鐘，但是較高濃度的PM2.5 會使得醒來振作度降低,萎靡不振。

由于時間和條件的限制，本實驗的研究對象為在校大學生這個特殊群體，實驗僅在冬季學校宿舍這一環(huán)境中進行。如果條件允許可以選取更多群體在不同睡眠環(huán)境中參與實驗，并對受試人員第二天的工作效率等狀況進行記錄綜合研究室內空氣質量對睡眠質量的綜合影響，為研究室內環(huán)境對睡眠質量和健康的影響提供科學依據。